高山發射臺防雷研究與實踐

馮建元，馮全福

（1.武漢大學 電子信息學院，湖北 武漢 430079；2.河北人民廣播電臺，河北 石家莊 050012）

0 引言

雷電災害是“聯合國國際減災十年”公布的最嚴重的10種自然災害之一。據悉，全球每年的雷電災害人員傷亡超過10 000人，估計經濟損失達10億美元。中國每年因雷擊造成人員傷亡在3 000～4 000人，財產損失達50～100億元。河北省雷電災害雖不及南方一些省份頻繁，但也屬雷暴、雷擊多發地區，年雷暴日數24～51天，人員傷亡幾十人，電力、通信、廣播電視設施損壞150～250次，直接經濟損失上億元。05發射臺位于燕山山脈的霧靈山,海拔高度2 118 m，發射中央、省、市的10套廣播電視節目。由于05發射臺處于山脈的制高點，經常成為雷暴、雷擊多發區，因此，防范廣播電視發射設施和設備的雷暴、雷擊災害成為05發射臺廣播電視發射人員維護廣播電視安全的重要任務，也是一個值得不斷總結、改進、提高的重要環節。

1 雷電危害的主要方式

雷電危害的主要方式有：

1）雷電直擊危害。雷電直接擊中地面某一物體或電力裝置直接放電，產生電效應、熱效應、電動力效應，造成危害。其特點是所含能量巨大，放電時間極短。其放電電流高達幾百千安，電壓高達數百萬伏，具有巨大的破壞性，但危害范圍較小，據相關資料統計顯示，直擊雷概率約為10%。

2）雷電感應危害。雷電感應危害包括兩方面，一方面是受雷雨云靜電感應作用，在地面雷電區域一些物體上感應出不易泄放的高電壓造成的危害，另一方面是雷擊放電時，極大的雷電流脈沖在附近物體上感應出高電壓或大電流造成的危害。這種感應電壓在高壓架空線路上可達300～400 kV，在低壓架空線路上可達100 kV，在信號線路上可達40～60 kV，足以造成電子、電氣設備的擊穿。據相關資料統計顯示，雷電感應對設備的損害雖然沒有直擊雷來的猛烈，但要比直擊雷發生的概率大很多。

3）雷電波侵入危害。由于雷電對架空線路或金屬管道發生的作用，使雷電波沿著這些管線侵入到室內，造成危害。據資料統計顯示，雷電侵入波造成的事故在雷電事故總數中占有較大的比重。

4）地電位反擊危害。雷電擊中避雷裝置通過避雷設施入地時，避雷裝置、引下線、接地體的電位會瞬間被抬高數萬或數十萬伏而造成危害。

2 高山發射臺雷電入侵的主要途徑

高山發射臺雷電入侵的主要途徑有：

1）通過供電線路侵入。高山臺供電的高壓電力架空線的進線段或遠端遭受雷擊，雷電波由供電線路侵入機房，造成臺內設備損壞。

2）通過接地體的地電位反擊電壓侵入。當雷電擊中建筑物、避雷裝置或地面時，在接地體附近形成放射狀的電位分布，使連接設備的接地體產生高壓地電位反擊，對臺內設備造成損壞。

3）通過天饋線侵入。鐵塔接閃時，雷電流沒有完全入地，部分雷電流沿天饋線侵入機房，造成發射設備損壞。

4）通過電磁感應侵入。閃電在空間、避雷系統周圍產生的強烈瞬變電磁場感應到建筑物、管線、設備而造成設施和設備的損壞。

3 高山發射臺防雷策略

根據高山雷電特點，采取攔截、引流、躲避、防護四級綜合防護措施，達到防御或減輕雷電災害的目的。

1）攔截，就是在雷電活動區、保護對象之外設置避雷網、帶、線，把雷電攔截在保護對象之外，阻止其向保護對象移動。經常采取的措施有，在保護對象所在區域設置避雷網，在輸電線路設置避雷線和避雷裝置，在建筑物頂部設置避雷帶等，可有效把雷電攔截在保護對象之外。

2）引流，就是科學合理設置避雷接地系統，把雷電能量順利引流到離保護對象較遠的接地體中釋放。

3）躲避，就是把保護對象屏蔽起來，使雷電找不到保護對象，機房、線路經常采取此措施。

4）防護，就是采取等電位連接、過流和過電壓電涌保護等技術措施，消除雷電對設施、設備可能造成的影響，保護設施、設備不被雷擊。

4 05發射臺的防雷做法

防雷做法主要有：

1）構建避雷網，攔截雷電，形成發射臺設施雷電保護區。05發射臺建有高于25 m的金屬鐵塔5座，利用5座鐵塔和3個天線桿構成一個面封閉避雷網，對發射臺的整個建筑設施構成一個完整的雷電保護區。

2）改造避雷接地系統，疏導和泄放雷電流。原來接地網是由5個用扁鋼連接的埋于2 m深地下的角鋼組成,因年久已銹蝕嚴重，地網性能不良。為了改善接地特性，特在機房、鐵塔等基礎設施周圍新增11個1 m×1 m×0.3 m的立體網格狀接地體，均勻設置，分別埋于2 m×2 m×2 m的土坑中，并在接地體四角各向下打入一根長度為2 m，直徑為25 mm的熱鍍鋅園鋼，熱鍍鋅園鋼與接地體多邊焊接，接地體四周填充500 mm的降阻劑。各接地體之間用40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼連接，熱鍍鋅扁鋼埋于0.8 m×0.8 m×0.8 m的土溝中，四周填充200 mm的降阻劑。接地體和扁鋼的連接采取搭接超過80 mm的多邊搭接焊接，并涂覆瀝青防腐。改造后實測接地網接地電阻小于4 Ω。

每個避雷針使用2～4根40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼做引下線，就近焊接至接地體,多通路泄放雷電流，以減小泄放雷電流通路的電流幅度。

3）構建籠式避雷網。利用各建筑物的金屬結構構建若干個“法拉第網”，保護設施、設備，將建筑物鋼筋混凝土結構內的鋼筋,包括屋頂面、墻面、大梁、立柱內的鋼筋，連接在一起并就近焊接到避雷接地排，使其構成一個籠式避雷網，即“法拉第網”，從而屏蔽雷電。這種方法不僅能防御雷電電磁脈沖的襲擊，還能防球型雷和側擊雷的襲擊，所有線纜均采用金屬屏蔽線纜，并將金屬屏蔽層就近可靠接地。

4）等電位連接和共用接地。當雷電流入地時，地電位升高，在不同接地點之間形成很高的電位差，該過電壓會通過接地裝置對設備造成反擊，或者通過設備之間的互連對其他設備造成反擊。等電位連接就是將各分開的導電裝置，如金屬管道、設備外殼、金屬屋架、金屬門窗等，用導體連接，以減小雷擊在物體間產生的電位差。

共用接地就是將各設施、設備的保護地、邏輯地、屏蔽地、防靜電地以及防雷地等通過等電位聯結帶連接在一起，形成共用接地系統。具體做法是將各種接地分門別類劃入保護接地、直流工作接地、防雷接地3種接地類別，同類接地就近匯接到同類接地排，然后分別經獨立引下線就近，連接于接地體。接地系統的等電位聯結比接地網的接地阻更為重要。

5）電源電涌（過電壓）防護。除高壓線加裝避雷線保護外，變壓器每根高壓側相線分別加裝氧化鋅避雷器，每根低壓側相線分別加裝氧化鋅無間隙避雷器，作為外電兩級電力防護。配電室外50 m高壓電纜采用金屬鎧裝電纜埋深1 m進入配電室。配電室內做接地匯集環，變壓器的機殼、中性點、低壓側的交流零線和保護線、電纜的金屬外護層等，與接地匯集環就近相連，接地匯集環與系統的總等電位聯結帶可靠連接。在總配電柜兩路市電入端和發電機輸出端，各并聯安裝一臺120 kA高性能電源電涌保護器，并以最短路徑連接，作為室內泄能級電源第一級防護。在調壓器后的分配電盤的入端并接一臺80 kA電源電涌保護器，并以最短路徑連接，作為泄能級電源第二級防護。在發射機房配電盤、西山配電盤、微波配電盤、鍋爐房配電盤、宿舍區配電盤的入端各安裝一臺60 kA電源電涌保護器，并以最短路徑連接，作為限壓級電源第三級防護。在每臺發射機、空調前端并聯安裝一臺40 kA電源電涌保護器，在傳輸、監控等附屬設備前端使用20 kA防雷插座，作為限壓級電源第四級防護。

6）天饋線電涌（過電壓）防護。在每副發射、接收天饋線的出、入端口處，根據其頻率、功率、阻抗等參數的不同，并接一個插入損耗及電壓駐波比小而適配的天饋線浪涌保護器，浪涌保護器接地線就近連接到接地排。

7）信號線電涌（過電壓）防護。每條進入機房的信號電纜，包括網線、音視頻信號線纜、控制線纜、數據線纜等，除使用屏蔽電纜并埋地敷設外，在進入設備前，根據其頻率、阻抗和傳輸特性等參數，并接一個插入損耗及電壓駐波比小而適配的信號浪涌保護器，浪涌保護器接地線就近連接到等電位接地排。

5 小結

05發射臺的防雷系統從攔截、引流、躲避、防護4個方面進行了改進和提高，從運行的實際情況看，收到了預期的效果。整個系統改造完成已2年，原來每年多次被雷電擊壞設備的現象沒有了，有效保護了廣播電視發射設施和設備的安全，實現了惡劣環境下廣播電視節目的安全發射。需要提出注意的是今后要加強對防雷系統的維護、保養，防銹、防腐蝕，保持各搭接部位良好的接觸，保持各接地體周圍土壤的濕度，保持接地線不被破壞，這樣才能發揮防雷系統良好的性能。

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