山東省廣播電影電視局蒙山轉(zhuǎn)播臺(tái) 王建輝

一、依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

1.GB50057-1994《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（2000）

2.GB50343-2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》

3.GA267-2000《計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)雷電電磁脈沖安全防護(hù)規(guī)范》

4.YD2011-93《微波站防雷與接地設(shè)計(jì)規(guī)范》

5.JGJ/T16-92《民用建筑電氣執(zhí)行規(guī)范》

6.IEC1312《雷電電磁脈沖的防護(hù)》

二、現(xiàn)狀分析

1.蒙山臺(tái)所處地理環(huán)境情況

該臺(tái)所處地區(qū)氣象數(shù)據(jù)表明：該地區(qū)依據(jù)40多年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，最早雷擊時(shí)間為2月28日，最晚雷擊時(shí)間為12月24日，年平均雷暴日高達(dá)52.4(d/a)，按照GB50343-2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》的定義，其地區(qū)雷暴日等級(jí)為高雷區(qū)。

該臺(tái)海拔1156米，地勢(shì)高、環(huán)境空曠等諸多因素導(dǎo)致該臺(tái)頻繁遭遇雷擊，自建臺(tái)四十多年來，該臺(tái)每年都會(huì)遭遇數(shù)次雷擊，高壓線路、變壓器、發(fā)射機(jī)、電源電纜、計(jì)算機(jī)設(shè)備及通信線路等都曾遭受雷擊的嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致設(shè)備毀損、播出中斷、屏蔽線擊穿、播出系統(tǒng)崩潰等事故發(fā)生，其中損失人民幣十萬元以上的事故七次。此外，每年該臺(tái)都會(huì)遭到不同程度的雷擊事故，可以說雷擊事故給該臺(tái)造成嚴(yán)重的破壞和損失。

2.建筑物情況

發(fā)射鐵塔：基座10×10米，塔身高76米，與機(jī)房所在的機(jī)房樓相距約20米。

機(jī)房樓：50×11×7.5米，分為兩層，一樓為值班室和機(jī)房（內(nèi)有低壓配電室、發(fā)射機(jī)房等），二樓為職工宿舍。

高壓切換室：3×4×4米，處于該臺(tái)院墻外，兩路10KV外電在此處切換。

高壓配電室：5×3×4米，在機(jī)房樓旁邊，內(nèi)設(shè)有高壓斷路器，變壓器、隔離變壓器等。

發(fā)電機(jī)房：7×3×4.5米，由兩間房組成，一間安置200KV自備發(fā)電機(jī)，另一間安置120KV自備發(fā)電機(jī)。

3.高壓配電情況

兩路10KV市電通過高壓切換室切換后，經(jīng)地埋電纜進(jìn)入高壓配電室變壓輸出，再?gòu)牡芈耠娎|送至低壓配電室并與發(fā)電機(jī)進(jìn)行切換分配到各配電盤。

4.信號(hào)線路情況

蒙山臺(tái)同時(shí)為山東省級(jí)微波干線的中繼站，主用數(shù)字微波正傳和回傳信號(hào)，

同時(shí)配備中星6A、中星6B、中星九號(hào)、亞太6號(hào)等多部衛(wèi)星信號(hào)接收系統(tǒng)作為備用信號(hào)源。

5.接地系統(tǒng)情況

(1)原地線采用獨(dú)立接地系統(tǒng)，變壓器、高壓電纜、天饋系統(tǒng)、機(jī)房高頻及安全接地等各自獨(dú)立接地。

(2)測(cè)量原接地電阻：發(fā)射鐵塔的接地電阻為4.2Ω；高壓線路的接地電阻為17Ω；機(jī)房的接地電阻為5.1Ω；天饋系統(tǒng)及高壓配電室的接地電阻為8.2Ω，達(dá)不到安全接地電阻的標(biāo)準(zhǔn)。

(3)原有的防雷措施情況：

1)直擊雷防護(hù)現(xiàn)狀僅依靠發(fā)射天線和機(jī)房樓頂架設(shè)的避雷針。

2)感應(yīng)雷防護(hù)原狀：

電源防護(hù)原狀—配電室，380V的配電柜安裝了OBO20C3+NPE，通流量為20KA，不符合國(guó)標(biāo)不小于80KA的要求，不能對(duì)大電流進(jìn)行有效泄放。

信號(hào)線路原防護(hù)部分：天饋線和信號(hào)線沒有進(jìn)入橋架，直接架空引入機(jī)房；進(jìn)機(jī)房的天饋線和信號(hào)線窗口沒有做接地處理；控制線、室內(nèi)天饋線、視頻監(jiān)控線路、網(wǎng)絡(luò)線纜、232接口線沒有任何防雷措施。

3)接地原狀：機(jī)房接地、天饋接地、高頻接地、工作接地和電源接地各自獨(dú)立，且接地線過長(zhǎng)、裸露、截面積不符合要求。

4)缺乏完善的防雷電感應(yīng)和雷電波入侵的綜合措施。

三、雷害的分析及一般防護(hù)措施

1.自然界雷害的分類

自然界雷擊分為直擊雷和感應(yīng)雷。

2.雷電災(zāi)害防治基本方法

(1)直擊雷和感應(yīng)雷{雷電感應(yīng)高壓電及雷電電磁脈沖（LEMP）}的侵害途徑不同，防護(hù)措施也就不同，防直擊雷主要采用避雷針、避雷帶（網(wǎng)、線）等傳統(tǒng)避雷措施，只要設(shè)計(jì)規(guī)范，安裝合理，這些避雷設(shè)施能夠?qū)χ睋衾走M(jìn)行有效的防御。

(2)但是無論多完善的防直擊雷裝置，對(duì)雷電感應(yīng)高壓電及雷電電磁脈沖的防護(hù)都無能為力，因?yàn)槔纂姼袘?yīng)高壓電是由于電子、電氣設(shè)備的電源線、信號(hào)線、天饋線等所致，感應(yīng)雷的入侵途徑如圖1。

圖1 感應(yīng)雷的入侵途徑

(3)綜合防雷工程是一個(gè)系統(tǒng)工程，它包括：直擊雷的防護(hù)、等電位連接措施、屏蔽措施、規(guī)范的綜合布線、設(shè)計(jì)安裝SPD、完善合理的接地系統(tǒng)六個(gè)部分組成。

四、防雷系統(tǒng)方案

1.需要改造的幾個(gè)部分

根據(jù)該臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)布局、電源供線路和通信線路、防雷設(shè)施狀況等情況分析，需要改造的以下幾個(gè)部分：

A.直擊雷防護(hù)

B.電源防防護(hù)

C.信號(hào)源防護(hù)

D.天饋系統(tǒng)防護(hù)

E.接地部分防護(hù)

2.防雷系統(tǒng)的整體構(gòu)思和措施

防雷工程實(shí)施過程中，我們嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定執(zhí)行和操作，在布線方面，依照強(qiáng)、弱電分開，大、小信號(hào)分開，高、低頻信號(hào)分開的原則施工，盡量在雷電入侵時(shí)，避免雷電的相互干擾，相互影響。

綜合防雷構(gòu)思框圖如圖2。

圖2 綜合防雷構(gòu)思框圖

防直擊雷的依據(jù)以及采取的具體措施：

(1)為防止室外天饋線系統(tǒng)及衛(wèi)星通信部分遭受直接擊雷，需要在距離天線一定位置處安裝避雷針，避雷針的高度要嚴(yán)格按照滾球法計(jì)算，避雷器的高度計(jì)算公式Rx=√H(2h-H)-√Hx(2hr-Hx)Rd=√H(2Hr-H)

其中Rx為避雷針在Hx高度平面上的保護(hù)半徑

Hr—滾球半徑

Hx—被保護(hù)物體高度

H—避雷針的計(jì)算高度

Rd—避雷針在地面上的保護(hù)半徑

根據(jù)上述公式計(jì)算，避雷針高度設(shè)計(jì)高出被防護(hù)體3米（不包括塔桿）可起到有效保護(hù)作用。

(2)采用金屬避雷針，安裝于76米高度的鐵塔頂部，并用直徑10MM銅線接地，以有效地減少雷擊時(shí)的電磁場(chǎng)變化，從而降低設(shè)備損壞概率。

(3)對(duì)以下區(qū)域進(jìn)行整改：

a.機(jī)房樓頂端，加裝高出女兒墻10米的金屬避雷導(dǎo)體。

b.在衛(wèi)星接收天線處，安裝比天線上側(cè)山體平臺(tái)高16米的金屬避雷導(dǎo)體。

c.發(fā)電機(jī)房、配電樓頂安裝建筑物用避雷針。

d.所有天饋線和信號(hào)線進(jìn)入橋架。

e.機(jī)房樓所有門窗良好接地，避免球型雷飄窗進(jìn)入房間。

(4)將上述位置安裝的每一個(gè)避雷針，用40*4熱鍍鋅扁鋼以最短距離連接在一起，組成一個(gè)防雷體系網(wǎng)，加大了防護(hù)范圍及防護(hù)能力，更加有效的防止了直擊雷的入侵。

3.電源系統(tǒng)防感應(yīng)雷措施

(1)整改線路：將原先的配電系統(tǒng)三相四線制（TN-C）改為三相五線制(TN-S)，將零線（N）與地線（PE）獨(dú)立分開，這樣就能在雷電侵入時(shí)，有效隔離了三相四線制供電方式造成的危險(xiǎn)高壓，使設(shè)備外殼上電位始終處在“地”電位，從而消除了設(shè)備產(chǎn)生危險(xiǎn)電壓的隱患，確保人身及設(shè)備的安全。

(2)在高壓斷路器前端，接入高壓氧化鋅避雷器，以阻斷雷擊時(shí)沿高壓線路進(jìn)入的過高的感應(yīng)電壓，保護(hù)后級(jí)設(shè)備線路的安全。

(3)380V供電部分采用接入通流量為100KA法國(guó)soule避雷器進(jìn)行防雷保護(hù)，保護(hù)設(shè)備免遭雷擊過電壓和系統(tǒng)操作過電壓造成的損壞。

(4)采用壓敏電阻器與被保護(hù)的電器設(shè)備并聯(lián)的方式進(jìn)行防雷保護(hù)。當(dāng)電路中出現(xiàn)雷電過電壓Vs時(shí)，壓敏電阻器以納秒級(jí)時(shí)間迅速呈現(xiàn)優(yōu)良非線性導(dǎo)電特性，此時(shí)壓敏電阻器兩端電壓迅速下降，這樣被保護(hù)的設(shè)備及元器件上實(shí)際承受的電壓就遠(yuǎn)低于過電壓Vs，從而使設(shè)備及元器件免遭過電壓的沖擊，如圖3。

圖3 供電系統(tǒng)防雷圖

(5)在配電柜里面加裝符合容量要求的電源模塊防雷器，采用電源防雷器能在最短時(shí)間內(nèi)釋放電路上因雷擊感應(yīng)而產(chǎn)生的大量脈沖能量短路泄放到大地，降低設(shè)備各接口間的電位差，從而保護(hù)電路上的設(shè)備。

4.信號(hào)系統(tǒng)防感應(yīng)雷措施

(1)在衛(wèi)星信號(hào)線兩端加裝避雷器，在機(jī)房衛(wèi)星接受機(jī)信號(hào)輸入端口安裝DSS-401MS00B組成的小信號(hào)避雷器SPD。

(2)在微波天線及饋線兩端加裝避雷器，在機(jī)房接收機(jī)信號(hào)輸入端口安裝DSS-401MS00B組成的小信號(hào)避雷器SPD。

(3)所有的音頻信號(hào)、視頻信號(hào)輸入端加裝由DSS-401M-S00B組成的小信號(hào)避雷器SPD。SPD采用了日本三凌公司生產(chǎn)的防雷擊限壓二極管DSS-401M-S00B。當(dāng)雷擊時(shí)，信號(hào)線上的感應(yīng)電壓達(dá)到一定值后，二極管D2導(dǎo)通，把過高的感應(yīng)電壓泄放到地，減輕了對(duì)輸入回路元器件的沖擊。此二極管的結(jié)電容很小，僅零點(diǎn)幾皮法，可用于4GHZ以下的信號(hào)電路，不會(huì)對(duì)音、視頻信號(hào)和射頻信號(hào)造成影響，確保信號(hào)的暢通，同時(shí)起到了避雷作用。自改造后至今兩年多雖仍多次打雷，并未出現(xiàn)上述的雷擊事件，減輕了我臺(tái)的經(jīng)濟(jì)損失，確保了我臺(tái)的安全優(yōu)質(zhì)播出。

此二極管DSS-401M-S00B的應(yīng)用較為廣泛。由于它的避雷效果好，可應(yīng)用于有線電視放大器的輸入端、輸出端的保護(hù)，也可用于音視頻分配器、衛(wèi)星接收機(jī)等廣播電視器材的輸入、輸出信號(hào)端口的防雷保護(hù)。原理圖如圖4所示。

圖4 原理圖

(4)將所有信號(hào)線敷設(shè)在屏蔽管線內(nèi)，屏蔽線端口處接地，并入接地網(wǎng)中，整體連接如圖5所示。

圖5 屏蔽管

5.依據(jù)規(guī)范對(duì)接地系統(tǒng)進(jìn)行改造

依據(jù)YD2011-93《微波站防雷與接地設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)接地系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)定，對(duì)接地系統(tǒng)作如下改造：

(1)機(jī)房地網(wǎng)的組成：利用機(jī)房建筑物基礎(chǔ)自然向橫豎梁內(nèi)的2根以上主鋼筋必要時(shí)輔以相同尺寸的鋼筋，組成網(wǎng)絡(luò)不大于3米×3米的機(jī)房地網(wǎng)。當(dāng)機(jī)房建筑物基礎(chǔ)有限時(shí)，應(yīng)將地網(wǎng)內(nèi)2根以上主鋼筋于機(jī)房地網(wǎng)就近焊接連通。

(2)鐵塔地網(wǎng)的組成：當(dāng)微波天線鐵塔坐落在機(jī)房旁邊時(shí)，其地網(wǎng)面積應(yīng)延伸到塔基四腳外1.5米以遠(yuǎn)的范圍，網(wǎng)絡(luò)尺寸應(yīng)不大于3米×3米，其周邊為封閉式。同時(shí)，還應(yīng)利用塔基地樁內(nèi)2根以上主鋼筋做垂直接地體，與地網(wǎng)焊接連通；當(dāng)微波機(jī)房位于微波天線塔內(nèi)或微波天線鐵塔位于機(jī)房房頂時(shí)，宜在機(jī)房地網(wǎng)四角設(shè)置輻射式外引接地體，以利雷電散流。

(3)變壓器地網(wǎng)的組成：當(dāng)電力變壓器設(shè)置在機(jī)房?jī)?nèi)時(shí)，其地網(wǎng)可合用機(jī)房及其他地網(wǎng)。

(4)把變壓器、高壓電纜、天饋系統(tǒng)、機(jī)房高頻及安全接地各自獨(dú)立的接地系統(tǒng)用40*4熱鍍鋅扁鋼以最短距離連接在一起，組成一個(gè)整體接地網(wǎng)，在遭到雷擊時(shí)電位同時(shí)升高或降低，以確保被雷擊后設(shè)備的電位差最低。整體地網(wǎng)連接如圖6。

圖6 整體地網(wǎng)連接圖

6.接地系統(tǒng)及地網(wǎng)整體的具體改造措施

(1)接地模塊埋設(shè)措施

每處接地點(diǎn)按下列方式接地，采用膠南降阻劑廠生產(chǎn)的接地模塊按圖串接接地（如圖7所示）。

圖7 模塊安裝示意圖

(2)鐵塔地網(wǎng)

首先在塔基四周1.5米外設(shè)置環(huán)形地網(wǎng)，考慮塔基四周為山體巖石，在塔基周設(shè)置四組接地極，接地極之間利用40*4鍍鋅扁鋼焊接組成環(huán)狀，利用沖擊風(fēng)鉆在每個(gè)腳處開挖200*1000MM孔3-5個(gè)，孔內(nèi)放置圓柱型石墨低電阻接地模塊。

此組接地目的為鐵塔接閃后，雷電流可以迅速的導(dǎo)入山體，利用有效的地網(wǎng)結(jié)構(gòu)散流。另外此組環(huán)形地網(wǎng)利用40*4熱鍍鋅扁鋼外引至原鐵塔地網(wǎng)。原鐵塔地網(wǎng)起到降低接地電阻的效果。40*4熱鍍鋅扁鋼每相隔20米設(shè)置一組接地模塊。變壓器地網(wǎng)和機(jī)房地網(wǎng)環(huán)形接地裝置聯(lián)結(jié)方式同上。

(3)地網(wǎng)整體改造措施

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的情況對(duì)土壤電阻值的計(jì)算，對(duì)地網(wǎng)的改造可按照下述公式計(jì)算：

公式：R=ρ/2пL+8L/(lnD+L)MO

式中：R：?jiǎn)胃拥貥O的阻值

ρ：土壤電阻率

L：接地極長(zhǎng)度

D：接地極直徑

MO：接地極利用系數(shù)

根據(jù)上述公式計(jì)算可對(duì)地網(wǎng)進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：

新建接地系統(tǒng)宜采用環(huán)形閉合地網(wǎng)，增加輔助接地體，達(dá)到滿足要求的目的，新建地網(wǎng)垂直接地體采用導(dǎo)電性能優(yōu)良的接地極多根，L50×50×5×1500熱鍍鋅角鋼12根，水平接地體采用40*4熱鍍鋅角鋼100米。垂直接地體間距為其自身長(zhǎng)度的1.5-2倍。垂直接地體與水平接地體之間的電磁感應(yīng)做防腐蝕處理。接地裝置的焊接長(zhǎng)度，扁鋼為寬邊的2倍以上。接地體其上端距地面應(yīng)不小于0.8米，達(dá)到國(guó)際設(shè)計(jì)要求小于1歐姆。

把全臺(tái)各處的地網(wǎng)用40×4熱鍍鋅扁鋼以最短距離連接在一起，組成一個(gè)大的整體接地網(wǎng)，這樣在遭到雷擊時(shí)電位同時(shí)升高或降低，以確保被雷擊后設(shè)備的電位差最低，確保人身設(shè)備的安全。

五、使用效果

經(jīng)改造后，各處接地電阻測(cè)量如下：發(fā)射鐵塔的接地電阻為1.9Ω；高壓線路的接地電阻為3.8Ω；機(jī)房的接地電阻為0.8Ω；天饋系統(tǒng)及高壓配電室的接地電阻為2.1Ω，符合接地電阻的標(biāo)準(zhǔn)。

蒙山臺(tái)防雷改造系統(tǒng)自2010年10月份竣工至今，該臺(tái)遭受雷擊情況得到顯著改觀，做到了有效地防雷入侵及泄掉入侵的強(qiáng)雷電。近兩年來據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，因雷擊損失共計(jì)不足1000元人民幣，僅為原先損失的幾十分之一。

鑒于統(tǒng)計(jì)的時(shí)間短，每年雷擊情況的統(tǒng)計(jì)計(jì)算不是非常準(zhǔn)確，但是從實(shí)際效果來看，兩年只擊壞一只高頻頭，這足以證明該套防雷工程起到了很好的防護(hù)作用，不僅保障了人身安全、設(shè)備安全，減少了該臺(tái)的雷擊損失，有效保障了該臺(tái)廣播電視節(jié)目的安全優(yōu)質(zhì)播出。