廣電發(fā)射臺綜合防雷及接地系統(tǒng)工程的運用

陳 勇

（作者單位：四川省廣播電視發(fā)射傳輸中心）

1 直擊雷防護

527臺新址有1座76 m中波桅桿天線、1座48 m中波小天線、1座80 m綜合發(fā)射塔、機房技術(shù)大樓、值班用房、柴油發(fā)電機房及中波天線調(diào)配室。

1.1 527臺鐵塔防雷接地體

兩副中波天線及綜合發(fā)射塔均有獨立的防雷接地網(wǎng)、接閃等設(shè)計及配置措施，可有效防直擊雷。防雷接地網(wǎng)采用垂直接地體與水平接地體相互連接而成，接地電阻按不大于4 Ω、盡量接近1 Ω的目標進行建設(shè)，水平接地體采用扁鋼40×4，垂直接地體采用2米角鋼∠50×4，垂直接地體頂端及水平接地體均埋入地面300～500 mm以下，所有扁鋼和角鋼都采用熱浸鋅處理材料。接地裝置的鋪設(shè)以塔腿基腳為起點，向外呈現(xiàn)輻射狀，直線鋪設(shè)，垂直接地體間距5 m，用水平接地體連接，長度不低于20 m，527臺鐵塔防雷接地體如圖1所示。

圖1 鐵塔防雷接地體

1.2 527臺播傳設(shè)備設(shè)施直擊雷保護措施

1.2.1 綜合發(fā)射塔懸掛設(shè)備設(shè)施直擊雷防護

527臺綜合發(fā)射塔往往是附近首當其沖的落雷點，綜合發(fā)射塔是直接接地的，塔體只起支撐作用，且設(shè)置有接閃、防雷接地網(wǎng)泄流通道，發(fā)射塔上懸掛的電視、調(diào)頻、微波天線及其線纜處于綜合發(fā)射塔直擊雷自身保護范圍之下。

1.2.2 機房技術(shù)區(qū)直擊雷防護

527臺機房技術(shù)區(qū)主要包括發(fā)射機房、中心控制室、信號源室、配電室、發(fā)電機房、儲油間等，除調(diào)配室、發(fā)電機房和儲油間單獨設(shè)置外，其他技術(shù)用房均處于一棟機房大樓內(nèi)，其機房大樓緊鄰80 m綜合發(fā)射塔，總平面規(guī)劃設(shè)計如圖2所示。

下來重點探討527臺機房大樓及機房樓頂?shù)慕邮仗炀€及安防監(jiān)控云臺等附屬設(shè)備設(shè)施直擊雷防護。

采用單支避雷針滾球法（如圖3）判定，如式（1）（2）所示：

式（1）中：rx為避雷針在hx高度的平面上的保護半徑，m，527臺按二類防雷建筑物的計算，取hr=45m；hr為滾球半徑，m；hx為被保護物的高度，m；r0為避雷針在地面上的保護半徑，m。

圖3 單支避雷針保護范圍示意圖

527臺綜合發(fā)射塔含避雷針有效高度83 m大于滾球半徑45 m，避雷針在地面上的保護半徑與滾球半徑相同，即為45 m，527臺被保護的機房大樓及其樓頂附屬設(shè)施高度均不超過15 m，且機房大樓最遠端附屬設(shè)施離發(fā)射塔距離不超過45 m，處于其保護范圍之內(nèi)，故527臺機房大樓不需單獨設(shè)置避雷針保護。發(fā)電機房及儲油間未處于發(fā)射塔直擊雷保護范圍內(nèi)，須單獨設(shè)置避雷針保護，由式（1）可得將527臺發(fā)電機房和儲油間避雷針高度保守設(shè)置為5 m。

1.2.3 中波桅桿天線及小天線防直擊雷防護（中波發(fā)射設(shè)備直擊雷措施）

圖2 總平面規(guī)劃設(shè)計圖

527臺兩幅中波鐵塔本身是發(fā)射天線，與大地斷開，勢必會成為發(fā)射臺內(nèi)的主要落雷點，需要設(shè)計有效的放電泄流措施，否則雷電流會隨中波饋線進入發(fā)射設(shè)備造成損壞。527臺新址的中波小天線和中波桅桿天線均考慮設(shè)置有四級防雷措施，如圖4所示。并根據(jù)每級防雷在通路中的位置及承擔泄流大小來設(shè)置石墨放電球、金屬放電球、發(fā)射機內(nèi)放電球之間間距。

圖4 四級放電裝置示意圖

根據(jù)廣電工程實踐經(jīng)驗證明，石墨放電球1 mm間距耐壓約為1 000 V，根據(jù)功率公式W=U2/R，結(jié)合527臺承載功率，可得527臺調(diào)配網(wǎng)絡(luò)石墨放電球兩端的廣播信號峰值大約為1 140 V，527臺石墨放電球間距按不低于雙倍峰值設(shè)計，設(shè)置為2.5 mm。金屬放電球起到第一泄放的作用，工程實踐表明將承擔70%左右泄放任務(wù)，間距設(shè)計4～5mm；發(fā)射機內(nèi)部放電球間距常用1 mm。

1.3 建筑物直擊雷保護措施

根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》和《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》要求，廣播電視發(fā)射臺屬第二類防雷建筑物，機房大樓、值班用房、發(fā)電機房、儲油間及調(diào)配室在做房屋設(shè)計時嚴格按照規(guī)范要求雷電防護等級B級設(shè)計和施工建設(shè)，并將所有建筑主體鋼筋與全臺防雷接地網(wǎng)多點焊接相連。

2 感應(yīng)雷防護

2.1 屏蔽

2.1.1 信號源室、中心控制室、調(diào)配室屏蔽

2.1.1.1 屏蔽材料

527臺信號源室及中心控制室設(shè)計選用0.3 mm的銅網(wǎng)為屏蔽材料。

調(diào)配室位于中波發(fā)射天線底部附近，為了避免元件因電磁感應(yīng)及雷電串擾而出現(xiàn)高電壓，以及因感應(yīng)電流的作用而影響網(wǎng)絡(luò)功能，527臺調(diào)配室進行六面屏蔽處理。為防止接縫氧化，調(diào)配室六面屏蔽建設(shè)中采用銅皮進行鋪設(shè)，接縫采取壓接、鉚接后，錫焊、銅焊相接合鉤縫的方式。

2.1.1.2 屏蔽體施工

屏蔽體為整體封閉的金屬六面體，527臺新址建設(shè)信號源室、中心控制室時，則采取將銅網(wǎng)置于墻壁間，銅網(wǎng)間隔2～3 cm，由臺內(nèi)技術(shù)人員協(xié)調(diào)建設(shè)方在土建時實施。建設(shè)時重點做好屏蔽體的接地處理，采用銅帶作為引下線，一端與屏蔽體內(nèi)、外側(cè)可靠焊接，另一端與機房接地網(wǎng)可靠焊接；天線調(diào)配室則采用銅皮進行全封閉電磁屏蔽。

2.1.2 線纜屏蔽

雷電易通過線纜感應(yīng)串入，527臺統(tǒng)一使用屏蔽電纜，采取地埋走饋線溝的方式進入機房。無屏蔽層電纜穿金屬管，并就近與地網(wǎng)鏈接。

2.2 工藝接地

2.2.1 接地網(wǎng)

為了防止各系統(tǒng)互相干擾，527臺設(shè)計時采取各接地網(wǎng)相連，即整個臺區(qū)一相連接，避免相互間串擾。為減少跨步電壓，527臺地網(wǎng)采用環(huán)形封閉接設(shè)計。

經(jīng)測量527臺的土壤電阻率為800Ω·m，設(shè)計的地網(wǎng)阻抗不大于1 Ω，經(jīng)驗證明，垂直接地極一般采用2.5 m鍍鋅角鋼，埋設(shè)深度L米，埋設(shè)間距y米，按各種不同形狀平面接地裝置的工頻接地電阻如式（3）所示：

其（3）中：ρ為土壤電阻率，Ω·m；r為水平接地體直徑，m；L為水平接地體總長度，m；A為平面接地體形狀系數(shù)；η為垂直接地級利用系數(shù)一般選用0.8，若按3 m埋設(shè)，埋設(shè)間距6 m，可組成8×8接地網(wǎng)，環(huán)機房大樓一周的環(huán)形網(wǎng)格狀地網(wǎng)。

2.2.2 接地引入線

接地引入線從接地網(wǎng)就近引入，引入機房的接地母線在機房四周就近引入，祼露地面部分穿φ 50 mm熱鍍鋅鋼管。接地引入線采用40 mm×4 mm熱鍍鋅扁鋼，且長度不超過30 m，接地引入線與機房建筑基礎(chǔ)連接組成，環(huán)形接地網(wǎng)沿著建筑物四周鋪設(shè)，并與各地樁主鋼筋焊接連通。接地引入線埋設(shè)時充分考慮了527臺新址的整體建筑設(shè)計，避開了排污管道、污水管道和水溝，在接地引入線的出土部位都考慮了防機械損傷的保護措施和絕緣防腐處理，并作出相應(yīng)標識以方便臺站和檢測人員后期檢查測試。

室外引入線至發(fā)射機房的各種發(fā)射設(shè)備的饋線，吊饋管的鋼絞線及固定架、鐵塔橋架、各類管道通信線、視音頻線等，極易把感應(yīng)雷引入機房，所以我們在建設(shè)527臺新址機房時，將所有進入機房的引線進行了電氣阻塞，各種引入線都盡量使用屏蔽電纜。進入機房前把引入線屏蔽層就近與機房工作接地極可靠連接，各種饋管在進入機房前，外皮就近與地相連接，饋管、固定架、金屬橋架等每隔一段距離逐點良好接地。

發(fā)射塔上饋線及其他同軸電纜金屬外保護層分別在天線處、離塔處以及機房入口處外側(cè)就近接地。凡突出屋頂?shù)脑O(shè)備外殼及其基礎(chǔ)、風管、透氣管及其支架等所有金屬構(gòu)件、金屬管道等均通過熱鍍鋅扁鋼與接地裝置可靠連接，焊接處同時作防銹處理。

2.2.3 接地匯流排

接地匯流排主要安裝在機房內(nèi)，機房內(nèi)所有設(shè)備的外殼均與接地母線可靠連接，并在與接地線采用不同金屬材料互連時，采取防電化腐蝕措施。根據(jù)機房內(nèi)的設(shè)備布置情況，將沿走線架或線纜溝接地匯集線形成網(wǎng)絡(luò)，匯集線上間隔1.0～1.5 m預(yù)留連接孔（直徑8 mm）。接地匯流排采用400 mm×100 mm×5 mm的銅排，并預(yù)留相應(yīng)的螺孔以便連接。

2.2.4 接地線

接地線一般采用截面積16 mm2BVR黃綠色電纜線，當接地線距離較長時，一般采用截面積35 mm2BVR黃綠色電纜線，在連接時就近連接到本機架的匯流排，各機架匯流排再就近連接到匯集線，接地線布放時都盡量做到短直，多余的線纜全部截斷，防止盤繞。各接地線與匯流排連接時，都采用加裝尺寸合適的接地端子（銅鼻），壓（焊）接牢固。

2.2.5 等電位連接

機房等電位連接常采用網(wǎng)狀（M）、星形（S）和星-網(wǎng)狀混合型等電位連接設(shè)計：527臺采用星-網(wǎng)狀組合型等電位連接方式；供配電室采用S型環(huán)形接地匯集連接方式。為減小暫態(tài)過電壓造成的引線壓降對設(shè)備的影響，采用凱文接線法，如圖5所示。另進出機房的所有線路、金屬管道等在機房與外界分界處做等電位處理，與機房內(nèi)等電位連接網(wǎng)絡(luò)就近連接，連接導(dǎo)體與等電位接地均壓環(huán)之間采用螺栓連接，連接處進行熱鍍錫處理。

圖5 兩種接地法

2.2.6 分流

527臺所有電纜及信號線纜采用地溝走線的方式鋪設(shè)，每隔幾米采用鋼筋支架接地，故527臺重點對電源系統(tǒng)采用分流的方式。

527臺主用電源采用一路10 kV高壓外電，供電負荷為150 kVA，備用電源采用80 kW柴油發(fā)電機，互為備用，因架空高壓線纜易遭受雷擊，527臺采用地埋設(shè)計，并對供配電系統(tǒng)采用避雷器，根據(jù)防護等級不同，527臺采用三級防護。

2.3 高頻接地

信號源室、中心控制室、發(fā)射機房、天線以及調(diào)配室均須進行良好的高頻接地處理，連接天線高頻地與機房高頻地的銅帶鋪設(shè)在地溝底部，527臺高頻接地網(wǎng)終端采用5 mm厚銅板作為地級板。若土質(zhì)較差或缺水地區(qū)還應(yīng)在銅板兩側(cè)填充長效降阻劑，降阻劑的用量與對地接觸面積、土質(zhì)息息相關(guān)，一般推薦經(jīng)驗公示如式（4）所示：

式（4）中：T為降阻劑用量，kg；r為質(zhì)量系數(shù)（0.7～0.9）；ρ為土壤電阻率，Ω·m。

3 人身安全防護

為避免工作人員遭受雷電傷害，除采用上述各種防雷措施后，一般還采取機房鋪設(shè)靜電地板，配電室、柴油發(fā)電機房、發(fā)射機旁等鋪設(shè)絕緣膠墊、工作人員穿戴絕緣手套及絕緣童靴等預(yù)防措施。

4 使用情況

527臺2013年完成搬遷以來，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，未出現(xiàn)設(shè)備設(shè)施遭受雷擊損壞事故，也未出現(xiàn)人員遭受雷擊傷害，整套系統(tǒng)工作穩(wěn)定，降低發(fā)射臺在防雷資金及人力方面的投入，增強安全播出保障措施。

5 結(jié)語

廣播電視發(fā)射臺綜合防雷接地工程可能各不相同，但都圍繞降低直擊雷、感應(yīng)雷對人身安全造成的危害，降低雷擊對室外、室內(nèi)設(shè)施造成的破壞和損壞進行綜合考慮和設(shè)計，防雷思想基本相同大多基于等電位這一核心思想，常采用的是接閃、接地、泄流、等電位連接等，只要按照發(fā)射臺業(yè)務(wù)特點進行充分的系統(tǒng)設(shè)計，并按相關(guān)工藝、材料和技術(shù)標準進行施工，就可大大降低雷電對發(fā)射臺站安全播出的威脅和影響，在保證臺站工作人員人身安全的同時，最大限度地保護設(shè)備設(shè)施的安全和播出安全。因雷電的不確定性以及受地理環(huán)境諸多因素影響，預(yù)防雷電造成的損害還未有什么系統(tǒng)能做到確保萬無一失，還需要不斷地探索、創(chuàng)新、實踐。