廣電發(fā)射臺綜合防雷及接地系統(tǒng)工程的運用

陳 勇

（作者單位：四川省廣播電視發(fā)射傳輸中心）

1 直擊雷防護(hù)

527臺新址有1座76 m中波桅桿天線、1座48 m中波小天線、1座80 m綜合發(fā)射塔、機(jī)房技術(shù)大樓、值班用房、柴油發(fā)電機(jī)房及中波天線調(diào)配室。

1.1 527臺鐵塔防雷接地體

兩副中波天線及綜合發(fā)射塔均有獨立的防雷接地網(wǎng)、接閃等設(shè)計及配置措施，可有效防直擊雷。防雷接地網(wǎng)采用垂直接地體與水平接地體相互連接而成，接地電阻按不大于4 Ω、盡量接近1 Ω的目標(biāo)進(jìn)行建設(shè)，水平接地體采用扁鋼40×4，垂直接地體采用2米角鋼∠50×4，垂直接地體頂端及水平接地體均埋入地面300～500 mm以下，所有扁鋼和角鋼都采用熱浸鋅處理材料。接地裝置的鋪設(shè)以塔腿基腳為起點，向外呈現(xiàn)輻射狀，直線鋪設(shè)，垂直接地體間距5 m，用水平接地體連接，長度不低于20 m，527臺鐵塔防雷接地體如圖1所示。

圖1 鐵塔防雷接地體

1.2 527臺播傳設(shè)備設(shè)施直擊雷保護(hù)措施

1.2.1 綜合發(fā)射塔懸掛設(shè)備設(shè)施直擊雷防護(hù)

527臺綜合發(fā)射塔往往是附近首當(dāng)其沖的落雷點，綜合發(fā)射塔是直接接地的，塔體只起支撐作用，且設(shè)置有接閃、防雷接地網(wǎng)泄流通道，發(fā)射塔上懸掛的電視、調(diào)頻、微波天線及其線纜處于綜合發(fā)射塔直擊雷自身保護(hù)范圍之下。

1.2.2 機(jī)房技術(shù)區(qū)直擊雷防護(hù)

527臺機(jī)房技術(shù)區(qū)主要包括發(fā)射機(jī)房、中心控制室、信號源室、配電室、發(fā)電機(jī)房、儲油間等，除調(diào)配室、發(fā)電機(jī)房和儲油間單獨設(shè)置外，其他技術(shù)用房均處于一棟機(jī)房大樓內(nèi)，其機(jī)房大樓緊鄰80 m綜合發(fā)射塔，總平面規(guī)劃設(shè)計如圖2所示。

下來重點探討527臺機(jī)房大樓及機(jī)房樓頂?shù)慕邮仗炀€及安防監(jiān)控云臺等附屬設(shè)備設(shè)施直擊雷防護(hù)。

采用單支避雷針滾球法（如圖3）判定，如式（1）（2）所示：

式（1）中：rx為避雷針在hx高度的平面上的保護(hù)半徑，m，527臺按二類防雷建筑物的計算，取hr=45m；hr為滾球半徑，m；hx為被保護(hù)物的高度，m；r0為避雷針在地面上的保護(hù)半徑，m。

圖3 單支避雷針保護(hù)范圍示意圖

527臺綜合發(fā)射塔含避雷針有效高度83 m大于滾球半徑45 m，避雷針在地面上的保護(hù)半徑與滾球半徑相同，即為45 m，527臺被保護(hù)的機(jī)房大樓及其樓頂附屬設(shè)施高度均不超過15 m，且機(jī)房大樓最遠(yuǎn)端附屬設(shè)施離發(fā)射塔距離不超過45 m，處于其保護(hù)范圍之內(nèi)，故527臺機(jī)房大樓不需單獨設(shè)置避雷針保護(hù)。發(fā)電機(jī)房及儲油間未處于發(fā)射塔直擊雷保護(hù)范圍內(nèi)，須單獨設(shè)置避雷針保護(hù)，由式（1）可得將527臺發(fā)電機(jī)房和儲油間避雷針高度保守設(shè)置為5 m。

1.2.3 中波桅桿天線及小天線防直擊雷防護(hù)（中波發(fā)射設(shè)備直擊雷措施）

圖2 總平面規(guī)劃設(shè)計圖

527臺兩幅中波鐵塔本身是發(fā)射天線，與大地斷開，勢必會成為發(fā)射臺內(nèi)的主要落雷點，需要設(shè)計有效的放電泄流措施，否則雷電流會隨中波饋線進(jìn)入發(fā)射設(shè)備造成損壞。527臺新址的中波小天線和中波桅桿天線均考慮設(shè)置有四級防雷措施，如圖4所示。并根據(jù)每級防雷在通路中的位置及承擔(dān)泄流大小來設(shè)置石墨放電球、金屬放電球、發(fā)射機(jī)內(nèi)放電球之間間距。

圖4 四級放電裝置示意圖

根據(jù)廣電工程實踐經(jīng)驗證明，石墨放電球1 mm間距耐壓約為1 000 V，根據(jù)功率公式W=U2/R，結(jié)合527臺承載功率，可得527臺調(diào)配網(wǎng)絡(luò)石墨放電球兩端的廣播信號峰值大約為1 140 V，527臺石墨放電球間距按不低于雙倍峰值設(shè)計，設(shè)置為2.5 mm。金屬放電球起到第一泄放的作用，工程實踐表明將承擔(dān)70%左右泄放任務(wù)，間距設(shè)計4～5mm；發(fā)射機(jī)內(nèi)部放電球間距常用1 mm。

1.3 建筑物直擊雷保護(hù)措施

根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》和《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》要求，廣播電視發(fā)射臺屬第二類防雷建筑物，機(jī)房大樓、值班用房、發(fā)電機(jī)房、儲油間及調(diào)配室在做房屋設(shè)計時嚴(yán)格按照規(guī)范要求雷電防護(hù)等級B級設(shè)計和施工建設(shè)，并將所有建筑主體鋼筋與全臺防雷接地網(wǎng)多點焊接相連。

2 感應(yīng)雷防護(hù)

2.1 屏蔽

2.1.1 信號源室、中心控制室、調(diào)配室屏蔽

2.1.1.1 屏蔽材料

527臺信號源室及中心控制室設(shè)計選用0.3 mm的銅網(wǎng)為屏蔽材料。

調(diào)配室位于中波發(fā)射天線底部附近，為了避免元件因電磁感應(yīng)及雷電串?dāng)_而出現(xiàn)高電壓，以及因感應(yīng)電流的作用而影響網(wǎng)絡(luò)功能，527臺調(diào)配室進(jìn)行六面屏蔽處理。為防止接縫氧化，調(diào)配室六面屏蔽建設(shè)中采用銅皮進(jìn)行鋪設(shè)，接縫采取壓接、鉚接后，錫焊、銅焊相接合鉤縫的方式。

2.1.1.2 屏蔽體施工

屏蔽體為整體封閉的金屬六面體，527臺新址建設(shè)信號源室、中心控制室時，則采取將銅網(wǎng)置于墻壁間，銅網(wǎng)間隔2～3 cm，由臺內(nèi)技術(shù)人員協(xié)調(diào)建設(shè)方在土建時實施。建設(shè)時重點做好屏蔽體的接地處理，采用銅帶作為引下線，一端與屏蔽體內(nèi)、外側(cè)可靠焊接，另一端與機(jī)房接地網(wǎng)可靠焊接；天線調(diào)配室則采用銅皮進(jìn)行全封閉電磁屏蔽。

2.1.2 線纜屏蔽

雷電易通過線纜感應(yīng)串入，527臺統(tǒng)一使用屏蔽電纜，采取地埋走饋線溝的方式進(jìn)入機(jī)房。無屏蔽層電纜穿金屬管，并就近與地網(wǎng)鏈接。

2.2 工藝接地

2.2.1 接地網(wǎng)

為了防止各系統(tǒng)互相干擾，527臺設(shè)計時采取各接地網(wǎng)相連，即整個臺區(qū)一相連接，避免相互間串?dāng)_。為減少跨步電壓，527臺地網(wǎng)采用環(huán)形封閉接設(shè)計。

經(jīng)測量527臺的土壤電阻率為800Ω·m，設(shè)計的地網(wǎng)阻抗不大于1 Ω，經(jīng)驗證明，垂直接地極一般采用2.5 m鍍鋅角鋼，埋設(shè)深度L米，埋設(shè)間距y米，按各種不同形狀平面接地裝置的工頻接地電阻如式（3）所示：

其（3）中：ρ為土壤電阻率，Ω·m；r為水平接地體直徑，m；L為水平接地體總長度，m；A為平面接地體形狀系數(shù)；η為垂直接地級利用系數(shù)一般選用0.8，若按3 m埋設(shè)，埋設(shè)間距6 m，可組成8×8接地網(wǎng)，環(huán)機(jī)房大樓一周的環(huán)形網(wǎng)格狀地網(wǎng)。

2.2.2 接地引入線

接地引入線從接地網(wǎng)就近引入，引入機(jī)房的接地母線在機(jī)房四周就近引入，祼露地面部分穿φ 50 mm熱鍍鋅鋼管。接地引入線采用40 mm×4 mm熱鍍鋅扁鋼，且長度不超過30 m，接地引入線與機(jī)房建筑基礎(chǔ)連接組成，環(huán)形接地網(wǎng)沿著建筑物四周鋪設(shè)，并與各地樁主鋼筋焊接連通。接地引入線埋設(shè)時充分考慮了527臺新址的整體建筑設(shè)計，避開了排污管道、污水管道和水溝，在接地引入線的出土部位都考慮了防機(jī)械損傷的保護(hù)措施和絕緣防腐處理，并作出相應(yīng)標(biāo)識以方便臺站和檢測人員后期檢查測試。

室外引入線至發(fā)射機(jī)房的各種發(fā)射設(shè)備的饋線，吊饋管的鋼絞線及固定架、鐵塔橋架、各類管道通信線、視音頻線等，極易把感應(yīng)雷引入機(jī)房，所以我們在建設(shè)527臺新址機(jī)房時，將所有進(jìn)入機(jī)房的引線進(jìn)行了電氣阻塞，各種引入線都盡量使用屏蔽電纜。進(jìn)入機(jī)房前把引入線屏蔽層就近與機(jī)房工作接地極可靠連接，各種饋管在進(jìn)入機(jī)房前，外皮就近與地相連接，饋管、固定架、金屬橋架等每隔一段距離逐點良好接地。

發(fā)射塔上饋線及其他同軸電纜金屬外保護(hù)層分別在天線處、離塔處以及機(jī)房入口處外側(cè)就近接地。凡突出屋頂?shù)脑O(shè)備外殼及其基礎(chǔ)、風(fēng)管、透氣管及其支架等所有金屬構(gòu)件、金屬管道等均通過熱鍍鋅扁鋼與接地裝置可靠連接，焊接處同時作防銹處理。

2.2.3 接地匯流排

接地匯流排主要安裝在機(jī)房內(nèi)，機(jī)房內(nèi)所有設(shè)備的外殼均與接地母線可靠連接，并在與接地線采用不同金屬材料互連時，采取防電化腐蝕措施。根據(jù)機(jī)房內(nèi)的設(shè)備布置情況，將沿走線架或線纜溝接地匯集線形成網(wǎng)絡(luò)，匯集線上間隔1.0～1.5 m預(yù)留連接孔（直徑8 mm）。接地匯流排采用400 mm×100 mm×5 mm的銅排，并預(yù)留相應(yīng)的螺孔以便連接。

2.2.4 接地線

接地線一般采用截面積16 mm2BVR黃綠色電纜線，當(dāng)接地線距離較長時，一般采用截面積35 mm2BVR黃綠色電纜線，在連接時就近連接到本機(jī)架的匯流排，各機(jī)架匯流排再就近連接到匯集線，接地線布放時都盡量做到短直，多余的線纜全部截斷，防止盤繞。各接地線與匯流排連接時，都采用加裝尺寸合適的接地端子（銅鼻），壓（焊）接牢固。

2.2.5 等電位連接

機(jī)房等電位連接常采用網(wǎng)狀（M）、星形（S）和星-網(wǎng)狀混合型等電位連接設(shè)計：527臺采用星-網(wǎng)狀組合型等電位連接方式；供配電室采用S型環(huán)形接地匯集連接方式。為減小暫態(tài)過電壓造成的引線壓降對設(shè)備的影響，采用凱文接線法，如圖5所示。另進(jìn)出機(jī)房的所有線路、金屬管道等在機(jī)房與外界分界處做等電位處理，與機(jī)房內(nèi)等電位連接網(wǎng)絡(luò)就近連接，連接導(dǎo)體與等電位接地均壓環(huán)之間采用螺栓連接，連接處進(jìn)行熱鍍錫處理。

圖5 兩種接地法

2.2.6 分流

527臺所有電纜及信號線纜采用地溝走線的方式鋪設(shè)，每隔幾米采用鋼筋支架接地，故527臺重點對電源系統(tǒng)采用分流的方式。

527臺主用電源采用一路10 kV高壓外電，供電負(fù)荷為150 kVA，備用電源采用80 kW柴油發(fā)電機(jī)，互為備用，因架空高壓線纜易遭受雷擊，527臺采用地埋設(shè)計，并對供配電系統(tǒng)采用避雷器，根據(jù)防護(hù)等級不同，527臺采用三級防護(hù)。

2.3 高頻接地

信號源室、中心控制室、發(fā)射機(jī)房、天線以及調(diào)配室均須進(jìn)行良好的高頻接地處理，連接天線高頻地與機(jī)房高頻地的銅帶鋪設(shè)在地溝底部，527臺高頻接地網(wǎng)終端采用5 mm厚銅板作為地級板。若土質(zhì)較差或缺水地區(qū)還應(yīng)在銅板兩側(cè)填充長效降阻劑，降阻劑的用量與對地接觸面積、土質(zhì)息息相關(guān)，一般推薦經(jīng)驗公示如式（4）所示：

式（4）中：T為降阻劑用量，kg；r為質(zhì)量系數(shù)（0.7～0.9）；ρ為土壤電阻率，Ω·m。

3 人身安全防護(hù)

為避免工作人員遭受雷電傷害，除采用上述各種防雷措施后，一般還采取機(jī)房鋪設(shè)靜電地板，配電室、柴油發(fā)電機(jī)房、發(fā)射機(jī)旁等鋪設(shè)絕緣膠墊、工作人員穿戴絕緣手套及絕緣童靴等預(yù)防措施。

4 使用情況

527臺2013年完成搬遷以來，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，未出現(xiàn)設(shè)備設(shè)施遭受雷擊損壞事故，也未出現(xiàn)人員遭受雷擊傷害，整套系統(tǒng)工作穩(wěn)定，降低發(fā)射臺在防雷資金及人力方面的投入，增強(qiáng)安全播出保障措施。

5 結(jié)語

廣播電視發(fā)射臺綜合防雷接地工程可能各不相同，但都圍繞降低直擊雷、感應(yīng)雷對人身安全造成的危害，降低雷擊對室外、室內(nèi)設(shè)施造成的破壞和損壞進(jìn)行綜合考慮和設(shè)計，防雷思想基本相同大多基于等電位這一核心思想，常采用的是接閃、接地、泄流、等電位連接等，只要按照發(fā)射臺業(yè)務(wù)特點進(jìn)行充分的系統(tǒng)設(shè)計，并按相關(guān)工藝、材料和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工，就可大大降低雷電對發(fā)射臺站安全播出的威脅和影響，在保證臺站工作人員人身安全的同時，最大限度地保護(hù)設(shè)備設(shè)施的安全和播出安全。因雷電的不確定性以及受地理環(huán)境諸多因素影響，預(yù)防雷電造成的損害還未有什么系統(tǒng)能做到確保萬無一失，還需要不斷地探索、創(chuàng)新、實踐。