侯江涛
摘 要:随着科学技术的飞速发展和信息时代的到来,现在的中波台建设和设备配置越来越多的使用以太网、数字通讯、数字化广播机,日趋大规模、高标准,而越来越多的各种电气设备,衍生出繁芜的电磁杂波,对弱电、微电子设备造成了不同程度的干扰。尤其是对广播发射机及其附属设备的影响,就很直观地反映到播音的质量,对计算机与通讯设备,亦会引起运行速度降低、数据丢失、误码率增高甚至死机等故障现象。因此,良好的接地系统不可或缺,合理埋设地线,降低接电电阻,提高信号传输质量和效率,就值得我们不断地实践和探讨。
本文阐述了104台机房、天馈线系统的接地设计理念和实践,希望通过这篇论文和广电同行进行经验交流,共同提高,为河南广播事业实现中原崛起而努力。
关键词:接地;地线;地井;复合接地体
中波广播主要靠地面波传播。因为地面波传播方式是垂直极化波,所以中波广播发射天线都使用垂直铁塔天线架立在地面上,而大地既不是理想的导电平面,又不是良好的绝缘体,当地面受到发射天线辐射空间电磁波的作用时,在大地中会产生地电流。由于大地中的地电流必然产生地面的再辐射,因而在天线的辐射空间中,除了天线本身辐射所产生的主电场外,还有地电流所产生的附加副电场。因此,在天线传播覆盖范围内,总电场是两个电场叠加形成的。在主电场和副电场的共同作用下,总电场是时刻变化的,同时会引起总磁场的变化。
我台在建设初期,根据专家组的建议,接地系统分为两个部分:机房的接地和天馈线系统的接地。
1 机房的接地
1.1 设计理念
1.1.1 埋设点的选取
埋设点应选在土壤潮湿、背阳、易于施工的地段,同时还应考虑距离机房设备接地线的连接路径最短。埋设点土壤的电阻率取值,可以利用接地电阻测试仪测得。测量时应在晴天、阴雨天等不同气候条件下,在埋设区域内选几个点进行。读出仪器所测得的读数,然后取其平均值,即可计算出电阻率,以确定所选埋设点的土质优劣。土壤电阻率为:ρ=2πaR0(Ω·m)
式中:a——测土壤电阻率ρ时辅助棒的间距,a=4米
R0——测量的表头读数(Ω)
据此可以进行下一步的估算和设计,以确定埋设接地体的规格、数量及组合形式,使设备的接地电阻能达到预想的效果。否则,就应另选地点,或在埋设时使用降阻剂等其它辅助措施。
1.1.2 接地体埋设
接地体通常采用垂直接地埋设形式。可选用一段2~3m长的钢管、角钢等,垂直埋入地下,其上端距离土表面不小于600mm为宜,然后焊接一根扁铁引出地面,作为接地线。这种地线的接地电阻可用下式估算 R=K·(ρ/L)
式中:ρ——土壤电阻率(Ω·m) L——接地体长度(m)
K——圆柱体形的垂直接地系数
接地体的直径对接地电阻的影响很小,只是在选定长度后考虑必要的机械强度时,才作严格的定量选择。根据地的电阻率随深度而减小的规律,往往在达到一定的深度后,地电阻率会减小很多。因此利用大地性质,深埋接地体后,使接地体深入到地电阻率低的地层中,通过小的地电阻率来达到减小接地电阻的目的,但超过3m时,虽然可以大大降低直流电阻,但对降低交流电阻作用不大。故垂直接地体的长度在2~3m之间。
从单根接地体向土壤中流散的电流,一般在离接地体20m以外才趋近于零,在埋设多根接地体组合时,复合接地体的接地电阻由下式计算:R复=R/(N·η)
式中:R——单根接地体的接地电阻
N——接地体的根数
η——接地体的利用系数
η的取值因素繁杂,一般在0.6~0.9之间,基本原则是接地体的根数愈多、间距愈小、组合形式愈密集,取值就愈靠近下限。
1.2 实践操作
1.2.1 机房大楼的接地
根据测量值,在规划的中心机房区域间,从南到北,钻出12个直径30cm,深3m的园柱形孔,再将直径50mm壁厚5mm的接地体圆钢打入孔中央,然后撒入降阻剂将接地体四周包裹夯实,在离地60cm处,用宽40mm,厚5mm的扁铁将12根钢管全部接在一起,为保证接地线连接处接触紧密,接地圆钢和扁铁接触点应用电焊,焊接面是扁铁面积的三倍,而且焊点做防腐处理。经过实际测量,机房大楼接地电阻值小于0.1Ω。
1.2.2 中心机房的接地
通过地沟,将接地扁铁用气焊和锡焊方式与机房的接地紫铜带连接。机房采用共地的接地方式,即采用单点接地的原理,用25cm宽,0.8mm厚的紫铜带把所有电气设备的工作接地、保护接地、防雷接地相互连接,组成一个封闭式的大接地网。这种接地方式是现今国际上推举的最佳接地方式,其优点是一方面可以经济地取得比较低的接地电阻;另一方面可以把因地电位差而产生的破坏减到最小,使其电位差形成“水涨船高”的接地电位网络。
机房内各种电线电缆均从暗式线管、线槽中走线,强、弱电信号线分开,电缆桥架进行屏蔽,消除地线干扰。
1.2.3 电源系统的接地
通过地沟,扁铁引入高、低压室和电源系统接地扁铁焊接。高压输电线采用屏蔽方式,衰减施加在电源上的电磁干扰和过电压能量。将进入机房前100m的架空明线改为地下电缆进入高压室,缆线有金属外护层和接地扁铁紧密相连,并穿金属管道,衰减施加在电源上的电磁干扰和过电压能量。
在雷电波可能侵入的电源线路端口加装必要的雷电浪涌保护装置,将侵入系统的冲击过电压钳制到允许的范围。在机房高压进线处,安装一套金属氧化物避雷器;在电源进线系统低压配电盘处,安装一套真空放电装置;在稳压电源上安装雷电浪涌防护器等。
1.2.4 备用机房的接地
在备用机房附近挖一个接地井,地井深2.2m,面积1.2m2,使用20kg木炭粒,100kg工业用盐,接地体为长1m、宽0.5m、厚5mm的紫铜板,用宽300mm、厚0.5mm的扁平铜带连接。下图为接地井剖面图。
首先在地井中均匀覆盖一层50kg工业盐,接着覆盖一层10kg木炭粒,再将接地体放入地井中央,然后再覆盖一层10kg木炭粒和一层50kg工业盐,而后放水,确保整个地井内被水浸湿,保证接地电阻小。其上覆盖优质细土,边回填边夯实,埋在土壤中的接地装置,其连接采用铜焊接,并在焊接处作防腐处理。
在室内部分,采用扁平铜带并用锡焊接,长度不超过20m,焊接截面积不小于150mm×80mm,把所有电气设备的工作接地、保护接地、防雷接地相互连接,组成一个封闭式的大接地网。经过实际测量,备用机房接地电阻值小于0.1Ω。
2 天馈线系统的接地
2.1 设计理念
我台地处平原地带,有两部中波发射天线,塔基相距483米,工作频率分别为657KHz和603KHz,对应工作波长分别为456m和498m。为了提高天线的辐射功率,就必须尽量减小天线的损耗功率。天线的功率损耗包括天线电流回路中的地损耗、天线导体本身的损耗和天线塔基底部绝缘子的高频损耗。由于后两者都很小,可以只考虑地损耗。由于地面波场强远大于天波场强,因此我们搞中波发射的课题就是如何提高地面波辐射强度,增加有效覆盖。
为了减小天线辐射时天波与地波相互干扰造成的衰落现象,增加有效的覆盖面,经实践证明,天线架设高度H=0.53λ为宜。我台两部发射天线高222m。
我台天馈线接地系统由地网和地井构成。
敷设地网是减小地电阻的行之有效的办法,因为良好的地网能为天线电流回路提供一个良好的通路。实践证明:当塔基底部径向距离(即以塔基底部中点为圆心划圆)为0.5λ时,地电流趋于一个固定值,与天线架设高度无关,地网线长度一般取0.5λ。我台根据场地实际情况,我们选取地网线长度为230米,基本接近0.5λ的取值要求,又保证了两部发射天线地网不相连接。
地井的实现更使设备的接地电阻能达到预想的效果,我台地处平原地带,周围高层建筑较少,发射天线高222m,遭受雷击机会大。防雷系统能否起到保护作用,接地是否良好是关键,良好的接地能将雷电能量迅速释放入大地。
2.2 实践操作
2.2.1 地井设置
在天线塔基及天调网络匹配室附近专门做两个接地井,地井深4m,面积2m2,埋上长2m、宽1m、厚5mm的紫铜板。
我台接地体采用垂直方式。垂直接地体埋设按设计要求,先钻出园柱形孔,再将接地体角钢放入孔中央,然后降阻剂将接地体四周包裹夯实,后食盐、木炭屑、铁屑交替添加,在降阻剂尚未完全凝固发硬时,其上覆盖优质细土,边回填边夯实,而后放水,确保整个坑内被水浸湿,保证塔基的接地电阻小。埋在土壤中的接地装置,其连接采用焊接,并在焊接处作防腐处理。
垂直接地体采用直径100mm,壁厚5mm圆钢,接地线与水平接地体的截面相同。接地引线采用宽250mm,厚0.5mm扁平铜带,室内部分采用扁平铜网并用锡焊接,长度不超过30m,焊接截面积不小于40mm×4mm。接地引线作防腐、绝缘处理,裸露在地面以上部分,有防止机械损伤的措施。接地汇集引线设计成环形或排状,材料为镀锌扁钢,截面积不小于120mm2。经实地测量,地井地电阻值小于0.1Ω。
2.2.2 天线地网的埋设
塔基用薄铜皮屏蔽,并在此屏蔽铜皮上焊上1圈汇流条。以天线塔基中心为圆心,以2m为半径划圆,将此圆120等分(即每3°为夹角埋1根),以圆心为始点向等分线拉地网线,呈放射状均匀敷设到四周。下图为地网埋设示意图。
地网线采用φ3mm的软铜线,长230m,拉地网线时应力求端正笔直,但不应过于绷紧,根据热胀冷缩的道理,冬季导线可能会因受冷收缩而被拉断。地网线拉好后,先将塔基的屏蔽罩、汇流条和各地网线的始端镀上锡,然后把地网线的始端约50mm长的导线均匀分布在屏蔽罩的四周,用汇流条将地网线始端紧紧绑扎在屏蔽罩上,然后再用锡将地网线、汇流条深透牢固地焊接在屏蔽罩上,与1根约5m长的接地棒连接,塔基的防雷放电球下地端也接于此,能起到一定的防雷作用,并与馈线地线、天调室屏蔽层等相焊牢,这样不但起到减少高频损耗作用,而且有助于杂波的衰减,对发射机稳定输出起到了可靠的保障作用。测量地网地电阻值小于0.1Ω。
通过十年的实际运用,两部HARRIS DX-200全固态中波发射机均运行正常,播音质量优良,没有相互干扰串音的现象,取得了比较理想的效果,充分体现了中波台接地系统的重要性、必要性,保障了广播发送设备的良好运行环境,为河南广播事业发展实现中原崛起的新局面做出了贡献。