高山无线发射台站防雷系统改造实施案例分析

陈利鹏

（文山电视调频骨干转播台，云南 文山 663000）

0 引言

广播电视无线发射台按频率和调制方式分为电视调频广播发射台和中短波广播发射台，两类发射台的电磁波频率不同，传输覆盖方式也不同，因此其设置地点的选择也不同。电视调频广播发射台一般设在城市周边的高山顶上，位于四周的最高点，以达到最佳的覆盖效果。文山电视调频骨干转播台位于东经103°54′26″，北纬23°21′31″，海拔2 991 m，是滇东南地区的最高峰，山上常年雨雾笼罩，工作环境十分恶劣，年平均气温10 ℃左右，平均风力6～7 级，最大可达10 级以上。山体以喀斯特地貌为主，土壤大部分为砂岩，表面土层主要是枯枝烂叶常年堆积形成的腐土，土层很薄。其地理位置特殊，为雷电高发区，平均雷暴日68.75天，属于高雷区，雷击事件频发。为保护供电设施和广播电视发射电子设备的正常运行，建立完善的防雷系统相当重要。完善的防雷系统既能保证设施设备和值班人员的安全，减少不必要的经济损失，又能保障广播电视节目的安全播出。

1 综合防雷概述

1.1 雷电的危害和防护的必要性

雷电是一种危害性极大的自然灾害，是联合国减灾十年委员会公布的对人类威胁最严重的十大自然灾害之一。雷电实质上是强对流天气在云层和大地之间引发的电荷放电现象。大自然产生的雷电危害主要包括两个方面：一是直击雷，二是由此形成的可对电子系统造成巨大危害的强烈的雷电电磁脉冲，俗称感应雷[1]。直击雷以其强大的冲击电流（平均为25～45 kA，可高达200 kA 或以上）在瞬间可产生灼烈的高温和猛烈的冲击波以及电磁辐射，当遇到地面上的物体时可击穿或产生火花引起爆炸，摧毁地面上的建筑物（植物）、击死击伤人和动物等。而感应雷则是由直击雷和附近雷击所引起的电磁效应，发生雷击时，强大的雷电流能够通过传导、感应、耦合等方式，在供配电设备和电子设备中产生瞬间高达几万伏甚至几十万伏的雷电过电压，当这些设备中的瞬时雷电过电压得不到正常释放，就会击穿烧毁设备本身，甚至可能危及到工作人员的安全。

1.2 雷电防护工程的系统综合性

雷电是自然界中的复杂现象，它的发生没有规律可言，所以单一的防雷手段起不到很好的防雷效果，必须综合考虑地形、土壤、建筑物、电力系统、天馈线系统、台站电子设备等因素，制定综合系统的防雷方案[2]。雷电防护主要分为两大方面，一是外部防雷（避雷针、避雷带、接闪器、引下线、接地网等防直击雷的措施），二是内部防雷（闭合的等电位均压环、科学的屏蔽措施、合理的综合布线、安装防雷器和有效连接共用接地系统）。综合防雷系统如图1 所示。

图1 综合防雷系统图

1.3 雷电防护的基本措施

针对直击雷和感应雷的不同特点，需要采取不同的防雷措施。根据文山电视调频骨干转播台的地形情况和台区建（构）筑物的分布情况，外部防直击雷措施主要是科学设置、合理更换避雷针、避雷带（网、线），并做好连接有效的接地网，对直击雷进行有效的防御。台站内部产生的感应雷主要是通过外部传输线（电力线、信号线、天馈线等）以及恶劣的环境进入室内损坏设备，因此感应雷防护主要是做好屏蔽措施、室内等电位闭合连接、合理的布线、选择合适的防雷器、连接有效的地网等，将感应电磁波消除在设备外围，并及时将产生的雷电过电压、过电流引入大地释放。只有内、外防雷相结合，组成一个系统完备的防雷体系，才能做到有效防雷，真正保护建（构）筑物、设备及人员的安全[3]。

2 台站防雷系统现状

文山电视调频骨干转播台现有的防雷系统是20 世纪80 年代初建立的，在后来的使用过程中虽有零零散散的维修，但由于使用年限过久，根据近年来常被雷击的部位和测试接地电阻的情况看，基本已经没有防雷能力了。此次防雷系统改造根据现代综合防雷的要求，认真、系统地分析台站的实际情况，分析研判得出当前存在的问题和对应的改造措施：

（1）台站大门口高压隔离开关接地电阻值超过规范要求，需增设接地网，地网接地电阻应≤4 Ω；高压隔离开关接地引下线锈蚀，需更换；

（2）工作楼房顶防直击雷装置锈蚀、断裂，需更换维护；

（3）工作楼一楼供配电房、发电机房接地电阻值超过规范要求，需增设接地网，地网接地电阻应≤4Ω；

（4）工作楼一楼低压室内的配电柜需增加电源防雷器（Surge Protection Device，SPD）；

在田间选育的过程中，发现8株特殊单株，其中4 株是 BC4F3，2 株 BC3F4，2 株 BC2F5。 将这 8 株特殊单株按照其播始历期的长短，分别命名为A、B、C、D、E、F、G、H。 由表 4可知，单株 A、B、C 的 Ghd7基因型和扬稻6号相同，但其播始历期同扬稻6号相比早了8～9 d；剩下的5个单株的Ghd7基因型同鄂早18的基因型，但其播始历期却比扬稻6号要长。这说明抽穗期的决定是一个复杂的调控，受遗传背景的影响。

（5）工作楼二楼机房和值班室接地电阻值超过规范要求，需增设接地网，地网接地电阻应≤4Ω；

（6）根据场地防雷需要，在工作楼一楼供配电室内安装一套雷电智能监测仪，加强对总配电系统的雷电监测手段。

3 防雷改造设计方案

输电线是文山电视调频骨干转播台分布最广的传输线，大部分都穿过自然保护区的树林，其受直击雷的几率最高，且直击雷最易与输电线产生耦合，引入感应雷电高电压，破坏输电线以及沿着输电线引入机房内损毁电子设备。另外，信号系统连接的设备接口耐压水平低，对于由信号传输线引入的雷电感应高电压也特别敏感、极易损坏设备。接地是为了能将雷电流和雷电电磁脉冲能量泄放到大地，利用大地作为工作回路，给通信设备提供基准电位参考点，防止其所造成的破坏作用，保证电力、电子设备与操作人员的安全[4]。所以此次防雷改造是根据整个台区的实际现状做出的综合改造，主要包括高压输电线终端杆设备的防雷改造、建筑物楼顶和发射铁塔以及铁塔上附着物的直击雷防护改造（避雷针、避雷带）、增设供配电室和发电机房以及发射机房内等电位均压环、科学的布线和屏蔽措施、合理设计安装防雷器（三级电源设备保护）、增设合理的接地系统（高压输电线终端杆接地网、天线场铁塔、供配电系统和防直击雷共用接地网、发射机房接地网）。

3.1 台站大门口高压隔离开关防雷改造

当前台站的输电线路为10 kV 高压线，始建于20 世纪80 年代初，线路总长约37 km，因使用年限长久，线路设施严重老化，每年雷雨季节都会发生雷击线路事件。台站大门口的高压终端杆上装有一套高压隔离真空开关，为防止雷电沿输电线路引入台站内，此次防雷改造在高压隔离真空开关处增设防雷地网并做等电位连接，更换新的防雷接地引下线。新增设地网深度1 m，水平接地体采用50 mm×5 mm 的热镀锌扁钢，垂直接地体采用ZGD-II-1（TY）型非金属离子接地极，它由非金属矿物质和电解物质组成，具有良好的导电性和稳定性，并且抗腐蚀、无污染、寿命长。接地引下线采用25 mm2ZR-BVR专用接地线与接地网做等电位连接。高压隔离开关新增地网如图2 所示。

图2 高压隔离开关新增地网示意图

3.2 工作楼房顶直击雷防护改造

台站工作楼为一栋不规则长方形2 层砖混结构楼，建于20 世纪80 年代初，一楼主要有高压室、低压室及两个发电机室，二楼主要有调频发射机房、电视发射机房及一个值班室。楼顶的避雷带锈蚀严重，部分损毁断裂。因此，对锈蚀的避雷带进行除锈、涂防锈漆处理，对已经断裂、锈蚀严重不能继续使用的避雷带，采用φ12 mm 的铜覆钢进行修复；增加避雷带引下线，对工作楼房顶设施进行直击雷保护。避雷带及避雷带支架采用直径φ12 mm 的铜覆钢，避雷带支架高度不得小于15 cm；同时采用40 mm×4 mm 的热镀锌扁钢作为避雷带防雷接地引下线，引下线从楼顶避雷带引出，沿发射机房后墙敷设（每隔3 m 加一固定件，将引下线固定在墙体上）与新增设地网进行连接。引下线敷设在工作楼后侧，按标准配置3 根（每根间距18～20 m），均与新增设地网进行连接。避雷带引下线之间的焊接以及引下线与地网的焊接，需符合焊接工艺要求，并做防锈、防腐处理。楼顶标语牌、金属支架、金属构筑物等需与避雷带可靠连接[5]。工作楼房顶避雷带修复及引下线设置如图3 所示。

图3 工作楼房顶避雷带修复及引下线设置示意图

3.3 工作楼一楼高低压室和发电机房防雷改造

工作楼一楼的防雷改造主要分室外新增地网和室内做等电位均压环两个部分。室外新增地网主要是在工作楼后侧山坡空地增设共用地网（天线场区铁塔的防雷完好，用引下线与供配电系统的地网连接共用一个地网），地网接地电阻≤4Ω。地网的施工工艺及材料选择同台站大门口高压隔离开关的地网一样。用两根50 mm×5 mm 的热镀锌扁钢从地网引入到工作楼一楼，与新建的等电位环进行有效电气连接（两处连接点相隔距离大于5 m，接触电阻不大于1 Ω，后面涉及电气连接的工艺与此相同），作为电力设备、电源系统的安全接地。

在高低压室、发电机房内，围绕墙壁四周敷设50 mm×5 mm 的热镀锌扁钢作为等电位均压带。均压带采用绝缘子固定，每隔1 m 固定一次，在转角处适当减小距离。沿配电室内墙0.3 m 高设置一圈热镀锌扁钢，在过门处入地，热镀锌扁钢与墙体的连接固定采用φ38 mm×41 mm 的绝缘子（支柱式）。在高低压室、发电机房接地排的配电柜内，设置30 mm×3 mm×500 mm 的铜排作为接地排。接地排与配电柜的安装通过柱式绝缘子（φ20 mm）进行绝缘处理。所有需要接地的电气设备或电源线路接地，采用横截面积不小于16 mm2的接地线连接到该接地排；接地排通过25 mm2的接地线与墙角的等电位接地环就近进行有效的电气连接。低压室内的配电柜外壳用10 mm2的接地线与接地排做等电位连接，发电机的接地采用25 mm2的接地线就近与新设的均压环进行有效可靠连接。工作楼一楼室内等电位均压环连接排如图4 所示。

图4 工作楼一楼室内等电位均压环连接排示意图

图5 地网标识桩和接地电阻测试箱

3.4 低压室内的配电柜增设防雷器（SPD）

低压配电室是台站供配电系统的核心部分，包括市电输入部分、稳压部分、UPS 系统、市电输出部分以及市电和发电机供电的切换。根据低压线路布局和实际用电情况，分三级安装电源防雷器（电源防浪涌保护器）。

3.4.1 安装一级防雷器

根据电力系统的线路控制情况，1、2 号输入柜作为低压室内的总控制端（同时也是市电和发电机输出端的控制部分），控制着低压室各电力单元的用电情况。1、2 号输入柜内各有电源总控开关两组，根据电力系统防雷特性需求情况，安装第一级防雷器，共需配置4 套。安装于电源控制开关的前端，接地线用25 mm2的专用接地线，就近与新设的接地汇流排进行有效电气连接，新设的接地汇流排与地网（均压环）进行有效电气连接。

3.4.2 安装二级防雷器

根据电力系统的电路特性情况，安装第二级电源防雷器，分别安装在1、2 号UPS 柜和1、2 号稳压柜中，根据这些电源控制柜内的线路控制开关配置情况，每个电源控制柜内配置一组电源防雷器（每个控制柜内配置的是一组电源线路控制开关），配置数量共计4 组，安装于电源控制开关的前端，接地线用16 mm2的专用接地线，就近与配电柜内新设的接地汇流排进行有效电气连接，新设的接地汇流排与地网（均压环）进行有效电气连接。

3.4.3 安装三级防雷器

在1、2 号输出柜内各相电源线路的控制开关前端、一台200 kVA 稳压柜（用于生活和照明）以及水泵抽水开关的前端分别安装第三级电源防雷器，对后端所有的用电设备进行防浪涌保护，接地线用16 mm2的专用接地线，就近与配电柜内新设的接地汇流排进行有效电气连接，新设的接地汇流排与地网（均压环）进行有效电气连接。

3.5 工作楼二楼机房和值班室防雷改造

工作楼二楼有调频发射机房、电视发射机房及值班室三个房间，主要包括发射系统、信号源系统、监测系统及安防系统的设备，是用电设备最多最复杂的区域，同时还要保证值班人员的安全，所以本次二楼的防雷改造也是分室外新增独立地网和室内做等电位均压环两个部分。施工工艺和材料要求同一楼的防雷改造一样。调频机房内防雷改造如图6所示。

图6 调频机房防雷改造图

3.6 防雷智能监测系统

防雷智能监测系统主要通过内部有线组网方式将采集的数据在监测平台显示，能实时监测防雷系统的工作状态和性能指标，以便值班人员了解防雷系统的情况，减少人工测量和排查故障的时间。防雷智能监测系统主要包括雷电智能监测和地网接地电阻动态监测两个部分。

3.6.1 雷电智能监测系统

雷电智能监测系统主要通过安装雷电监测仪和雷电流传感器等设备对发生雷击次数、雷电流峰值、发生时间等进行监测。监测仪在监测到所监测的地网没有形成回路或因为接地极的严重腐蚀、脱落等导致所监测到的值大于监测仪的量程以及阻值突变等情况时产生告警。

3.6.2 接地电阻动态监测

接地电阻动态监测主要是对地网的接地电阻进行在线动态监测。由于台站所处的地理环境非常恶劣，地网接地线经过长期的环境腐蚀，接触会变得不好，性能会下降，导致值机人员不能及时地监测到接地性能的好坏。接地电阻在线监测管理软件可以以固定频率监测发射台站接地的电阻值，通过网络实时地传回数据中心，台站值机人员就可以在监控中心通过管理软件Web 系统查看各个监测点的接地阻值情况。Web 系统中的电阻值趋势图可以帮助值机人员分析故障产生的原因并及时采取措施。

4 结语

文山电视调频骨干转播台本次防雷系统改造做到了提前充分准备、多次实地勘察，根据台站实际布局和场地特点，工程设计按照“综合防雷、综合治理”的原则，对重要建（构）筑物和设施设备、仪器进行系统规划，形成了综合防雷体系，增设三个独立的地网，分为三个不同的子系统分别接入地网。由于地质原因，每个地网的回填土都是从山下挑选土壤电阻率低的泥土拉到山上回填，改变了土壤特性，以达到最好的防雷特性。经过一个雷雨季节的运行来看，测量地网的接地电阻不到1 Ω，雷击事件明显减少，防雷效果明显，达到了预防为主、防雷减灾的目的。