高山無線發射臺站防雷系統改造實施案例分析

陳利鵬

（文山電視調頻骨干轉播臺，云南 文山 663000）

0 引言

廣播電視無線發射臺按頻率和調制方式分為電視調頻廣播發射臺和中短波廣播發射臺，兩類發射臺的電磁波頻率不同，傳輸覆蓋方式也不同，因此其設置地點的選擇也不同。電視調頻廣播發射臺一般設在城市周邊的高山頂上，位于四周的最高點，以達到最佳的覆蓋效果。文山電視調頻骨干轉播臺位于東經103°54′26″，北緯23°21′31″，海拔2 991 m，是滇東南地區的最高峰，山上常年雨霧籠罩，工作環境十分惡劣，年平均氣溫10 ℃左右，平均風力6～7 級，最大可達10 級以上。山體以喀斯特地貌為主，土壤大部分為砂巖，表面土層主要是枯枝爛葉常年堆積形成的腐土，土層很薄。其地理位置特殊，為雷電高發區，平均雷暴日68.75天，屬于高雷區，雷擊事件頻發。為保護供電設施和廣播電視發射電子設備的正常運行，建立完善的防雷系統相當重要。完善的防雷系統既能保證設施設備和值班人員的安全，減少不必要的經濟損失，又能保障廣播電視節目的安全播出。

1 綜合防雷概述

1.1 雷電的危害和防護的必要性

雷電是一種危害性極大的自然災害，是聯合國減災十年委員會公布的對人類威脅最嚴重的十大自然災害之一。雷電實質上是強對流天氣在云層和大地之間引發的電荷放電現象。大自然產生的雷電危害主要包括兩個方面：一是直擊雷，二是由此形成的可對電子系統造成巨大危害的強烈的雷電電磁脈沖，俗稱感應雷[1]。直擊雷以其強大的沖擊電流（平均為25～45 kA，可高達200 kA 或以上）在瞬間可產生灼烈的高溫和猛烈的沖擊波以及電磁輻射，當遇到地面上的物體時可擊穿或產生火花引起爆炸，摧毀地面上的建筑物（植物）、擊死擊傷人和動物等。而感應雷則是由直擊雷和附近雷擊所引起的電磁效應，發生雷擊時，強大的雷電流能夠通過傳導、感應、耦合等方式，在供配電設備和電子設備中產生瞬間高達幾萬伏甚至幾十萬伏的雷電過電壓，當這些設備中的瞬時雷電過電壓得不到正常釋放，就會擊穿燒毀設備本身，甚至可能危及到工作人員的安全。

1.2 雷電防護工程的系統綜合性

雷電是自然界中的復雜現象，它的發生沒有規律可言，所以單一的防雷手段起不到很好的防雷效果，必須綜合考慮地形、土壤、建筑物、電力系統、天饋線系統、臺站電子設備等因素，制定綜合系統的防雷方案[2]。雷電防護主要分為兩大方面，一是外部防雷（避雷針、避雷帶、接閃器、引下線、接地網等防直擊雷的措施），二是內部防雷（閉合的等電位均壓環、科學的屏蔽措施、合理的綜合布線、安裝防雷器和有效連接共用接地系統）。綜合防雷系統如圖1 所示。

圖1 綜合防雷系統圖

1.3 雷電防護的基本措施

針對直擊雷和感應雷的不同特點，需要采取不同的防雷措施。根據文山電視調頻骨干轉播臺的地形情況和臺區建（構）筑物的分布情況，外部防直擊雷措施主要是科學設置、合理更換避雷針、避雷帶（網、線），并做好連接有效的接地網，對直擊雷進行有效的防御。臺站內部產生的感應雷主要是通過外部傳輸線（電力線、信號線、天饋線等）以及惡劣的環境進入室內損壞設備，因此感應雷防護主要是做好屏蔽措施、室內等電位閉合連接、合理的布線、選擇合適的防雷器、連接有效的地網等，將感應電磁波消除在設備外圍，并及時將產生的雷電過電壓、過電流引入大地釋放。只有內、外防雷相結合，組成一個系統完備的防雷體系，才能做到有效防雷，真正保護建（構）筑物、設備及人員的安全[3]。

2 臺站防雷系統現狀

文山電視調頻骨干轉播臺現有的防雷系統是20 世紀80 年代初建立的，在后來的使用過程中雖有零零散散的維修，但由于使用年限過久，根據近年來常被雷擊的部位和測試接地電阻的情況看，基本已經沒有防雷能力了。此次防雷系統改造根據現代綜合防雷的要求，認真、系統地分析臺站的實際情況，分析研判得出當前存在的問題和對應的改造措施：

（1）臺站大門口高壓隔離開關接地電阻值超過規范要求，需增設接地網，地網接地電阻應≤4 Ω；高壓隔離開關接地引下線銹蝕，需更換；

（2）工作樓房頂防直擊雷裝置銹蝕、斷裂，需更換維護；

（3）工作樓一樓供配電房、發電機房接地電阻值超過規范要求，需增設接地網，地網接地電阻應≤4Ω；

（4）工作樓一樓低壓室內的配電柜需增加電源防雷器（Surge Protection Device，SPD）；

在田間選育的過程中，發現8株特殊單株，其中4 株是 BC4F3，2 株 BC3F4，2 株 BC2F5。 將這 8 株特殊單株按照其播始歷期的長短，分別命名為A、B、C、D、E、F、G、H。 由表 4可知，單株 A、B、C 的 Ghd7基因型和揚稻6號相同，但其播始歷期同揚稻6號相比早了8～9 d；剩下的5個單株的Ghd7基因型同鄂早18的基因型，但其播始歷期卻比揚稻6號要長。這說明抽穗期的決定是一個復雜的調控，受遺傳背景的影響。

（5）工作樓二樓機房和值班室接地電阻值超過規范要求，需增設接地網，地網接地電阻應≤4Ω；

（6）根據場地防雷需要，在工作樓一樓供配電室內安裝一套雷電智能監測儀，加強對總配電系統的雷電監測手段。

3 防雷改造設計方案

輸電線是文山電視調頻骨干轉播臺分布最廣的傳輸線，大部分都穿過自然保護區的樹林，其受直擊雷的幾率最高，且直擊雷最易與輸電線產生耦合，引入感應雷電高電壓，破壞輸電線以及沿著輸電線引入機房內損毀電子設備。另外，信號系統連接的設備接口耐壓水平低，對于由信號傳輸線引入的雷電感應高電壓也特別敏感、極易損壞設備。接地是為了能將雷電流和雷電電磁脈沖能量泄放到大地，利用大地作為工作回路，給通信設備提供基準電位參考點，防止其所造成的破壞作用，保證電力、電子設備與操作人員的安全[4]。所以此次防雷改造是根據整個臺區的實際現狀做出的綜合改造，主要包括高壓輸電線終端桿設備的防雷改造、建筑物樓頂和發射鐵塔以及鐵塔上附著物的直擊雷防護改造（避雷針、避雷帶）、增設供配電室和發電機房以及發射機房內等電位均壓環、科學的布線和屏蔽措施、合理設計安裝防雷器（三級電源設備保護）、增設合理的接地系統（高壓輸電線終端桿接地網、天線場鐵塔、供配電系統和防直擊雷共用接地網、發射機房接地網）。

3.1 臺站大門口高壓隔離開關防雷改造

當前臺站的輸電線路為10 kV 高壓線，始建于20 世紀80 年代初，線路總長約37 km，因使用年限長久，線路設施嚴重老化，每年雷雨季節都會發生雷擊線路事件。臺站大門口的高壓終端桿上裝有一套高壓隔離真空開關，為防止雷電沿輸電線路引入臺站內，此次防雷改造在高壓隔離真空開關處增設防雷地網并做等電位連接，更換新的防雷接地引下線。新增設地網深度1 m，水平接地體采用50 mm×5 mm 的熱鍍鋅扁鋼，垂直接地體采用ZGD-II-1（TY）型非金屬離子接地極，它由非金屬礦物質和電解物質組成，具有良好的導電性和穩定性，并且抗腐蝕、無污染、壽命長。接地引下線采用25 mm2ZR-BVR專用接地線與接地網做等電位連接。高壓隔離開關新增地網如圖2 所示。

圖2 高壓隔離開關新增地網示意圖

3.2 工作樓房頂直擊雷防護改造

臺站工作樓為一棟不規則長方形2 層磚混結構樓，建于20 世紀80 年代初，一樓主要有高壓室、低壓室及兩個發電機室，二樓主要有調頻發射機房、電視發射機房及一個值班室。樓頂的避雷帶銹蝕嚴重，部分損毀斷裂。因此，對銹蝕的避雷帶進行除銹、涂防銹漆處理，對已經斷裂、銹蝕嚴重不能繼續使用的避雷帶，采用φ12 mm 的銅覆鋼進行修復；增加避雷帶引下線，對工作樓房頂設施進行直擊雷保護。避雷帶及避雷帶支架采用直徑φ12 mm 的銅覆鋼，避雷帶支架高度不得小于15 cm；同時采用40 mm×4 mm 的熱鍍鋅扁鋼作為避雷帶防雷接地引下線，引下線從樓頂避雷帶引出，沿發射機房后墻敷設（每隔3 m 加一固定件，將引下線固定在墻體上）與新增設地網進行連接。引下線敷設在工作樓后側，按標準配置3 根（每根間距18～20 m），均與新增設地網進行連接。避雷帶引下線之間的焊接以及引下線與地網的焊接，需符合焊接工藝要求，并做防銹、防腐處理。樓頂標語牌、金屬支架、金屬構筑物等需與避雷帶可靠連接[5]。工作樓房頂避雷帶修復及引下線設置如圖3 所示。

圖3 工作樓房頂避雷帶修復及引下線設置示意圖

3.3 工作樓一樓高低壓室和發電機房防雷改造

工作樓一樓的防雷改造主要分室外新增地網和室內做等電位均壓環兩個部分。室外新增地網主要是在工作樓后側山坡空地增設共用地網（天線場區鐵塔的防雷完好，用引下線與供配電系統的地網連接共用一個地網），地網接地電阻≤4Ω。地網的施工工藝及材料選擇同臺站大門口高壓隔離開關的地網一樣。用兩根50 mm×5 mm 的熱鍍鋅扁鋼從地網引入到工作樓一樓，與新建的等電位環進行有效電氣連接（兩處連接點相隔距離大于5 m，接觸電阻不大于1 Ω，后面涉及電氣連接的工藝與此相同），作為電力設備、電源系統的安全接地。

在高低壓室、發電機房內，圍繞墻壁四周敷設50 mm×5 mm 的熱鍍鋅扁鋼作為等電位均壓帶。均壓帶采用絕緣子固定，每隔1 m 固定一次，在轉角處適當減小距離。沿配電室內墻0.3 m 高設置一圈熱鍍鋅扁鋼，在過門處入地，熱鍍鋅扁鋼與墻體的連接固定采用φ38 mm×41 mm 的絕緣子（支柱式）。在高低壓室、發電機房接地排的配電柜內，設置30 mm×3 mm×500 mm 的銅排作為接地排。接地排與配電柜的安裝通過柱式絕緣子（φ20 mm）進行絕緣處理。所有需要接地的電氣設備或電源線路接地，采用橫截面積不小于16 mm2的接地線連接到該接地排；接地排通過25 mm2的接地線與墻角的等電位接地環就近進行有效的電氣連接。低壓室內的配電柜外殼用10 mm2的接地線與接地排做等電位連接，發電機的接地采用25 mm2的接地線就近與新設的均壓環進行有效可靠連接。工作樓一樓室內等電位均壓環連接排如圖4 所示。

圖4 工作樓一樓室內等電位均壓環連接排示意圖

圖5 地網標識樁和接地電阻測試箱

3.4 低壓室內的配電柜增設防雷器（SPD）

低壓配電室是臺站供配電系統的核心部分，包括市電輸入部分、穩壓部分、UPS 系統、市電輸出部分以及市電和發電機供電的切換。根據低壓線路布局和實際用電情況，分三級安裝電源防雷器（電源防浪涌保護器）。

3.4.1 安裝一級防雷器

根據電力系統的線路控制情況，1、2 號輸入柜作為低壓室內的總控制端（同時也是市電和發電機輸出端的控制部分），控制著低壓室各電力單元的用電情況。1、2 號輸入柜內各有電源總控開關兩組，根據電力系統防雷特性需求情況，安裝第一級防雷器，共需配置4 套。安裝于電源控制開關的前端，接地線用25 mm2的專用接地線，就近與新設的接地匯流排進行有效電氣連接，新設的接地匯流排與地網（均壓環）進行有效電氣連接。

3.4.2 安裝二級防雷器

根據電力系統的電路特性情況，安裝第二級電源防雷器，分別安裝在1、2 號UPS 柜和1、2 號穩壓柜中，根據這些電源控制柜內的線路控制開關配置情況，每個電源控制柜內配置一組電源防雷器（每個控制柜內配置的是一組電源線路控制開關），配置數量共計4 組，安裝于電源控制開關的前端，接地線用16 mm2的專用接地線，就近與配電柜內新設的接地匯流排進行有效電氣連接，新設的接地匯流排與地網（均壓環）進行有效電氣連接。

3.4.3 安裝三級防雷器

在1、2 號輸出柜內各相電源線路的控制開關前端、一臺200 kVA 穩壓柜（用于生活和照明）以及水泵抽水開關的前端分別安裝第三級電源防雷器，對后端所有的用電設備進行防浪涌保護，接地線用16 mm2的專用接地線，就近與配電柜內新設的接地匯流排進行有效電氣連接，新設的接地匯流排與地網（均壓環）進行有效電氣連接。

3.5 工作樓二樓機房和值班室防雷改造

工作樓二樓有調頻發射機房、電視發射機房及值班室三個房間，主要包括發射系統、信號源系統、監測系統及安防系統的設備，是用電設備最多最復雜的區域，同時還要保證值班人員的安全，所以本次二樓的防雷改造也是分室外新增獨立地網和室內做等電位均壓環兩個部分。施工工藝和材料要求同一樓的防雷改造一樣。調頻機房內防雷改造如圖6所示。

圖6 調頻機房防雷改造圖

3.6 防雷智能監測系統

防雷智能監測系統主要通過內部有線組網方式將采集的數據在監測平臺顯示，能實時監測防雷系統的工作狀態和性能指標，以便值班人員了解防雷系統的情況，減少人工測量和排查故障的時間。防雷智能監測系統主要包括雷電智能監測和地網接地電阻動態監測兩個部分。

3.6.1 雷電智能監測系統

雷電智能監測系統主要通過安裝雷電監測儀和雷電流傳感器等設備對發生雷擊次數、雷電流峰值、發生時間等進行監測。監測儀在監測到所監測的地網沒有形成回路或因為接地極的嚴重腐蝕、脫落等導致所監測到的值大于監測儀的量程以及阻值突變等情況時產生告警。

3.6.2 接地電阻動態監測

接地電阻動態監測主要是對地網的接地電阻進行在線動態監測。由于臺站所處的地理環境非常惡劣，地網接地線經過長期的環境腐蝕，接觸會變得不好，性能會下降，導致值機人員不能及時地監測到接地性能的好壞。接地電阻在線監測管理軟件可以以固定頻率監測發射臺站接地的電阻值，通過網絡實時地傳回數據中心，臺站值機人員就可以在監控中心通過管理軟件Web 系統查看各個監測點的接地阻值情況。Web 系統中的電阻值趨勢圖可以幫助值機人員分析故障產生的原因并及時采取措施。

4 結語

文山電視調頻骨干轉播臺本次防雷系統改造做到了提前充分準備、多次實地勘察，根據臺站實際布局和場地特點，工程設計按照“綜合防雷、綜合治理”的原則，對重要建（構）筑物和設施設備、儀器進行系統規劃，形成了綜合防雷體系，增設三個獨立的地網，分為三個不同的子系統分別接入地網。由于地質原因，每個地網的回填土都是從山下挑選土壤電阻率低的泥土拉到山上回填，改變了土壤特性，以達到最好的防雷特性。經過一個雷雨季節的運行來看，測量地網的接地電阻不到1 Ω，雷擊事件明顯減少，防雷效果明顯，達到了預防為主、防雷減災的目的。