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雷电对电子设备危害很大,对建在高山上的广播电视、通信台站危害更大。文章介绍了雷电的形成以及对高山台站电子设备造成损害的原理,并结合我台太子岩调频发射台实际情况,提出了一些防雷击系统的设计方法。
雷电灾害是目前我国十大自然灾害之一,2007年全国雷电灾害统计,共发生雷击3560次,造成伤亡1018人,经济损失5357.871万元。高山广播电视台站一般都处在制高点,机房及附属设备极易遭到雷击。更重要的是,随着科技的进步,计算机控制系统、数字发射机等精密电子设备被广泛应用,而这些设备普遍绝缘强度低,抗过压、过电流及电磁脉冲的能力极低,特别容易遭受雷电侵害,严重威胁广播电视安全。
雷电主要有直击雷和间接雷。云块对地上物体直接放电,叫直击雷。间接雷又分为感应雷和传导雷,雷电在放电过程中产生的强大静电感应和磁场感应形成的过电压叫感应雷;由于雷电对架空线路或金属管道作用产生的冲击电压,沿线或管道传入建筑物的叫传导雷。雷电防护是通信、广播电视台站特别是高山台站设计的重点项目之一,雷害防护方案应包括对直击雷和间接雷的防护,两者缺一不可。
防雷的基本途径就是为雷电提供一条雷电流对地泄放的合理的阻抗途径,控制雷电流的转换和泄放。防雷的主要方法是做好设备接地、良好屏蔽及安装有效的防雷保护系统。良好接地:最好的防雷措施就是将闪电能量泄放入地;良好屏蔽:简单的说就是用金属网、箔、壳、管等导体把需要保护的对象包围起来,避免雷击;防雷保护系统就是采用避雷器让雷电流逐级分流泄放,电压逐级降低。
为了扩大邢台电台覆盖面,落实村村通广播工程,我台在海拔1130米的太子岩建设调频转播台,发射机房所在建筑物的防雷属于第二类,发射机房信息系统雷电防护等级为A级,按照设计规范,防雷系统应包括机房防雷;电源、信号、天馈线浪涌保护器,以及避雷针、屏蔽、接地等。
直击雷防护设计
直击雷防护主要靠架设在铁塔顶部的避雷针、引下导电体、发射机房钢结构等形成一个屏蔽“法拉第网”,保护天线和机房顶部不受直击雷击,避雷针通过独立的引下线直接接入地网。铁塔地处山顶海拔1130米,且处于空旷地带,其年预计雷击次数较大,同时考虑该地区的雷电能量具备更大、破坏性更强(地电位反击、跨步电压等),在铁塔建设之初就需要安装限流型避雷针。
采用特殊材料(导电硅橡胶高分子电阻材料)和结构(半导体少长针辐射装)的限流形避雷针,是在富兰克林避雷针基础上发展起来的新型现代避雷针。在满足保护范围的同时,利用材料的阻抗特性,延缓雷闪主放电时间,使雷电流波形变宽、幅值降低、拉长雷电流波头使其平缓并衰减雷电流陡度,被限制了的雷电流将以较长的时间通过限流避雷针,从而有效地减弱感应雷和高电位反击造成的损害,完全克服了传统避雷针的缺陷。我们采用300KA限流型避雷器,抗风40米/S。
间接雷防护设计
间接雷主要经天馈线、室外交流电源线、光缆等侵入机房,损坏设备。我们的防护措施也主要集中在这几个可能的侵入通道上。
(1)配电系统防雷解决方案
电源系统分布较广,相对而言最易受间接雷危害,据统计,雷害80%是从电源线引入。由于雷电产生了强大的过电压、过电流,采用一级电源避雷器很难满足一次性在瞬间完成泄流和限压,电源配电系统的防雷必须采取多级梯度防护方式,层层设防来保证供配电系统避免雷电灾害导致用电设备的损坏。
1、交流电力变压器高压侧的三根相线,应分别就近对地加装氧化锌避雷器;电力变压器低压侧的每根相线应分别就近对地加装氧化锌无间隙避雷器。变压器的机壳、低压侧的交流零线,以及与变压器相连的电力电缆的金属外护层,应就近接地。低压传输电缆应采用带有金属铠装层的电缆,电缆的铠装与接地排连接。
2、在室外引入电源至总配电柜处,并联安装一台高能电源电涌保护器,作为泄能级电源第一级防护,并以最短路径接线,原则上连接线总长应<0.5米,当配电设备及接地汇集排的安装位置不合理导致不能保证浪涌保护器的连接线长度<1 米时,可以采用凯文接线法来弥补。我们选用了一个120KA的防雷箱,因为我们接有稳压器,所以防雷箱安装在稳压器的前面。
3、电源经稳压进入电源分配箱后并接一台电源电涌保护器,作为电源二级保护。在与前级浪涌保护器配合使用过程中,应注意与前级浪涌保护器间的线路长度应不小于10 米,若不能满足此要求时,应在两级浪涌保护器间的线路中增加去耦装置以弥补因线路长度不足带来的能量配合不合理的问题。我们选用了一个80KA的防雷模块。
4、在每个用电设备前端并联安装一台电源电涌保护器,作为限压级三级保护。我们在三个5KW个发射机、空调前各加装一个40KA防雷模块,共四台。
5、1KW发射机、光端机、监控等属于精密设备,单相供电系统,所以在电源前端串联三个20KA防雷插座作为三级防雷保护精密设备。
6、发电机房的市电输入端和输出端,加装电源防雷箱,实现发电机房的保护第一级防护
7、将浪涌保护器接地线连接到就近的接地排或均压环。
8、进、出机房的电源线路不宜采用架空线路,宜埋地引入机房,埋地长度不小于50m,埋地深度大于0.7米
(2)天馈线防雷方案:
天馈线上端一般都安装在塔体的顶部,下面进入机房,直接和发射机连接,防雷击的措施必须到位。天馈线浪涌保护器,一般串联安装在设备的射频出、入端口处,并将浪涌保护器接地线连接到就近的接地排。天馈线浪涌保护器的选择,应根据被保护设备的工作频率、平均输出功率、连接器形式及特性阻抗等参数,选用插入损耗及电压驻波比小适配的天馈线路浪涌保护器。
具有多副天线的天馈传输系统,每副天线都应安装适配的天馈浪涌保护器。天馈线应从铁塔中心部位引下,同轴电缆在其上部、下部和经走线桥架进入机房前,屏蔽层应就近接地,当天馈传输系统采用波导管传输时,波导管的金属外壁应与天线架、波导管支撑架及天线反射器作电气连通。
我们共有2付调频天线,一个功率15KW,一个5KW,我们选择了两个天馈线浪涌保护器,并按照规范进行了安装。
(3)信号系统防雷措施
进入发射机房的信号电缆一般有网线、音视频信号、控制线缆、数据线缆等。为了避免因通信电缆引入雷电的可能性,这些信号线路在进入设备前首先接入信号避雷器,信号避雷器的选择,应根据线路的工作频率、传输介质、传输速率、传输带宽、工作电压、接口形式、特性阻抗等参数,选用电压驻波比和插入损耗小的适配的信号避雷器。
进、出机房的信号线缆,宜选用有金属屏蔽层的电缆.并宜埋地敷设。电缆金属屏蔽层应做等电位连接并接地,信号避雷器的接地端及电缆内芯的空线对应接地。
由于光缆本身为非金属线缆,并不会传导电流,所以不需要对光缆进行特别的防护处理。仅需在其进入机房的光分线盒处将内部金属加强芯及金属的防潮层做接地处理即可。我们的信号线缆仅为光缆,在进入机房前30米入地埋设。
(4)防雷接地
接地是防雷工程最重要的一个分项,接地不好,所有防雷措施都不能有效的发挥作用,防雷接地也是高山台验收中最基本的安全要求。
1、接地方式,宜采用联合接地方法,就是将各部分防雷装置、建筑物金属构件、低压配电保护线(PE)、等电位连接带、设备保护地、屏蔽体接地、接地装置等连接在一起的接地系统。这种接地是目前国际上推举的最佳接地方式。采用这种接地方式时,接地装置的接地电阻值必须按接入设备中要求的最小值确定。根据设备要求这次我们设定的设计值是小于5Ω。
2、低阻地网的建立
系统接地主要由接地体、引入线连接线等组成接地网络,利用机房建筑物基础自然间横竖梁内的主钢筋组成网格不大于3米×3米的机房地网。引下线应为两根,分别引至铁塔的塔脚(对角引设),并保证接地系统的接地引出线与铁塔塔脚可靠连接。
接地在塔体每个塔脚引一个接地到塔四周的等电位环,根据地形、地势、土质分布情况,在机房地网四角设置四个辐射式外引接地体。接地体采用1*1*0.004米镀锌钢材,开挖坑为2×2×2M方坑,塔四周的等电位环及与接地体连接的水平连接采用40×4MM的镀锌扁钢。因为高山地质条件都不太好,一般都应采用降阻剂,现在物理降阻剂相对好些。
施工工艺问题:就是各项指标都合格的接地材料还要通过合理的施工和正确的施工工艺才行,比如降阻剂的均匀施加问题,埋深问题,回填土问题,如果有一个环节发生问题,就会影响降阻剂的降阻效果或对接地体造成腐蚀。水平接地连接扁钢埋设,开挖深度为0.8米,宽度0.4米沟槽,首先用黄土回填20CM,填20CM降阻剂,把镀锌扁钢铺在沟的中间,再填20CM降阻剂,上面回填20CM黄土,回填黄土不要夯实,过一周后再夯实(但不必过份用力),回填黄土时,适量洒水。注意接地体间距离要大于5米。在现场以降阻剂/水=3/1的比例加水,快慢搅拌1-2分钟,均匀,整体成糊状,立即倒入地坑中。接地体、等电位环等的连接,应采用搭接焊,搭焊长度不得小于扁钢宽度的两倍(即80MM),且应多边焊接,确保连接牢靠,须仔细清除焊渣,并在焊接部位涂覆沥青或其他防腐涂料。
3、机房内的走线架应每隔5米作一次接地。走线架、吊挂铁件、机架(或机壳)、金属通风管道、金属门窗,以及其它金属管线,均应良好接地并相互妥善连通。
4、变压器接地网应由电力部门实施,接地电阻不应大于10欧姆。
5、接地汇集线:接地汇集线一般设计成环形或排状,材料为镀锌钢材。机房的接地汇集线可设在地槽内、墙面适宜位置或走线架上。等电位连接线采用BVR4、10、16、35平方的铜缆。
防雷的日常管理
机房安装了防雷系统,并不代表可以高枕无忧,还要加强后期维护。雷雨季节,加强外观巡视,经常检查防雷设备的性能标识,及时更换失效设备,每年至少在雨季来临之前,由专业防雷机构对防雷系统进行一次安全检测,定期测量地阻。
结束语
防雷是一项复杂的系统工程,没有任何一种产品可以全面防止雷害,我们必须提高对防雷工作的认识,积极研究新技术,针对不同地点、不同保护对象,采用相应的防雷措施。■
雷电灾害是目前我国十大自然灾害之一,2007年全国雷电灾害统计,共发生雷击3560次,造成伤亡1018人,经济损失5357.871万元。高山广播电视台站一般都处在制高点,机房及附属设备极易遭到雷击。更重要的是,随着科技的进步,计算机控制系统、数字发射机等精密电子设备被广泛应用,而这些设备普遍绝缘强度低,抗过压、过电流及电磁脉冲的能力极低,特别容易遭受雷电侵害,严重威胁广播电视安全。
雷电主要有直击雷和间接雷。云块对地上物体直接放电,叫直击雷。间接雷又分为感应雷和传导雷,雷电在放电过程中产生的强大静电感应和磁场感应形成的过电压叫感应雷;由于雷电对架空线路或金属管道作用产生的冲击电压,沿线或管道传入建筑物的叫传导雷。雷电防护是通信、广播电视台站特别是高山台站设计的重点项目之一,雷害防护方案应包括对直击雷和间接雷的防护,两者缺一不可。
防雷的基本途径就是为雷电提供一条雷电流对地泄放的合理的阻抗途径,控制雷电流的转换和泄放。防雷的主要方法是做好设备接地、良好屏蔽及安装有效的防雷保护系统。良好接地:最好的防雷措施就是将闪电能量泄放入地;良好屏蔽:简单的说就是用金属网、箔、壳、管等导体把需要保护的对象包围起来,避免雷击;防雷保护系统就是采用避雷器让雷电流逐级分流泄放,电压逐级降低。
为了扩大邢台电台覆盖面,落实村村通广播工程,我台在海拔1130米的太子岩建设调频转播台,发射机房所在建筑物的防雷属于第二类,发射机房信息系统雷电防护等级为A级,按照设计规范,防雷系统应包括机房防雷;电源、信号、天馈线浪涌保护器,以及避雷针、屏蔽、接地等。
直击雷防护设计
直击雷防护主要靠架设在铁塔顶部的避雷针、引下导电体、发射机房钢结构等形成一个屏蔽“法拉第网”,保护天线和机房顶部不受直击雷击,避雷针通过独立的引下线直接接入地网。铁塔地处山顶海拔1130米,且处于空旷地带,其年预计雷击次数较大,同时考虑该地区的雷电能量具备更大、破坏性更强(地电位反击、跨步电压等),在铁塔建设之初就需要安装限流型避雷针。
采用特殊材料(导电硅橡胶高分子电阻材料)和结构(半导体少长针辐射装)的限流形避雷针,是在富兰克林避雷针基础上发展起来的新型现代避雷针。在满足保护范围的同时,利用材料的阻抗特性,延缓雷闪主放电时间,使雷电流波形变宽、幅值降低、拉长雷电流波头使其平缓并衰减雷电流陡度,被限制了的雷电流将以较长的时间通过限流避雷针,从而有效地减弱感应雷和高电位反击造成的损害,完全克服了传统避雷针的缺陷。我们采用300KA限流型避雷器,抗风40米/S。
间接雷防护设计
间接雷主要经天馈线、室外交流电源线、光缆等侵入机房,损坏设备。我们的防护措施也主要集中在这几个可能的侵入通道上。
(1)配电系统防雷解决方案
电源系统分布较广,相对而言最易受间接雷危害,据统计,雷害80%是从电源线引入。由于雷电产生了强大的过电压、过电流,采用一级电源避雷器很难满足一次性在瞬间完成泄流和限压,电源配电系统的防雷必须采取多级梯度防护方式,层层设防来保证供配电系统避免雷电灾害导致用电设备的损坏。
1、交流电力变压器高压侧的三根相线,应分别就近对地加装氧化锌避雷器;电力变压器低压侧的每根相线应分别就近对地加装氧化锌无间隙避雷器。变压器的机壳、低压侧的交流零线,以及与变压器相连的电力电缆的金属外护层,应就近接地。低压传输电缆应采用带有金属铠装层的电缆,电缆的铠装与接地排连接。
2、在室外引入电源至总配电柜处,并联安装一台高能电源电涌保护器,作为泄能级电源第一级防护,并以最短路径接线,原则上连接线总长应<0.5米,当配电设备及接地汇集排的安装位置不合理导致不能保证浪涌保护器的连接线长度<1 米时,可以采用凯文接线法来弥补。我们选用了一个120KA的防雷箱,因为我们接有稳压器,所以防雷箱安装在稳压器的前面。
3、电源经稳压进入电源分配箱后并接一台电源电涌保护器,作为电源二级保护。在与前级浪涌保护器配合使用过程中,应注意与前级浪涌保护器间的线路长度应不小于10 米,若不能满足此要求时,应在两级浪涌保护器间的线路中增加去耦装置以弥补因线路长度不足带来的能量配合不合理的问题。我们选用了一个80KA的防雷模块。
4、在每个用电设备前端并联安装一台电源电涌保护器,作为限压级三级保护。我们在三个5KW个发射机、空调前各加装一个40KA防雷模块,共四台。
5、1KW发射机、光端机、监控等属于精密设备,单相供电系统,所以在电源前端串联三个20KA防雷插座作为三级防雷保护精密设备。
6、发电机房的市电输入端和输出端,加装电源防雷箱,实现发电机房的保护第一级防护
7、将浪涌保护器接地线连接到就近的接地排或均压环。
8、进、出机房的电源线路不宜采用架空线路,宜埋地引入机房,埋地长度不小于50m,埋地深度大于0.7米
(2)天馈线防雷方案:
天馈线上端一般都安装在塔体的顶部,下面进入机房,直接和发射机连接,防雷击的措施必须到位。天馈线浪涌保护器,一般串联安装在设备的射频出、入端口处,并将浪涌保护器接地线连接到就近的接地排。天馈线浪涌保护器的选择,应根据被保护设备的工作频率、平均输出功率、连接器形式及特性阻抗等参数,选用插入损耗及电压驻波比小适配的天馈线路浪涌保护器。
具有多副天线的天馈传输系统,每副天线都应安装适配的天馈浪涌保护器。天馈线应从铁塔中心部位引下,同轴电缆在其上部、下部和经走线桥架进入机房前,屏蔽层应就近接地,当天馈传输系统采用波导管传输时,波导管的金属外壁应与天线架、波导管支撑架及天线反射器作电气连通。
我们共有2付调频天线,一个功率15KW,一个5KW,我们选择了两个天馈线浪涌保护器,并按照规范进行了安装。
(3)信号系统防雷措施
进入发射机房的信号电缆一般有网线、音视频信号、控制线缆、数据线缆等。为了避免因通信电缆引入雷电的可能性,这些信号线路在进入设备前首先接入信号避雷器,信号避雷器的选择,应根据线路的工作频率、传输介质、传输速率、传输带宽、工作电压、接口形式、特性阻抗等参数,选用电压驻波比和插入损耗小的适配的信号避雷器。
进、出机房的信号线缆,宜选用有金属屏蔽层的电缆.并宜埋地敷设。电缆金属屏蔽层应做等电位连接并接地,信号避雷器的接地端及电缆内芯的空线对应接地。
由于光缆本身为非金属线缆,并不会传导电流,所以不需要对光缆进行特别的防护处理。仅需在其进入机房的光分线盒处将内部金属加强芯及金属的防潮层做接地处理即可。我们的信号线缆仅为光缆,在进入机房前30米入地埋设。
(4)防雷接地
接地是防雷工程最重要的一个分项,接地不好,所有防雷措施都不能有效的发挥作用,防雷接地也是高山台验收中最基本的安全要求。
1、接地方式,宜采用联合接地方法,就是将各部分防雷装置、建筑物金属构件、低压配电保护线(PE)、等电位连接带、设备保护地、屏蔽体接地、接地装置等连接在一起的接地系统。这种接地是目前国际上推举的最佳接地方式。采用这种接地方式时,接地装置的接地电阻值必须按接入设备中要求的最小值确定。根据设备要求这次我们设定的设计值是小于5Ω。
2、低阻地网的建立
系统接地主要由接地体、引入线连接线等组成接地网络,利用机房建筑物基础自然间横竖梁内的主钢筋组成网格不大于3米×3米的机房地网。引下线应为两根,分别引至铁塔的塔脚(对角引设),并保证接地系统的接地引出线与铁塔塔脚可靠连接。
接地在塔体每个塔脚引一个接地到塔四周的等电位环,根据地形、地势、土质分布情况,在机房地网四角设置四个辐射式外引接地体。接地体采用1*1*0.004米镀锌钢材,开挖坑为2×2×2M方坑,塔四周的等电位环及与接地体连接的水平连接采用40×4MM的镀锌扁钢。因为高山地质条件都不太好,一般都应采用降阻剂,现在物理降阻剂相对好些。
施工工艺问题:就是各项指标都合格的接地材料还要通过合理的施工和正确的施工工艺才行,比如降阻剂的均匀施加问题,埋深问题,回填土问题,如果有一个环节发生问题,就会影响降阻剂的降阻效果或对接地体造成腐蚀。水平接地连接扁钢埋设,开挖深度为0.8米,宽度0.4米沟槽,首先用黄土回填20CM,填20CM降阻剂,把镀锌扁钢铺在沟的中间,再填20CM降阻剂,上面回填20CM黄土,回填黄土不要夯实,过一周后再夯实(但不必过份用力),回填黄土时,适量洒水。注意接地体间距离要大于5米。在现场以降阻剂/水=3/1的比例加水,快慢搅拌1-2分钟,均匀,整体成糊状,立即倒入地坑中。接地体、等电位环等的连接,应采用搭接焊,搭焊长度不得小于扁钢宽度的两倍(即80MM),且应多边焊接,确保连接牢靠,须仔细清除焊渣,并在焊接部位涂覆沥青或其他防腐涂料。
3、机房内的走线架应每隔5米作一次接地。走线架、吊挂铁件、机架(或机壳)、金属通风管道、金属门窗,以及其它金属管线,均应良好接地并相互妥善连通。
4、变压器接地网应由电力部门实施,接地电阻不应大于10欧姆。
5、接地汇集线:接地汇集线一般设计成环形或排状,材料为镀锌钢材。机房的接地汇集线可设在地槽内、墙面适宜位置或走线架上。等电位连接线采用BVR4、10、16、35平方的铜缆。
防雷的日常管理
机房安装了防雷系统,并不代表可以高枕无忧,还要加强后期维护。雷雨季节,加强外观巡视,经常检查防雷设备的性能标识,及时更换失效设备,每年至少在雨季来临之前,由专业防雷机构对防雷系统进行一次安全检测,定期测量地阻。
结束语
防雷是一项复杂的系统工程,没有任何一种产品可以全面防止雷害,我们必须提高对防雷工作的认识,积极研究新技术,针对不同地点、不同保护对象,采用相应的防雷措施。■