高山转播台防雷系统工程

山东省广播电影电视局蒙山转播台 王建辉

一、依据标准

1.GB50057-1994《建筑物防雷设计规范》（2000）

2.GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》

3.GA267-2000《计算机信息系统雷电电磁脉冲安全防护规范》

4.YD2011-93《微波站防雷与接地设计规范》

5.JGJ/T16-92《民用建筑电气执行规范》

6.IEC1312《雷电电磁脉冲的防护》

二、现状分析

1.蒙山台所处地理环境情况

该台所处地区气象数据表明：该地区依据40多年的统计结果，最早雷击时间为2月28日，最晚雷击时间为12月24日，年平均雷暴日高达52.4(d/a)，按照GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》的定义，其地区雷暴日等级为高雷区。

该台海拔1156米，地势高、环境空旷等诸多因素导致该台频繁遭遇雷击，自建台四十多年来，该台每年都会遭遇数次雷击，高压线路、变压器、发射机、电源电缆、计算机设备及通信线路等都曾遭受雷击的严重破坏，导致设备毁损、播出中断、屏蔽线击穿、播出系统崩溃等事故发生，其中损失人民币十万元以上的事故七次。此外，每年该台都会遭到不同程度的雷击事故，可以说雷击事故给该台造成严重的破坏和损失。

2.建筑物情况

发射铁塔：基座10×10米，塔身高76米，与机房所在的机房楼相距约20米。

机房楼：50×11×7.5米，分为两层，一楼为值班室和机房（内有低压配电室、发射机房等），二楼为职工宿舍。

高压切换室：3×4×4米，处于该台院墙外，两路10KV外电在此处切换。

高压配电室：5×3×4米，在机房楼旁边，内设有高压断路器，变压器、隔离变压器等。

发电机房：7×3×4.5米，由两间房组成，一间安置200KV自备发电机，另一间安置120KV自备发电机。

3.高压配电情况

两路10KV市电通过高压切换室切换后，经地埋电缆进入高压配电室变压输出，再从地埋电缆送至低压配电室并与发电机进行切换分配到各配电盘。

4.信号线路情况

蒙山台同时为山东省级微波干线的中继站，主用数字微波正传和回传信号，

同时配备中星6A、中星6B、中星九号、亚太6号等多部卫星信号接收系统作为备用信号源。

5.接地系统情况

(1)原地线采用独立接地系统，变压器、高压电缆、天馈系统、机房高频及安全接地等各自独立接地。

(2)测量原接地电阻：发射铁塔的接地电阻为4.2Ω；高压线路的接地电阻为17Ω；机房的接地电阻为5.1Ω；天馈系统及高压配电室的接地电阻为8.2Ω，达不到安全接地电阻的标准。

(3)原有的防雷措施情况：

1)直击雷防护现状仅依靠发射天线和机房楼顶架设的避雷针。

2)感应雷防护原状：

电源防护原状—配电室，380V的配电柜安装了OBO20C3+NPE，通流量为20KA，不符合国标不小于80KA的要求，不能对大电流进行有效泄放。

信号线路原防护部分：天馈线和信号线没有进入桥架，直接架空引入机房；进机房的天馈线和信号线窗口没有做接地处理；控制线、室内天馈线、视频监控线路、网络线缆、232接口线没有任何防雷措施。

3)接地原状：机房接地、天馈接地、高频接地、工作接地和电源接地各自独立，且接地线过长、裸露、截面积不符合要求。

4)缺乏完善的防雷电感应和雷电波入侵的综合措施。

三、雷害的分析及一般防护措施

1.自然界雷害的分类

自然界雷击分为直击雷和感应雷。

2.雷电灾害防治基本方法

(1)直击雷和感应雷{雷电感应高压电及雷电电磁脉冲（LEMP）}的侵害途径不同，防护措施也就不同，防直击雷主要采用避雷针、避雷带（网、线）等传统避雷措施，只要设计规范，安装合理，这些避雷设施能够对直击雷进行有效的防御。

(2)但是无论多完善的防直击雷装置，对雷电感应高压电及雷电电磁脉冲的防护都无能为力，因为雷电感应高压电是由于电子、电气设备的电源线、信号线、天馈线等所致，感应雷的入侵途径如图1。

图1 感应雷的入侵途径

(3)综合防雷工程是一个系统工程，它包括：直击雷的防护、等电位连接措施、屏蔽措施、规范的综合布线、设计安装SPD、完善合理的接地系统六个部分组成。

四、防雷系统方案

1.需要改造的几个部分

根据该台的现场布局、电源供线路和通信线路、防雷设施状况等情况分析，需要改造的以下几个部分：

A.直击雷防护

B.电源防防护

C.信号源防护

D.天馈系统防护

E.接地部分防护

2.防雷系统的整体构思和措施

防雷工程实施过程中，我们严格按照相关规定执行和操作，在布线方面，依照强、弱电分开，大、小信号分开，高、低频信号分开的原则施工，尽量在雷电入侵时，避免雷电的相互干扰，相互影响。

综合防雷构思框图如图2。

图2 综合防雷构思框图

防直击雷的依据以及采取的具体措施：

(1)为防止室外天馈线系统及卫星通信部分遭受直接击雷，需要在距离天线一定位置处安装避雷针，避雷针的高度要严格按照滚球法计算，避雷器的高度计算公式Rx=√H(2h-H)-√Hx(2hr-Hx)Rd=√H(2Hr-H)

其中Rx为避雷针在Hx高度平面上的保护半径

Hr—滚球半径

Hx—被保护物体高度

H—避雷针的计算高度

Rd—避雷针在地面上的保护半径

根据上述公式计算，避雷针高度设计高出被防护体3米（不包括塔杆）可起到有效保护作用。

(2)采用金属避雷针，安装于76米高度的铁塔顶部，并用直径10MM铜线接地，以有效地减少雷击时的电磁场变化，从而降低设备损坏概率。

(3)对以下区域进行整改：

a.机房楼顶端，加装高出女儿墙10米的金属避雷导体。

b.在卫星接收天线处，安装比天线上侧山体平台高16米的金属避雷导体。

c.发电机房、配电楼顶安装建筑物用避雷针。

d.所有天馈线和信号线进入桥架。

e.机房楼所有门窗良好接地，避免球型雷飘窗进入房间。

(4)将上述位置安装的每一个避雷针，用40*4热镀锌扁钢以最短距离连接在一起，组成一个防雷体系网，加大了防护范围及防护能力，更加有效的防止了直击雷的入侵。

3.电源系统防感应雷措施

(1)整改线路：将原先的配电系统三相四线制（TN-C）改为三相五线制(TN-S)，将零线（N）与地线（PE）独立分开，这样就能在雷电侵入时，有效隔离了三相四线制供电方式造成的危险高压，使设备外壳上电位始终处在“地”电位，从而消除了设备产生危险电压的隐患，确保人身及设备的安全。

(2)在高压断路器前端，接入高压氧化锌避雷器，以阻断雷击时沿高压线路进入的过高的感应电压，保护后级设备线路的安全。

(3)380V供电部分采用接入通流量为100KA法国soule避雷器进行防雷保护，保护设备免遭雷击过电压和系统操作过电压造成的损坏。

(4)采用压敏电阻器与被保护的电器设备并联的方式进行防雷保护。当电路中出现雷电过电压Vs时，压敏电阻器以纳秒级时间迅速呈现优良非线性导电特性，此时压敏电阻器两端电压迅速下降，这样被保护的设备及元器件上实际承受的电压就远低于过电压Vs，从而使设备及元器件免遭过电压的冲击，如图3。

图3 供电系统防雷图

(5)在配电柜里面加装符合容量要求的电源模块防雷器，采用电源防雷器能在最短时间内释放电路上因雷击感应而产生的大量脉冲能量短路泄放到大地，降低设备各接口间的电位差，从而保护电路上的设备。

4.信号系统防感应雷措施

(1)在卫星信号线两端加装避雷器，在机房卫星接受机信号输入端口安装DSS-401MS00B组成的小信号避雷器SPD。

(2)在微波天线及馈线两端加装避雷器，在机房接收机信号输入端口安装DSS-401MS00B组成的小信号避雷器SPD。

(3)所有的音频信号、视频信号输入端加装由DSS-401M-S00B组成的小信号避雷器SPD。SPD采用了日本三凌公司生产的防雷击限压二极管DSS-401M-S00B。当雷击时，信号线上的感应电压达到一定值后，二极管D2导通，把过高的感应电压泄放到地，减轻了对输入回路元器件的冲击。此二极管的结电容很小，仅零点几皮法，可用于4GHZ以下的信号电路，不会对音、视频信号和射频信号造成影响，确保信号的畅通，同时起到了避雷作用。自改造后至今两年多虽仍多次打雷，并未出现上述的雷击事件，减轻了我台的经济损失，确保了我台的安全优质播出。

此二极管DSS-401M-S00B的应用较为广泛。由于它的避雷效果好，可应用于有线电视放大器的输入端、输出端的保护，也可用于音视频分配器、卫星接收机等广播电视器材的输入、输出信号端口的防雷保护。原理图如图4所示。

图4 原理图

(4)将所有信号线敷设在屏蔽管线内，屏蔽线端口处接地，并入接地网中，整体连接如图5所示。

图5 屏蔽管

5.依据规范对接地系统进行改造

依据YD2011-93《微波站防雷与接地设计规范》对接地系统的相关规定，对接地系统作如下改造：

(1)机房地网的组成：利用机房建筑物基础自然向横竖梁内的2根以上主钢筋必要时辅以相同尺寸的钢筋，组成网络不大于3米×3米的机房地网。当机房建筑物基础有限时，应将地网内2根以上主钢筋于机房地网就近焊接连通。

(2)铁塔地网的组成：当微波天线铁塔坐落在机房旁边时，其地网面积应延伸到塔基四脚外1.5米以远的范围，网络尺寸应不大于3米×3米，其周边为封闭式。同时，还应利用塔基地桩内2根以上主钢筋做垂直接地体，与地网焊接连通；当微波机房位于微波天线塔内或微波天线铁塔位于机房房顶时，宜在机房地网四角设置辐射式外引接地体，以利雷电散流。

(3)变压器地网的组成：当电力变压器设置在机房内时，其地网可合用机房及其他地网。

(4)把变压器、高压电缆、天馈系统、机房高频及安全接地各自独立的接地系统用40*4热镀锌扁钢以最短距离连接在一起，组成一个整体接地网，在遭到雷击时电位同时升高或降低，以确保被雷击后设备的电位差最低。整体地网连接如图6。

图6 整体地网连接图

6.接地系统及地网整体的具体改造措施

(1)接地模块埋设措施

每处接地点按下列方式接地，采用胶南降阻剂厂生产的接地模块按图串接接地（如图7所示）。

图7 模块安装示意图

(2)铁塔地网

首先在塔基四周1.5米外设置环形地网，考虑塔基四周为山体岩石，在塔基周设置四组接地极，接地极之间利用40*4镀锌扁钢焊接组成环状，利用冲击风钻在每个脚处开挖200*1000MM孔3-5个，孔内放置圆柱型石墨低电阻接地模块。

此组接地目的为铁塔接闪后，雷电流可以迅速的导入山体，利用有效的地网结构散流。另外此组环形地网利用40*4热镀锌扁钢外引至原铁塔地网。原铁塔地网起到降低接地电阻的效果。40*4热镀锌扁钢每相隔20米设置一组接地模块。变压器地网和机房地网环形接地装置联结方式同上。

(3)地网整体改造措施

根据现场测试的情况对土壤电阻值的计算，对地网的改造可按照下述公式计算：

公式：R=ρ/2пL+8L/(lnD+L)MO

式中：R：单根接地极的阻值

ρ：土壤电阻率

L：接地极长度

D：接地极直径

MO：接地极利用系数

根据上述公式计算可对地网进行如下设计：

新建接地系统宜采用环形闭合地网，增加辅助接地体，达到满足要求的目的，新建地网垂直接地体采用导电性能优良的接地极多根，L50×50×5×1500热镀锌角钢12根，水平接地体采用40*4热镀锌角钢100米。垂直接地体间距为其自身长度的1.5-2倍。垂直接地体与水平接地体之间的电磁感应做防腐蚀处理。接地装置的焊接长度，扁钢为宽边的2倍以上。接地体其上端距地面应不小于0.8米，达到国际设计要求小于1欧姆。

把全台各处的地网用40×4热镀锌扁钢以最短距离连接在一起，组成一个大的整体接地网，这样在遭到雷击时电位同时升高或降低，以确保被雷击后设备的电位差最低，确保人身设备的安全。

五、使用效果

经改造后，各处接地电阻测量如下：发射铁塔的接地电阻为1.9Ω；高压线路的接地电阻为3.8Ω；机房的接地电阻为0.8Ω；天馈系统及高压配电室的接地电阻为2.1Ω，符合接地电阻的标准。

蒙山台防雷改造系统自2010年10月份竣工至今，该台遭受雷击情况得到显著改观，做到了有效地防雷入侵及泄掉入侵的强雷电。近两年来据不完全统计，因雷击损失共计不足1000元人民币，仅为原先损失的几十分之一。

鉴于统计的时间短，每年雷击情况的统计计算不是非常准确，但是从实际效果来看，两年只击坏一只高频头，这足以证明该套防雷工程起到了很好的防护作用，不仅保障了人身安全、设备安全，减少了该台的雷击损失，有效保障了该台广播电视节目的安全优质播出。