電視調頻轉播臺防雷系統優化改造

文/董彪

引言

大華山臺目前共有2套地面無線數字電視，擔負起中央12 套和10套省、市無線數字電視信號傳輸發射任務，另外還負責6套廣播和4套模擬電視的發射。我臺位于永州市祁陽縣，東經111°52′12″，北緯26°41′9″，海拔約601 米，發射新鐵塔高85 米，為周邊最高的金屬建筑物，極易遭受雷擊，雷電一直以來是影響廣播電視發射臺的一個重要因素。我臺防雷接地系統自1985年建臺以來從未進行全面系統的改造，由于使用年限已久，接地電阻變大，防護性能下降，去年曾多次遭受雷擊造成發射設備損壞。

1.系統改造內容

雷電主要表現為直擊雷和感應雷，感應雷主要分為靜電感應、電磁感應和雷電脈沖等形式。為了有效避免設備遭受雷擊，杜絕安全播出事故，我臺按照國家規范和行業標準的要求進行了系統優化改造。

系統改造主要包括五個方面：共用接地裝置改造；低壓配電系統防雷設施改造；機房信號系統防雷設施改造；機房等電位接地設施改造；雷擊矢量控制接地技術應用。

2.系統設計與建設

2.1 新建共用接地裝置

按照《廣播電視工程工藝接地技術規范》要求，發射塔直擊雷接地、機房感應雷接地、機房工作接地、保護接地需共用接地裝置，工頻接地電阻不大于1 歐姆，雷擊沖擊接地電阻不大于10 歐姆。[1]我臺海拔高，強對流天氣頻繁，地質條件以巖石或者風化石為主，對接地系統建造提出了較高的要求。為了保證接地裝置有很好的防腐性能，使接地裝置具有穩定的接地電阻值，同時提高接地裝置的雷電泄放性能，有效降低直擊雷沖擊接地電阻[2]。設計為鐵塔接閃的直擊雷提供多條泄放通道，我們沿發射塔基外引多條網狀接地體，并安裝6口?150（mm）*30m的深井接地裝置，接地深井內植入?150*30000（mm）紫銅排作為垂直接地體，并每隔10米焊接一根?50*2000（mm）電解離子接地極，全部采用40*4（mm）紫銅排作為水平接地體和500*400*60高效接地模塊，接地裝置深埋0.5米，每隔5米垂直安裝?25*1500（mm）銅包鋼和?50*2500（mm）電解離子接地極作為垂直接地體，每隔10米使用450*300*60mm 高效接地模塊和長效防腐降阻劑改善接地體周圍的介電系數，增大接地體的等效電容室外接地母線（如圖1）。

圖1 共用接地體

2.2 發射機房供電線路防雷設施改造

由于高壓供電上山線路架空傳輸距離長，而且鋪設在山區丘陵地帶，雷擊頻繁，被閃電擊中的概率非常高，閃電通過高壓線路侵入變壓器和機房，造成設備損壞的事故占到雷擊事故的80%以上。因此，供電線路的過壓防護是高山臺站防雷的重中之重。

（1）供電線路的屏蔽設施安裝。將機房低壓供電線路埋地進入機房。

（2）安裝低壓配電系統電涌保護器。

我們設計安裝3級低壓配電系統電涌保護器，減少由機房供電線路引入的過電壓對機房設備造成的損壞。①變壓器低壓出線處和柴油發電機進線處各安裝I級開關型SPD電涌保護器, 通流容量25KA（10/350us），響應時間＜25ns，保護水平（2.5KV），斷路器為63A，用于防護沿輸電線傳導的直擊雷。②在機房配電柜進線處安裝II級限SPD電涌保護器,通流容量80KA（8/20us），響應時間＜25ns，保護水平（1.3KV），主要防護感應雷。③發射機柜電源、空調電源進線端、交直流逆變柜進線處安裝Ⅲ級限壓型SPD電涌保護器，通流容量20KA（8/20us），響應時間＜25ns，保護水平（1.0KV），額定電壓380V，最終保護發射機和其他設備（如圖2）。

圖2 SPD浪涌保護器安裝

2.3 機房設備防雷

2.3.1 機房信號源設備防雷

當鐵塔遭雷擊時，巨大的雷電流通過塔體向大地泄放，由于雷電為高頻沖擊電流，會在鐵塔周圍形成巨大的瞬變磁場，由于電磁感應的作用，處于該磁場內的通信線路會感應出較高的電動勢，從而形成過電壓，對信號設備端口造成損壞。由于信號設備端口工作電壓低，抗過壓和過流的能力非常低，極易遭到感應雷的損壞。引入機房的信號線路主要為天饋、同軸電纜和光纖，均為架空進入機房，衛星接收天線高頻頭曾多次遭雷擊損壞，造成信號傳輸中斷。因此，信號源系統的防雷改造從兩個方面進行：（1）對戶外線纜的屏蔽設施進行改造。在機房屋頂鋪設等電位接地均壓環（40*4 熱鍍鋅扁鋼），衛星接收天線基座、饋管橋架、信號線纜屏蔽設施均就近與接地排相連；衛星接收天線至機房鋪設的同軸電纜穿?50 熱鍍鋅鋼管鋪設，鋼管兩端就近做接地處理；室外纏繞成線圈狀的線纜進行拆除，并按照防雷要求進行重新布放；鋪設獨立專用引下線將屋面接地排與新建地網相連。（2）信號設備端口的過壓防護。對引入機房的光纖加強筋做接地處理，同時在衛星接收機端口和網絡設備端口安裝相應規格的信號線路電涌保護器

2.3.2 機房等電位設施安裝及合理布線

機房等電位設施是機房設備和防雷設施與接地系統聯系的“橋梁”，是防雷接地系統的重要組成部分，如果機房等電位設施欠缺或者施工不規范，那么，防雷接地裝置將無法發揮其應有的作用。因此，等電位設施的安裝非常關鍵，是整套防雷系統的“最后一公里”。我們在機房內設置M型等電位接地，采用紫銅排30*3mm制作均壓環，所有信號傳輸、發射設備的金屬外殼、柜、機架、金屬管槽、屏蔽線纜外層、設備防靜電接地、安全保護接地、防雷器接地端應以最短距離與該等電位連接網絡相連。

2.4 雷擊電流矢量控制接地技術應用

在雷擊發生前，接閃器、引下線和整個接地裝置都處于與大地相同的零電位，在接地裝置與聯接在它上面的設備之間也不存在電位反擊。而在接閃后，當雷電流流過引下線和整個接地裝置的時候，雷電流在接地裝置各部分造成的電壓降是不相等的，于是在接地裝置各部分之間就存在電壓差，而在接地裝置與接在其上的設備之間就有電位反擊（或電壓反擊）的問題。

雷擊電流矢量接地控制技術就是通過旁路方式使雷電流只能通過我們設計的通道來泄放，從而達到保護發射設施的目的[3]（如圖3）。

圖3 矢量接地技術

在傳統聯合接地網地基礎之上，將機房內所有接地線按功能分為工作地線、防雷接地線、保護接地線，同時在三者之間串聯“雷擊電流矢量控制器”，當雷擊發生時，“雷擊電流矢量控制器”開始工作，將聯合接地網與工作接地線、保護接地線之間的連接通道隔離開，使得地網上的雷電流不能通過工作接地線與保護接地線反串進入所保護的設施設備中。

結語

工程完工后，我臺組織有資質的檢測機構進行系統驗收。整個防雷系統中接地至關重要，關系到整個防雷系統的效果，我們選取了鐵塔4個塔基、機房等電位接地體和每臺發射設備SPD浪涌保護器接地端進行了檢測，鐵塔的接地電阻為0.94歐姆，其余各檢測點均達到了設計要求，同時我們還對所有SPD進行了測試，發現2只SPD不符合要求，并及時進行了更換。