淺談高山無線發(fā)射臺綜合防雷技術(shù)的架構(gòu)設(shè)計

文/王文

防雷技術(shù)對于任何一個高山發(fā)射臺來說都是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，因為它直接關(guān)乎到發(fā)射臺工作能否正常安全運行。昭通位于云南省東北部，地處滇、川、黔三省結(jié)合處，素有“鎖鑰南滇，咽喉西蜀”之稱。昭通境內(nèi)群山林立，山高谷深，特殊的地理環(huán)境造就了涼風臺成為區(qū)內(nèi)第三高峰。本文簡要介紹昭通市廣播電視轉(zhuǎn)播臺涼風臺高山發(fā)射站因地制宜的防雷設(shè)施及架構(gòu)設(shè)計，供技術(shù)研究及同行參考。

昭通市廣播電視轉(zhuǎn)播臺的涼風臺發(fā)射站位于云南省昭通市昭陽區(qū)小龍洞鄉(xiāng)涼風臺山頂。這里山高坡陡，海拔3154米，自然條件極為惡劣。一年四季多為云蒸霞蔚，或冰天雪地，常年氣溫較低，氣候干燥，年雷暴日為47d/年，屬于高雷暴區(qū)，是全國一級艱苦臺站，也是滇東北地區(qū)海拔最高、任務最重、功率最大的高山骨干無線發(fā)射臺。不管環(huán)境多惡劣，困難有多少，昭通涼風臺發(fā)射站從1984年成立以來就一直承擔著中央、省、市主要廣播電視節(jié)目無線發(fā)射覆蓋任務，全天24小時專人值守，轉(zhuǎn)播節(jié)目覆蓋昭陽、魯?shù)椤⒋箨P(guān)、彝良等縣區(qū)，受益人口約為350萬人。

高山無線發(fā)射臺所處的地理位置及氣候環(huán)境的特殊性和復雜性，使其在雷雨季容易遭受到雷擊。一般情況下，發(fā)射機房和發(fā)射鐵塔之間大多相距數(shù)十米甚至上百米，若未構(gòu)建有效的防雷措施，雷電將擊毀傳輸高頻能量的饋管，甚至會對機房造成嚴重的破壞，同時還會威脅到值守人員的生命安全。因此，如何科學合理地設(shè)計高山無線發(fā)射臺的防雷保護措施，最大限度地保障雷雨季節(jié)期間廣播電視節(jié)目安全播出及值守人員的生命安全，成為整個昭通廣播電視轉(zhuǎn)播臺乃至涼風臺的攻關(guān)課題。

在結(jié)合實際的基礎(chǔ)上，技術(shù)人員查閱了大量有關(guān)資料，經(jīng)過反復討論研究，多次實驗，基本掌握了實地高山雷電規(guī)律，找到了可行的應對方法和途徑。

1.雷電波的特性及其入侵路徑

雷電是天空帶有正負兩種電荷對流云層間相遇、產(chǎn)生劇烈磨擦，使高端云層和低端云層帶上相反電荷，低端云層在大地上面感應出大量的異種電荷，即形成一個極大的電容，當場強達到一定強度時，對大地進行放電的過程，這就是“雷電現(xiàn)象”。

1.1 雷擊形式的分類

1.1.1 直擊雷

直擊雷是指雷云直接對地面上的高層建筑物體或電力裝置進行放電，產(chǎn)生巨大能量，且放電時間特別短。放電電壓和電流相對較大，因此強大的雷電流通過地面突出物體進入地時，產(chǎn)生極大的破壞性和熱效應、機械效應，直接引發(fā)建筑物、發(fā)電廠、醫(yī)院、民房等停電，通訊中斷乃至人員傷亡。

1.1.2 感應雷

當帶電雷云接近高聳建筑物體時，收到靜電感應和電磁感應的影響，雷電電流會通過先導放電過渡到主導放電，引起金屬體產(chǎn)生較高的電壓。高山發(fā)射臺感應雷主要表現(xiàn)形式有兩種：一種是通過電網(wǎng)感應進機房的雷電光；第二種是經(jīng)傳輸電纜感應來的雷電流。

1.1.3 雷電波

雷電波是指輸電線路在受到雷擊或者雷電感應雷時，產(chǎn)生的沿不同方向傳播的高電位沖擊波，這種沖擊波傳播的速度在150m/s左右，沿著不同的方向進行無規(guī)律的傳導，嚴重干擾了廣播電視的傳輸和發(fā)射，甚至會對電源系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、衛(wèi)星接收系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備造成不同程度的損壞。

1.2 高山發(fā)射臺雷擊入侵途徑

雷電襲擊主要為直擊雷和感應雷兩種形式。通常情況下，主要通過供電線路侵入、信號線纜侵入和地電位反擊電壓等三種途徑對廣播電視設(shè)施設(shè)備造成損壞。

2.涼風臺發(fā)射站防雷設(shè)施的架構(gòu)設(shè)計

2.1 設(shè)計背景

根據(jù)雷電破壞的特點，做好高山發(fā)射臺的設(shè)備防雷工作，應增強防雷意識，把防雷避雷作為一項重要的系統(tǒng)工程來抓。在防雷措施的架構(gòu)設(shè)計中，要全方位、多層次地進行科學合理思考，多措并舉進行布局。

昭通廣播電視轉(zhuǎn)播臺涼風臺發(fā)射站機房內(nèi)設(shè)有總配電室、柴油發(fā)電房、庫房、監(jiān)控室、發(fā)射機房、值班室等設(shè)施設(shè)備，既有強電設(shè)備，也有弱電設(shè)備，其中強電部分有總配電系統(tǒng)、柴油發(fā)電系統(tǒng)機房配電系統(tǒng)及UPS等，弱電部分包括有線電視信號系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)信號系統(tǒng)、電話信號及衛(wèi)星接收系統(tǒng)等。機房位于發(fā)射塔西南側(cè)，東北側(cè)是值班宿舍及生活區(qū)，衛(wèi)星接收天線的位置則位于機房西南側(cè)，機房為單層，高度7.6米，距離發(fā)射塔19米，發(fā)射塔距山體下降沿4米（19m+4m）。按照《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》標準，二類建筑物的滾球半徑hr=23m，以設(shè)計的基準地平面來計算，可算出被保護建筑物的高度最大為7.12米。

涼風臺發(fā)射站位于山頂，地處斜坡坡頂?shù)貛В乇硗寥垒^少，多為巖石，土壤電阻率較高，雷電流泄放相對困難。年雷暴日為47d/年，雷電活動強烈，極易遭受雷擊。為此，臺內(nèi)工程技術(shù)人員根據(jù)涼風臺實際制定了一套切實可行的綜合防雷措施。

2.2 發(fā)射塔和機房、宿舍的防雷

通常，發(fā)射天線和鐵塔處于高山臺站的最高點。發(fā)射天線及鐵塔本身既可能成為防雷避雷的泄放導體，也可能變成”引雷器”，因此，它是臺站防雷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.2.1 發(fā)射塔防雷設(shè)計

發(fā)射塔因位置處于最高點，雷電來臨時，極易遭受雷擊并通過鐵塔和天饋線進入機房，造成發(fā)射設(shè)備過流、過壓損壞。我們用60*6熱鍍鋅扁鋼在發(fā)射塔外圍鋪設(shè)環(huán)形地網(wǎng)，內(nèi)圓半徑為5米，外圓半徑為8米，配合使用1米純銅離子接地極垂直敷設(shè)，同時從環(huán)形地網(wǎng)上外引4條水平接地線，并且在外引線上增設(shè)接地模塊，以期達到廣電行業(yè)要求的鐵塔接地電阻＜5Ω以下。

2.2.2 業(yè)務用房防雷設(shè)計

發(fā)射臺業(yè)務用房長29.6米，寬28.5米，本方案設(shè)計業(yè)務用房地網(wǎng)：在業(yè)務用房地基內(nèi)采用60*6熱鍍鋅扁鋼水平鋪設(shè)不小于5*5米的網(wǎng)格，外圍配合使用1米純銅離子接地極垂直敷設(shè)，交叉處采用50*5*1500mm熱鍍鋅角鋼作為垂直接地極，外引4條水平接地線，并且在外引線上增設(shè)接地模塊，最后用60*6熱鍍鋅扁鋼將外引線圍成一個圓環(huán)，形成一個完整的等電位。如果未達到設(shè)計要求，可以適當增加水平外引并配合使用高效降阻劑，達到了2.5Ω左右。我們把機房、宿舍地網(wǎng)與鐵塔地網(wǎng)通過外引線可靠連接形成一個等電位體，接地電阻達到設(shè)計要求，小于1Ω，符合國家規(guī)定的建筑物防雷設(shè)計規(guī)范要求。

2.3 臺站電源系統(tǒng)的防雷措施

2.3.1 電源的第一級防雷保護

為了防止浪涌電壓直接從配電室送電端口LPZ0傳導區(qū)進入LPZ1區(qū)，設(shè)計應將數(shù)萬至數(shù)十萬伏的浪涌電壓限制在3000—4000V。設(shè)計在總配電室配電柜及備用發(fā)電機進線端并聯(lián)安裝三相電源防雷模塊，通流容量為50KA（共2套）。

2.3.2 電源的第二級防護

配電柜輸出端的電源防雷器作為第二級保護時，是進一步將通過第一級防雷器的殘余浪涌電壓值限制到2000—2500V，此時作為限壓型電源防雷器使用，接閃電流容量不應低于40KA。在機房配電柜進線端并聯(lián)安裝三相電源防雷模塊，通流容量為60KA（共5套）。

2.3.3 電源系統(tǒng)的末級防護

最后一級防雷保護是進一步將通過第二級防雷器的殘余浪涌電壓限制在750V以下并對LPZ1—LPZ2實施等電位連接，接閃電流容量不應低于10KA。使用第三級電源防雷器把通過第二級的剩余浪涌電能進行更完善的吸收，對于瞬態(tài)過電壓具有極好的抑制作用。在宿舍樓層配電柜以及機房UPS或重要電子電器進線端并聯(lián)安裝三相電源防雷模塊，通流容量為20KA，對重要的精密儀器我們設(shè)計在設(shè)備末端安裝機架式防雷插座PDU，通流容量為10KA，這樣，整個電源系統(tǒng)的防雷措施得以完美解決。

2.4 室外天饋電纜及信號引入線的防雷措施

臺站內(nèi)的發(fā)射天線饋管、鋼絞線及波導固定架、鐵塔過橋、機房走線架及各種視音頻信號線、通信線等。在雷雨季節(jié)來臨時，饋線外皮很容易將感應電壓引入機房，所以，必須采取措施進行電氣阻塞。（1）首先要保證饋管兩端良好接地。在進入機房前，饋管外皮應就近與地網(wǎng)連接，吊饋管鋼絞線、固定架、過橋等每隔一段應與地網(wǎng)可靠接地。（2）各種線纜進入機房前屏蔽層必須就近與地網(wǎng)連接。如果引線較長時，可水平買入地下，引入機房的電纜中有不使用的芯線，應在兩端良好接地。

2.5 機房及業(yè)務用房的防雷

（1）在機房電纜溝用銅皮鋪設(shè)地網(wǎng)，發(fā)射機、網(wǎng)絡(luò)柜及接收系統(tǒng)的機殼通過多點與室外地網(wǎng)良好連接，營造等電位環(huán)境。（2）結(jié)合昭通轉(zhuǎn)播臺實際，科學地、有重點地采用防雷器件對電子設(shè)備進行保護。（3）配電室、發(fā)電機房的機殼、電源接地（中性線、零線）一律與機房共用地網(wǎng)可靠連接。機房鋁制門窗、暖氣管、水管、走線架等各種導體就近與母線或地網(wǎng)連接，形成一個完善的等電位共用體。

結(jié)語

根據(jù)雷電對高山發(fā)射臺入侵破壞的幾個途徑，通過深入細致的研究雷電形成的幾個特點，結(jié)合涼風臺高山發(fā)射臺房屋建筑結(jié)構(gòu)和鐵塔高度的工作實際，我們架構(gòu)設(shè)計出了一套完整的綜合防雷體系，形成高壓配電、低壓配電及現(xiàn)場設(shè)備完整的三級防雷系統(tǒng)。經(jīng)過多個雷雨季節(jié)的考驗，到目前為止，各項設(shè)備均運行正常，完好無損。

實踐證明，昭通轉(zhuǎn)播臺的綜合防雷系統(tǒng)能夠有效防范雷電和浪涌電壓對設(shè)備的電沖擊，很好地保護機房各種設(shè)備的正常運行，確保昭通廣播電視轉(zhuǎn)播臺廣播電視節(jié)目高效、優(yōu)質(zhì)、安全播出。

參考文獻

[1]馮建元，馮緊福.高山發(fā)射臺防雷研究與實踐[J].電視技術(shù)，2011（14）：75-78.