浅谈淮安新广播电视发射塔的综合防雷

戴家红 淮安广播电视总台电视传输中心

浅谈淮安新广播电视发射塔的综合防雷

戴家红 淮安广播电视总台电视传输中心

雷电对广播电视技术设施传输系统会造成危害，特别是广播电视发射塔如遭雷击，其电源系统及设备容易遭受雷击损坏，轻则导致线路开关跳闸，影响发射站的正常工作，重则造成站内设备及其电源系统中的配电设备损坏，致使整个系统瘫痪，带来严重的经济损失和播出停播事故。本文介绍了雷击危害的方式及广播电视发射塔防护雷击的具体措施。

电视发射塔 直击雷 感应雷 防雷装置 电涌保护器

一、引言

淮安新广播电视调频发射塔位于淮安市清浦区黄码乡运南村大运河西侧，将于2016年9月正式投入使用，塔高320米。电视发射塔主体由2层塔座、塔身、8层塔楼和100米桅杆四部分组成。塔座设置发射机房，管理用房，地下室设置技术辅助用房，塔楼设置微波机房。

该电视调频发射塔主要负责发射调频广播节目8套，模拟和数字电视节目8套，同时具有旅游观光、展览、餐饮、娱乐、休闲等综合功能。广播电视信号覆盖整个淮安市，直接覆盖人口500万左右，成为淮安市标志性建筑之一。

雷电是伴有闪电和雷鸣的放电现象，是严重的自然灾害之一。产生雷电的条件是雷雨云中有积累并形成极性。自然界的雷击主要有直接雷击和感应雷击两类。由于直击雷和感应雷的侵害不同，防护措施也就不同。直击雷防护措施主要采用避雷针，避雷带（网）等传统避雷措施。感应雷击防护措施主要有等电位连接，屏蔽，规范的综合布线，安装有效的电涌保护器和完善的接地系统等方法。

二、雷击防护

2.1 直接雷防护

2.1.1 发射天线塔和建筑物防雷措施

广播电视发射台铁塔和天线位置是台站地面建筑的最高点，天线塔本身既可成为防雷的避雷塔，也可能变成“引雷器”或产生感应雷的导体，因此它是台站防雷的第一关。

按照国家97年颁布的《建筑物防雷设计规范》GB50057——94（2010版）的相关规定，铁塔接地网形状、密度可根据地形，防雷等级、天线塔种类来设计。接地网的网格尺寸应不大于5m×5m或6m×6m，天线塔接地电阻≤10Ω，接地网设计电阻应≤1Ω。发射台各种接地（防雷接地除外）难于分开，总接地电阻要求不得超过4Ω，防雷接地电阻不大于10Ω，且需与保安接地分开。当必须合用一个接地极时，总接地电阻要求小于1Ω 。

本建筑采用公共接地系统（工作场所，工作接地，直流接地，防静电接地，互相搭接使用）接地电阻≤1Ω 。接地网的垂直接地体采用无污染、耐腐蚀、使用寿命长的非金属石墨人工接地体，水平接地体采用40mm×4mm热镀锌扁钢，网格尺寸为3m×3m，地网引上线采用 35mm2的多胶铜塑线经美观固定后引入机房。地网的位置要求尽可能靠近发射设备场地附近，要求接地体布局合理，接地电阻达到相应的技术要求。机房有多种接地时，可以采用共网不共母线的连接方式。为保险起见，在塔座基础外距建筑3m的地方，做一圈人工接地网与塔座用7根（按18m间距计算）50mm×5mm的热侵镀锌扁钢电气连接，最后回填土夯实。

人工接地网尽量埋设在人们走不到或很少走去的地方，避免跨步电压危害。水平接地体埋设深度不小于0.8m，为保证连接的可靠性，水平接地体和垂直接地体不能采用铆接或螺栓连接，所有连接部分必须用电焊连接，并且一定要保证有不少于10cm2的接触面积，同时焊接面做防腐处理。回填土捶紧、夯实。水平接地体不能太长。在工程上往往是测量工频接地电阻，并利用冲击接地电阻与工频接地电阻之间的关系来计算接地体的冲击接地电阻。冲击接地电阻与工频接地电阻之间的关系可表示为：

一般情况由于火花效应大于电感效应，故通常情况下a＜1；但是如果接地体长度很长时，有可能a＞1。这样对于防雷接地的设计是不合理的。所以用于防雷为主的防雷接地装置水平外延或者放射状接地体长度不宜太长，一般不要大于100m 。否则它的分布电感将妨碍雷电流的散逸，使冲击电阻高于工频接地电阻。

认真计算天线塔避雷针的保护范围并留有充分余地，当其他建筑物不在保护范围时，可考虑设计多支（等高或不等高）避雷针保护方案。对于直击雷的防护措施主要是通过架设避雷针。避雷针通常安装在发射塔的顶端或者发射站建筑上。在发射塔顶端架设避雷针，只要设计合理，可以对直击雷起到很好的防护效果。因为雷电的放电通道受到很多偶然性因素的影响，想保证发射塔完全不遭受直击雷袭击时是不现实的，因此结合实际情况对保护范围按照99%的保护概率即屏蔽失效或绕击率1%而定。结合实际运行经验，充分认真考虑现场的实际情况，通过对避雷针保护范围和高度进行合理的设计和计算，能达到非常有效的防护效果。安装避雷针保护范围示意图如图1所示。

参考中华人民共和国电力行业标准《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》DL/T620—1997的相关规定，对避雷针的保护及其高度可以采用以下公式进行计算。假设避雷针顶端到地面的高度为h（m），被保护物体的高度为hx（m）；在hx高度避雷针保护范围的半径为rx，参照对单只避雷针的折线计算法得以下计算公式：

图1 安装在发射塔顶端避雷针保护范围示意图

其中p为高度影响系数。P的取值与避雷针的高度h有关。当h≤30m时，p=1；当30m＜h≤120m时，p=5.5/根号h；当h＞120m的情况，按120m计算。在处于多雷区或者安全裕度要求较高的情况下，应适当减小避雷针的保护角。

本电视发射塔在发射天线最顶端安装放电时间30微秒，针高3m，保护半径36m的主动提前预放电独立避雷针措施，对发射天线及发射塔建筑物进行直击雷防护。并且在房顶，房角或利用围墙，栅栏装设闭合的避雷带，均压网。避雷网采用¢16镀锌圆钢在屋面设不大于10m×10m（或16m×8m）的避雷网络，且屋面上所有的金属物件，钢结构塔桅，网架，外露金属管道等均用¢16镀锌圆钢与避雷网连接。

均压网设计：塔楼从首层起到顶层的所有圈梁就近与引下线电气连接，圆梁内至少选择对称两条钢筋在整个楼层范围内电焊连接，所有孔、洞两侧应对称预留两点接地线，以便各种金属框架就近与均压环连通。建筑结构构件内的主钢筋均应相互连通接地，45m及以上各层的建筑外墙上的金属门，窗，较大的金属构件均与防雷装置连接。竖直敷设的金属管道及金属物的顶端和底端与防雷装置连接。平行敷设的长金属物当其间距小于100mm时，应每隔30m跨接一次。一般说，均压网格不宜大于5m 。引流线应视建筑物结构和布局进行设计。均压网，避雷带应接有多根引流线，在建的房屋可考虑与建筑结构内的钢筋良好连接。

一般情况下，建筑物安装有避雷针或避雷带，避雷网，但是雷电的活动规律是对于发生过雷击的地点和入侵通道，下次雷击时更容易再次遭受雷击。如果外部防雷某一个环节做的不好，就会影响整体的防雷效果。如果外部防雷不能担负直击雷防护的任务，那么它将是一个“引雷工程”而不是“防雷工程”，设备反受其害。直击雷防护的完善与否，关系到感应雷防护的基础是否牢固。因为直击雷防护是感应雷的基础。

在直击雷防护比较完善的情况下，电视台站部分设备仍然可能遭受雷击，这说明防雷是一项系统工程。它包括屏蔽，等电位联接，安装浪涌保护器等措施，全方位的雷击防护，感应雷的防护十分重要。

2.2 感应雷防护

感应雷的防护主要包括电源系统，天馈信号系统，计算机网格系统的保护，等电位连接以及接地等。根据淮安市电视调频发射台的情况需求，主要针对电源和天馈，网格进行防护，同时为了均衡雷电流对于设备的冲击，等电位联结的措施必不可少。

2.2.1 电源系统的防雷及过电压保护

据统计雷击事故中，从电源线路侵入感应过电压损坏设备占较大比例。所以电源的防护是所有设备防护的根本和基础条件，没有电源的安全防护，其他的措施都是舍本逐末。鉴于电视发射塔有过雷击损坏设备的先例，所以对于系统的保护理应提高此防护等级。为实现多级配合，要计算各级SPD（电涌保护器）之间的能量配合。SPD的主要作用是把窜入电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内，并将强大的雷电流泄放入地，从而保护被保护的设备或系统不受冲击而损坏。选用合适电涌保护器，对电源分为四级保护，使浪涌电压逐级泄放入地。

按照分级泄放原理，第一级防雷可在总配电箱端加装1套电源三相一级高能量防雷器SPD1:WL4L8—100kA（10/350微秒模块）启动电压小于1400v，响应时间小于或等于100ns，残压小于2500v，使大部分雷击能量在此泄放。（总配电柜盘上均应留出安装SPD的空间，SPD连接导线应短而直，总长度不宜大于0.5m，其材质采用Bv16铜线缆。为防止SPD老化造成短路，SPD安装线路上应有过电流保护器件，宜选用有劣化显示功能的SPD.）

在发射设备室的配电柜内安装1套电源单相第二级防雷SPD2:WL4L8--60kA（8/20微秒模块） 启动电压小于800v，对地漏电流小于30微秒，残压小于1000v。

在发射设备的开关前端安装1套电源第三级SPD3:WL4L8--40kA（8/20微秒）共计一套，启动电压小于630v，对地漏电流小于30微秒，残压小于800v

室内所有设备的插座全部更换为具有防雷功能的插座作为第四级防护SPD4:WL2206--20kA（8/20微秒）。以上措施将有效防止雷电流从电源线路侵入并损坏设备。

保证计算机网络等信号方面的雷击发生，还需要进一步对网络，天馈信号系统的线路进行防护。

2.2.2 网格信号系统的防雷与过电压保护

雷击发生时产生的巨大瞬间电磁场，在1Km的范围内的金属环路内均会产生感应雷电流，另建筑物在避雷针（带）接闪雷电时，在雷电流通过防雷引下线对地泄放同时，也会对建筑物内的网格金属环路产生雷电电磁脉冲，形成线路感应过电压，易造成终端设备端口的损坏，严重影响网格系统的正常运行。

机房内的信号防雷主要是针对网格交换机的防护，网格交换机根据端口的不同分为千兆交换机和百兆交换机。千兆端口采用千兆网格信号防雷器，百兆端口采用百兆网格防雷器，分别串接在交换端口的前端，使雷电入侵波在端口前端通过防雷器泄流入地，保护端口的安全。

电脑，交换机等的网口根据传输速率的不同分别采用单口千兆网络防雷器和百兆网络防雷器进行保护。网络信号的防护措施及产品选型如下：

（1）在编辑机房的24口网络交换机前端串接带有两级保护的网络防雷器WLJ45---E100M/24

（2）计算机单机的双绞线路上串接单口网络专用防雷器WLJ45—E100M 。在进入单位的程控电话线或专用数据线路安装信号专线避雷器。此避雷器的启动电压为所保护信号电压峰值的1.5倍，雷电通流大于0.2kA.通信专线避雷器要求其传输速率大于9600bps，雷电通流大于0.5kA.插入衰减小于0.3dB。为了确保服务器的安全，避免数据丢失，在服务器前端安装一级网络避雷保护模块，为了保护网络线路和各终端设备的安全，在网络路由器前安装一级网络避雷保护器。

2.2.3 天馈信号系统的防护

（1）室外引入线防雷措施

室外引入线是指台站内各种发射设备馈线，吊馈管的钢绞线及波导固定架，铁塔过桥和塔灯电源线，各类管道，各种视音频信号线，通信线等。在雷电天气，引线外皮很容易将感应雷或感应电压引入机房，必须采取措施进行电气阻塞。

保证馈管两端良好接地。馈管在进入机房前外皮要就近与地网连接，吊馈管钢绞线，固定架，过桥每隔一定距离逐点接地。

各种引线要使用屏蔽电缆，进入机房前屏蔽层应就近与地网连接。引线较长或条件允许时，进入机房前水平埋入地下，长度最好在10m以上。若无屏蔽电缆，可将引线穿入铁管，按上述要求埋入地下。引入机房的电缆中如有不使用的芯线，也应在两端良好接地。

（2）室内设施的防雷措施

机房内根据设备摆放情况，用铜皮铺设地网，通过多点与室外地网良好连接，从而营造等电位环境。根据国标GB7450—87＜＜电子设备雷击保护导则＞＞和实际情况，科学有重点的采用防雷保护元件对电子设备进行保护。

机房内屏蔽接地，机壳接地，电源接地（中性线，零线），工作电路接地，保安接地，过压保护接地等要统一，就近与机房共用地网作可靠的电气连接。

（3）等电位连接措施

信号塔实际是个“引雷工程”，它在将强大的直击雷电流泄放到地下的同时，会产生方圆20公里内的感应雷辐射。将信号塔电梯的滑道两端与塔楼作等电位连接，供电部分安装SPD。

发射机房及各个机房内防静电地板下用2mm×30mm的紫铜带制作接地均压环，并与专用接地母线预留端子可靠连接，用于各设备，金属支架和抗静电地板支架接地。机房内的供电系统地线，防雷接地地线，防静电接地，直流接地（逻辑接地）都与均压环连接，然后经引下线接地，与接地网连接。

电视台的办公楼窗户没有屏蔽接地，这对于室内的设备来说就相当于半露天了。所以室内的微电子设备，尤其是电脑经常遭受感应雷的破坏，因此电视台站应把办公楼，机房铝制门窗，暖气管，水管，走线架等各种导体就近与母线或地网连接。在塔楼的每一层靠近中心的构造柱主筋上外引一等电位连接排，用于屏蔽接地、SPD接地、交直流接地等之用。塔楼外距地高度1.7m处等距离对称的引出两个接地电阻测试点，分别暗装测试盒。

由于雷电的随机性很大，形成的机理很复杂，雷电的表现形式多种多样。因此，目前防雷技术水平还局限在任何单一的防雷器件都无法保证某一特定空间所有保护对象的防雷安全，防雷技术还有待进一步提高。随着科学技术的进步，对雷电机理的进一步认识，防止和减少雷电灾害的方法将日臻完善。