高山發射臺防雷研究與實踐

林樾

摘? 要：高山發射臺由于其特殊的地理環境、氣象條件以及廣播電視發射系統電氣化、信息化程度高，對防雷措施有更高的要求。文章以安慶市廣播電視高山發射臺防雷系統為例，總結了雷擊危害形式，并對防雷系統的建設實踐進行了分析研究。

關鍵詞：廣播電視高山發射臺;雷電危害;防雷措施

中圖分類號：TN948.53? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）11-0066-04

Abstract： Because of its special geographical environment， meteorological conditions and the high degree of electrification and informationization of the radio and television transmission system， the alpine transmitter has higher requirements for lightning protection measures. Taking the lightning protection system of Anqing radio and television alpine transmitting station as an example， this paper summarizes the forms of lightning damage， and analyzes and studies the construction practice of lightning protection system.

Keywords： radio and television alpine transmitter; lightning hazard; lightning protection measures

引言

安慶市廣播電視高山發射基地承擔著本市廣播電視的無線發射任務，覆蓋半徑近100公里，服務人口達600萬，是保障皖西南廣播電視節目覆蓋的重要發射臺站。發射基地位于安慶市北郊的大龍山主峰，海拔高度697m，是方圓五十公里的制高點。根據多年氣象資料顯示，安慶市是個年平均雷暴日數為40天以上的多雷地區，據不完全統計，自2003年以來，全市因雷擊事故造成直接經濟損失近千萬元。大龍山地處沿江地帶，山體周圍地勢平坦，山體陡峭，山頂氣候多變，終年以云霧天氣為主，強對流天氣頻繁，山體含金屬礦藏，巖石多、土層薄，地阻大。大龍山獨特的地理環境和氣候，使該地區成為雷電的高發區，極易發生雷電對地閃接。發射臺站每年因雷電造成的設備、器件損壞都比較嚴重，直接威脅到發射臺站的安全播出工作。因此有必要高度重視防雷系統的設計建設。

1 高山雷電特點及入侵形式

1.1 高山雷電特點

雷電就是雷雨云的云內、云間、云地間（直擊雷）的放電現象。放電過程中往往伴隨著閃光和巨響。當雷雨云中電荷累積到一定程度時，由于云團內部、云團之間、云地之間的電位差會產生很強的電場，當電場強度達到可以擊穿它們之間空氣強度時，便會發生放電現象，這種瞬間的強火花放電就是雷暴。雷暴發生時帶電粒子在放電通道上高速（1/30光速，時間幾？滋s～幾百？滋s）運動，產生巨大的沖擊電壓和放電電流，放電溫度高達兩萬攝氏度，使通道周圍空氣溫度急劇升高體積驟然膨脹，放電后又急速冷卻收縮，產生空氣振蕩發出巨大雷聲。

獨特的地理環境使大龍山阻擋部分大氣環流，形成迎風坡，水蒸氣爬升后降溫形成雷雨云團引起強對流天氣，另外高山上尖端物體較多，接近雷云，容易產生閃電先導，引發雷擊。由于山體與雷雨云團的相對海拔差距小，高山上不但易引發直擊雷，而且直擊雷的雷擊方向多變，通常以自上而下和側擊的方式出現，甚至在雷暴強烈時雷擊方向貼地而行，俗稱滾地雷。所以適用于平原地帶的保護錐式防雷方法不能完全適用于高山上。另外，由于高山巖石厚、土壤薄，電阻率較大，不利于盡快釋放雷擊能量，容易形成地電位反擊和較大的跨步電壓，對弱電設備、儀器和人員的安全構成很大的威脅。

1.2 雷電入侵形式

對高山發射臺造成破壞的雷電入侵方式主要有直擊雷（云地閃接放電）和雷電感應兩種。其中大約90%的破壞是由雷電感應造成的，雷電感應又分為靜電感應和電磁感應兩種，它們分別發生于雷云放電前后。對于電磁感應最直觀的感受就是在雷電接近時，由于電磁場的擾動，在無線終端收聽到的廣播雜音和看到電視機上的雪花。

（1）直擊雷入侵形式

直擊雷就是帶電雷云與地面目標之間強烈的放電現象，雷電直接擊在受害物上，釋放出巨大的能量，產生電效應、熱效應和機械力，從而對建筑設施和設備造成巨大的破壞力。一次直擊雷往往有三四個沖擊，最多能出現幾十個沖擊。直擊雷發生時，雷電流通過導體，產生高達數十至數百萬伏的沖擊電壓和數百千安的放電電流，在極短的時間內，釋放巨大的熱量，會燒熔導體（線路斷開或斷股）或引起火災爆炸。雷擊機械力的沖擊強度甚至更夠粉碎空心的金屬管，擊穿混凝土墻體，產生的氣浪都有破壞作用。另外，當建筑物的外部防雷系統（如避雷針、避雷帶、避雷網等）遭受到直接雷擊時，在接地電阻的兩端產生危險的過電壓，此過電壓由設備的接地線、建筑物或其外部的防雷系統、其他自然閃接物（各種管道、電纜屏蔽管等）引入設備，造成設備損壞的地電位反擊現象。雷擊形成的地電位暫態高電位不僅危害建筑物內的設備，還會危及到相鄰建筑物內的設備。地電位反擊可感生出幾千伏到幾十千伏甚至數百千伏的反擊電壓，這種反擊會沿著電力系統的零線，保護接地線和各種形式的接地線，以波的形式傳入室內或傳播到更大的室內范圍，造成大面積的危害。

（2）雷電感應入侵形式

靜電感應是在雷云放電前，由雷云團所攜帶大量電荷在空間形成的巨大電場的作用下使架空線路上或其他地面凸出物上感應出大量異性電荷的現象，在雷云放電后，這些感應電荷失去束縛，以光速向線路兩側或凸出物四周運動，呈現很高的電壓，幅值可達300kV～500kV的感應過電壓，從而危及到輸電線路與線路上的設備安全。

電磁感應是雷云放電時，因巨大雷電流在周圍空間形成極高的瞬變電磁場脈沖引發空間內金屬導體上感應出強脈沖電壓的現象。若電氣設備的接地或相鄰地網的連接阻抗過大，電磁感應出的沖擊電壓會給設備造成很大危害。

雷擊時電磁感應原理如圖1所示，在磁場內面積為A 的圓環內產生的感應電壓大小為|Vloop|。因此，對于一個面積為10-2m2（例如一個邊長為10cm的印制板電路）含缺口的小環，閃電電流在10m之外的環形回路上會出現變化的磁場，開口處會有約20V的電位差出現。這種感應過電壓對弱電設備的安全有很大的威脅。

2 雷電防護的基本原理

雷電防護是個系統工程，雷電擊中物體所造成的損壞程度主要有兩個因素：閃擊的特征以及被擊中物體的重要性，尤其取決于該物體的導電性能和散熱能力，其核心內容就是快速泄放和等電位均衡。泄放就是將雷電與雷電感應出的能量通過大地盡可能多地快速釋放。等電位均衡就是使被保護系統所在環境及系統本身所在金屬導電體的電位在瞬態感應時保持基本相等，不足以產生致損的電位差。

2.1 直擊雷的防護

防護直擊雷的主要措施是安裝避雷針、避雷線、避雷網、避雷帶。這些避雷裝置由接閃器、引下線和接地裝置組成。高聳的針、線、網、帶都是閃接器，它與雷云之間的電場強度高于附近地面被保護設施與雷云之間的電場強度，接閃器承受直接雷擊，巨大的雷電流通過阻值很小的引下線和接地裝置（？燮10？贅，高山臺站接地阻值應？燮4？贅）泄入大地，使被保護的設施免受雷擊。在高山臺站發射塔主桅桿頂部安裝避雷針是目前各高山臺站主要防雷措施之一。在高山臺站制高點安裝的避雷針具有一定的保護范圍（通常比平原地帶保護范圍小的多），但不能有效防止側向直擊雷，故在臺站建筑物頂和周圍較高或凸出的設施上有必要安裝避雷針、帶等其他閃接器，雷擊時閃接器閃接的雷電流通過引下線至地網迅速擴散。閃接器應以最短的路徑與引下線連接，并且應盡可能多地與接地系統相連。

2.2 雷電感應的防護

雷電感應是造成廣播電視設備損壞的主要原因，其入侵途徑多種多樣，電源線、信號線、天饋線及地線系統均可能被雷電感應侵入。雷電感應防護的一般原則就是盡量減小建筑物內部金屬構件感應到的電壓差，并盡快向大地釋放感應能量。在電源、信號線路和弱電設備上逐級安裝浪涌保護器（SPD），也是有效防護雷電感應的措施之一。對于高山發射臺站，雷電感應的防護可以從以下幾個方面著手。

（1）電源系統防雷

電力電源是廣播電視設施的重要組成部分，又是最容易受到雷電攻擊的目標。發射機房對電源的要求很高，理想的電源“凈化”應是三管齊下，即包括隔離變壓器、浪涌保護器和大功率不間斷電源（UPS）。在電源的總輸入端要提供過電壓保護措施，機房的電源總輸入端也要有過電壓保護措施，使脈沖能量泄入大地防止設備因過電壓沖擊而損壞。輸變電高壓線路應避免架空進入建筑物內，盡可能埋地纜進入，并用金屬導管屏蔽，屏蔽金屬管在進入建筑物和機房前要重復接地，最大限度地衰減從各種導線上感應到的高電壓。對于無法深埋的沿山高壓架空線路，應在三相高壓電（10kV）上方安裝避雷線，每節電線桿有接地體與避雷線連接。

（2）信號系統及設備防雷

信號系統防雷與電源防雷一樣，信號系統的防雷要根據信號線路的類型、通訊頻帶、線路電平等選擇過壓或過流門限值大小合適的浪涌保護器，信號類過電壓保護器系列產品對感應電壓、侵入電壓波、操作過電壓、靜電干擾等有很好的抑制作用，有效地限制過電壓從而保護與之相連的電子設備。微波接收天線固定架和光纜中的加強鋼絲都要連接地網。信號源系統中的弱電設備耐壓能力差，易遭受雷電破壞，要將這些相對脆弱的設備置于信號源金屬機柜中，設備的金屬外殼與機柜間用薄銅皮相連，金屬機柜內的設備采用集中供電方式，設備地線與機柜地線保持良好的接地狀態，從而使設備始終處于金屬屏蔽層中，達到雷電防護的效果。

（3）等電位連接與接地系統

等電位連接的目的在于減小需要防雷的空間內各金屬構件和各系統之間的電位差。將機房內的發射機主機金屬外殼，UPS及電池箱金屬外殼、金屬地板框架、金屬門窗框架、設施管路、電纜橋架進行等電位連接，并以最短的線路連接到最近的等電位連接帶上。總之，機房內各種正常不帶電的金屬部分都應做等電位連接，并與避雷引下線或地網相連。

接地系統是防雷工程最重要的環節，不管是直擊雷還是雷電感應，最終都是把雷電流送入大地。因此，沒有合理而良好的接地裝置是不能可靠地避雷的。接地電阻越小，散流就越快、物體被雷擊或雷電感應產生的高電位保持時間就越短、危險性就越小。高山發射臺站的接地電阻要求≤4？贅，并且采用共用接地的方法將避雷接地、設備安全接地、交流地、直流地統一為一個接地裝置。電力、電子設備的接地，是保障設備安全、人員安全和設備正常運行的必要措施。可以認為，凡是與電網連接的所有儀器設備都應接地，凡是電力需要到達的地方，就是接地工程需要做到的地方。防雷工程的一個重要方面就是接地以及引下線路的布線工程，整個工程的防雷效果，甚至防雷器件是不是起作用都取決于此。

3 雷電防護工程設計實施

防雷工程包括外部防雷和內部防雷，外部防雷主要是防直擊雷，內部防雷主要是防止由雷電感應造成的破壞。防雷工程并不能阻止雷電的發生，只是將由雷電引起的損害降低到可以接受的范圍，從而保護發射臺站內的設備和人身安全，保證廣播電視節目的安全播出。以我臺為例，雷電防護工程可以從以下幾個方面進行設計實施。

3.1 閃接系統布局

對于高山發射臺站而言，高聳的發射塔上本身就是一個巨大的閃接器，塔尖的避雷針是最主要也是最容易遭受雷電直接擊中的閃接器。在鐵塔頂部主桅桿上安裝一根主避雷針，主避雷針采用直徑25～40mm的圓鋼制成，長度80～100cm左右，避雷針應進行鍍鋅處理，尖端部分還應鍍上導電性能更好的合金物質。為了防止側向直擊雷，如圖2所示，在機房、宿舍的屋檐（機房和宿舍為平頂建筑）和連廊通道的屋脊安裝避雷帶作為閃接器，避雷帶采用直徑12mm的鍍鋅圓鋼，避雷帶距屋檐60mm，采用支撐卡子固定，卡子間距1m，避雷帶與引下線采用焊接方式連接，焊接長度是圓鋼直徑的6倍，焊點做防銹處理。為了減小接地電阻和獲得較大的電流容量，引下線也采用了具有足夠截面積的12mm鍍鋅圓鋼制作，機房和宿舍分別設置了6根引下線，引下線穿PVC管沿建筑物墻體暗敷埋地與地網相連。此外，還利用發射基地四周的鑄鐵柵欄（高190cm）作為閃接器，在柵欄底部用4mm×40mm的鍍鋅扁鐵作為引下線深埋就近連接至鐵塔或建筑物的地網，進一步增強了雷電防護能力。

3.2 接地系統布局

接地系統由接地地網和接地裝置構成。高山發射臺的接地系統可以分為鐵塔接地系統和建筑物（機房、宿舍等）接地系統。如圖2所示，兩個系統既要相互獨立，又要相互關聯。相互獨立是指各部分都應該有獨立的接地地網，否則容易引發地電位反擊;相互關聯是指各部分的接地裝置應環路相連，如果兩個接地系統完全獨立，雷電發生時，在地面上形成電位梯度，產生有可能危機人身安全的跨步電壓。鐵塔和建筑物的接地地網采用4mm×40mm鍍鋅扁鋼沿建筑物四周做一個環形閉合，并與鐵塔、建筑物的基礎鋼筋相連深埋地下。地網敷設完畢后多點引接到機房內的地板之下作為機房設備的接地總干線，機房內采用4mm×30mm銅帶組成一個均壓環并與接地總干線相連。地網與其接地裝置之間的水平連接體采用4mm×40mm鍍鋅扁鋼，水平連接體置于深度不小于0.6m的地溝中，每個3m打入一根長1000mm的50mm×50mm×5mm的鍍鋅角鋼作為接地裝置（總共使用96根角鋼）并與之相連，接地裝置頂部距離地面至少1m以上，兩排地溝內的角鋼間距控制在2.5m～3m之內。鐵塔接地裝置和建筑物的接地裝置之間用獨立的鍍鋅扁鐵做環路相連。為了降低接地電阻值，在溝內填充10mm厚的降阻劑。在降阻劑上先將細粒土回填，夯實，再將粗土回填在地溝表面，再夯實，直至填平，每層回填土夯實前澆上少許水。為了保持土壤水分，在接地裝置周圍總共覆蓋了半噸木炭。接地系統所有的連接點均要焊接，焊接長度不得少于扁鋼寬度的3倍、銅帶寬度的2倍，焊接處涂敷瀝青做防腐蝕處理。通過這些措施，使現場測算的接地阻值降到3.68？贅<4？贅，滿足接地阻抗要求。

3.3 等電位處理

等電位處理，就是將設備的機殼、交直流工作接地通過機房內的接地均壓環連接到建筑物的共用接地裝置上。機房內配電柜、走線架、吊掛鐵架、金屬門框、塑鋼窗金屬支架、UPS電池箱、信號源機柜、操作臺和發射機的金屬外殼均使用6mm2多股銅線就近采用銅鼻子和螺栓連接至均壓環上，螺栓緊固前應除去緊固點上的防銹漆。機柜內弱電設備的防靜電接地使用30mm寬的薄銅皮連接到機柜內殼上。電源及信號線的布線盡量不與接地銅排平行，應保持一定不小于0.5m的距離，不得將線路扎固在接地銅排或扁鋼上。值得注意的是，電力干線的地線在進入機房之前就應連接至機房地網，延伸至機房內的發射機饋線的金屬法蘭也連接至機房地網，它們均不得直接與機房內銅排相連。當兩個不帶電金屬構件或機柜距離小于0.5m時，使用銅帶連接。

3.4 電源系統與設備防雷

閃電擊中高壓線路并通過變壓器耦合到低壓線路以及電力線路感生出的瞬態高電壓是雷擊損壞設備的最常見形式，因此做好電源系統的雷電防護是保護用電設備安全的重要措施。如圖3所示，機房電源系統防雷采用三級防護模式，高壓配電房的總配電柜為第一級防護，發射機房電源配電柜、宿舍生活用電以及柴油發電機電源為第二級防護，重要設備的前段為第三級防護。

電源線路第一級防雷保護，是在總配電柜的進線端安裝一個發射基地專用三相電源防雷箱，標稱通流容量為100KA（8/20？滋s），最大通流容量200KA。第二級防雷保護，是在機房電源總配電柜的兩組進線端分別安裝一套三相交流電源浪涌保護器，標稱通流容量？叟60KA（8/20？滋s），最大通流容量120KA，宿舍生活用電總配電柜進線端同樣安裝此容量的浪涌保護器。第三級防雷保護，是在每臺發射機總電源（發射機內部已安裝過浪涌保護器的可以不安裝）進線端和播控系統的UPS電源進線端安裝一套三相交流浪涌保護器，標稱通流容量為20KA（8/20？滋s），最大通流容量40KA。當雷電發生時，以上三級防雷保護可有效地抑制線路上由雷電感應產生的瞬態高壓浪涌，達到保護設備的目的。

我臺防雷工程按照上述方案實施后，達到了預期的目的，防雷效果得到極大的增強，經受住了十余次的雷擊考驗，重要設備均沒有再出現因雷擊造成的破壞，從而保證了安全播出工作。

參考文獻：

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