广播电视台站防雷措施探讨

广播电视台站防雷措施探讨

摘要:本文根据广西广播电视高山发射台站防雷接地特点及常见问题,探索高山台站防雷接地现状及原因,提出了高山台站综合防雷技术难点、实施措施及优化设计,经实践后防雷效果显著,对高山台站的防雷建设在设计、施工方面具有参考及指导作用。

关键词:综合防雷;优化设计;屏蔽;雷电分流;悬浮地网

广西大部分高山发射台站所在地区处于高雷区或强雷区,每一年因为雷击损坏设备造成广播电视停播事故占比极高,通过改善高山发射台站综合防雷来保障广播电视安全播出已是从业人员探索的课题。原已实施了综合防雷的广播电视高山台站,设备遭受雷击并损坏的现象仍时有发生,经多次维修设备、改造防雷地网、更换浪涌保护器(SPD)等改进措施,经整改后防雷效果依然没有得到根本改善,“十三五”广西广播电视发射台站基础设施建设期间,根据高山台站防雷接地特点及常见问题,探索高山台站防雷接地现状及原因,提出了高山台站综合防雷技术难点、实施措施及优化设计。

1高山台站防雷接地的特点及常见问题

(1)广西大部分发射台站所在地区处于高雷区或强雷区,雷电流相对北方平原地区而言,具有电流强度大、波形幅值高等特点;(2)高山台站海拔相对高度及自身垂直高度较高,山顶受直击雷击的概率较平原高;(3)山顶上孤立的发射铁塔,是直击雷闪击的目标,落雷频率高、次数多;(4)上山架空交流电力线易遭受闪电及感应的雷电电涌入侵,损坏设备;(5)各类天馈线、站内通信线均可引入雷电闪电电涌;(6)发射塔与机房距离较近时,当铁塔受雷击并引雷入地后,雷电流可传入机房地网,在机房设备地线上产生高电位并发生二次反击,过高的瞬间电位差可击穿设备绝缘;(7)铁塔遭受雷击时,由于没有做好相应的等电位防护措施,会引起高电位反击、跨步电压及接触电势等二次效应,危及设备及台站值守人员的安全;(8)雷击点(铁塔顶)100米范围内的雷电电磁脉冲强度最强,由于电磁感应效应,瞬变电场可在建筑物金属导体、各类设备、线缆线路上感应出雷电浪涌电流;(9)虽然卫星接收天线已处于铁塔的直击雷保护内,天馈线均已穿钢管屏蔽接地,且底座已接地或与铁塔地网连接,但卫星天线高频头经常由于雷击损坏;(10)高山台站大多处于石山山顶,山顶土壤组成一般由地表浮土、风化砂、石头及少量植被组成,土壤不积水,土壤接地电阻率高达2000Ω•m以上,接地网降阻难度大,人工地网改造投入成本高。

2雷击原因

针对广播电视高山发射台站的室外卫星天线、室内发射机房设备、低压供电电源设备而言,雷电主要通过直击雷击、雷电浪涌侵入及地电位抬升引起二次反击等途径损坏广播电视发射台站设备,雷害原因主要有如下几点:(1)直击雷击:雷雨云对大地接闪的一种放电现象,同时产生电磁效应、机械效应、热效应等。直击雷可直接击到室外的设施:如发射天线、电力架空线缆及台站范围内架空天馈线、卫星接收天线、低压电力电缆等,高频雷电流侵入并损坏设备[1]。(2)地电位反击:当直击雷直击发射塔、发射天线、避雷针或机房建筑物时,强大的高频雷电流入大地后引起瞬间高电位,击穿空气及相关介质绝缘,从而出山闪击,对设备地线、线缆、人体放电。(3)雷电电涌侵入:由于带电雷云在空间电磁场的静电感应作用及闪电通道附近的电磁感应作用,配电线路、信号线路及天馈线路引入雷电浪涌,造成设备损坏,此类雷害形式较为多见。(4)机房走线架内、电缆沟内存在不合理的布线方式,不规范的接地形式及接地引入等也会造成设备因雷击发生后产生二次效应反击并损坏设备。(5)针对雷电反击而言,雷击事故与台站接地电阻大小没有因果关系,不管接地电阻是5、10、20Ω,或是建在石头上的悬浮地网,当100kA的直击雷电流入地后,瞬间抬升的地电位足以击穿设备绝缘(相对设备本身的耐受绝缘强度而言),不管接地电阻大小,雷击后均可引起高电位反击,且没有考虑室内广播电视设备接地和室外发射塔、天馈线、电力线缆接地保持一定的距离,避免室外设备高电位引入对室内设备造成损坏。(6)台站配电系统中未安装有SPD进行多层级防雷,地网采用共用接地后,所有设备电气联结在工频状态下均为等电位,但雷电发生闪击或雷电浪涌流入后,就没有绝对的等电位,在雷电波的高频波(波头时间为10/350μS)和导体的分布电感(∆L)作用下,地网导体或地线上任何距离1米处均存在100V左右的电位差。(7)部分台站综合防雷措施的技术先进性,防雷设计的科学性、完整性及合理性均有待提高。(8)部分台站防雷接地点已断连、防雷浪涌保护器损坏,维护人员没有及时发现和修复,造成雷电泄放效果不好。综上所述,尽管雷击损坏设备的形式多种多样,但损坏机理基本一样,即雷电过电流引起的瞬态过电压,击穿并破坏设备绝缘后造成工频短路,损坏设备,应针对性做好雷电防护措施。

3综合防雷措施及优化设计

综合防雷包含外部防雷和内部防雷,具体措施有:安装接闪器、引下线、接地装置、屏蔽、等电位连接、合理布线及安装SPD等。当按照上述规范要求实施发射台站防雷措施后,雷电现象若是没有得到明显的好转,就应该根据高山台站的特点,结合上述雷击原因,有针对性地做好设计调整和优化,通过技术措施使台站防雷更先进、更科学合理和经济适用,具体的技术措施有雷电流分流、屏蔽、电气隔离、安装两级开关型SPD配合两级限压型SPD措施、地网优化等。

3.1采用雷电流分流措施。3.1.1直击雷雷电流分流措施。分流的目的是让雷击的雷电流入地点远离被保护对象(如设备、人体、各类接地线及设备线缆),从而远离由强电流引起的瞬时低电位升高,避免雷电反击的措施。当发射塔、发射机房建筑物、独立高低压配电间等,防雷措施通常由接闪器、引下线、接地装置组成,高山台站的特点是发射塔孤立且海拔高,发射塔相对于整个台站的避雷塔,当发射塔地网距离机房较远时(或水平距离在5米以上),可设置独立铁塔防雷接地网来分流铁塔的雷电流(泄放直击雷的电流),降低或消除天馈线屏蔽层的分流电流,减少或避免雷电流经馈线引入机房(注:距离5米以上为经验值,且铁塔防雷地网应在远端须与机房地网做不少于2处连接),当发射塔地网距离机房较近时,还应增加多个接地井进行隔离。3.1.2采用共用接地网,不共接地引入线的分流措施。台站占地面积较大或山顶可制作人工地网面积条件较好时,发射台站防雷接地网应分别由网格状机房地网、铁塔地网、变压器及配电房接地网组成(各地网之间距离可实现大于5米)。就近的两两地网之间,至少有2处以上远端焊接联通,尽可能实现等电位联结,实现共用接地网。铁塔基础四周、机房四周、配电房四周、发电机房四周、变压器房四周至少有一圈闭合接地体。机房地网等每个均匀网状地网的网格大小应不大于3000mm×3000mm,地网四周闭合[2]。台站占地受限不能分别制作机房地网、铁塔地网、变压器及配电房接地网时,应在台站范围内制作边界闭合的均压网格地网,并分别设置地网接地引入线,即分别设置发射塔接地线、变压器接地线、配电房及发射机电源柜交流接地干线、机房信号源柜接地干线、发射机机柜接地干线,实现共地网不共接地线。各类接地干线在地网上接入点的距离应大于5米,可有效减少或避免雷击二次反击。当发射机房内已设置一圈均压接地汇集铜排时,且机房各类接地线均已接到汇集铜排时,接地汇集铜排应设置多处接地点,接地点应分别接近发射机机柜、信号源柜、发射机电源柜,使各类柜体上的雷电流能就近入地,减少各类接地线上的电位差。为防止高电位反击卫星天线高频头,应断开天线底座与铁塔的连接扁钢,并在高频头线路上安装卫星天馈线SPD。采用共用接地网,不共用接地引入线措施,是一种优化设计的分流措施,不违反等电位接地原则,在发射台站环境受限的情况下,防雷效果显著。

3.2采用屏蔽措施。对于雷电闪击引起的空间高频电场(雷电电磁脉冲)的防护,屏蔽和接地是有效的措施。高山台站的气象环境特点是直击雷击发生的频率高,雷电流强度大,雷电波基本没有衰减就直接侵入低压线路,雷击点附近会有很强的瞬变电磁场,各类线路(电源线、信号线、天馈线及各类音视频线)都有可能因电磁感应引起感应过电压、过电流,应做好穿管屏蔽措施,暴露于地面上的接地线应尽可能埋地敷设。发射机房、配电房及发电机房应在建筑物外部设置法拉第笼。卫星接收高频头应套屏蔽桶,射频线路套屏蔽波纹管接地,户外、外墙正常不带电的金属外壳、窗户、不锈钢护栏、电缆桥架、楼梯、雨棚、穿管屏蔽的金属管均应接地。

3.3电气隔离措施。电气隔离措施是指采用安装隔离变压器的办法,来隔离低压电源线路的雷电浪涌,对于频率衰减到隔离变压器500~1000kHz的雷电波,隔离变压器的隔离及抑制雷电流的效果最明显。另外,隔离变压器可降低零地电压、过滤线路的高频震荡谐波等作用。大功率的隔离变压器一般安装于市电与稳压器之间,小功率的隔离变压器安装于信号源柜UPS前端。

3.4安装两级开关型SPD配合两级限压型SPD措施。作为电源线路的防雷保护,低压配电线路常见安装1组I级试验浪涌保护器(电压开关型)加多级Ⅱ试验浪涌保护器(限压型)配合的方法,分别安装于市电(外电)引入总开关处、稳压器处、ATS输出端、发射机电源柜、信号源柜等。由于上山电源线路感应的雷电流强度大、波形陡度大于10/350μs波形,应在低压配电线路上多次多级泄放此电流波,使其波头衰减。否则后端的隔离变压器、多级Ⅱ级试验电源防雷器(8/20μs波形、限压型),对此波形不起隔离及泄放雷电流的作用,这样就起不到防雷效果,这是高山台站低压电源线路防雷失败的主要原因之一。建议安装两级开关型SPD配合两级限压型SPD的措施,来优化设计电源线路的雷电防护。两处开关型SPD的安装位置分别为市电总开关处、稳压器输出端或ATS柜输出端[3]。另外,信号源柜的相应信号端口、天馈线端口、卫星天线的高频头处应配置适配的SPD。

3.5地网优化措施。根据大部分高山台站现状,其土壤环境极其恶劣,此类地形的高山石头台站更适合做均压网格型等电位悬浮地网,地网网格均匀敷设在石头表面。不再考虑接地电阻大小,不再以接地电阻来衡量地网质量,因为接地电阻根本无法测量出来(由于岩石断层,测量仪表的回流电流几乎为零)。在此类台站范围内,采取任何的降阻方案、多高效的降阻材料,其降阻效果或降阻意义都不大。如引接地体到山下做地网,接地电阻可以降低,但是引下线太长,由于分布电感作用,雷电流无法瞬间达到山下地网,地网的存在就形同虚设。在台站范围内的石头上设置悬浮地网,采用混凝土砂石将接地体固定于石头上,悬浮地网的网格规格为3000mm×3000mm,这是比较经济实惠的接地网优化措施,结合实施以上各种防雷技术措施,一样能收到显著的防雷效果[4]。

4结语

接地电阻的大小并不决定台站的综合防雷质量和防雷效果,接地电阻是5Ω或20Ω,并不能说明5Ω的地网比20Ω的地网防雷效果好,只要防雷措施得当,建在石头上面的悬浮地网一样能起到防雷效果,盲目投入高成本去降低高山台站接地电阻的方法不可取。“十三五”广播电视发射台站基础设施建设期间,对比多个高山台站的综合防雷优化设计及实践结果,雷害造成的设备损坏现象明显减少。相反,没有实施过专业防雷设计施工的台站,设备损坏现象每年都有增加,特别在雷雨季节,值班及维修人员通常疲于应对,大大增加了人力成本和维护成本。雷电的发生是不可抗拒的自然现象,只要通过适当的预防措施,可把雷电造成的损害降到最低,明显降低设备损坏程度及维修次数,提高设备的使用寿命、减少雷电造成的停播事故,能保证正常发射播出,其社会效应、经济效益也会得到显著提高。

作者:黄建华 单位:广西广播电视技术中心百色分中心