蔡 偉（廣東省信宜732臺，廣東信宜，525300）

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高山臺站綜合防雷系統(tǒng)技術(shù)改造

蔡 偉
（廣東省信宜732臺，廣東信宜，525300）

摘要：面對廣泛使用的新設(shè)備、新技術(shù)中存在的雷擊概率，如何在廣播電視高山臺站的日常工作中做好機房及附屬設(shè)備的防雷工作，更好地完成廣播電視節(jié)目的發(fā)送任務(wù)，顯得尤為重要。如何做好廣播電視臺特別是高山臺站防雷減災(zāi)工作，是本文所要研究的中心主題，也是廣東省信宜732臺綜合防雷系統(tǒng)技術(shù)改造工程的經(jīng)驗總結(jié)。

關(guān)鍵詞：雷電；高山臺站；技術(shù)方案

廣東省信宜732臺坐落在粵西第一峰的大田頂上，海拔高度1704米,是全廣東省最高的高山發(fā)射臺。擔負著轉(zhuǎn)播中央臺、省臺和市臺廣播電視節(jié)目播出及粵西微波線路傳輸任務(wù)，覆蓋人口達兩千多萬。雷雨云底部高度一般為600米，厚度達幾千米，我臺正處在雷雨云最旺盛的部分，云內(nèi)閃、云際閃、云地閃等均對我臺有嚴重影響。臺站內(nèi)主要建筑物包括86米和48米自立鋼結(jié)構(gòu)綜合性廣播電視發(fā)射塔共2座、塔腳旁綜合機房(2層結(jié)構(gòu)) 、北面生活樓(2層結(jié)構(gòu))、東面生活樓(2層結(jié)構(gòu)) 以及南面茂名市臺68米塔和機房等，發(fā)射設(shè)備機房、值班控制和信號源室及機房配電室均設(shè)于綜合機房內(nèi)，總變配電室及發(fā)電機房設(shè)于東面生活樓旁。周圍環(huán)境非常空闊，土質(zhì)較為惡劣，地表表層土壤很少，大部分是風化石，土壤電阻率較高，ρ達到150～900Ω.m，因而特別容易遭受各種形式的雷擊。

1 雷電知識

1.1 雷電起因

實測表明，雷云在5～10km的高度主要是正電荷的云層，在1-5km的高度主要是負電荷的云層。雷云底部的電荷將會使大地表面感應(yīng)出等量的異號電荷，在雷云與大地之間將建立起空間雷云電場。當雷云電場強度達到30kV/cm時，就會產(chǎn)生強烈的碰撞游離，從而形成雷電。

1.2 雷電的特性參數(shù)

(1)雷電流：雷擊電流大致呈單極性的脈沖波。主要可采用三個參數(shù)來表示，即雷電流的幅值、波頭時間和半幅時間。

(2)雷電過電壓：

主要決定于雷電流陡度和雷電流通道的阻抗，它的大小可按下式來計算：U=IR+L（式中I雷電流幅值KA.i隨時間變化的雷電流，R接地電阻Ω，L是雷電流通道的電感H）。

(3)地面落雷密度：表征雷云對地放電的頻繁程度，是指每一雷暴日每平方公里地面遭受雷擊的次數(shù)。

1.3 雷電種類

雷電一般分為直擊雷、感應(yīng)雷、雷電波入侵、球雷、雷擊電磁脈沖。有線狀、片狀、球狀、帶狀、枝狀等形狀，有云天、云間、云地等形式。

(l)直擊雷：雷電直接擊在地面上，產(chǎn)生電效應(yīng)、熱效應(yīng)以及機械力等一系列破壞。

(2) 感應(yīng)雷：雷擊大地后，強大的電磁脈沖使附近物體產(chǎn)生電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)，這種感應(yīng)雷可能破壞配電網(wǎng)高壓電氣及電子設(shè)備。

靜電感應(yīng)雷：雷云接近地面時，在架空導(dǎo)線或突出導(dǎo)體的頂部會感應(yīng)出大量電荷，產(chǎn)生很高的電位，這叫靜電感應(yīng)雷。

電磁感應(yīng)雷：雷云放電時，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，雷電流在周圍空間會產(chǎn)生裂變的強磁場，這種裂變的強磁場又會在附近的導(dǎo)體上感應(yīng)出很高的電位勢，這叫電磁感應(yīng)雷。此電磁能量聚集會產(chǎn)生放電火花，引起火災(zāi)、爆炸或造成人畜觸電等事故。

（3）雷電波入侵：雷電波可能會沿著架空線路以及建筑物金屬管道等侵入屋內(nèi)，損害設(shè)備或造成人身安全。

(4)球雷：球型雷是一種特殊的雷電現(xiàn)象，簡稱球雷。球型雷的形成還沒有完整的理論，通常認為它是一個溫度極高的特別明亮的炫目發(fā)光球體，直徑一般約為10～20cm或更大，球型雷通常在電閃后發(fā)生。以每秒幾米的速度在空氣中飄行，存在的時間大約為百分之幾秒至幾秒，一般是3至5秒，其下降時有的無聲，有的發(fā)出嘶嘶聲，一旦遇到物體或電器設(shè)備時會產(chǎn)生燃燒或爆炸，它能從煙囪、門窗或孔洞進入建筑物內(nèi)部造成破壞。

(5)雷擊電磁脈沖LEMP：指在建筑物在遭受直接雷擊或其附近遭受直接雷擊的情況下產(chǎn)生的雷電過電壓，也即雷擊時產(chǎn)生的電磁輻射。作為干擾源在電子設(shè)備中產(chǎn)生浪涌電壓或電流，會損壞電氣、電子設(shè)備，或者產(chǎn)生電火花引起火災(zāi)。

2 綜合防雷系統(tǒng)工程

綜合防雷系統(tǒng)工程應(yīng)包括防直擊雷、防感應(yīng)雷、防雷電波引入和防雷電脈沖以及地電位反擊。

2.1 防直擊雷

直擊雷是雷云對建筑物、建筑構(gòu)件的直接放電，產(chǎn)生強大的雷電流，一般為幾十千安到幾百千安，具有強烈的破壞作用。在臺（站）場地的鐵塔、機房建筑及金屬構(gòu)件都有可能接受雷云放電，特別是各類傳輸線纜（如高壓電力線、通信線纜）、金屬管道（如水管、天然管道等）還可能將遠端的直擊雷引入到臺站內(nèi)部。

這里還需指出，高山臺站側(cè)擊雷也是常見的直擊雷的一種形式。在高山和鐵塔的腰部圍繞著帶電云團。當云團對鐵塔的電場強度達到一定量級時，也會對鐵塔放電，形成雷擊。

2.2 防感應(yīng)雷

由雷電引起的靜電感應(yīng)雷和電磁感應(yīng)雷統(tǒng)稱感應(yīng)雷，又叫二次雷。

雷云放電時，在附近金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)等現(xiàn)象稱之為感應(yīng)雷擊。雷云之間或雷云對大地的放電過程中，會在附近的電力線路、通信線路、設(shè)備連接線路上產(chǎn)生電磁感應(yīng)并侵入連接在上述線路上的設(shè)備，從而造成設(shè)備損壞。感應(yīng)雷雖沒有直擊雷猛烈。但其發(fā)生的概率比直擊雷高得多，且其產(chǎn)生的感應(yīng)高壓可以通過電力線等傳得很遠，致使受害范圍擴大。感應(yīng)雷破壞的主要是電子電氣設(shè)備，對廣播電視傳輸、發(fā)射設(shè)備危害更大。

2.3 防雷電波引入和防雷電脈沖

防雷電波引入和防雷電脈沖實質(zhì)上是防高電壓引入。高電壓引入的高電壓源有3種：

1）金屬導(dǎo)線（如電力傳輸電、通信線等）將高電壓直擊雷以波的形式傳輸?shù)绞覂?nèi)和用電設(shè)備上；

2）來自感應(yīng)雷的高電壓脈沖以波的形式沿著導(dǎo)線傳播，引入室內(nèi)和用電設(shè)備上；

3）直擊雷在機房或其附近通過地網(wǎng)入地時，通過地網(wǎng)的地線以波的形式引入室內(nèi)和用電設(shè)備上。

2.4 地電位反擊

建筑物避雷針等外部防雷裝置在遭受直接雷擊時，在接地電阻兩端會產(chǎn)生危險的過電壓，此電壓在設(shè)備接地線等接閃物的作用下引入設(shè)備。從而造成設(shè)備的損壞。

從雷電侵入的途徑就能得知雷電損害電子電氣設(shè)備的幾種形式，因此一套完整的防雷系統(tǒng)應(yīng)該包括直接雷擊和感應(yīng)雷擊的防護，兩者缺一不可。雷擊防護應(yīng)根據(jù)設(shè)備的功能、受保護的要點以及冒擊的可能途徑實行分類保護和多級層保護。

3 信宜732臺綜合防雷系統(tǒng)技術(shù)改造方案

2012年8月，我臺在研究了綜合防雷系統(tǒng)工程的基本內(nèi)容和本臺原有的防雷工程設(shè)施以及存在的問題后，提出了新的工程技術(shù)改造方案。

3.1 信宜732臺原來防雷狀況

長期以來，廣東省信宜732臺遭受雷擊情況比較嚴重，設(shè)備經(jīng)常遭受不同程度的破壞，造成了不少經(jīng)濟損失。2012年改造前更是如此，經(jīng)測量我臺發(fā)射區(qū)土壤電阻率為856Ω﹒m，原有地網(wǎng)接地電阻為18Ω，屬高危險等級，整個防雷系統(tǒng)不合格，必須下大力氣全面對整個發(fā)射區(qū)的防雷系統(tǒng)進行綜合改造。根據(jù)其使用性質(zhì)，按GB50057－94的技術(shù)標準計算，廣東省信宜732臺屬二類防雷建筑物。

3.2 信宜732臺原有防雷系統(tǒng)存在的主要問題

信宜732臺原有防直擊雷的接閃器、引下線等系統(tǒng)設(shè)施是完好的，其保護區(qū)也覆蓋了整個場站，但仍然存在以下幾個問題：

1．變壓器低壓側(cè)沒有安裝避雷器。

2．機房外圍和鐵塔周圍沒有設(shè)置均壓帶。

3．機房外防雷連接線損壞嚴重。

4．機房外防雷連接線連接錯誤，連接線損壞嚴重。

5．引下線太長（1000多米），雷電流泄放時間超過技術(shù)要求，容易產(chǎn)生感應(yīng)電流和回流，損壞設(shè)備。86米鐵塔接地電阻太大（23歐姆），達不到防雷要求。

6．機房內(nèi)發(fā)射機地線寬度不夠大，個別設(shè)備未連接地線。

7．地極分布不合理，機房、變電房、鐵塔引下線連接不合理。

8．宿舍區(qū)沒有避雷設(shè)施。

3.3 改造方案

1.接地系統(tǒng)改造：按信息機房防雷要求，重新設(shè)置防雷接地地極。針對本臺設(shè)施的分布情況，分別在三個區(qū)域埋設(shè)垂直接地體，連接起來，再與原有地網(wǎng)連接形成整體防雷綜合地網(wǎng)。采用垂直接地體，要求接地電阻小于l歐姆。接地裝置結(jié)構(gòu)詳見附圖1、2、3。

A．工程接地電阻的計算

本方案采用綜合接地法，設(shè)計接地電阻小于lΩ。

1）單根垂直接地體的電阻值計算

根據(jù)臺周圍的地質(zhì)情況，取電阻率ρ=150Ω·m，垂直接地體長度L=2.5m，采用50×50×5mm熱浸鋅角鋼作為垂直接地體，其等效直徑d=0.042m，垂直接地體間距5m，則單根垂直接地體的電阻值為52.26Ω。

2）n根垂直接地體的電阻值計算若設(shè)置垂直接地體76根，查得接地體利用系數(shù)0.75。則76根垂直接地體的總電阻值為0.91Ω。

3）由計算可知，當設(shè)置76根垂直接地體時，接地電阻可以達到1Ω以下，能夠滿足設(shè)計要求。因此，本方案采用垂直接地體76根，材料為50mm×50mm×5mm熱浸鋅角鋼，接地體間距5m。

B．垂直地極的布設(shè)

1）在第l區(qū)域，埋設(shè)垂直接地體，采用兩行平行式地極結(jié)構(gòu)，可用于埋設(shè)垂直接地體，每行6支垂直地極，共l2支，用水平連接線把垂直接地體連接起來。

圖1　

水平連接線的上端與東面生活樓引下線相連接，在進入東面生活樓的連接處設(shè)置檢測端子。水平連接線下端與第2區(qū)域的連接線相連接。垂直地極分布圖詳見附圖。東面生活樓引下線到防雷地極的連接線小于30m，材料用38mm×4mm熱浸鋅扁鋼。

2）在第2區(qū)域選擇較平坦的地方，埋設(shè)垂直接地體，采用三行地極結(jié)構(gòu)，埋設(shè)24支垂直地極，用水平連接線把垂直接地體連接起來。水平連接線的上端與北面生活樓及綜合發(fā)射機房引下線相連接，另一端與第3區(qū)域的連接線相連接。垂直地極分布圖詳見附圖2。

圖2　

3）在第3區(qū)域選擇在鐵塔下方，埋設(shè)垂直接地體，采用兩行平行式結(jié)構(gòu)，埋設(shè)39支垂直地極，用水平連接線把垂直接地體連接起來。水平連接線的上端與鐵塔引下線連接，另一端與第2區(qū)域引線相連接。垂直地極分布圖詳見附圖3。

圖3　

2．鐵塔及機房外防雷系統(tǒng)改造：增設(shè)發(fā)射機房外圍和鐵塔周圍均壓帶。具體做法是沿機房四周，距離機房圍墻0.5m至lm處敷設(shè)閉合環(huán)形水平接地體，用38mm×4mm熱浸鋅扁鋼，埋深0.3m至0.5m。

沿鐵塔護墻四周敷設(shè)閉合環(huán)形水平接地體，用38mm×4mm熱浸鋅扁鋼，埋深0.3m以上。當不能埋地時，可用水泥漿覆蓋，避免導(dǎo)體裸露，盡量遠離人行道。

鐵塔引下線下端與第3區(qū)域的連接線相連接，引下線及各區(qū)域鏈接線每隔5 m重復(fù)接地，材料為長度L=2.5m，50×50×5mm熱浸鋅角鋼，需要用50根。

3．機房內(nèi)防雷系統(tǒng)改造：改進發(fā)射機房接地母線，機房內(nèi)部采用38mm×4mm熱浸鋅扁鋼，沿墻壁四周布置閉合環(huán)形接地母線，扁鋼每隔0.5m鉆一個Φ10mm的圓孔，以便設(shè)備就近連接到接地母線上。接地母線經(jīng)過引下線與地極檢測端子牢靠連接，連接處涂防銹漆兩遍，再用瀝青涂覆5mm以上。

4．電力防雷系統(tǒng)改造：在發(fā)電機房切換柜、配電機房進線柜以及變壓器低壓側(cè)等處安裝避雷器。

5．設(shè)備防雷系統(tǒng)改造：改進機房內(nèi)所有設(shè)備接地，保證牢靠，做法是將發(fā)射機接地線面積改為大于25mm2，長度不超過5m；發(fā)電機、變壓器接地線采用38岫×4姍熱浸鋅扁鋼，就近連接接地引下線。

6．建筑物防雷系統(tǒng)改造：北面生活樓及東面生活樓樓頂用Φl2mm熱浸鋅圓鋼沿四周敷設(shè)閉合環(huán)形避雷帶及避雷針，引下線下端與第2區(qū)域的連接線相連接。

以上6個項目全部完成后再與原有地網(wǎng)系統(tǒng)相連接，形成發(fā)射區(qū)完善的綜合地網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)了設(shè)計科學(xué)，布局合理，覆蓋全面，效果理想的預(yù)期目的。實測我臺整個改造后綜合防雷地網(wǎng)系統(tǒng)的接地電阻為0.30-0.80Ω，均在1Ω以下，相比原來的18Ω降低許多，取得了理想效果，為廣播電視設(shè)備的運行安全和人身安全提供了堅實的技術(shù)保障，確保了播出和生產(chǎn)安全。

4 結(jié)束語

然而防雷是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程,沒有任何一種措施方案可以完全防止雷擊災(zāi)害,因此我們高山臺站更應(yīng)該不斷提高對防雷工作的認識, 面對新形勢、新問題,積極研究新技術(shù)和新方法,針對本臺特殊環(huán)境和實際情況，及時采用相應(yīng)得力有效的防雷措施，不斷完善防雷綜合系統(tǒng)，將雷擊災(zāi)害減到最低，保證廣播電視設(shè)備正常運行，確保播出安全和安全生產(chǎn)。

參考文獻

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蔡偉、 男、 1965.11 漢、 廣東省信宜市、學(xué)歷本科、職稱工程師、現(xiàn)任職務(wù)廣東省信宜732臺副臺長、研究方向廣播電視發(fā)射；

Technical improvement of integrated lightning protection system for high mountain station

Cai Wei
（Xinyi, Guangdong province 732，Xinyi Guangdong，525300）

Abstract：In the face of new equipment and new technology are widely used in the presence of lightning probability,how in the daily work of the radio and television of mountain stations do room and ancillary equipment lightning protection work,better to complete task of radio and television program delivery,is particularly important. How to do a good job in radio and television stations,especially for the lightning protection and mitigation of high mountain stations,is the central theme of this paper,but also the experience of 732 comprehensive lightning protection system in Xinyi,Guangdong province.

Keywords：Thunder and lightning;high mountain station;technical scheme

作者簡介

中圖分類號：TN925