高山发射台防雷研究与实践

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　　摘  要：高山发射台由于其特殊的地理环境、气象条件以及广播电视发射系统电气化、信息化程度高，对防雷措施有更高的要求。文章以安庆市广播电视高山发射台防雷系统为例，总结了雷击危害形式，并对防雷系统的建设实践进行了分析研究。
　　关键词：广播电视高山发射台;雷电危害;防雷措施
　　中图分类号：TN948.53         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）11-0066-04
　　Abstract： Because of its special geographical environment， meteorological conditions and the high degree of electrification and informationization of the radio and television transmission system， the alpine transmitter has higher requirements for lightning protection measures. Taking the lightning protection system of Anqing radio and television alpine transmitting station as an example， this paper summarizes the forms of lightning damage， and analyzes and studies the construction practice of lightning protection system.
　　Keywords： radio and television alpine transmitter; lightning hazard; lightning protection measures
　　引言
　　安慶市广播电视高山发射基地承担着本市广播电视的无线发射任务，覆盖半径近100公里，服务人口达600万，是保障皖西南广播电视节目覆盖的重要发射台站。发射基地位于安庆市北郊的大龙山主峰，海拔高度697m，是方圆五十公里的制高点。根据多年气象资料显示，安庆市是个年平均雷暴日数为40天以上的多雷地区，据不完全统计，自2003年以来，全市因雷击事故造成直接经济损失近千万元。大龙山地处沿江地带，山体周围地势平坦，山体陡峭，山顶气候多变，终年以云雾天气为主，强对流天气频繁，山体含金属矿藏，岩石多、土层薄，地阻大。大龙山独特的地理环境和气候，使该地区成为雷电的高发区，极易发生雷电对地闪接。发射台站每年因雷电造成的设备、器件损坏都比较严重，直接威胁到发射台站的安全播出工作。因此有必要高度重视防雷系统的设计建设。
　　1 高山雷电特点及入侵形式
　　1.1 高山雷电特点
　　雷电就是雷雨云的云内、云间、云地间（直击雷）的放电现象。放电过程中往往伴随着闪光和巨响。当雷雨云中电荷累积到一定程度时，由于云团内部、云团之间、云地之间的电位差会产生很强的电场，当电场强度达到可以击穿它们之间空气强度时，便会发生放电现象，这种瞬间的强火花放电就是雷暴。雷暴发生时带电粒子在放电通道上高速（1/30光速，时间几？滋s～几百？滋s）运动，产生巨大的冲击电压和放电电流，放电温度高达两万摄氏度，使通道周围空气温度急剧升高体积骤然膨胀，放电后又急速冷却收缩，产生空气振荡发出巨大雷声。
　　独特的地理环境使大龙山阻挡部分大气环流，形成迎风坡，水蒸气爬升后降温形成雷雨云团引起强对流天气，另外高山上尖端物体较多，接近雷云，容易产生闪电先导，引发雷击。由于山体与雷雨云团的相对海拔差距小，高山上不但易引发直击雷，而且直击雷的雷击方向多变，通常以自上而下和侧击的方式出现，甚至在雷暴强烈时雷击方向贴地而行，俗称滚地雷。所以适用于平原地带的保护锥式防雷方法不能完全适用于高山上。另外，由于高山岩石厚、土壤薄，电阻率较大，不利于尽快释放雷击能量，容易形成地电位反击和较大的跨步电压，对弱电设备、仪器和人员的安全构成很大的威胁。
　　1.2 雷电入侵形式
　　对高山发射台造成破坏的雷电入侵方式主要有直击雷（云地闪接放电）和雷电感应两种。其中大约90%的破坏是由雷电感应造成的，雷电感应又分为静电感应和电磁感应两种，它们分别发生于雷云放电前后。对于电磁感应最直观的感受就是在雷电接近时，由于电磁场的扰动，在无线终端收听到的广播杂音和看到电视机上的雪花。
　　（1）直击雷入侵形式
　　直击雷就是带电雷云与地面目标之间强烈的放电现象，雷电直接击在受害物上，释放出巨大的能量，产生电效应、热效应和机械力，从而对建筑设施和设备造成巨大的破坏力。一次直击雷往往有三四个冲击，最多能出现几十个冲击。直击雷发生时，雷电流通过导体，产生高达数十至数百万伏的冲击电压和数百千安的放电电流，在极短的时间内，释放巨大的热量，会烧熔导体（线路断开或断股）或引起火灾爆炸。雷击机械力的冲击强度甚至更够粉碎空心的金属管，击穿混凝土墙体，产生的气浪都有破坏作用。另外，当建筑物的外部防雷系统（如避雷针、避雷带、避雷网等）遭受到直接雷击时，在接地电阻的两端产生危险的过电压，此过电压由设备的接地线、建筑物或其外部的防雷系统、其他自然闪接物（各种管道、电缆屏蔽管等）引入设备，造成设备损坏的地电位反击现象。雷击形成的地电位暂态高电位不仅危害建筑物内的设备，还会危及到相邻建筑物内的设备。地电位反击可感生出几千伏到几十千伏甚至数百千伏的反击电压，这种反击会沿着电力系统的零线，保护接地线和各种形式的接地线，以波的形式传入室内或传播到更大的室内范围，造成大面积的危害。 　　（2）雷电感应入侵形式
　　 静电感应是在雷云放电前，由雷云团所携带大量电荷在空间形成的巨大电场的作用下使架空线路上或其他地面凸出物上感应出大量异性电荷的现象，在雷云放电后，这些感应电荷失去束缚，以光速向线路两侧或凸出物四周运动，呈现很高的电压，幅值可达300kV～500kV的感应过电压，从而危及到输电线路与线路上的设备安全。
　　 电磁感应是雷云放电时，因巨大雷电流在周围空间形成极高的瞬变电磁场脉冲引发空间内金属导体上感应出强脉冲电压的现象。若电气设备的接地或相邻地网的连接阻抗过大，电磁感应出的冲击电压会给设备造成很大危害。
　　雷击时电磁感应原理如图1所示，在磁场内面积为A 的圆环内产生的感应电压大小为|Vloop|。因此，对于一个面积为10-2m2（例如一个边长为10cm的印制板电路）含缺口的小环，闪电电流在10m之外的环形回路上会出现变化的磁场，开口处会有约20V的电位差出现。这种感应过电压对弱电设备的安全有很大的威胁。
　　2 雷电防护的基本原理
　　雷电防护是个系统工程，雷电击中物体所造成的损坏程度主要有两个因素：闪击的特征以及被击中物体的重要性，尤其取决于该物体的导电性能和散热能力，其核心內容就是快速泄放和等电位均衡。泄放就是将雷电与雷电感应出的能量通过大地尽可能多地快速释放。等电位均衡就是使被保护系统所在环境及系统本身所在金属导电体的电位在瞬态感应时保持基本相等，不足以产生致损的电位差。
　　2.1 直击雷的防护
　　防护直击雷的主要措施是安装避雷针、避雷线、避雷网、避雷带。这些避雷装置由接闪器、引下线和接地装置组成。高耸的针、线、网、带都是闪接器，它与雷云之间的电场强度高于附近地面被保护设施与雷云之间的电场强度，接闪器承受直接雷击，巨大的雷电流通过阻值很小的引下线和接地装置（？燮10？赘，高山台站接地阻值应？燮4？赘）泄入大地，使被保护的设施免受雷击。在高山台站发射塔主桅杆顶部安装避雷针是目前各高山台站主要防雷措施之一。在高山台站制高点安装的避雷针具有一定的保护范围（通常比平原地带保护范围小的多），但不能有效防止侧向直击雷，故在台站建筑物顶和周围较高或凸出的设施上有必要安装避雷针、带等其他闪接器，雷击时闪接器闪接的雷电流通过引下线至地网迅速扩散。闪接器应以最短的路径与引下线连接，并且应尽可能多地与接地系统相连。
　　2.2 雷电感应的防护
　　雷电感应是造成广播电视设备损坏的主要原因，其入侵途径多种多样，电源线、信号线、天馈线及地线系统均可能被雷电感应侵入。雷电感应防护的一般原则就是尽量减小建筑物内部金属构件感应到的电压差，并尽快向大地释放感应能量。在电源、信号线路和弱电设备上逐级安装浪涌保护器（SPD），也是有效防护雷电感应的措施之一。对于高山发射台站，雷电感应的防护可以从以下几个方面着手。
　　（1）电源系统防雷
　　电力电源是广播电视设施的重要组成部分，又是最容易受到雷电攻击的目标。发射机房对电源的要求很高，理想的电源“净化”应是三管齐下，即包括隔离变压器、浪涌保护器和大功率不间断电源（UPS）。在电源的总输入端要提供过电压保护措施，机房的电源总输入端也要有过电压保护措施，使脉冲能量泄入大地防止设备因过电压冲击而损坏。输变电高压线路应避免架空进入建筑物内，尽可能埋地缆进入，并用金属导管屏蔽，屏蔽金属管在进入建筑物和机房前要重复接地，最大限度地衰减从各种导线上感应到的高电压。对于无法深埋的沿山高压架空线路，应在三相高压电（10kV）上方安装避雷线，每节电线杆有接地体与避雷线连接。
　　（2）信号系统及设备防雷
　　信号系统防雷与电源防雷一样，信号系统的防雷要根据信号线路的类型、通讯频带、线路电平等选择过压或过流门限值大小合适的浪涌保护器，信号类过电压保护器系列产品对感应电压、侵入电压波、操作过电压、静电干扰等有很好的抑制作用，有效地限制过电压从而保护与之相连的电子设备。微波接收天线固定架和光缆中的加强钢丝都要连接地网。信号源系统中的弱电设备耐压能力差，易遭受雷电破坏，要将这些相对脆弱的设备置于信号源金属机柜中，设备的金属外壳与机柜间用薄铜皮相连，金属机柜内的设备采用集中供电方式，设备地线与机柜地线保持良好的接地状态，从而使设备始终处于金属屏蔽层中，达到雷电防护的效果。
　　（3）等电位连接与接地系统
　　等电位连接的目的在于减小需要防雷的空间内各金属构件和各系统之间的电位差。将机房内的发射机主机金属外壳，UPS及电池箱金属外壳、金属地板框架、金属门窗框架、设施管路、电缆桥架进行等电位连接，并以最短的线路连接到最近的等电位连接带上。总之，机房内各种正常不带电的金属部分都应做等电位连接，并与避雷引下线或地网相连。
　　接地系统是防雷工程最重要的环节，不管是直击雷还是雷电感应，最终都是把雷电流送入大地。因此，没有合理而良好的接地装置是不能可靠地避雷的。接地电阻越小，散流就越快、物体被雷击或雷电感应产生的高电位保持时间就越短、危险性就越小。高山发射台站的接地电阻要求≤4？赘，并且采用共用接地的方法将避雷接地、设备安全接地、交流地、直流地统一为一个接地装置。电力、电子设备的接地，是保障设备安全、人员安全和设备正常运行的必要措施。可以认为，凡是与电网连接的所有仪器设备都应接地，凡是电力需要到达的地方，就是接地工程需要做到的地方。防雷工程的一个重要方面就是接地以及引下线路的布线工程，整个工程的防雷效果，甚至防雷器件是不是起作用都取决于此。
　　3 雷电防护工程设计实施
　　防雷工程包括外部防雷和内部防雷，外部防雷主要是防直击雷，内部防雷主要是防止由雷电感应造成的破坏。防雷工程并不能阻止雷电的发生，只是将由雷电引起的损害降低到可以接受的范围，从而保护发射台站内的设备和人身安全，保证广播电视节目的安全播出。以我台为例，雷电防护工程可以从以下几个方面进行设计实施。 　　3.1 闪接系统布局
　　对于高山发射台站而言，高耸的发射塔上本身就是一个巨大的闪接器，塔尖的避雷针是最主要也是最容易遭受雷电直接击中的闪接器。在铁塔顶部主桅杆上安装一根主避雷针，主避雷针采用直径25～40mm的圓钢制成，长度80～100cm左右，避雷针应进行镀锌处理，尖端部分还应镀上导电性能更好的合金物质。为了防止侧向直击雷，如图2所示，在机房、宿舍的屋檐（机房和宿舍为平顶建筑）和连廊通道的屋脊安装避雷带作为闪接器，避雷带采用直径12mm的镀锌圆钢，避雷带距屋檐60mm，采用支撑卡子固定，卡子间距1m，避雷带与引下线采用焊接方式连接，焊接长度是圆钢直径的6倍，焊点做防锈处理。为了减小接地电阻和获得较大的电流容量，引下线也采用了具有足够截面积的12mm镀锌圆钢制作，机房和宿舍分别设置了6根引下线，引下线穿PVC管沿建筑物墙体暗敷埋地与地网相连。此外，还利用发射基地四周的铸铁栅栏（高190cm）作为闪接器，在栅栏底部用4mm×40mm的镀锌扁铁作为引下线深埋就近连接至铁塔或建筑物的地网，进一步增强了雷电防护能力。
　　3.2 接地系统布局
　　接地系统由接地地网和接地装置构成。高山发射台的接地系统可以分为铁塔接地系统和建筑物（机房、宿舍等）接地系统。如图2所示，两个系统既要相互独立，又要相互关联。相互独立是指各部分都应该有独立的接地地网，否则容易引发地电位反击;相互关联是指各部分的接地装置应环路相连，如果两个接地系统完全独立，雷电发生时，在地面上形成电位梯度，产生有可能危机人身安全的跨步电压。铁塔和建筑物的接地地网采用4mm×40mm镀锌扁钢沿建筑物四周做一个环形闭合，并与铁塔、建筑物的基础钢筋相连深埋地下。地网敷设完毕后多点引接到机房内的地板之下作为机房设备的接地总干线，机房内采用4mm×30mm铜带组成一个均压环并与接地总干线相连。地网与其接地装置之间的水平连接体采用4mm×40mm镀锌扁钢，水平连接体置于深度不小于0.6m的地沟中，每个3m打入一根长1000mm的50mm×50mm×5mm的镀锌角钢作为接地装置（总共使用96根角钢）并与之相连，接地装置顶部距离地面至少1m以上，两排地沟内的角钢间距控制在2.5m～3m之内。铁塔接地装置和建筑物的接地装置之间用独立的镀锌扁铁做环路相连。为了降低接地电阻值，在沟内填充10mm厚的降阻剂。在降阻剂上先将细粒土回填，夯实，再将粗土回填在地沟表面，再夯实，直至填平，每层回填土夯实前浇上少许水。为了保持土壤水分，在接地装置周围总共覆盖了半吨木炭。接地系统所有的连接点均要焊接，焊接长度不得少于扁钢宽度的3倍、铜带宽度的2倍，焊接处涂敷沥青做防腐蚀处理。通过这些措施，使现场测算的接地阻值降到3.68？赘<4？赘，满足接地阻抗要求。
　　3.3 等电位处理
　　等电位处理，就是将设备的机壳、交直流工作接地通过机房内的接地均压环连接到建筑物的共用接地装置上。机房内配电柜、走线架、吊挂铁架、金属门框、塑钢窗金属支架、UPS电池箱、信号源机柜、操作台和发射机的金属外壳均使用6mm2多股铜线就近采用铜鼻子和螺栓连接至均压环上，螺栓紧固前应除去紧固点上的防锈漆。机柜内弱电设备的防静电接地使用30mm宽的薄铜皮连接到机柜内壳上。电源及信号线的布线尽量不与接地铜排平行，应保持一定不小于0.5m的距离，不得将线路扎固在接地铜排或扁钢上。值得注意的是，电力干线的地线在进入机房之前就应连接至机房地网，延伸至机房内的发射机馈线的金属法兰也连接至机房地网，它们均不得直接与机房内铜排相连。当两个不带电金属构件或机柜距离小于0.5m时，使用铜带连接。
　　3.4 电源系统与设备防雷
　　闪电击中高压线路并通过变压器耦合到低压线路以及电力线路感生出的瞬态高电压是雷击损坏设备的最常见形式，因此做好电源系统的雷电防护是保护用电设备安全的重要措施。如图3所示，机房电源系统防雷采用三级防护模式，高压配电房的总配电柜为第一级防护，发射机房电源配电柜、宿舍生活用电以及柴油发电机电源为第二级防护，重要设备的前段为第三级防护。
　　电源线路第一级防雷保护，是在总配电柜的进线端安装一个发射基地专用三相电源防雷箱，标称通流容量为100KA（8/20？滋s），最大通流容量200KA。第二级防雷保护，是在机房电源总配电柜的两组进线端分别安装一套三相交流电源浪涌保护器，标称通流容量？叟60KA（8/20？滋s），最大通流容量120KA，宿舍生活用电总配电柜进线端同样安装此容量的浪涌保护器。第三级防雷保护，是在每台发射机总电源（发射机内部已安装过浪涌保护器的可以不安装）进线端和播控系统的UPS电源进线端安装一套三相交流浪涌保护器，标称通流容量为20KA（8/20？滋s），最大通流容量40KA。当雷电发生时，以上三级防雷保护可有效地抑制线路上由雷电感应产生的瞬态高压浪涌，达到保护设备的目的。
　　我台防雷工程按照上述方案实施后，达到了预期的目的，防雷效果得到极大的增强，经受住了十余次的雷击考验，重要设备均没有再出现因雷击造成的破坏，从而保证了安全播出工作。
　　参考文献：
　　[1]杨仲江，郭凤霞，张其林.防雷技术与科学[M].北京：气象出版社，2011.
　　[2]虞吴，臧庚媛，赵大铜.现代防雷技术基础[M].北京：气象出版社，1995.
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