兴山县仙侣山发射台防雷改造设计

吴启红

在形成云层的过程中，由于温差起电与大气电场等的影响，云层中的不同位置上的正负电荷积聚。最后导致云与地之间、云与云之间发生放电现象[1]。雷电可以引发森林大火，雷击可以导致建筑物受损，重要设施设备被毁，甚至有时会危及生命安全。

1 仙侣山发射台防雷背景

宜昌市的年平均雷暴日数为38.9d/a，属于多雷区，仙侣山发射台位于兴山县黄粮镇境内，海拔高度为1 438m，相对高度差为400m以上，超过了GB50057中有关落雷等效面积计算公式所规定的200米高度范围，修订公式（D=H）后，可计算出：新建铁塔高度为65m（相对高度为465）时，其年预计雷击次数为5.35次，土壤电阻率低（300欧姆米左右），故发射台如果未能实施完善的雷电保护措施，极易造成设备损坏，危及员工生命安全。现场勘查发现，发射台线缆（含光纤）敷设不符合国家相关标准和防雷规范要求；现有电涌保护器（SPD）配置不合理或缺失，微电子设备已因雷电感应的侵袭而损坏；机房屏蔽和接地不完善等。所有对发射台进行雷电防护的改造是非常必要的。

兴山县发射台的电气系统主要由广播电视发射系统、通信系统、配电系统三部分组成，各系统的组成方框分别如图1、图2、图3所示。

图1 广播电视发射系统框图

图2 通信系统框图

图3 配电系统示意图

2 防雷系统介绍

2.1 塔直击雷防护

发射台现有35m高的铁塔上装有一种提前放电避雷针，机房就在铁塔下面，而机房没有相应的屏蔽措施，强大的电磁场极易穿透建筑物进入机房内部，与机房内部的有源线路耦合，形成过电压损坏设备，产生剧烈热效应和电效应[2]，甚至威胁人身安全。经现场勘查，楼顶避雷带的网格尺寸符合GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》和GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》等相关标准的要求。因此对新建的65m铁塔必须采取更加完善的防直击雷以及侧击雷措施。

新建铁塔高65m，在塔顶安装SLE-V-19-5/B避雷针一套，要求避雷针的底座与天线最高处的垂直距离大于1.5m；如图4所示。将SLE基座用35平方多股铜线分别引两条作为直击雷引下线并与地网连接。

图4

2.2 配电线路保护措施

现场勘查发现，发射台由2路（公共和专用）低压架空供电线路，进户线在LPZ0B区和LPZ1区间的380V母线上装有三个氧化锌避雷器（In为10kA，8/20μs）用以对其进行保护，此种防护方法的防护能力不足，不符合GB50057之“电源I级用SPD应能承受10/350μs雷电波的冲击，最小冲击电流为15kA”的规定，一旦架空线路遭受直击雷的侵袭，巨大的雷电波极易通过架空线路损坏总配电箱等电气设备，造成发射台停电和发射设备损坏事故的发生。

1）应在10kV变380V的变压器低压侧和总配电箱内，安装配电系统电涌保护装置DSOP-II-50/4P，对进户的两路供电线路（主线和备用）进行I级保护，选用的I级保护用SPD应能承受10/350μs雷电波的冲击，冲击电流Iimp应不小于25kA，电压保护水平Up应不大于2kV，SPD应通过权威部门的检测。

2）将配电柜内的原马斯特产SPD更换为DSOPIIIB-60/3P+N，其额定放电电流In应不小于30kA，电压保护水平Up应不大于1 800V，SPD应通过权威部门的检测。

3）在每台发射机、每个楼层配电箱里，以及光端机、网络交换机、控制台等用电设备的供电线路前端加装一套III级防护的SPD，型号为DSOPIIIB-40/3P+N，SPD的UP应不大于1500V，SPD应通过权威部门的检测。

详细的配电系统SPD配置如图5所示。

图5 配电系统防雷示意图

2.3 馈缆防护

现场勘查发现，发射塔上布置的馈缆均未按照依据YD5098和YD2011中关于“馈缆的外保护屏蔽层与铁塔进行三点连接”的要求进行施工，一旦铁塔接闪雷电就很容易造成以下后果：一是因地电位反击而造成馈缆芯-屏蔽层间的电压击穿，从而损坏馈缆；二是馈缆屏蔽层将感应的雷电过电压引入发射机房，从而导致发射设备的损坏；三是沿馈缆屏蔽层进入发射机房的巨大雷电流会在机房内其他微电子设备（卫星接收机、光端机、网络交换机、电子计算机等）的金属连接导线上感应产生雷电过电压，从而导致机房内微电子设备设备的损坏。因此必须采取如下防护措施：

1）天馈线的防护依据YD5098中馈缆的外保护屏蔽层应与铁塔进行三点连接的要求，根据天线高度在每根馈缆上、中、下（离开铁塔处）三处附近的铁塔上分别凿孔径为10.5mm通孔。采用环扣型馈线接地卡（夹）三个与铁塔进行可靠的电气连接，并在接地卡处用3M胶带做好防水处理。

2）馈缆进入馈线窗（洞）前，馈缆应做滴水弯。馈缆进入馈线窗（洞）后应通过电涌保护器、跳线与功放进行连接，电涌保护器的6mm2接地线应就近与馈线窗（洞）外接地铜排进行可靠的电气连接。

3）落地后的馈线穿入镀锌钢管内进入机房进行屏蔽并离进户电源线间隔3m以上距离。

2.4 卫星高频头雷电防护

现场勘查发现，四套卫星接收系统的天线（高频头）与接收机之间由长达40m的同轴电缆进行连接，同时同轴电缆与专用供电线路有长达30m的近距离、平行、共通道走线，不满足GB50343之表5.3.3-2的要求；勘查还发现，同轴电缆两端，无论是高频头还是接收机均没有安装相应电涌保护器（SPD）。

无论是高频头还是接收机的前端电路，它们均为高灵敏度的电子放大电路，由于其高灵敏度也导致其抗雷电串扰的能力较差，所以如果不在同轴电缆两端安装相应的SPD，当雷击卫星天线时，由于馈缆的皮线（屏蔽层）电位会升高，从而高频头和接收机会因为地电位反击而损坏；当雷电馈缆周边的建筑物（如铁塔）时，巨大雷电流所产生的雷电电磁波会在馈缆皮线感应上过电压（电位升高），当此过电压达到一定数值时，高频头和接收机会因为地电位反击而损坏；当雷击专用供电线路时，供电线路上的雷电过电压会在其与馈缆长达30m的平行走线中，通过电容耦合的方式将雷电过电压感应到馈缆的屏蔽层上，当此过电压达到一定数值时，高频头和接收机会因为地电位反击而损坏。

因此，在发射机的高频头部位加装信号SPD，防止高频感应雷打坏高频头，也防止雷电流干扰信号并做好接地。将馈线穿入镀锌钢管进入机房。

2.5 发射系统设备防护（图6）

1）控制台内的所有音频头加装SPD（DLP-IVXX-5）、视频头加装信号SPD（DLP-IV-FXX-5），在线路中若产生了尖峰电压或是电流，其导通分流的作用可以在短时间内发挥，来达到防止设备损坏的目的。

2）机房内通过加装三级浪涌保护器的方式来保护设备。

3）控制台内加装一块铜排。

4）将机房内所有机壳接地。

2.6 通信系统监控防护（图7）

对机房处的摄像头加装防止感应雷防护的SPD，在此处安装JLP-PDV-04、DLP-IV信号防雷器。

图6 广播电视发射系统防雷框图

图7 通信系统防雷框图

2.7 光纤防护

公共供电线路（380V）与光缆有长达20m的近距离、平行、共通道走线，极易在光缆的金属加强芯上耦合雷电过电压，同时光缆的金属加强芯在进入建筑物时未进行可靠的接地处理（不满YD5098之5.1的规定），所以当光缆加强芯上感应雷电过电压时，极易将此过电压引入机房内，从而导致光端机或其他微电子设备的损坏。

1）将现有的光纤远离电源线进行重新布设。

2）将光纤的加强芯进行良好的接地，从而使得设备能够正常运行并保护工作人员的安全。

2.8 窗门屏蔽和接地

将靠近铁塔这一面的26扇窗户进行屏蔽和接地，防止雷电的侧击，保护人身和设备安全，用不锈钢网与60×8的热镀锌扁钢连接，将连接好的钢网与窗框连接，再用热镀锌扁钢与地网进行可靠连接。

2.9 地网

现场勘查发现，该发射台在现有建筑物的周围建设有完整的地网设施，东西宽约46m左右，南北长约67m左右，通过现场检测，接地电阻测试值为5.78Ω，校验值为2.65Ω，其冲击接地电阻换算值为2.52Ω，满足不大于5Ω 的技术要求。

在新建铁塔四角基础外1.5m处，分别安装一根ER-I-1.5/S的防腐降阻接地极（不小于60×8的镀锌扁钢进行环形连接），用以降低冲击接地电阻值，铁塔基础、防腐接地极与周边的既有地网进行2点以上的可靠连接。地网的冲击接地电阻值应小于1Ω，如果实测冲击接地电阻值大于1Ω，则通过外引的方式来扩大地网尺寸降低接地电阻值，直至达到标准要求。

3 结语

高山广播电视台的稳定运行对本地广播电视信号的正常发送、接收有着重要意义，而由于其地理位置的特殊极易受到雷击影响，因此防雷避雷十分必要。文章介绍了雷电的入侵途径，结合兴山县仙侣山发射台的具体情况，提出了一整套防雷措施，以期有更多人对高山发射台防雷技术加以重视。