高山台站综合防雷系统技术改造

蔡 伟（广东省信宜732台，广东信宜，525300）



高山台站综合防雷系统技术改造

蔡 伟
（广东省信宜732台，广东信宜，525300）

摘要：面对广泛使用的新设备、新技术中存在的雷击概率，如何在广播电视高山台站的日常工作中做好机房及附属设备的防雷工作，更好地完成广播电视节目的发送任务，显得尤为重要。如何做好广播电视台特别是高山台站防雷减灾工作，是本文所要研究的中心主题，也是广东省信宜732台综合防雷系统技术改造工程的经验总结。

关键词：雷电；高山台站；技术方案

广东省信宜732台坐落在粤西第一峰的大田顶上，海拔高度1704米,是全广东省最高的高山发射台。担负着转播中央台、省台和市台广播电视节目播出及粤西微波线路传输任务，覆盖人口达两千多万。雷雨云底部高度一般为600米，厚度达几千米，我台正处在雷雨云最旺盛的部分，云内闪、云际闪、云地闪等均对我台有严重影响。台站内主要建筑物包括86米和48米自立钢结构综合性广播电视发射塔共2座、塔脚旁综合机房(2层结构) 、北面生活楼(2层结构)、东面生活楼(2层结构) 以及南面茂名市台68米塔和机房等，发射设备机房、值班控制和信号源室及机房配电室均设于综合机房内，总变配电室及发电机房设于东面生活楼旁。周围环境非常空阔，土质较为恶劣，地表表层土壤很少，大部分是风化石，土壤电阻率较高，ρ达到150～900Ω.m，因而特别容易遭受各种形式的雷击。

1 雷电知识

1.1 雷电起因

实测表明，雷云在5～10km的高度主要是正电荷的云层，在1-5km的高度主要是负电荷的云层。雷云底部的电荷将会使大地表面感应出等量的异号电荷，在雷云与大地之间将建立起空间雷云电场。当雷云电场强度达到30kV/cm时，就会产生强烈的碰撞游离，从而形成雷电。

1.2 雷电的特性参数

(1)雷电流：雷击电流大致呈单极性的脉冲波。主要可采用三个参数来表示，即雷电流的幅值、波头时间和半幅时间。

(2)雷电过电压：

主要决定于雷电流陡度和雷电流通道的阻抗，它的大小可按下式来计算：U=IR+L（式中I雷电流幅值KA.i随时间变化的雷电流，R接地电阻Ω，L是雷电流通道的电感H）。

(3)地面落雷密度：表征雷云对地放电的频繁程度，是指每一雷暴日每平方公里地面遭受雷击的次数。

1.3 雷电种类

雷电一般分为直击雷、感应雷、雷电波入侵、球雷、雷击电磁脉冲。有线状、片状、球状、带状、枝状等形状，有云天、云间、云地等形式。

(l)直击雷：雷电直接击在地面上，产生电效应、热效应以及机械力等一系列破坏。

(2) 感应雷：雷击大地后，强大的电磁脉冲使附近物体产生电磁感应和静电感应，这种感应雷可能破坏配电网高压电气及电子设备。

静电感应雷：雷云接近地面时，在架空导线或突出导体的顶部会感应出大量电荷，产生很高的电位，这叫静电感应雷。

电磁感应雷：雷云放电时，根据电磁感应定律，雷电流在周围空间会产生裂变的强磁场，这种裂变的强磁场又会在附近的导体上感应出很高的电位势，这叫电磁感应雷。此电磁能量聚集会产生放电火花，引起火灾、爆炸或造成人畜触电等事故。

（3）雷电波入侵：雷电波可能会沿着架空线路以及建筑物金属管道等侵入屋内，损害设备或造成人身安全。

(4)球雷：球型雷是一种特殊的雷电现象，简称球雷。球型雷的形成还没有完整的理论，通常认为它是一个温度极高的特别明亮的炫目发光球体，直径一般约为10～20cm或更大，球型雷通常在电闪后发生。以每秒几米的速度在空气中飘行，存在的时间大约为百分之几秒至几秒，一般是3至5秒，其下降时有的无声，有的发出嘶嘶声，一旦遇到物体或电器设备时会产生燃烧或爆炸，它能从烟囱、门窗或孔洞进入建筑物内部造成破坏。

(5)雷击电磁脉冲LEMP：指在建筑物在遭受直接雷击或其附近遭受直接雷击的情况下产生的雷电过电压，也即雷击时产生的电磁辐射。作为干扰源在电子设备中产生浪涌电压或电流，会损坏电气、电子设备，或者产生电火花引起火灾。

2 综合防雷系统工程

综合防雷系统工程应包括防直击雷、防感应雷、防雷电波引入和防雷电脉冲以及地电位反击。

2.1 防直击雷

直击雷是雷云对建筑物、建筑构件的直接放电，产生强大的雷电流，一般为几十千安到几百千安，具有强烈的破坏作用。在台（站）场地的铁塔、机房建筑及金属构件都有可能接受雷云放电，特别是各类传输线缆（如高压电力线、通信线缆）、金属管道（如水管、天然管道等）还可能将远端的直击雷引入到台站内部。

这里还需指出，高山台站侧击雷也是常见的直击雷的一种形式。在高山和铁塔的腰部围绕着带电云团。当云团对铁塔的电场强度达到一定量级时，也会对铁塔放电，形成雷击。

2.2 防感应雷

由雷电引起的静电感应雷和电磁感应雷统称感应雷，又叫二次雷。

雷云放电时，在附近金属导体上产生的静电感应和电磁感应等现象称之为感应雷击。雷云之间或雷云对大地的放电过程中，会在附近的电力线路、通信线路、设备连接线路上产生电磁感应并侵入连接在上述线路上的设备，从而造成设备损坏。感应雷虽没有直击雷猛烈。但其发生的概率比直击雷高得多，且其产生的感应高压可以通过电力线等传得很远，致使受害范围扩大。感应雷破坏的主要是电子电气设备，对广播电视传输、发射设备危害更大。

2.3 防雷电波引入和防雷电脉冲

防雷电波引入和防雷电脉冲实质上是防高电压引入。高电压引入的高电压源有3种：

1）金属导线（如电力传输电、通信线等）将高电压直击雷以波的形式传输到室内和用电设备上；

2）来自感应雷的高电压脉冲以波的形式沿着导线传播，引入室内和用电设备上；

3）直击雷在机房或其附近通过地网入地时，通过地网的地线以波的形式引入室内和用电设备上。

2.4 地电位反击

建筑物避雷针等外部防雷装置在遭受直接雷击时，在接地电阻两端会产生危险的过电压，此电压在设备接地线等接闪物的作用下引入设备。从而造成设备的损坏。

从雷电侵入的途径就能得知雷电损害电子电气设备的几种形式，因此一套完整的防雷系统应该包括直接雷击和感应雷击的防护，两者缺一不可。雷击防护应根据设备的功能、受保护的要点以及冒击的可能途径实行分类保护和多级层保护。

3 信宜732台综合防雷系统技术改造方案

2012年8月，我台在研究了综合防雷系统工程的基本内容和本台原有的防雷工程设施以及存在的问题后，提出了新的工程技术改造方案。

3.1 信宜732台原来防雷状况

长期以来，广东省信宜732台遭受雷击情况比较严重，设备经常遭受不同程度的破坏，造成了不少经济损失。2012年改造前更是如此，经测量我台发射区土壤电阻率为856Ω﹒m，原有地网接地电阻为18Ω，属高危险等级，整个防雷系统不合格，必须下大力气全面对整个发射区的防雷系统进行综合改造。根据其使用性质，按GB50057－94的技术标准计算，广东省信宜732台属二类防雷建筑物。

3.2 信宜732台原有防雷系统存在的主要问题

信宜732台原有防直击雷的接闪器、引下线等系统设施是完好的，其保护区也覆盖了整个场站，但仍然存在以下几个问题：

1．变压器低压侧没有安装避雷器。

2．机房外围和铁塔周围没有设置均压带。

3．机房外防雷连接线损坏严重。

4．机房外防雷连接线连接错误，连接线损坏严重。

5．引下线太长（1000多米），雷电流泄放时间超过技术要求，容易产生感应电流和回流，损坏设备。86米铁塔接地电阻太大（23欧姆），达不到防雷要求。

6．机房内发射机地线宽度不够大，个别设备未连接地线。

7．地极分布不合理，机房、变电房、铁塔引下线连接不合理。

8．宿舍区没有避雷设施。

3.3 改造方案

1.接地系统改造：按信息机房防雷要求，重新设置防雷接地地极。针对本台设施的分布情况，分别在三个区域埋设垂直接地体，连接起来，再与原有地网连接形成整体防雷综合地网。采用垂直接地体，要求接地电阻小于l欧姆。接地装置结构详见附图1、2、3。

A．工程接地电阻的计算

本方案采用综合接地法，设计接地电阻小于lΩ。

1）单根垂直接地体的电阻值计算

根据台周围的地质情况，取电阻率ρ=150Ω·m，垂直接地体长度L=2.5m，采用50×50×5mm热浸锌角钢作为垂直接地体，其等效直径d=0.042m，垂直接地体间距5m，则单根垂直接地体的电阻值为52.26Ω。

2）n根垂直接地体的电阻值计算若设置垂直接地体76根，查得接地体利用系数0.75。则76根垂直接地体的总电阻值为0.91Ω。

3）由计算可知，当设置76根垂直接地体时，接地电阻可以达到1Ω以下，能够满足设计要求。因此，本方案采用垂直接地体76根，材料为50mm×50mm×5mm热浸锌角钢，接地体间距5m。

B．垂直地极的布设

1）在第l区域，埋设垂直接地体，采用两行平行式地极结构，可用于埋设垂直接地体，每行6支垂直地极，共l2支，用水平连接线把垂直接地体连接起来。

图1　

水平连接线的上端与东面生活楼引下线相连接，在进入东面生活楼的连接处设置检测端子。水平连接线下端与第2区域的连接线相连接。垂直地极分布图详见附图。东面生活楼引下线到防雷地极的连接线小于30m，材料用38mm×4mm热浸锌扁钢。

2）在第2区域选择较平坦的地方，埋设垂直接地体，采用三行地极结构，埋设24支垂直地极，用水平连接线把垂直接地体连接起来。水平连接线的上端与北面生活楼及综合发射机房引下线相连接，另一端与第3区域的连接线相连接。垂直地极分布图详见附图2。

图2　

3）在第3区域选择在铁塔下方，埋设垂直接地体，采用两行平行式结构，埋设39支垂直地极，用水平连接线把垂直接地体连接起来。水平连接线的上端与铁塔引下线连接，另一端与第2区域引线相连接。垂直地极分布图详见附图3。

图3　

2．铁塔及机房外防雷系统改造：增设发射机房外围和铁塔周围均压带。具体做法是沿机房四周，距离机房围墙0.5m至lm处敷设闭合环形水平接地体，用38mm×4mm热浸锌扁钢，埋深0.3m至0.5m。

沿铁塔护墙四周敷设闭合环形水平接地体，用38mm×4mm热浸锌扁钢，埋深0.3m以上。当不能埋地时，可用水泥浆覆盖，避免导体裸露，尽量远离人行道。

铁塔引下线下端与第3区域的连接线相连接，引下线及各区域链接线每隔5 m重复接地，材料为长度L=2.5m，50×50×5mm热浸锌角钢，需要用50根。

3．机房内防雷系统改造：改进发射机房接地母线，机房内部采用38mm×4mm热浸锌扁钢，沿墙壁四周布置闭合环形接地母线，扁钢每隔0.5m钻一个Φ10mm的圆孔，以便设备就近连接到接地母线上。接地母线经过引下线与地极检测端子牢靠连接，连接处涂防锈漆两遍，再用沥青涂覆5mm以上。

4．电力防雷系统改造：在发电机房切换柜、配电机房进线柜以及变压器低压侧等处安装避雷器。

5．设备防雷系统改造：改进机房内所有设备接地，保证牢靠，做法是将发射机接地线面积改为大于25mm2，长度不超过5m；发电机、变压器接地线采用38岫×4姗热浸锌扁钢，就近连接接地引下线。

6．建筑物防雷系统改造：北面生活楼及东面生活楼楼顶用Φl2mm热浸锌圆钢沿四周敷设闭合环形避雷带及避雷针，引下线下端与第2区域的连接线相连接。

以上6个项目全部完成后再与原有地网系统相连接，形成发射区完善的综合地网系统，实现了设计科学，布局合理，覆盖全面，效果理想的预期目的。实测我台整个改造后综合防雷地网系统的接地电阻为0.30-0.80Ω，均在1Ω以下，相比原来的18Ω降低许多，取得了理想效果，为广播电视设备的运行安全和人身安全提供了坚实的技术保障，确保了播出和生产安全。

4 结束语

然而防雷是一项复杂的系统工程,没有任何一种措施方案可以完全防止雷击灾害,因此我们高山台站更应该不断提高对防雷工作的认识, 面对新形势、新问题,积极研究新技术和新方法,针对本台特殊环境和实际情况，及时采用相应得力有效的防雷措施，不断完善防雷综合系统，将雷击灾害减到最低，保证广播电视设备正常运行，确保播出安全和安全生产。

参考文献

[1] 沃德(防雷)实业研究中心．广播电视领域防雷解决方案[G]．中国安防展览，2012．

[2] 高山广播电视发射台的防雷电措施探讨[J]．电子报， 2010，7(25)：13．

[3] 张艺锋，谭栋明．雷电对高山发射台站电源的危害及防预：[J]．广电技术．2010.

[4] 高山广播电视发射台防雷电技术的实践[J]视听纵横(技术版)，2010，108(1)

蔡伟、 男、 1965.11 汉、 广东省信宜市、学历本科、职称工程师、现任职务广东省信宜732台副台长、研究方向广播电视发射；

Technical improvement of integrated lightning protection system for high mountain station

Cai Wei
（Xinyi, Guangdong province 732，Xinyi Guangdong，525300）

Abstract：In the face of new equipment and new technology are widely used in the presence of lightning probability,how in the daily work of the radio and television of mountain stations do room and ancillary equipment lightning protection work,better to complete task of radio and television program delivery,is particularly important. How to do a good job in radio and television stations,especially for the lightning protection and mitigation of high mountain stations,is the central theme of this paper,but also the experience of 732 comprehensive lightning protection system in Xinyi,Guangdong province.

Keywords：Thunder and lightning;high mountain station;technical scheme

作者简介

中图分类号：TN925