戴家紅 淮安廣播電視總臺(tái)電視傳輸中心

淺談淮安新廣播電視發(fā)射塔的綜合防雷

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雷電對(duì)廣播電視技術(shù)設(shè)施傳輸系統(tǒng)會(huì)造成危害，特別是廣播電視發(fā)射塔如遭雷擊，其電源系統(tǒng)及設(shè)備容易遭受雷擊損壞，輕則導(dǎo)致線路開關(guān)跳閘，影響發(fā)射站的正常工作，重則造成站內(nèi)設(shè)備及其電源系統(tǒng)中的配電設(shè)備損壞，致使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和播出停播事故。本文介紹了雷擊危害的方式及廣播電視發(fā)射塔防護(hù)雷擊的具體措施。

電視發(fā)射塔 直擊雷 感應(yīng)雷 防雷裝置 電涌保護(hù)器

一、引言

淮安新廣播電視調(diào)頻發(fā)射塔位于淮安市清浦區(qū)黃碼鄉(xiāng)運(yùn)南村大運(yùn)河西側(cè)，將于2016年9月正式投入使用，塔高320米。電視發(fā)射塔主體由2層塔座、塔身、8層塔樓和100米桅桿四部分組成。塔座設(shè)置發(fā)射機(jī)房，管理用房，地下室設(shè)置技術(shù)輔助用房，塔樓設(shè)置微波機(jī)房。

該電視調(diào)頻發(fā)射塔主要負(fù)責(zé)發(fā)射調(diào)頻廣播節(jié)目8套，模擬和數(shù)字電視節(jié)目8套，同時(shí)具有旅游觀光、展覽、餐飲、娛樂、休閑等綜合功能。廣播電視信號(hào)覆蓋整個(gè)淮安市，直接覆蓋人口500萬左右，成為淮安市標(biāo)志性建筑之一。

雷電是伴有閃電和雷鳴的放電現(xiàn)象，是嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。產(chǎn)生雷電的條件是雷雨云中有積累并形成極性。自然界的雷擊主要有直接雷擊和感應(yīng)雷擊兩類。由于直擊雷和感應(yīng)雷的侵害不同，防護(hù)措施也就不同。直擊雷防護(hù)措施主要采用避雷針，避雷帶（網(wǎng)）等傳統(tǒng)避雷措施。感應(yīng)雷擊防護(hù)措施主要有等電位連接，屏蔽，規(guī)范的綜合布線，安裝有效的電涌保護(hù)器和完善的接地系統(tǒng)等方法。

二、雷擊防護(hù)

2.1 直接雷防護(hù)

2.1.1 發(fā)射天線塔和建筑物防雷措施

廣播電視發(fā)射臺(tái)鐵塔和天線位置是臺(tái)站地面建筑的最高點(diǎn)，天線塔本身既可成為防雷的避雷塔，也可能變成“引雷器”或產(chǎn)生感應(yīng)雷的導(dǎo)體，因此它是臺(tái)站防雷的第一關(guān)。

按照國家97年頒布的《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057——94（2010版）的相關(guān)規(guī)定，鐵塔接地網(wǎng)形狀、密度可根據(jù)地形，防雷等級(jí)、天線塔種類來設(shè)計(jì)。接地網(wǎng)的網(wǎng)格尺寸應(yīng)不大于5m×5m或6m×6m，天線塔接地電阻≤10Ω，接地網(wǎng)設(shè)計(jì)電阻應(yīng)≤1Ω。發(fā)射臺(tái)各種接地（防雷接地除外）難于分開，總接地電阻要求不得超過4Ω，防雷接地電阻不大于10Ω，且需與保安接地分開。當(dāng)必須合用一個(gè)接地極時(shí)，總接地電阻要求小于1Ω 。

本建筑采用公共接地系統(tǒng)（工作場(chǎng)所，工作接地，直流接地，防靜電接地，互相搭接使用）接地電阻≤1Ω 。接地網(wǎng)的垂直接地體采用無污染、耐腐蝕、使用壽命長的非金屬石墨人工接地體，水平接地體采用40mm×4mm熱鍍鋅扁鋼，網(wǎng)格尺寸為3m×3m，地網(wǎng)引上線采用 35mm2的多膠銅塑線經(jīng)美觀固定后引入機(jī)房。地網(wǎng)的位置要求盡可能靠近發(fā)射設(shè)備場(chǎng)地附近，要求接地體布局合理，接地電阻達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)要求。機(jī)房有多種接地時(shí)，可以采用共網(wǎng)不共母線的連接方式。為保險(xiǎn)起見，在塔座基礎(chǔ)外距建筑3m的地方，做一圈人工接地網(wǎng)與塔座用7根（按18m間距計(jì)算）50mm×5mm的熱侵鍍鋅扁鋼電氣連接，最后回填土夯實(shí)。

人工接地網(wǎng)盡量埋設(shè)在人們走不到或很少走去的地方，避免跨步電壓危害。水平接地體埋設(shè)深度不小于0.8m，為保證連接的可靠性，水平接地體和垂直接地體不能采用鉚接或螺栓連接，所有連接部分必須用電焊連接，并且一定要保證有不少于10cm2的接觸面積，同時(shí)焊接面做防腐處理。回填土捶緊、夯實(shí)。水平接地體不能太長。在工程上往往是測(cè)量工頻接地電阻，并利用沖擊接地電阻與工頻接地電阻之間的關(guān)系來計(jì)算接地體的沖擊接地電阻。沖擊接地電阻與工頻接地電阻之間的關(guān)系可表示為：

一般情況由于火花效應(yīng)大于電感效應(yīng)，故通常情況下a＜1；但是如果接地體長度很長時(shí)，有可能a＞1。這樣對(duì)于防雷接地的設(shè)計(jì)是不合理的。所以用于防雷為主的防雷接地裝置水平外延或者放射狀接地體長度不宜太長，一般不要大于100m 。否則它的分布電感將妨礙雷電流的散逸，使沖擊電阻高于工頻接地電阻。

認(rèn)真計(jì)算天線塔避雷針的保護(hù)范圍并留有充分余地，當(dāng)其他建筑物不在保護(hù)范圍時(shí)，可考慮設(shè)計(jì)多支（等高或不等高）避雷針保護(hù)方案。對(duì)于直擊雷的防護(hù)措施主要是通過架設(shè)避雷針。避雷針通常安裝在發(fā)射塔的頂端或者發(fā)射站建筑上。在發(fā)射塔頂端架設(shè)避雷針，只要設(shè)計(jì)合理，可以對(duì)直擊雷起到很好的防護(hù)效果。因?yàn)槔纂姷姆烹娡ǖ朗艿胶芏嗯既恍砸蛩氐挠绊?，想保證發(fā)射塔完全不遭受直擊雷襲擊時(shí)是不現(xiàn)實(shí)的，因此結(jié)合實(shí)際情況對(duì)保護(hù)范圍按照99%的保護(hù)概率即屏蔽失效或繞擊率1%而定。結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，充分認(rèn)真考慮現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，通過對(duì)避雷針保護(hù)范圍和高度進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和計(jì)算，能達(dá)到非常有效的防護(hù)效果。安裝避雷針保護(hù)范圍示意圖如圖1所示。

參考中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》DL/T620—1997的相關(guān)規(guī)定，對(duì)避雷針的保護(hù)及其高度可以采用以下公式進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)避雷針頂端到地面的高度為h（m），被保護(hù)物體的高度為hx（m）；在hx高度避雷針保護(hù)范圍的半徑為rx，參照對(duì)單只避雷針的折線計(jì)算法得以下計(jì)算公式：

圖1 安裝在發(fā)射塔頂端避雷針保護(hù)范圍示意圖

其中p為高度影響系數(shù)。P的取值與避雷針的高度h有關(guān)。當(dāng)h≤30m時(shí)，p=1；當(dāng)30m＜h≤120m時(shí)，p=5.5/根號(hào)h；當(dāng)h＞120m的情況，按120m計(jì)算。在處于多雷區(qū)或者安全裕度要求較高的情況下，應(yīng)適當(dāng)減小避雷針的保護(hù)角。

本電視發(fā)射塔在發(fā)射天線最頂端安裝放電時(shí)間30微秒，針高3m，保護(hù)半徑36m的主動(dòng)提前預(yù)放電獨(dú)立避雷針措施，對(duì)發(fā)射天線及發(fā)射塔建筑物進(jìn)行直擊雷防護(hù)。并且在房頂，房角或利用圍墻，柵欄裝設(shè)閉合的避雷帶，均壓網(wǎng)。避雷網(wǎng)采用￠16鍍鋅圓鋼在屋面設(shè)不大于10m×10m（或16m×8m）的避雷網(wǎng)絡(luò)，且屋面上所有的金屬物件，鋼結(jié)構(gòu)塔桅，網(wǎng)架，外露金屬管道等均用￠16鍍鋅圓鋼與避雷網(wǎng)連接。

均壓網(wǎng)設(shè)計(jì)：塔樓從首層起到頂層的所有圈梁就近與引下線電氣連接，圓梁內(nèi)至少選擇對(duì)稱兩條鋼筋在整個(gè)樓層范圍內(nèi)電焊連接，所有孔、洞兩側(cè)應(yīng)對(duì)稱預(yù)留兩點(diǎn)接地線，以便各種金屬框架就近與均壓環(huán)連通。建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)的主鋼筋均應(yīng)相互連通接地，45m及以上各層的建筑外墻上的金屬門，窗，較大的金屬構(gòu)件均與防雷裝置連接。豎直敷設(shè)的金屬管道及金屬物的頂端和底端與防雷裝置連接。平行敷設(shè)的長金屬物當(dāng)其間距小于100mm時(shí)，應(yīng)每隔30m跨接一次。一般說，均壓網(wǎng)格不宜大于5m 。引流線應(yīng)視建筑物結(jié)構(gòu)和布局進(jìn)行設(shè)計(jì)。均壓網(wǎng)，避雷帶應(yīng)接有多根引流線，在建的房屋可考慮與建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋼筋良好連接。

一般情況下，建筑物安裝有避雷針或避雷帶，避雷網(wǎng)，但是雷電的活動(dòng)規(guī)律是對(duì)于發(fā)生過雷擊的地點(diǎn)和入侵通道，下次雷擊時(shí)更容易再次遭受雷擊。如果外部防雷某一個(gè)環(huán)節(jié)做的不好，就會(huì)影響整體的防雷效果。如果外部防雷不能擔(dān)負(fù)直擊雷防護(hù)的任務(wù)，那么它將是一個(gè)“引雷工程”而不是“防雷工程”，設(shè)備反受其害。直擊雷防護(hù)的完善與否，關(guān)系到感應(yīng)雷防護(hù)的基礎(chǔ)是否牢固。因?yàn)橹睋衾追雷o(hù)是感應(yīng)雷的基礎(chǔ)。

在直擊雷防護(hù)比較完善的情況下，電視臺(tái)站部分設(shè)備仍然可能遭受雷擊，這說明防雷是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。它包括屏蔽，等電位聯(lián)接，安裝浪涌保護(hù)器等措施，全方位的雷擊防護(hù)，感應(yīng)雷的防護(hù)十分重要。

2.2 感應(yīng)雷防護(hù)

感應(yīng)雷的防護(hù)主要包括電源系統(tǒng)，天饋信號(hào)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)格系統(tǒng)的保護(hù)，等電位連接以及接地等。根據(jù)淮安市電視調(diào)頻發(fā)射臺(tái)的情況需求，主要針對(duì)電源和天饋，網(wǎng)格進(jìn)行防護(hù)，同時(shí)為了均衡雷電流對(duì)于設(shè)備的沖擊，等電位聯(lián)結(jié)的措施必不可少。

2.2.1 電源系統(tǒng)的防雷及過電壓保護(hù)

據(jù)統(tǒng)計(jì)雷擊事故中，從電源線路侵入感應(yīng)過電壓損壞設(shè)備占較大比例。所以電源的防護(hù)是所有設(shè)備防護(hù)的根本和基礎(chǔ)條件，沒有電源的安全防護(hù)，其他的措施都是舍本逐末。鑒于電視發(fā)射塔有過雷擊損壞設(shè)備的先例，所以對(duì)于系統(tǒng)的保護(hù)理應(yīng)提高此防護(hù)等級(jí)。為實(shí)現(xiàn)多級(jí)配合，要計(jì)算各級(jí)SPD（電涌保護(hù)器）之間的能量配合。SPD的主要作用是把竄入電力線、信號(hào)傳輸線的瞬時(shí)過電壓限制在設(shè)備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi)，并將強(qiáng)大的雷電流泄放入地，從而保護(hù)被保護(hù)的設(shè)備或系統(tǒng)不受沖擊而損壞。選用合適電涌保護(hù)器，對(duì)電源分為四級(jí)保護(hù)，使浪涌電壓逐級(jí)泄放入地。

按照分級(jí)泄放原理，第一級(jí)防雷可在總配電箱端加裝1套電源三相一級(jí)高能量防雷器SPD1:WL4L8—100kA（10/350微秒模塊）啟動(dòng)電壓小于1400v，響應(yīng)時(shí)間小于或等于100ns，殘壓小于2500v，使大部分雷擊能量在此泄放。（總配電柜盤上均應(yīng)留出安裝SPD的空間，SPD連接導(dǎo)線應(yīng)短而直，總長度不宜大于0.5m，其材質(zhì)采用Bv16銅線纜。為防止SPD老化造成短路，SPD安裝線路上應(yīng)有過電流保護(hù)器件，宜選用有劣化顯示功能的SPD.）

在發(fā)射設(shè)備室的配電柜內(nèi)安裝1套電源單相第二級(jí)防雷SPD2:WL4L8--60kA（8/20微秒模塊） 啟動(dòng)電壓小于800v，對(duì)地漏電流小于30微秒，殘壓小于1000v。

在發(fā)射設(shè)備的開關(guān)前端安裝1套電源第三級(jí)SPD3:WL4L8--40kA（8/20微秒）共計(jì)一套，啟動(dòng)電壓小于630v，對(duì)地漏電流小于30微秒，殘壓小于800v

室內(nèi)所有設(shè)備的插座全部更換為具有防雷功能的插座作為第四級(jí)防護(hù)SPD4:WL2206--20kA（8/20微秒）。以上措施將有效防止雷電流從電源線路侵入并損壞設(shè)備。

保證計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等信號(hào)方面的雷擊發(fā)生，還需要進(jìn)一步對(duì)網(wǎng)絡(luò)，天饋信號(hào)系統(tǒng)的線路進(jìn)行防護(hù)。

2.2.2 網(wǎng)格信號(hào)系統(tǒng)的防雷與過電壓保護(hù)

雷擊發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的巨大瞬間電磁場(chǎng)，在1Km的范圍內(nèi)的金屬環(huán)路內(nèi)均會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)雷電流，另建筑物在避雷針（帶）接閃雷電時(shí)，在雷電流通過防雷引下線對(duì)地泄放同時(shí)，也會(huì)對(duì)建筑物內(nèi)的網(wǎng)格金屬環(huán)路產(chǎn)生雷電電磁脈沖，形成線路感應(yīng)過電壓，易造成終端設(shè)備端口的損壞，嚴(yán)重影響網(wǎng)格系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

機(jī)房內(nèi)的信號(hào)防雷主要是針對(duì)網(wǎng)格交換機(jī)的防護(hù)，網(wǎng)格交換機(jī)根據(jù)端口的不同分為千兆交換機(jī)和百兆交換機(jī)。千兆端口采用千兆網(wǎng)格信號(hào)防雷器，百兆端口采用百兆網(wǎng)格防雷器，分別串接在交換端口的前端，使雷電入侵波在端口前端通過防雷器泄流入地，保護(hù)端口的安全。

電腦，交換機(jī)等的網(wǎng)口根據(jù)傳輸速率的不同分別采用單口千兆網(wǎng)絡(luò)防雷器和百兆網(wǎng)絡(luò)防雷器進(jìn)行保護(hù)。網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的防護(hù)措施及產(chǎn)品選型如下：

（1）在編輯機(jī)房的24口網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)前端串接帶有兩級(jí)保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)防雷器WLJ45---E100M/24

（2）計(jì)算機(jī)單機(jī)的雙絞線路上串接單口網(wǎng)絡(luò)專用防雷器WLJ45—E100M 。在進(jìn)入單位的程控電話線或?qū)Ｓ脭?shù)據(jù)線路安裝信號(hào)專線避雷器。此避雷器的啟動(dòng)電壓為所保護(hù)信號(hào)電壓峰值的1.5倍，雷電通流大于0.2kA.通信專線避雷器要求其傳輸速率大于9600bps，雷電通流大于0.5kA.插入衰減小于0.3dB。為了確保服務(wù)器的安全，避免數(shù)據(jù)丟失，在服務(wù)器前端安裝一級(jí)網(wǎng)絡(luò)避雷保護(hù)模塊，為了保護(hù)網(wǎng)絡(luò)線路和各終端設(shè)備的安全，在網(wǎng)絡(luò)路由器前安裝一級(jí)網(wǎng)絡(luò)避雷保護(hù)器。

2.2.3 天饋信號(hào)系統(tǒng)的防護(hù)

（1）室外引入線防雷措施

室外引入線是指臺(tái)站內(nèi)各種發(fā)射設(shè)備饋線，吊饋管的鋼絞線及波導(dǎo)固定架，鐵塔過橋和塔燈電源線，各類管道，各種視音頻信號(hào)線，通信線等。在雷電天氣，引線外皮很容易將感應(yīng)雷或感應(yīng)電壓引入機(jī)房，必須采取措施進(jìn)行電氣阻塞。

保證饋管兩端良好接地。饋管在進(jìn)入機(jī)房前外皮要就近與地網(wǎng)連接，吊饋管鋼絞線，固定架，過橋每隔一定距離逐點(diǎn)接地。

各種引線要使用屏蔽電纜，進(jìn)入機(jī)房前屏蔽層應(yīng)就近與地網(wǎng)連接。引線較長或條件允許時(shí)，進(jìn)入機(jī)房前水平埋入地下，長度最好在10m以上。若無屏蔽電纜，可將引線穿入鐵管，按上述要求埋入地下。引入機(jī)房的電纜中如有不使用的芯線，也應(yīng)在兩端良好接地。

（2）室內(nèi)設(shè)施的防雷措施

機(jī)房內(nèi)根據(jù)設(shè)備擺放情況，用銅皮鋪設(shè)地網(wǎng)，通過多點(diǎn)與室外地網(wǎng)良好連接，從而營造等電位環(huán)境。根據(jù)國標(biāo)GB7450—87＜＜電子設(shè)備雷擊保護(hù)導(dǎo)則＞＞和實(shí)際情況，科學(xué)有重點(diǎn)的采用防雷保護(hù)元件對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。

機(jī)房內(nèi)屏蔽接地，機(jī)殼接地，電源接地（中性線，零線），工作電路接地，保安接地，過壓保護(hù)接地等要統(tǒng)一，就近與機(jī)房共用地網(wǎng)作可靠的電氣連接。

（3）等電位連接措施

信號(hào)塔實(shí)際是個(gè)“引雷工程”，它在將強(qiáng)大的直擊雷電流泄放到地下的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生方圓20公里內(nèi)的感應(yīng)雷輻射。將信號(hào)塔電梯的滑道兩端與塔樓作等電位連接，供電部分安裝SPD。

發(fā)射機(jī)房及各個(gè)機(jī)房內(nèi)防靜電地板下用2mm×30mm的紫銅帶制作接地均壓環(huán)，并與專用接地母線預(yù)留端子可靠連接，用于各設(shè)備，金屬支架和抗靜電地板支架接地。機(jī)房內(nèi)的供電系統(tǒng)地線，防雷接地地線，防靜電接地，直流接地（邏輯接地）都與均壓環(huán)連接，然后經(jīng)引下線接地，與接地網(wǎng)連接。

電視臺(tái)的辦公樓窗戶沒有屏蔽接地，這對(duì)于室內(nèi)的設(shè)備來說就相當(dāng)于半露天了。所以室內(nèi)的微電子設(shè)備，尤其是電腦經(jīng)常遭受感應(yīng)雷的破壞，因此電視臺(tái)站應(yīng)把辦公樓，機(jī)房鋁制門窗，暖氣管，水管，走線架等各種導(dǎo)體就近與母線或地網(wǎng)連接。在塔樓的每一層靠近中心的構(gòu)造柱主筋上外引一等電位連接排，用于屏蔽接地、SPD接地、交直流接地等之用。塔樓外距地高度1.7m處等距離對(duì)稱的引出兩個(gè)接地電阻測(cè)試點(diǎn)，分別暗裝測(cè)試盒。

由于雷電的隨機(jī)性很大，形成的機(jī)理很復(fù)雜，雷電的表現(xiàn)形式多種多樣。因此，目前防雷技術(shù)水平還局限在任何單一的防雷器件都無法保證某一特定空間所有保護(hù)對(duì)象的防雷安全，防雷技術(shù)還有待進(jìn)一步提高。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)雷電機(jī)理的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，防止和減少雷電災(zāi)害的方法將日臻完善。