恩平广播电视发射台防雷设计

刘国森 吴卫扬 梁添俊

（恩平市云安防雷工程有限公司）

0 引言

为了提高收视质量，扩大覆盖范围，广播电视发射台一般都建在雷电活动频繁的高山顶上。随着现代技术、设备的应用，广播电视节目发射设备多采用集成电路、大规模集成电路和全固态电路等，这也对广播电视发射台防雷设计提出了更高要求。雷电防护措施作为广播电视发射台建设、运行及管理的重要技术手段，对于保障广播电视节目的正常播出具有重要意义。

1 雷电危害方式

1.1 直击雷危害方式

闪击直接击于建筑物上，产生电效应、热效应和机械力者。其发生的几率较低，但放电时间短并且电量大，主要损毁的是广播电视发射台的室外设备。通常由接闪器、引下线、接地装置组成的直击雷防雷装置将强大的雷电流引入大地，从而保护发射台顶部和室外设备不遭受直雷击危害［1］。

1.2 感应雷危害方式

1.2.1 静电感应

当雷云来临时，由于雷云的作用，使附近导体上感应出雷云符号相反的电荷，雷云主放电时，先导通道中的电荷迅速中和，在导体上的感应电荷得到释放，如没有就近泻入地中就会产生很高的电位［2］。

1.2.2 电磁感应

由于雷电流的迅速变化在其周围空间产生瞬变的强电磁场，使附近导体上感应出很高的电动势或感生电流，会造成电气设备遭到电击而损坏［2］。

1.3 雷电波侵入危害方式

1.3.1 由市电网电源供电线路入侵

直击雷击中高压电力线路，高压雷电波以波的形式沿着线路而引入室内，入侵电气电子设备；另外低压线路也可能会被直击雷击中而感应出雷电过电压。将在电源线路上感应出高达10000V的过电压，这必将对机房产生相当大的危害。

1.3.2 由通信线路入侵

闪击击中大地，强雷电压击穿邻近土壤 进而入侵并击穿电缆外皮，使得高压入侵通信线路；闪击击中线路或在线路附近放电时，在线路上会感应出雷电过电压，损坏相应的连接设备［3］。

1.3.3 地电位反击电压通过接地入侵

雷电击中接闪器时强大的雷电流会通过引下线并经接地体流散入大地，引下线相邻的线路上会产生感应过电压，使得靠近的接地体产生高压地电位反击，因此雷电流会通过防雷系统引入，损坏电子设备。广播电视发射系统等设备的耐压能力和抗电磁干扰的能力很弱，通常在100V以下，因此必须建立全面的雷电防护体系，确保广播电视发射系统安全［4］。

2 防雷方案设计

2.1 发射台环境特点

恩平市是全国少有的暴雨和雷暴中心之一。恩平地区的年平均雷暴日为88天，属多雷暴区域。恩平广播电视发射台位于恩平市鳌峰山景区内且处于山体最顶端，属于孤立的高耸建筑物；发射台内装有大量电气电子设备。另外发射台周边土壤电阻率很高，地势陡峭造成增设人工接地装置的难度较大。

广播电视发射台由机房和铁塔组成。铁塔和机房相距10m，机房为两层建筑物，发射机房位于建筑物二楼，总配电房位于建筑物一楼。

2.2 防雷类别的划分

2.2.1 电视发射台等效面积

该广播电视发射台高度H＜100m，其每边的扩大宽度D应按等于机房的高度H计算，其等效面积Ae应按下列公式计算：

式中：L、W、H分别为建筑物的长、宽、高（m）。计算后得出电视发射台与建筑物截收相同雷击次数的等效面积Ae＝0.0069km2。

2.2.2 建筑物年预计雷击次数

年预计雷击次数N的确定如下：

式中：k为校正系数，恩平广播电视发射台为土山顶部，故k取1.5；Ng为建筑物所处地区雷击大地密度 （次／km2.a）；Ae为建筑物截收相同雷击次数的等效面积 （km2）。

建筑物所处地区雷击大地密度Ng可按下式确定：

式中：Td为年平均雷暴日 （d／a），根据当地气象台、站资料确定。

根据恩平市气象台近30年资料的统计：Td＝88天／年，恩平市地区的Ng为：

代入公式 N＝k×Ng×Ae计算后得出 N＝0.0911次／a。

根据建筑物的使用性质，按 《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010的规定，该广播电视发射台属第二类防雷建筑物［2］。

2.3 方案设计要点

广播电视发射台的防雷设计必须按照综合防雷体系来考虑。按人、物和设备对雷电灾害的感受强度不同把建筑物内、外环境划分为LPZ0A、LPZ0B、LPZ1、LPZn+1等不同的防雷区［5］。为了减少需要雷电防护的空间各金属部件和各系统之间的电位差，就需要进行等电位连接，为雷电流提供低阻抗通道迅速泄流入地。各防雷区的界面处也要进行局部等电位连接，各局部等电位连接相互连接，并连接到主等电位连接端子。随着各种通信设备的应用，以往的防护体系已不能满足广播电视发射中心的安全使用要求，应从防直击雷、防感应雷、防雷电波浸入等多方面采取防护措施［2］。

2.3.1 直击雷防护措施

直击雷防雷装置由接闪器、引下线和接地装置三部分组成。接闪器由拦截闪击的接闪杆、接闪带、接闪线、接闪网以及金属屋面、金属构件等组成，其作用是截获闪电。引下线上与接闪器连接，下与接地装置连接，用于将雷电流从接闪器传导至接地装置。接地装置埋入土壤中或混凝土基础中，它的作用是将雷电流流散入大地。

2.3.1.1 接闪器

依据GB50057-2010的要求，本方案采用φ12热镀锌圆钢沿女儿墙敷设作为接闪带，并在整个屋面组成不大于10m×10m的网格，在女儿墙上除装设接闪带之外，并在阳角的接闪带上焊接高0.5m的φ12热镀锌圆钢作为接闪杆，以便有效接闪雷电泄流人地［2］。使广播电视发射台的部位都置于接闪器的保护之下。

2.3.1.2 引下线

依据GB50057-2010的要求，本方案引下线均采用φ12热镀锌圆钢沿建筑物外墙外表面明敷，并经最短路径接地。电视发射中心长20m，宽13m，除在建筑物四角设置引下线外，并在建筑物长边的中间部位设置引下线，使得其间距≤18m。为保护人身安全需采取防接触电压的措施，外露引下线，其距地面2.7m以下的导体用至少3mm厚的交联聚乙烯层隔离［2］。

2.3.1.3 接地装置

依据GB50057-2010的要求，结合当地地理条件，本工程实际中外部防雷装置的接地应和防闪电感应、内部防雷装置、电气和电子系统等接地共用接地装置，并应与引入的金属管线做等电位连接。外部防雷装置的专设接地装置宜围绕建筑物敷设成环形接地体［2］。要求广播电视发射中心的接地电阻值≤1.0Ω。

人工接地体又可分为水平接地体和垂直接地体，水平接地体采用40mm×4mm热镀锌扁钢，垂直接地体采用50mm×50mm ×5mm×2500mm热镀锌角钢，垂直接地体间距宜为5m［6］。当地网的接地电阻值达不到要求时，可采用多支线外引接地装置，在地网外围增设环型接地装置。

2.3.2 感应雷防护措施

2.3.2.1 防雷区交界处防护措施

确定防雷区 （LPZ）。把从进入广播电视发射中心LPZ0A区到LPZ1区各类金属管包括铠装电缆的金属外皮在防雷区交界处就近与防雷地作等电位连接，建筑物内的设备、构架等主要金属物也应就近接到防雷装置上。用材料为40mm×4mm的热镀锌扁钢设置接地引入线，接地引入线应以对称方式由接地装置就近引人，其中总配电房等电位连接带、机房等电位连接带均设置2条接地引入线［7］。

2.3.2.2 机房内部等电位设计

在发射机房内安装一条50×5mm的紫铜带作为等电位接地母线，接地母线绕机房沿墙走一圈与两条95mm2的接地铜芯线螺栓连接。50×5mm的紫铜带利用膨胀螺丝固定，并且根据设备的位置预留等电位连接端子孔，将设备的金属外壳，机柜、走线架、交流配电保护地PE线、等电位金属网格及金属线槽与接地母线连接。在发射机房地砖下暗装等电位金属网格，网格尺寸不大于600mm×600mm，等电位金属网格采用宽60mm，厚1.0mm的紫铜带。另用两条95mm2的接地铜芯线对称引上至接地母线［8］。

2.3.2.3 金属门窗的接地处理

需要对二层发射机房外墙上的金属窗做接地处理：

1）沿二层发射机房室外墙内侧暗敷一圈-40×4镀锌扁钢作为水平等电位连接带，安装高度距离二层楼面0.3m；

2）根据金属窗以及电涌保护器的位置预留等电位连接端子，采用-25×4镀锌扁钢将金属窗与水平等电位连接带做等电位焊接，长度大于1米的金属窗，焊接点不少于2处；

3）水平等电位连接带的接地引下线采用φ12热镀锌圆钢，均匀布置在等电位连接环的两端、中间处，上与等电位连接环连接，下与防雷地网焊接连通。

2.3.3 雷电波侵入防护措施

2.3.3.1 雷电波侵入的主动防护

将进入建筑物的各种线路采用有金属屏蔽层的电缆或钢管直接埋地引入对雷电波侵入防护效果极佳。屏蔽电缆其屏蔽层应至少在两端，并宜在防雷区交界处做等电位连接，系统要求只在一端做等电位连接时，应采用两层屏蔽或穿钢管敷设，外层屏蔽或钢管应至少在两端，并宜在防雷区交界处做等电位连接［2］。当全线埋地有困难时，进入建筑物的架空线应使用一段金属铠装电缆或护套电缆穿钢管直接埋地引入，埋地的电缆长度且不应小于15m。架空金属管道，在进出建筑物处亦应与防雷电感应的接地装置相连［9］。

2.3.3.2 电源系统雷电波侵入防护

为防止雷电波侵入一般采用屏蔽、接地、分级的电涌保护器等技术，使各级电涌保护器在能量上配合相互保护，如图1所示。

图1 电源系统雷电波侵入防护示意图

1）SPD1：在一楼总配电房的总电源处安装一组In＝60KA的三相电源电涌保护器 （该配置主要针对主电源系统受到雷击时，释放因雷击而产生的高能量，从而达到减弱雷击一级电能［10］。

2）SPD2：在二楼照明配电箱总电源处安装一组In＝40kA的单相电源电涌保护器，作为电源系统二级防护。

3）SPD2：在二楼发射机房总进线处安装一组In＝40kA的三相电源电涌保护器，作为电源系统二级保护。

4）SPD3：在UPS电源和计算机电源等用电设备前端安装In＝10kA的单相电源电涌保护器防雷插排，作为电源系统第三级保护。

2.3.3.3 信号系统雷电波侵入防护

1）将程控交换机机房信号线路输入端的光缆金属加强钢芯和光缆终端盒就近接地，同时在网络交换机安装信号SPD。其标称工作电压Un＝5V，最大持续运行电压Uc＝6V，标称放电电流In＝2.5kA（线-线、线-PE）／5kA（屏蔽-PE），保护端口数为24口。

2）在电话机前端装设信号SPD。额定电压Un＝110V，标称放电电流 In＝5kA，最大放电电流Imax＝10kA。

3）在视频监控系统装设信号SPD。额定电压Un＝5V，标称放电电流 In＝2.5kA（芯线／屏蔽）、5kA（屏蔽／PE）。

2.3.3.4 地电位反击防护

广播电视发射台的防直击雷、防闪电感应、电气和电子系统等接地共用接地装置，但各类接地应设置独立的接地引下线，同时需要接地的设备也应设置独立的接地线，严禁高电位引入。铁塔和机房相距较近，埋设-40×4热镀锌扁钢作为铁塔与防雷地网之间的水平接地体，其中连接点不少于2处，采用两根φ16热镀锌圆钢作为引下线与水平接地体相连，埋设深度不小于0.6m。

3 结束语

广播电视发射台的防雷是一项系统性的工程，其防雷思路就是从引发雷电灾害的各方面采取防护措施，实现全方位的雷电防护。通过以上的防雷设计，有效地解决了广播电视发射台的防雷技术设计问题。但随着广播电视技术的发展，还需经常性地总结防雷工作的实践经验，提高防雷技术水平。