高山無(wú)線發(fā)射臺(tái)站防雷系統(tǒng)改造實(shí)施案例分析

陳利鵬

（文山電視調(diào)頻骨干轉(zhuǎn)播臺(tái)，云南 文山 663000）

0 引言

廣播電視無(wú)線發(fā)射臺(tái)按頻率和調(diào)制方式分為電視調(diào)頻廣播發(fā)射臺(tái)和中短波廣播發(fā)射臺(tái)，兩類發(fā)射臺(tái)的電磁波頻率不同，傳輸覆蓋方式也不同，因此其設(shè)置地點(diǎn)的選擇也不同。電視調(diào)頻廣播發(fā)射臺(tái)一般設(shè)在城市周邊的高山頂上，位于四周的最高點(diǎn)，以達(dá)到最佳的覆蓋效果。文山電視調(diào)頻骨干轉(zhuǎn)播臺(tái)位于東經(jīng)103°54′26″，北緯23°21′31″，海拔2 991 m，是滇東南地區(qū)的最高峰，山上常年雨霧籠罩，工作環(huán)境十分惡劣，年平均氣溫10 ℃左右，平均風(fēng)力6～7 級(jí)，最大可達(dá)10 級(jí)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(fā)區(qū)，平均雷暴日68.75天，屬于高雷區(qū)，雷擊事件頻發(fā)。為保護(hù)供電設(shè)施和廣播電視發(fā)射電子設(shè)備的正常運(yùn)行，建立完善的防雷系統(tǒng)相當(dāng)重要。完善的防雷系統(tǒng)既能保證設(shè)施設(shè)備和值班人員的安全，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失，又能保障廣播電視節(jié)目的安全播出。

1 綜合防雷概述

1.1 雷電的危害和防護(hù)的必要性

雷電是一種危害性極大的自然災(zāi)害，是聯(lián)合國(guó)減災(zāi)十年委員會(huì)公布的對(duì)人類威脅最嚴(yán)重的十大自然災(zāi)害之一。雷電實(shí)質(zhì)上是強(qiáng)對(duì)流天氣在云層和大地之間引發(fā)的電荷放電現(xiàn)象。大自然產(chǎn)生的雷電危害主要包括兩個(gè)方面：一是直擊雷，二是由此形成的可對(duì)電子系統(tǒng)造成巨大危害的強(qiáng)烈的雷電電磁脈沖，俗稱感應(yīng)雷[1]。直擊雷以其強(qiáng)大的沖擊電流（平均為25～45 kA，可高達(dá)200 kA 或以上）在瞬間可產(chǎn)生灼烈的高溫和猛烈的沖擊波以及電磁輻射，當(dāng)遇到地面上的物體時(shí)可擊穿或產(chǎn)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(dòng)物等。而感應(yīng)雷則是由直擊雷和附近雷擊所引起的電磁效應(yīng)，發(fā)生雷擊時(shí)，強(qiáng)大的雷電流能夠通過(guò)傳導(dǎo)、感應(yīng)、耦合等方式，在供配電設(shè)備和電子設(shè)備中產(chǎn)生瞬間高達(dá)幾萬(wàn)伏甚至幾十萬(wàn)伏的雷電過(guò)電壓，當(dāng)這些設(shè)備中的瞬時(shí)雷電過(guò)電壓得不到正常釋放，就會(huì)擊穿燒毀設(shè)備本身，甚至可能危及到工作人員的安全。

1.2 雷電防護(hù)工程的系統(tǒng)綜合性

雷電是自然界中的復(fù)雜現(xiàn)象，它的發(fā)生沒(méi)有規(guī)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(tǒng)、天饋線系統(tǒng)、臺(tái)站電子設(shè)備等因素，制定綜合系統(tǒng)的防雷方案[2]。雷電防護(hù)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(wǎng)等防直擊雷的措施），二是內(nèi)部防雷（閉合的等電位均壓環(huán)、科學(xué)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(tǒng)）。綜合防雷系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 綜合防雷系統(tǒng)圖

1.3 雷電防護(hù)的基本措施

針對(duì)直擊雷和感應(yīng)雷的不同特點(diǎn)，需要采取不同的防雷措施。根據(jù)文山電視調(diào)頻骨干轉(zhuǎn)播臺(tái)的地形情況和臺(tái)區(qū)建（構(gòu)）筑物的分布情況，外部防直擊雷措施主要是科學(xué)設(shè)置、合理更換避雷針、避雷帶（網(wǎng)、線），并做好連接有效的接地網(wǎng)，對(duì)直擊雷進(jìn)行有效的防御。臺(tái)站內(nèi)部產(chǎn)生的感應(yīng)雷主要是通過(guò)外部傳輸線（電力線、信號(hào)線、天饋線等）以及惡劣的環(huán)境進(jìn)入室內(nèi)損壞設(shè)備，因此感應(yīng)雷防護(hù)主要是做好屏蔽措施、室內(nèi)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(wǎng)等，將感應(yīng)電磁波消除在設(shè)備外圍，并及時(shí)將產(chǎn)生的雷電過(guò)電壓、過(guò)電流引入大地釋放。只有內(nèi)、外防雷相結(jié)合，組成一個(gè)系統(tǒng)完備的防雷體系，才能做到有效防雷，真正保護(hù)建（構(gòu)）筑物、設(shè)備及人員的安全[3]。

2 臺(tái)站防雷系統(tǒng)現(xiàn)狀

文山電視調(diào)頻骨干轉(zhuǎn)播臺(tái)現(xiàn)有的防雷系統(tǒng)是20 世紀(jì)80 年代初建立的，在后來(lái)的使用過(guò)程中雖有零零散散的維修，但由于使用年限過(guò)久，根據(jù)近年來(lái)常被雷擊的部位和測(cè)試接地電阻的情況看，基本已經(jīng)沒(méi)有防雷能力了。此次防雷系統(tǒng)改造根據(jù)現(xiàn)代綜合防雷的要求，認(rèn)真、系統(tǒng)地分析臺(tái)站的實(shí)際情況，分析研判得出當(dāng)前存在的問(wèn)題和對(duì)應(yīng)的改造措施：

（1）臺(tái)站大門(mén)口高壓隔離開(kāi)關(guān)接地電阻值超過(guò)規(guī)范要求，需增設(shè)接地網(wǎng)，地網(wǎng)接地電阻應(yīng)≤4 Ω；高壓隔離開(kāi)關(guān)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(hù)；

（3）工作樓一樓供配電房、發(fā)電機(jī)房接地電阻值超過(guò)規(guī)范要求，需增設(shè)接地網(wǎng)，地網(wǎng)接地電阻應(yīng)≤4Ω；

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

在田間選育的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)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?xì)v期的長(zhǎng)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(yáng)稻6號(hào)相同，但其播始?xì)v期同揚(yáng)稻6號(hào)相比早了8～9 d；剩下的5個(gè)單株的Ghd7基因型同鄂早18的基因型，但其播始?xì)v期卻比揚(yáng)稻6號(hào)要長(zhǎng)。這說(shuō)明抽穗期的決定是一個(gè)復(fù)雜的調(diào)控，受遺傳背景的影響。

（5）工作樓二樓機(jī)房和值班室接地電阻值超過(guò)規(guī)范要求，需增設(shè)接地網(wǎng)，地網(wǎng)接地電阻應(yīng)≤4Ω；

（6）根據(jù)場(chǎng)地防雷需要，在工作樓一樓供配電室內(nèi)安裝一套雷電智能監(jiān)測(cè)儀，加強(qiáng)對(duì)總配電系統(tǒng)的雷電監(jiān)測(cè)手段。

3 防雷改造設(shè)計(jì)方案

輸電線是文山電視調(diào)頻骨干轉(zhuǎn)播臺(tái)分布最廣的傳輸線，大部分都穿過(guò)自然保護(hù)區(qū)的樹(shù)林，其受直擊雷的幾率最高，且直擊雷最易與輸電線產(chǎn)生耦合，引入感應(yīng)雷電高電壓，破壞輸電線以及沿著輸電線引入機(jī)房?jī)?nèi)損毀電子設(shè)備。另外，信號(hào)系統(tǒng)連接的設(shè)備接口耐壓水平低，對(duì)于由信號(hào)傳輸線引入的雷電感應(yīng)高電壓也特別敏感、極易損壞設(shè)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(shè)備提供基準(zhǔn)電位參考點(diǎn)，防止其所造成的破壞作用，保證電力、電子設(shè)備與操作人員的安全[4]。所以此次防雷改造是根據(jù)整個(gè)臺(tái)區(qū)的實(shí)際現(xiàn)狀做出的綜合改造，主要包括高壓輸電線終端桿設(shè)備的防雷改造、建筑物樓頂和發(fā)射鐵塔以及鐵塔上附著物的直擊雷防護(hù)改造（避雷針、避雷帶）、增設(shè)供配電室和發(fā)電機(jī)房以及發(fā)射機(jī)房?jī)?nèi)等電位均壓環(huán)、科學(xué)的布線和屏蔽措施、合理設(shè)計(jì)安裝防雷器（三級(jí)電源設(shè)備保護(hù)）、增設(shè)合理的接地系統(tǒng)（高壓輸電線終端桿接地網(wǎng)、天線場(chǎng)鐵塔、供配電系統(tǒng)和防直擊雷共用接地網(wǎng)、發(fā)射機(jī)房接地網(wǎng)）。

3.1 臺(tái)站大門(mén)口高壓隔離開(kāi)關(guān)防雷改造

當(dāng)前臺(tái)站的輸電線路為10 kV 高壓線，始建于20 世紀(jì)80 年代初，線路總長(zhǎng)約37 km，因使用年限長(zhǎng)久，線路設(shè)施嚴(yán)重老化，每年雷雨季節(jié)都會(huì)發(fā)生雷擊線路事件。臺(tái)站大門(mén)口的高壓終端桿上裝有一套高壓隔離真空開(kāi)關(guān)，為防止雷電沿輸電線路引入臺(tái)站內(nèi)，此次防雷改造在高壓隔離真空開(kāi)關(guān)處增設(shè)防雷地網(wǎng)并做等電位連接，更換新的防雷接地引下線。新增設(shè)地網(wǎng)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(zhì)和電解物質(zhì)組成，具有良好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，并且抗腐蝕、無(wú)污染、壽命長(zhǎng)。接地引下線采用25 mm2ZR-BVR專用接地線與接地網(wǎng)做等電位連接。高壓隔離開(kāi)關(guān)新增地網(wǎng)如圖2 所示。

圖2 高壓隔離開(kāi)關(guān)新增地網(wǎng)示意圖

3.2 工作樓房頂直擊雷防護(hù)改造

臺(tái)站工作樓為一棟不規(guī)則長(zhǎng)方形2 層磚混結(jié)構(gòu)樓，建于20 世紀(jì)80 年代初，一樓主要有高壓室、低壓室及兩個(gè)發(fā)電機(jī)室，二樓主要有調(diào)頻發(fā)射機(jī)房、電視發(fā)射機(jī)房及一個(gè)值班室。樓頂?shù)谋芾讕тP蝕嚴(yán)重，部分損毀斷裂。因此，對(duì)銹蝕的避雷帶進(jìn)行除銹、涂防銹漆處理，對(duì)已經(jīng)斷裂、銹蝕嚴(yán)重不能繼續(xù)使用的避雷帶，采用φ12 mm 的銅覆鋼進(jìn)行修復(fù)；增加避雷帶引下線，對(duì)工作樓房頂設(shè)施進(jìn)行直擊雷保護(hù)。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(shí)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(fā)射機(jī)房后墻敷設(shè)（每隔3 m 加一固定件，將引下線固定在墻體上）與新增設(shè)地網(wǎng)進(jìn)行連接。引下線敷設(shè)在工作樓后側(cè)，按標(biāo)準(zhǔn)配置3 根（每根間距18～20 m），均與新增設(shè)地網(wǎng)進(jìn)行連接。避雷帶引下線之間的焊接以及引下線與地網(wǎng)的焊接，需符合焊接工藝要求，并做防銹、防腐處理。樓頂標(biāo)語(yǔ)牌、金屬支架、金屬構(gòu)筑物等需與避雷帶可靠連接[5]。工作樓房頂避雷帶修復(fù)及引下線設(shè)置如圖3 所示。

圖3 工作樓房頂避雷帶修復(fù)及引下線設(shè)置示意圖

3.3 工作樓一樓高低壓室和發(fā)電機(jī)房防雷改造

工作樓一樓的防雷改造主要分室外新增地網(wǎng)和室內(nèi)做等電位均壓環(huán)兩個(gè)部分。室外新增地網(wǎng)主要是在工作樓后側(cè)山坡空地增設(shè)共用地網(wǎng)（天線場(chǎng)區(qū)鐵塔的防雷完好，用引下線與供配電系統(tǒng)的地網(wǎng)連接共用一個(gè)地網(wǎng)），地網(wǎng)接地電阻≤4Ω。地網(wǎng)的施工工藝及材料選擇同臺(tái)站大門(mén)口高壓隔離開(kāi)關(guān)的地網(wǎng)一樣。用兩根50 mm×5 mm 的熱鍍鋅扁鋼從地網(wǎng)引入到工作樓一樓，與新建的等電位環(huán)進(jìn)行有效電氣連接（兩處連接點(diǎn)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(shè)備、電源系統(tǒng)的安全接地。

在高低壓室、發(fā)電機(jī)房?jī)?nèi)，圍繞墻壁四周敷設(shè)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(zhuǎn)角處適當(dāng)減小距離。沿配電室內(nèi)墻0.3 m 高設(shè)置一圈熱鍍鋅扁鋼，在過(guò)門(mén)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(fā)電機(jī)房接地排的配電柜內(nèi)，設(shè)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(guò)柱式絕緣子（φ20 mm）進(jìn)行絕緣處理。所有需要接地的電氣設(shè)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(guò)25 mm2的接地線與墻角的等電位接地環(huán)就近進(jìn)行有效的電氣連接。低壓室內(nèi)的配電柜外殼用10 mm2的接地線與接地排做等電位連接，發(fā)電機(jī)的接地采用25 mm2的接地線就近與新設(shè)的均壓環(huán)進(jìn)行有效可靠連接。工作樓一樓室內(nèi)等電位均壓環(huán)連接排如圖4 所示。

圖4 工作樓一樓室內(nèi)等電位均壓環(huán)連接排示意圖

圖5 地網(wǎng)標(biāo)識(shí)樁和接地電阻測(cè)試箱

3.4 低壓室內(nèi)的配電柜增設(shè)防雷器（SPD）

低壓配電室是臺(tái)站供配電系統(tǒng)的核心部分，包括市電輸入部分、穩(wěn)壓部分、UPS 系統(tǒng)、市電輸出部分以及市電和發(fā)電機(jī)供電的切換。根據(jù)低壓線路布局和實(shí)際用電情況，分三級(jí)安裝電源防雷器（電源防浪涌保護(hù)器）。

3.4.1 安裝一級(jí)防雷器

根據(jù)電力系統(tǒng)的線路控制情況，1、2 號(hào)輸入柜作為低壓室內(nèi)的總控制端（同時(shí)也是市電和發(fā)電機(jī)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(hào)輸入柜內(nèi)各有電源總控開(kāi)關(guān)兩組，根據(jù)電力系統(tǒng)防雷特性需求情況，安裝第一級(jí)防雷器，共需配置4 套。安裝于電源控制開(kāi)關(guān)的前端，接地線用25 mm2的專用接地線，就近與新設(shè)的接地匯流排進(jìn)行有效電氣連接，新設(shè)的接地匯流排與地網(wǎng)（均壓環(huán)）進(jìn)行有效電氣連接。

3.4.2 安裝二級(jí)防雷器

根據(jù)電力系統(tǒng)的電路特性情況，安裝第二級(jí)電源防雷器，分別安裝在1、2 號(hào)UPS 柜和1、2 號(hào)穩(wěn)壓柜中，根據(jù)這些電源控制柜內(nèi)的線路控制開(kāi)關(guān)配置情況，每個(gè)電源控制柜內(nèi)配置一組電源防雷器（每個(gè)控制柜內(nèi)配置的是一組電源線路控制開(kāi)關(guān)），配置數(shù)量共計(jì)4 組，安裝于電源控制開(kāi)關(guān)的前端，接地線用16 mm2的專用接地線，就近與配電柜內(nèi)新設(shè)的接地匯流排進(jìn)行有效電氣連接，新設(shè)的接地匯流排與地網(wǎng)（均壓環(huán)）進(jìn)行有效電氣連接。

3.4.3 安裝三級(jí)防雷器

在1、2 號(hào)輸出柜內(nèi)各相電源線路的控制開(kāi)關(guān)前端、一臺(tái)200 kVA 穩(wěn)壓柜（用于生活和照明）以及水泵抽水開(kāi)關(guān)的前端分別安裝第三級(jí)電源防雷器，對(duì)后端所有的用電設(shè)備進(jìn)行防浪涌保護(hù)，接地線用16 mm2的專用接地線，就近與配電柜內(nèi)新設(shè)的接地匯流排進(jìn)行有效電氣連接，新設(shè)的接地匯流排與地網(wǎng)（均壓環(huán)）進(jìn)行有效電氣連接。

3.5 工作樓二樓機(jī)房和值班室防雷改造

工作樓二樓有調(diào)頻發(fā)射機(jī)房、電視發(fā)射機(jī)房及值班室三個(gè)房間，主要包括發(fā)射系統(tǒng)、信號(hào)源系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及安防系統(tǒng)的設(shè)備，是用電設(shè)備最多最復(fù)雜的區(qū)域，同時(shí)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(dú)立地網(wǎng)和室內(nèi)做等電位均壓環(huán)兩個(gè)部分。施工工藝和材料要求同一樓的防雷改造一樣。調(diào)頻機(jī)房?jī)?nèi)防雷改造如圖6所示。

圖6 調(diào)頻機(jī)房防雷改造圖

3.6 防雷智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

防雷智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要通過(guò)內(nèi)部有線組網(wǎng)方式將采集的數(shù)據(jù)在監(jiān)測(cè)平臺(tái)顯示，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)防雷系統(tǒng)的工作狀態(tài)和性能指標(biāo)，以便值班人員了解防雷系統(tǒng)的情況，減少人工測(cè)量和排查故障的時(shí)間。防雷智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括雷電智能監(jiān)測(cè)和地網(wǎng)接地電阻動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)兩個(gè)部分。

3.6.1 雷電智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

雷電智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要通過(guò)安裝雷電監(jiān)測(cè)儀和雷電流傳感器等設(shè)備對(duì)發(fā)生雷擊次數(shù)、雷電流峰值、發(fā)生時(shí)間等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)儀在監(jiān)測(cè)到所監(jiān)測(cè)的地網(wǎng)沒(méi)有形成回路或因?yàn)榻拥貥O的嚴(yán)重腐蝕、脫落等導(dǎo)致所監(jiān)測(cè)到的值大于監(jiān)測(cè)儀的量程以及阻值突變等情況時(shí)產(chǎn)生告警。

3.6.2 接地電阻動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

接地電阻動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)主要是對(duì)地網(wǎng)的接地電阻進(jìn)行在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。由于臺(tái)站所處的地理環(huán)境非常惡劣，地網(wǎng)接地線經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的環(huán)境腐蝕，接觸會(huì)變得不好，性能會(huì)下降，導(dǎo)致值機(jī)人員不能及時(shí)地監(jiān)測(cè)到接地性能的好壞。接地電阻在線監(jiān)測(cè)管理軟件可以以固定頻率監(jiān)測(cè)發(fā)射臺(tái)站接地的電阻值，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)地傳回?cái)?shù)據(jù)中心，臺(tái)站值機(jī)人員就可以在監(jiān)控中心通過(guò)管理軟件Web 系統(tǒng)查看各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的接地阻值情況。Web 系統(tǒng)中的電阻值趨勢(shì)圖可以幫助值機(jī)人員分析故障產(chǎn)生的原因并及時(shí)采取措施。

4 結(jié)語(yǔ)

文山電視調(diào)頻骨干轉(zhuǎn)播臺(tái)本次防雷系統(tǒng)改造做到了提前充分準(zhǔn)備、多次實(shí)地勘察，根據(jù)臺(tái)站實(shí)際布局和場(chǎng)地特點(diǎn)，工程設(shè)計(jì)按照“綜合防雷、綜合治理”的原則，對(duì)重要建（構(gòu)）筑物和設(shè)施設(shè)備、儀器進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃，形成了綜合防雷體系，增設(shè)三個(gè)獨(dú)立的地網(wǎng)，分為三個(gè)不同的子系統(tǒng)分別接入地網(wǎng)。由于地質(zhì)原因，每個(gè)地網(wǎng)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(dá)到最好的防雷特性。經(jīng)過(guò)一個(gè)雷雨季節(jié)的運(yùn)行來(lái)看，測(cè)量地網(wǎng)的接地電阻不到1 Ω，雷擊事件明顯減少，防雷效果明顯，達(dá)到了預(yù)防為主、防雷減災(zāi)的目的。