蒙山转播台防雷实施方案

王哓峰 郎东风

雷电防护概述

雷电是一种极具破坏力的自然现象，其电压可高达数百万伏，瞬间电流更可高达数十万安培。千百年来，雷电所造成的破坏可谓不计其数。落雷后在雷击中心1.5-2Km半径的范围内都可能产生过电压损害线路上的设备。雷电灾害如同暴雨、飓风一样都属于气象(自然)灾害，它与水灾、干旱、刑事犯罪、交通事故统称为影响社会安全和经济发展的六大灾害。

一般而言，雷电灾害具有突发性、多样性、复杂性、破坏性和选择性等特点。随着现代化高新技术产业基础——电子技术的迅速发展和广泛运用，雷电灾害跟踪而至，还呈现出新的特点：受灾面大大扩展，特别容易侵入与高新技术最密切的领域，损失和危害程度大大增加。近年来，随着大量的数据设备和精密仪器应用的范围日益广泛，雷电损害造成的事故有逐年上升的趋势。由于通讯计算机网络精密设备内部结构的高度集中化，使设备耐受过电压、过电流的能力下降，更易遭受雷电破坏。轻者可造成计算机终端和通信设备的接口损坏，使通信中断，大量信息丢失或无法传输；严重者可导致网络主机损坏，网络系统瘫痪，工作无法进行。计算机网络系统易遭受雷击损坏的设备有：MODEM(调制解调器)、ROUTER(路由器)SWITC H(交换机)、HUB、网卡、通信卡、UPS、计算机电源及主板。

在雷电灾害防御方面，纵观人类防雷历史，已有两个多世纪，从建筑物防雷发展到供电防雷、电气和电子设备防雷，现在已进入第四个阶段即现代微电子设备防雷。防雷技术和产品，也随着现代高新技术发展得到显著发展，除传统的避雷针引雷拦截技术外，已拥有消散削减、屏蔽隔离、抑制分流、疏导均衡等电位、优化接地泄放和雷电控测定位预警等技术，并相应研制出多种高科技的隔离装置、信号浪涌保护器、电源浪涌保护器、高效接地防腐降阻剂等设备、器件和产品，出现了火箭与激光等人工影响雷电的装置和雷电探测预警系统设备，这都为有效防御治理雷电灾害奠定了技术和物质基础。

雷电防护的基本理论

1、雷击侵入设备的途径

A、直接雷击：是指雷电直击在建筑物、动植物上，因电效应、热效应和机械效应等造成建筑物等损坏以及人员的伤亡。一般防直击雷是通过避雷装置即接闪器(避雷针、避雷带、避雷网、避雷线)引下线与接地装置构成完整的电气通路后将雷电流泄入大地。然而接闪器、引下线和接地装置的导通只能保护建筑物本身免受直击雷的损毁，但雷电会透过多种形式及途径破坏电子设备。

B、感应雷击：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。雷电在雷云之间或雷云对地的放电时过程中，会在附近的户外传输信号线、埋地电力线、设备间连接线产生电磁感应并侵入设备，使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害。感应雷虽然没有直击雷的猛烈，但其发生的几率比直击雷高得多。直击雷只发生在雷云对地闪击时才会对地面造成灾害，而感应雷则不论雷云对地闪击或者雷云对雷云之间闪击，都可能发生并造成灾害。此外直击雷一次只能袭击一个小范围的目标，而一次雷闪击都可以在较大的范围内多个小局部同时产生感应雷过电压现象并且这种感应高压可以通过电力线、电话线等传输到很远，致使雷害范围扩大。

装有避雷针的建筑物，可以避免雷击损坏建筑物，但是雷击通过避雷针的引下地线从建筑物顶端泻放入大地或者附近发生雷击的时候，会产生很强的电场，建筑物内的金属物品均会产生感应电压，这些感应电压的高低随着金属形状、距引下地线的距离和雷击大小而变(根据IEC 61312标准，当雷击击中建筑物时，即使装有避雷针，直击雷电流的50％是通过引下线和接地系统入地，仍然会有大约50％的雷击能量仍会分配到信号、电源系统)一旦您的电源输入线、电话线、网络信号线或其它电子设备的金属引出、引入线感应到瞬间高压，避雷针就无能为力了。感应雷击破坏的主要对象是电子电气设备。

C、电磁脉冲：由于雷电电流有极大峰值和陡度，在它周围出现瞬变电磁场，处在这瞬变电磁场中的金属导体会感应出较大的电动势，而此瞬变电磁场，都会在空间一定的范围内产生电磁作用，也可以是脉冲电磁波辐射，而这种空间雷电电磁脉冲波(LEMP)是在三维空间范围里对一切电子设备发生作用。因瞬变时间极短或感应电压很高，以致产生电火花，其电磁脉冲往往超过2.4高斯(约20KA／m)。依据GB／T2887-2000《电子计算机场地通用-规范》现代银行、邮电、证券机房或营业柜台普通应用微机进行货币存取、信息传递与交换，其对磁脉冲承受限度应小T800A／m，故在新机房建设或旧机房改造时应对防雷与磁屏蔽措施必须充分注意。

D、地电位反击：建筑物的外部防雷系统(如避雷针、避雷网等)遭受直接雷击，在接地电阻的两端就会产生危险的过电压，由设备的接地线、建筑物或附近的其他建筑物的外部防雷系统或其他自然接闪物(各种管道、电缆屏蔽管等)引入设备，造成设备的损坏。

2、雷击防护的基本原理

所谓雷击防护：就是通过合理、有效的手段将雷电流的能量尽可能的引入到大地，是疏导，而不是堵雷或消雷。一个完整的防雷系统包括两个方面：直接雷击的防护和感应雷击的防护。缺少任何一面都是不完整的、有缺陷的和有潜在危险的。一般我们将其分为外部避雷和内部避雷两部分。由避雷针(或避雷带、避雷网)、引下线和接地系统构成外部防雷系统，主要是为了保护建筑物免受雷击引起火灾事故及人身安全事故；而内部防雷系统则是防止雷电和其它形式的过电压侵入设备中造成损坏，这是外部防雷系统无法保证的，为了实现内部避雷，需对建筑物进出各保护区的电缆、金属管道等安装过电压保护器进行保护并良好接地。

多级分级(类)保护原则：即根据电气、微电子设备的不同功能、受保护的程序和所属保护区域确定防护要点作分类保护；根据雷电和操作瞬间过电压危害的可能通道，对电源线和数据、通信线路都应做多级层保护。

A、外部无源保护：在0级保护区即外部作无源保护，主要依靠避雷针(避雷网、避雷线、避雷带)和接地装置。保护原理：当雷云放电接近地面时，它使地面电场发生畸变。在避雷针(线)顶部，形成局部电场强度畸变，以影响雷电先导放电的发展方向，引导雷电向避雷针(线)放电，再通过接地引下线，接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物免受雷击。这是人们长期实践证明的有效的防直击雷的方法。建筑物的所有外露金属构件(管道)，都应与防雷网(带)，良好连接。

B、内部防护

(1)电源部分防护：雷电侵害主要是通过线路侵入。对高压部分电力局有专用高压避雷装置，电力传输线把

对地的电力限制到小T-6000伏(IEC62.41)。线对线之间则无法控制。所以，对380伏低压线路应进行过电压保护，按国家规范应分三部分：建议在高压变压器后端到建筑总配电盘前端的电缆内芯线两端应对地加装电源浪涌保护器，作一级保护；在建筑总配电盘至各楼层分配电箱之间的电缆内芯线两端应对地加装电源浪涌保护器，作二级保护；在所有重要的、精密的设备以及UPS的前端应对地加装电源浪涌保护器，作为三级保护。目的是用分流(限幅)技术即采用高吸收能量的分流设备(电涌保护器)将雷电过电压(脉冲)的能量分流泄入大地，达到保护目的。所以，分流、等电位技术中采用防护器的品质、性能的好坏是直接关系网络防护的关键，因此，选择合格优良的电源浪涌保护器至关重要。

(2)信号部分保护：对于信息系统，应分为粗保护和精细保护。粗保护量级根据所属保护区的级别确定，精细保护要根据电子设备的敏感度来进行确定。其主要考虑的如：卫星接收系统、电话系统、网络专线系统、监控系统、工业控制系统等。建议在所有信息系统进入楼宇的电缆线输入端，应对地加装信号浪涌保护器，电缆中的空线对应接地，并做好屏蔽接地，其中应注意系统设备的在线电压、电流、传输速率、按口类型等，以确保系统正常的工作。

(3)接地处理：在计算机机房的建设中，一定要求有一个良好的接地系统，因所有防雷系统都需要通过接地系统把雷电流泄入大地，从而保护设备和人身安全。如果机房接地系统做得不好，不但会引起设备故障，烧坏元器件，严重的还将危害工作人员的生命安全。另外还有防干扰的屏蔽问题，防静电的问题都需要通过建立良好的接地系统来解决。一般整个建筑物的接地系统有：建筑物地网(与法拉第网相接)、电源地(要求地阻小于10欧)、逻辑地(也称信号地)、防雷地等，有的(如：lBM)公司要求另设专用独立地，要求地阻小T4欧(根据实际情况可能也会要求小于1欧)。然而，各地必须独立时，如果相互之间距离达不到规范要求的话，则容易出现地电位反击事故，因此，各接地系统之间的距离达不到规范的要求时，应尽可能连接在一起，如实际情况不允许直接连接的，可通过等电位连接器实现等电位连接。为确保系统正常工作，应每年定期用精密的地阻仪表，检测地阻值。接地装置由接地极与～些附件、辅助材料组成。接地装置的选材和施工主要决定于土质结构，即土壤的地阻率p。不同层土质结构不同，因而地阻率p不同，为增加接地装置使用效率，可使用长效降阻剂。

C、有外部防雷措施同时更需要完善内部防雷措施

我们知道外部防雷措施中的避雷设施引下线在接闪以后，会有很大的瞬变电流通过，也就是说在周围会产生很大的瞬变电磁场(LEMP)。因此，安装了外部避雷措施不能代替内部防雷措施。再者，避雷针的工作原理是引雷，所以在概率上来说，安装了避雷针以后，建筑物的避雷系统遭受雷击的可能性会增大，也就是说LEMP发生的几率会变大，过电压产生点的距离会缩短(引下线处)，所以安装了外部避雷措施的含有电脑网络控制系统的建筑物更加需要安装内部防雷措施。

设计依据

1、依据国际电工委员会IEC标准、法国NFC标准、德国VDE标准和中国GB标准与部委颁发的设计规范的要求，该建筑物和大楼内有计算机房等设备都必须有完整完善之防护措施，保证该系统能正常运作。这包括电源供电系统、不间断供电系统，PLC、DCS、空调设备、电脑网络、微波通信设备等装置应安装防雷保护装置。

2、《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB 50343-2004

为防止和减少雷电对建筑物电子信息系统造成的危害，保护人民生命和财产安全，制定本规范。

本规范适用于新建、扩建、改建的建筑物电子信息系统防雷的设计、施工、验收、维护和管理。

本规范不适用于易燃、易爆危险环境和场所的电子信息系统防雷。

在进行建筑物电子信息系统防雷设计时，应根据建筑物电子信息系统的特点，将外部防雷措施和内部防雷措施协调统一，按工程整体要求，进行全面规划，做到安全可行、技术先进、经济合理。

电子信息系统的防雷必须坚持预防为主、安全第一的原则。当需要时，可在设计前对现场雷电电磁环境进行评估。

电子信息系统应采用外部防雷和内部防雷等措施进行综合防护

电子信息系统的防雷应根据环境因素、雷电活动规律、设备所在雷电防护区和系统对雷电电磁脉冲的抗扰度、雷电事故受损程度以及系统设备的重要性，采取相应的防护措施。

建筑物电子信息系统防雷，除应符合本规范外，尚应符合国家的有关标准的规定。

3、《电子计算机机房设计规范》GB 50174-93

为使电子计算机机房设计确保电子计算机系统稳定可靠运行及保障计算机工作人员有良好的工作环境，作到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量，制定本规范。

本规范适用于陆地上新建、改建和扩建的主机房建筑面积大于或等于140M²的电子计算机机房的设计。本规范不适用于工业控制用计算机机房和微型计算机机房。

电子计算机机房设计除应执行本规范的规定外，尚应符合国家现行有关标准和规范的规定。

4、《计算站场地安全要求》GB 9361-88

本标准规定了计算站场地的安全要求。本标准适用于各类地面计算站。不建站的地面计算机房，按本标准对计算机机房的有关要求执行。

改建的计算机机房参照本标准执行。

非地面计算机机房参照本标准执行。

5、《电子计算机场地通用规范》GB／T 2887-2000

本标准规定了计算场地定义、要求、测试方法与验收规定。

本标准适用于各类电子计算机系统的场地，其他电子设备系统的场地可参照本标准执行。

6、《雷电电磁脉冲的防护》lEC61312

本标准为建筑物内或建筑物顶部信息系统有效的雷电防护系统的设计、安装、检查、维护；并对装有这系统(如电子系统)的建筑物评估LEMP屏蔽措施的效率的方法。针对现有的防雷器(SPD)应用在防雷区概念安装上提出相关的要求。

7、《SPD电源防雷器》IEC 61643

本标准对电源防雷器用于交直流电源电路和设备上，额定电压在1 000Va.c或1 600Vd.c.电源防雷器分级分类测试和应用。

8、《SPD通讯网络防雷器》1EC 61644

本标准对通讯网络防雷器用于通信信号网络系统，这类防雷器内置过压过流元器件，额定电压在1 000Va.c或1 500Vd.c。电源防雷器分级分类测试和应用。

现场情况

1、现场情况说明

蒙山转播台位于山东省中南部山区，年雷暴日为30天，属中雷区。且雨季区来临时雷电活动比较频繁，近年经常出现雷击事件损坏设备的情况。

蒙山转播台的转播系统电源线路与信号馈线，是由户外线缆架空将线路引入室内转播系统，因此非常容易引入感应雷电磁脉冲造成设备损坏。

从以上几个特点不难发现，从雷电防护角度来看，蒙山转播台的转播系统一般都运行于“高风险”环境下，即对于雷害风险的“暴露程度”很高，因此需要采取强有力的防护措施。其电源线路至少应采取三级雷电防护，信号线路至少应采取一级雷电防护才能达到雷电防护的要求。

2、雷击要素分析

能够引入电源系统与信号系统的雷电流主要有：

1)当工业控制系附近有高耸建筑物避雷针避雷带在拦击大电流(一般为超过40KA)先导并经引下线将雷电流引进地的过程中，会在建筑周围空间产生很强的电磁场，此时建筑物附近的电源线路与信号线路将会感应雷电流，雷电流随线路进入设备而导致相应设备损坏。

2)当雷雨云之间、雷雨云于大地间放电时，雷闪电流的高频电磁场对暴露在空间内的电源线、信号线等感应出过电压，传至设备使之损坏。

3)雷电流引起的“地电位反击”。建筑物附近遭直接雷击，进地雷电流使地电位迅速升高，以电阻方式耦合之中线或地线破坏设备。

4)接地不良。设备保护地、逻辑地未与防雷接地进行良好的等电位连接.无共用地网，雷电流不能快速畅通泄放至大地。

5)操作过电压引起的危害。这大多发生在电容性、电感性设备的起停、输电线路的短路，产生的工业干扰或操作过电压在电源线上会产生5000-6000V、3KA浪涌过电压及浪涌电流，它们对线路同样会产生很大的破坏性后果。

从以上引进的雷电流的分析中可以得出：电源系统防雷与信号网络系统防雷中，采用DBSE技术(即分流、均压、屏蔽、接地)等措施予以保护。

必须对电源系统与信号网络系统的线路进行可靠、有效的防雷保护工作，并具有可靠的接地系统装置，才能切断限制雷电导入的途径，有效的避免或减少雷电对设备的损害。要求

针对转播系统的10kV高压线路防雷；380V电源防雷；微波天线塔的防直击雷；变压器室防雷接地。

设计内容

系统防雷是一项综合性工程，主要包括外部防雷和内部防雷两个方面：

外部防雷包括：避雷针、避雷带、引下线、接地极等等，其主要的功能是为了确保建筑物本体免受直击雷的侵袭，将可能击中建筑物的雷电通过避雷针、避雷带、引下线等，泄放入大地。

内部防雷系统是为保护建筑物内部的设备以及人员的安全而设置的。主要通过在需要保护设备的前端安装合适的避雷器即过电压保护，使设备、线路与大地形成一个有条件的等电位体。将可能进入的雷电流阻拦在外，将因雷击而使内部设施所感应到的雷电流得以安全泄放入地。

蒙山转播台的防雷设计：

蒙山转播台位于蒙山山顶，部分微波天线安装于70米高的铁塔上，比较容易遭受直击雷，所以要考虑防直击雷。主要因为当直击雷击中的建筑物时会有很强的雷电流(平均40kA左右)，对于没有做好直击雷防备设施的建筑物，由于电压降分布不均匀会造成局部高电位反击，损坏设备，甚至伤害工作人员。其次是由于强大的直击雷电流会使机房的地电位升高到几万伏甚至几十万伏，并且通过电力系统和信号电缆的接地点反馈到其它地方，同时殃及接在电网和通信网络上的计算机设备，这种雷击是对计算机破坏最严重的—种。

目前计算机网络系统发展越来越成熟，它们对各行各业的渗透，给我们的工作、生产和生活带来了越来越多的便利。但由此而带来的人类对其越来越大的依赖也是令人不安的。由于无法预测感应雷的浪涌能量有着强大的破坏能力，以及它出现的时间、位置，我们无法预知。使得我们的转播设备、计算机电源系统、PLC、DCS控制系统、网络信号系统处于它的直接威胁之下，造成的系统瘫痪，不仅带来直接的设备损失，还会造成数据丢失、生产停顿等危险。为了避免因雷击、过电压对设备及生产带来的损失，唯有采用合理布线、屏蔽、等电位连接、加装电源型或信号型浪涌保护器(SPD)等有效的办法来防护，以减少损失。

1、蒙山转播台的微波天线防直击雷的保护，我们选用法国法兰西IF3提前放电型避雷针。

具体防护措施：

根据夏天雷雨云一般从西北与西南方向形成爬坡雷云到山顶造成直击雷事故，因此在微波天线西北与西南方向山涧处各架设1座高50米的避雷塔，塔顶安装法兰西IF3提前放电型避雷针。拦截由此方向形成的爬坡雷云，提前将雷电泄放入地，从而达到保护微波天线的目的。

2、蒙山转播台10kV电源线路防雷，选用安徽凯立科技的TBP系列TBP—B／12,7、TBP-B／12.7W2过电压保护器做防雷保护。

具体防护措施：

■在10kV架空高压线埋地前，采用一套安徽凯立科技的TBP系列TBP-B／12.7W2室外型过电压保护器，安装在10kV架空高压线埋地前的塔架位置。

●在10kV地埋高压线进入变压器室内，采用一套安徽凯立科技的TBP系列TBP-B／12.7室内型过电压保护器，安装在10kV地埋高压线进入变压器室内的接线端子位置。

3、蒙山转播台380V电源，第一级防雷保护我们选用法国Soule的PU系列PU100 400 Res、PU65 400Res单极电源浪涌保护器做防护。

具体防护措施：

■变压器二次侧380V电源进入配电箱的开关处，采用法国Soule~PU系列PU 100 400 Res单极电源浪涌保护器4片，安装在配电箱的开关的位置。

■发电机380V电源2路；微波机架380V电源1路进入配电箱的开关处，采用法国Soule的PU系列PU65 400 Res单极电源浪涌保护器4片，安装在配电箱的开关的位置。

蒙山转播台380V电源，第二级防雷保护我们选用法国SouIe的PU系列PU40400单极电源浪涌保护器做防护。

具体防护措施：

■配电室市电380V电源1路；发电机380V电源2路；经济台380V主备电源2路；文艺台380V主备电源2路；人民台380V主备电源2路；山东卫视380V主备电源2路；中央台380V主电源1路；齐鲁台380V主电源1路；发电机房车库380V电源1路；机房380V电源1路；值班室控制台380V电源1路进入配电箱的开关处，采用法国Soule的PU系列PU40 400单极电源浪涌保护器4片，安装在配电箱的开关的位置。

蒙山转播台380V电源，第三级防雷保护在这里我们不再设计，因部分电源设备已经装有第三极电源浪涌保护器做防护。

4、蒙山转播台变压器室接地；2个独立避雷针接地防雷保护，我们选用华甸防雷接地材料做防雷接地保护。

具体防护措施：

1)对于蒙山转播台变压器室接地要求小于4Q。

利用空阔地带采用打井钻孔方式，接地极使用HD-JT-1型电解离子接地极4根作接地系统。每个接地极间隔10m打孔径150mm,深度为15米的井，即地下比较潮湿的岩石土层。采用HD-120C型电镀铜包钢绞线作垂直与平行连接，平行连接电镀铜包钢绞线距离地面为1m深，连接点采用HD-RJ型热熔模具与HD-RR热熔焊剂配合使用。然后使用HD-J型降阻剂按每米使用25kG，将电解离子接地极与电镀铜包钢绞线包裹起来，然后回填阻值较低的土壤并夯实。接地系统的外引线连接点要做好防腐处理。

2)对于蒙山转播台2个独立避雷针的地接地要求小于10Ω。

利用空阔地带采用打井钻孔方式，接地极使用HD-JT-1型电解离子接地极2根作接地系统。每个接地极间隔10m打孔径150mm,深度为15米的井，即地下比较潮湿的岩石土层。采用HD-120C型电镀铜包钢绞线作垂直与平行连接，平行连接电镀铜包钢绞线距离地面为1m深，连接点采用HD-RJ型热熔模具与HD-RR热熔焊剂配合使用。然后使用HD-J型降阻剂按每米使用25kG，将电解离子接地极与电镀铜包钢绞线包裹起来，然后回填阻值较低的土壤并夯实。接地系统的外引线连接点要做好防腐处理。

通过上述采取的避雷措施，使蒙山台的雷击灾害大大降低，有利地保障了广播电视设施的安全，真正起到了“不间断，高质量，既经济，又安全”。