興山縣仙侶山發射臺防雷改造設計

吳啟紅

在形成云層的過程中，由于溫差起電與大氣電場等的影響，云層中的不同位置上的正負電荷積聚。最后導致云與地之間、云與云之間發生放電現象[1]。雷電可以引發森林大火，雷擊可以導致建筑物受損，重要設施設備被毀，甚至有時會危及生命安全。

1 仙侶山發射臺防雷背景

宜昌市的年平均雷暴日數為38.9d/a，屬于多雷區，仙侶山發射臺位于興山縣黃糧鎮境內，海拔高度為1 438m，相對高度差為400m以上，超過了GB50057中有關落雷等效面積計算公式所規定的200米高度范圍，修訂公式（D=H）后，可計算出：新建鐵塔高度為65m（相對高度為465）時，其年預計雷擊次數為5.35次，土壤電阻率低（300歐姆米左右），故發射臺如果未能實施完善的雷電保護措施，極易造成設備損壞，危及員工生命安全。現場勘查發現，發射臺線纜（含光纖）敷設不符合國家相關標準和防雷規范要求；現有電涌保護器（SPD）配置不合理或缺失，微電子設備已因雷電感應的侵襲而損壞；機房屏蔽和接地不完善等。所有對發射臺進行雷電防護的改造是非常必要的。

興山縣發射臺的電氣系統主要由廣播電視發射系統、通信系統、配電系統三部分組成，各系統的組成方框分別如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 廣播電視發射系統框圖

圖2 通信系統框圖

圖3 配電系統示意圖

2 防雷系統介紹

2.1 塔直擊雷防護

發射臺現有35m高的鐵塔上裝有一種提前放電避雷針，機房就在鐵塔下面，而機房沒有相應的屏蔽措施，強大的電磁場極易穿透建筑物進入機房內部，與機房內部的有源線路耦合，形成過電壓損壞設備，產生劇烈熱效應和電效應[2]，甚至威脅人身安全。經現場勘查，樓頂避雷帶的網格尺寸符合GB50057-2010《建筑物防雷設計規范》和GB50343-2012《建筑物電子信息系統防雷技術規范》等相關標準的要求。因此對新建的65m鐵塔必須采取更加完善的防直擊雷以及側擊雷措施。

新建鐵塔高65m，在塔頂安裝SLE-V-19-5/B避雷針一套，要求避雷針的底座與天線最高處的垂直距離大于1.5m；如圖4所示。將SLE基座用35平方多股銅線分別引兩條作為直擊雷引下線并與地網連接。

圖4

2.2 配電線路保護措施

現場勘查發現，發射臺由2路（公共和專用）低壓架空供電線路，進戶線在LPZ0B區和LPZ1區間的380V母線上裝有三個氧化鋅避雷器（In為10kA，8/20μs）用以對其進行保護，此種防護方法的防護能力不足，不符合GB50057之“電源I級用SPD應能承受10/350μs雷電波的沖擊，最小沖擊電流為15kA”的規定，一旦架空線路遭受直擊雷的侵襲，巨大的雷電波極易通過架空線路損壞總配電箱等電氣設備，造成發射臺停電和發射設備損壞事故的發生。

1）應在10kV變380V的變壓器低壓側和總配電箱內，安裝配電系統電涌保護裝置DSOP-II-50/4P，對進戶的兩路供電線路（主線和備用）進行I級保護，選用的I級保護用SPD應能承受10/350μs雷電波的沖擊，沖擊電流Iimp應不小于25kA，電壓保護水平Up應不大于2kV，SPD應通過權威部門的檢測。

2）將配電柜內的原馬斯特產SPD更換為DSOPIIIB-60/3P+N，其額定放電電流In應不小于30kA，電壓保護水平Up應不大于1 800V，SPD應通過權威部門的檢測。

3）在每臺發射機、每個樓層配電箱里，以及光端機、網絡交換機、控制臺等用電設備的供電線路前端加裝一套III級防護的SPD，型號為DSOPIIIB-40/3P+N，SPD的UP應不大于1500V，SPD應通過權威部門的檢測。

詳細的配電系統SPD配置如圖5所示。

圖5 配電系統防雷示意圖

2.3 饋纜防護

現場勘查發現，發射塔上布置的饋纜均未按照依據YD5098和YD2011中關于“饋纜的外保護屏蔽層與鐵塔進行三點連接”的要求進行施工，一旦鐵塔接閃雷電就很容易造成以下后果：一是因地電位反擊而造成饋纜芯-屏蔽層間的電壓擊穿，從而損壞饋纜；二是饋纜屏蔽層將感應的雷電過電壓引入發射機房，從而導致發射設備的損壞；三是沿饋纜屏蔽層進入發射機房的巨大雷電流會在機房內其他微電子設備（衛星接收機、光端機、網絡交換機、電子計算機等）的金屬連接導線上感應產生雷電過電壓，從而導致機房內微電子設備設備的損壞。因此必須采取如下防護措施：

1）天饋線的防護依據YD5098中饋纜的外保護屏蔽層應與鐵塔進行三點連接的要求，根據天線高度在每根饋纜上、中、下（離開鐵塔處）三處附近的鐵塔上分別鑿孔徑為10.5mm通孔。采用環扣型饋線接地卡（夾）三個與鐵塔進行可靠的電氣連接，并在接地卡處用3M膠帶做好防水處理。

2）饋纜進入饋線窗（洞）前，饋纜應做滴水彎。饋纜進入饋線窗（洞）后應通過電涌保護器、跳線與功放進行連接，電涌保護器的6mm2接地線應就近與饋線窗（洞）外接地銅排進行可靠的電氣連接。

3）落地后的饋線穿入鍍鋅鋼管內進入機房進行屏蔽并離進戶電源線間隔3m以上距離。

2.4 衛星高頻頭雷電防護

現場勘查發現，四套衛星接收系統的天線（高頻頭）與接收機之間由長達40m的同軸電纜進行連接，同時同軸電纜與專用供電線路有長達30m的近距離、平行、共通道走線，不滿足GB50343之表5.3.3-2的要求；勘查還發現，同軸電纜兩端，無論是高頻頭還是接收機均沒有安裝相應電涌保護器（SPD）。

無論是高頻頭還是接收機的前端電路，它們均為高靈敏度的電子放大電路，由于其高靈敏度也導致其抗雷電串擾的能力較差，所以如果不在同軸電纜兩端安裝相應的SPD，當雷擊衛星天線時，由于饋纜的皮線（屏蔽層）電位會升高，從而高頻頭和接收機會因為地電位反擊而損壞；當雷電饋纜周邊的建筑物（如鐵塔）時，巨大雷電流所產生的雷電電磁波會在饋纜皮線感應上過電壓（電位升高），當此過電壓達到一定數值時，高頻頭和接收機會因為地電位反擊而損壞；當雷擊專用供電線路時，供電線路上的雷電過電壓會在其與饋纜長達30m的平行走線中，通過電容耦合的方式將雷電過電壓感應到饋纜的屏蔽層上，當此過電壓達到一定數值時，高頻頭和接收機會因為地電位反擊而損壞。

因此，在發射機的高頻頭部位加裝信號SPD，防止高頻感應雷打壞高頻頭，也防止雷電流干擾信號并做好接地。將饋線穿入鍍鋅鋼管進入機房。

2.5 發射系統設備防護（圖6）

1）控制臺內的所有音頻頭加裝SPD（DLP-IVXX-5）、視頻頭加裝信號SPD（DLP-IV-FXX-5），在線路中若產生了尖峰電壓或是電流，其導通分流的作用可以在短時間內發揮，來達到防止設備損壞的目的。

2）機房內通過加裝三級浪涌保護器的方式來保護設備。

3）控制臺內加裝一塊銅排。

4）將機房內所有機殼接地。

2.6 通信系統監控防護（圖7）

對機房處的攝像頭加裝防止感應雷防護的SPD，在此處安裝JLP-PDV-04、DLP-IV信號防雷器。

圖6 廣播電視發射系統防雷框圖

圖7 通信系統防雷框圖

2.7 光纖防護

公共供電線路（380V）與光纜有長達20m的近距離、平行、共通道走線，極易在光纜的金屬加強芯上耦合雷電過電壓，同時光纜的金屬加強芯在進入建筑物時未進行可靠的接地處理（不滿YD5098之5.1的規定），所以當光纜加強芯上感應雷電過電壓時，極易將此過電壓引入機房內，從而導致光端機或其他微電子設備的損壞。

1）將現有的光纖遠離電源線進行重新布設。

2）將光纖的加強芯進行良好的接地，從而使得設備能夠正常運行并保護工作人員的安全。

2.8 窗門屏蔽和接地

將靠近鐵塔這一面的26扇窗戶進行屏蔽和接地，防止雷電的側擊，保護人身和設備安全，用不銹鋼網與60×8的熱鍍鋅扁鋼連接，將連接好的鋼網與窗框連接，再用熱鍍鋅扁鋼與地網進行可靠連接。

2.9 地網

現場勘查發現，該發射臺在現有建筑物的周圍建設有完整的地網設施，東西寬約46m左右，南北長約67m左右，通過現場檢測，接地電阻測試值為5.78Ω，校驗值為2.65Ω，其沖擊接地電阻換算值為2.52Ω，滿足不大于5Ω 的技術要求。

在新建鐵塔四角基礎外1.5m處，分別安裝一根ER-I-1.5/S的防腐降阻接地極（不小于60×8的鍍鋅扁鋼進行環形連接），用以降低沖擊接地電阻值，鐵塔基礎、防腐接地極與周邊的既有地網進行2點以上的可靠連接。地網的沖擊接地電阻值應小于1Ω，如果實測沖擊接地電阻值大于1Ω，則通過外引的方式來擴大地網尺寸降低接地電阻值，直至達到標準要求。

3 結語

高山廣播電視臺的穩定運行對本地廣播電視信號的正常發送、接收有著重要意義，而由于其地理位置的特殊極易受到雷擊影響，因此防雷避雷十分必要。文章介紹了雷電的入侵途徑，結合興山縣仙侶山發射臺的具體情況，提出了一整套防雷措施，以期有更多人對高山發射臺防雷技術加以重視。