广播电视塔及发射机房防雷系统项目的技术报告----2014410

1、颍上县广播电视台发射机房综合防雷系统颍上电视台发射塔经常受到雷电侵袭，为确保节目播出的正常进行，通过建设综合防雷系统，强化了发射设备及建筑物防雷的效果，保障了雷击发生时广播电视设备的安全运行。一、 广播电视发射系统遭雷击的历史情况发射机房、微波机房、录音室、编辑室、交换机房及供配电的整个系统，于1999年7月正式启用。该系统启用之后，共发生过5次雷击现象，其中前3次没有引起重大事故，后2次则产生了比较严重的雷击后果。二、 受雷击原因的调查分析1. 雷电与影响雷电放电过程中在雷击中心1.5km-2km的范围内，都可能产生危险的过电压。当雷电对地面物体闪击放电时，将在雷闪入地处产生暂态地电位升高，

2、在放电通道周围空间中形成较强的静电感应和磁场感应，最终在附近物体或引线产生瞬间尖峰冲击电压。避雷一般分为外部避雷和内部避雷。避雷针、引下线和接地系统构成外部防雷系统，主要是为了保护建筑物免受雷击,内部防雷系统则是为了防止雷电或其它内部过电压侵入设备造成毁坏。由于雷击发生的时间和地点以及雷击强度的随机性，因此对雷击的防范，难度很大，要达到阻止和完全避免雷击事故的发生是不可能的。国际电工委员会标准IEC-61024和国标GB50057均明确指出，建筑物安装防雷装置后，并非万无一失。所以按照防雷技术规范要求安装防雷装置和采取防护措施后，可能将雷电灾害降低到最低限度，减少被保护的电子信息系统设备遭受雷

3、击损害的风险。雷电防护主要应坚持预防为主、安全第一的原则，采取相应的防护措施，将雷电高电压、大电流堵截消除在电子信息设备之外，不允许雷电电磁脉冲进入设备，即使漏过来的很小一部分，也要采取有效措施将其疏导入大地，这样才能达到对雷电的有效防护。建筑物电子信息系统遭受雷电的影响是多方面的，既有直接雷击，又有从电源线路、信号线路等入侵的雷电电磁脉冲，还有在建筑物附近落雷形成的电磁场感应，以及接闪器接闪后由接地装置引起的地电位反击。在采取防雷措施时，不但要考虑防直接雷击，还要防雷电电磁脉冲、雷电电磁感应和地电位反击等，因此，电子信息系统应采用外部防雷和内部防雷等措施进行综合防护。如下图1-1所示：综 合

4、 防 雷 系 统接闪器（针、网、带、线）引下线屏蔽接地装置共用接地系统屏蔽（隔离）等电位连接合理布线安装浪涌保护器（SPD）外部防雷措施内部防雷措施图1-1 建筑物电子信息系统综合防雷系统图中所示外部防雷措施中的屏蔽，主要是指建筑物钢筋混凝土结构金属框架组成的屏蔽笼（即法拉第笼）、屋顶金属表面、立面金属表面和金属门窗框架等，这些措施是内部防雷措施中使雷击产生的电磁场向内递减的第一道防线。建筑物综合防雷系统的组成，除外部防雷措施、内部防雷措施外，尝应包含在电子信息系统设备中各种传输线路端口分别安装与之适配的浪涌保护器（Surge Protective Device简称SPD），其中电源SPD不仅

5、具有抑制雷电过电压的功能，同时还具有防止操作过电压的作用。三、雷电防护的基本理论1、雷电的破坏性雷电是一种极具破坏力的自然现象，其电压可高达数百万伏，瞬间电流更可高达数十万安培，在雷击中心1.52Km范围内都可能产生危险过电压损害线路上的设备。雷电产生于雷暴，雷暴是积雨云中云与云之间或云与地之间产生的放电现象，强大电流通过时，又使空气迅速膨胀产生巨大的响声，即雷电。一般而言，雷电灾害具有突发性、多样性、复杂性、破坏性和选择性等特点。随着现代化高新技术产业基础电子技术的迅速发展和广泛运用，雷电还呈现出新的特点：受灾面大大扩展，特别容易侵入与高新技术最密切的领域，损失和危害程度大大增加。近年来，随

6、着大量的数据设备和精密仪器应用的范围日益广泛，雷电损害造成的事故有逐年上升的趋势。由于通讯计算机网络精密设备内部结构的高度集中化，使设备耐受过电压、过电流的能力下降，更易遭受雷电破坏。2、雷电浪涌入侵电子信息系统的途径（1）、从配电线路引入雷电浪涌在配电线路上产生的雷电浪涌过电压（电流），直接通过配电线路传到弱电子设备，并将设备损坏，一般是将设备的电源部分损坏。根据配电线路上雷电浪涌的成因及危害性可分为以下几种情况：图2-1 电源线路引入雷电（2）、从通信线路引入雷电浪涌通信线路（电话线路、数据线路、高频馈线、载波通信线等）感应雷电后，雷电浪涌也直接通过通信线路传到设备，并将设备损坏，一般是将

7、设备的通信口损坏，与供电线上产生雷电流的情况相似，通信线路上的雷电浪涌比供电线路上的产生的雷电浪涌要小。电子信息系统设备语音通信线路光纤通信线路数据通信线路高频天馈线路图2-2 通信线路引入雷电（3）、雷电电磁场的影响雷云对地、雷云对雷云发生闪击，或是闪电进入建筑物的避雷针系统以后，所产生瞬变电磁场都会在一定范围空间内产生电磁作用。它可以是电磁感应作用，也可以是脉冲电磁辐射（LMEP)。IEEE实验证明，磁脉冲超过0.07GS时就会导致微机失效，引起通信信息差错。当闪电发出的磁脉冲超过2.4GS时，集成电路将发生永久性的损坏。这种雷电电磁脉冲（LEMP）对处在其空间范围内的一切电子设备发生作用

8、，可以在闭合回路中产生感应电流，也可以不闭合回路端口产生感应电动势。由于其瞬变时间极短，所以感应的电压可以很高，以致产生火花。（4）、地电位反击引入高压对于电子信息系统，某些设备制造商为了避免干扰，采用独立的直流地网，此地网与建筑物的防雷接地地网没有直接电气连接。由于建筑物防雷接地地网存在一定的电阻值，所以在接闪器截获闪电向大地泻放强大雷电流的瞬间，接地装置将产生一个很高的电压，各地网之间可能存在较高的电位差，该电位差通过接地线直接加在系统设备上，过高的电位差很有可能将设备损坏。3、雷电浪涌波的主要特性当直击雷发生时，雷层向大地放电多为负闪击，其电流峰值以2050KA居多。正闪击比负闪击猛烈，

9、其电流峰值往往在100KA以上。如图2-3所示：图2-3 雷电浪涌波形图由于直击雷的发生，会引起附近金属导线产生感应雷电浪涌，形成局部感应高电压，在高压架空线路可达400KV，一般低压架空线路可达100KV，电信线路可达40KV。多年以来，世界各地科学家通过大量的科学实测，得出以上雷电的典型波形。图中曲线表明雷电流是随时间以近似指数函数规律上升至峰值，然后又近似指数函数规律下降。曲线峰值左边部分称为波前，从峰值至电流下降到峰值的一半这部分称为波尾，雷电流波形的波前很陡，通常只有零点几s到几十s，波尾也只有几十s到几百s之间，并包含丰富的谐波电流。雷电之所以破坏性很强，只要是以为它把雷云蕴藏的能

10、量在短短的几十s放出来，从瞬间功率来讲，它是非常巨大的。通常一次雷击的发生可能出现三种雷击：短时首次雷击、首次以后的雷击（后续雷击）、长时间雷击。t±it-it±i短时首次雷击首次以后的雷击（后续雷击）长时间雷击图2-4 三种雷击波形比较1、首次雷击的雷电流参量雷电流参数防雷建筑物类别一类二类三类I幅值（KA）200150100T1波头时间（s）101010T2半值时间（s）350350350Qs电荷量（C）1007550W/R单位能量（MJ/）105.62.52、首次以后雷击的雷电流参量雷电流参数防雷建筑物类别一类二类三类I幅值（KA）5037.525T1波头时间（s）0

11、.250.250.25T2半值时间（s）100100100I/T1平均陡度（KA/s ）2001501003、长时间雷击的雷电流参量雷电流参数防雷建筑物类别一类二类三类Q1电荷量（C）200150100T时间（s）0.50.50.54、雷电防护区划分雷电防护区的划分是将需要保护和控制雷电电磁脉冲环境的建筑物，从外部到内部划分为不同的雷电防护区（LPZ）。雷电防护区应划分为：直击雷非保护区、直击雷防护区、第一防护区、第二防护区、后续防护区（如图2-5所示），并符合下列规定：图2-5 建筑物雷电防护区（LPZ）划分I、直击雷非防护区（LPZOA）此区电磁场没有衰减，各类物体都有可能遭受到直接雷击，

12、属于完全暴露的不设防区。II、直击雷防护区（LPZOB）此区电磁场没有衰减，各类物体很少遭受直接雷击，属于充分暴露的直击雷防护区。III、第一防护区（LPZ1）此区由于建筑物的屏蔽措施，流经各类导体的雷电流比直击雷防护区（LPZOB）减小，电磁场得到了初步的衰减，各类物体不可能遭受直接雷击。IV、第一防护区（LPZ2）此区属于进一步减小所导引的雷电流或电磁场而引入的后续防护区。V、后续防护区（LPZn）此区属于需要进一步减小雷电电磁脉冲，以保护敏感度水平高的设备的后续防护区。四、电视台发射系统受雷击的原因（1）整个电视塔工作区只有外部避雷系统，而电视塔处于市中心的最高位置，受雷击的概率较大。当

13、雷击发生时，雷电流经过避雷针、引下线（电视塔身）、接地网疏散到大地。由于塔身的高度及中间有许多螺栓等连接点，因此铁塔本身就有电阻存在，塔身周围就可能产生强大的静电感应和磁场感应，易形成所谓的“二次雷击效应”或称作“感应雷”，最终在附近暴露的线缆和物体上就易形成过压过流波侵入电器设备使之损坏。（2）各类接地网存在有接地电阻。一般雷电的放电电流达2000A-20000A，假定电视塔遭受一个中等雷击，放电电流为10000A，通过检测，电视塔的接地电阻为0.5，那么，在雷击时的瞬间对地电压为5000v，由于机房及各类设备均采用接地防雷，且汇合在一处，在如此高的电位差下，这使得机房内不同位置上的电子设备

14、所处电位不同，也会在连接这些电子设备间的线路上形成瞬间的过压过流波造成设备损坏。若此电压反窜到供配电零线上，则220v的相电压上就可能出现约8000v的瞬间电压，则连接电源的设备也将受到损害。通过调查和分析，基本可以确定机房设备和外围设备易受雷击损坏的原因有如下几点：（1）整个电视塔工作区只有外部避雷系统，没有安装内部避雷系统，二次感应或二次反击造成设备的损害。（2）接地方式改变成统一集中在电视塔基处入地，增加了二次反击的可能性。（3）室外的许多信号线缆、馈管、供电线缆等没有采用屏蔽和接地等手段，易遭受感应雷的侵扰。（4）由于机房是围绕着电视塔的建筑，塔身与机房间形成垂直通道性的空洞，雷击的二

15、次感应会通过窗户窜入机房。从各机房曾经出现过几次雷击感应火球的情况就印证这一点。五、 具体措施结合本台机房设备及地理情况等多方面因素，决定采用多级防护来对整个发射系统及相关建筑物进行全方位防雷。建设发射设备及建筑物的综合防雷避雷设施。对直击雷、感应雷、感应雷电波、地电位的反击等进行层层设防，最大限度的减轻雷电的危害，提高整个广播电视发射系统的运行安全系数。1. 外部避雷系统（1）对塔身各连接处的大小螺栓彻底除锈处理后进行紧固。（2）把80馈管的接地与铁塔的接地重新做了铆接处理。（3）增设室外的走线桥架，把连接机房和设备等各类暴露的线缆及供电线缆全部通过屏蔽的桥架重新走线。（4）重建铁塔和机房接

16、地网，重新埋设了编辑室、录音室、交换机房、直播间等房间的接地网，把供配电房、机房设备、微波机房接地等做整体焊接处理。并在接地网整体焊接过程中埋设了两个石墨接地体，以便更好的泄放电流，降低接地电阻。2. 内部避雷系统（1） 电源的防雷高压电力电缆在进入变压器之前为架空电缆，雷击时，会在极短的时间内流过大量电流。为此，从供电变压器低压端起，至各配电设备的输入端装配了2级电源防雷器。防雷器的作用，就是在最短时间（纳秒级）泄放掉侵入供电设备的雷电流，从而保护用电设备。如下图所示：二楼半节目制作室电源调频机房电柜微波机房开关电源23451变压器机房用电柜6发射机房稳压电源2发射机房稳压电源1防雷器1为一

17、级防雷，采用德国DEHN牌最新型带故障灯指示的防雷器DVA CSP 50间隙型防雷器，它能把雷击造成的数万伏电压在极短的时间内降至680V；防雷器2、3、4、5、6为二级防雷，采用德国DEHN guard T/1+1，将残压滤净。（2） 线缆的防雷有些电缆是从安装在塔上的设备和屋顶平台的设备上引入机房，无法放入走线桥架内。对于信号电缆，采用了同为TTS-CoaxB-TV信号同轴防雷器，它能提供足够的线对线及线对地保护。对于各类型的发射馈管和微波波导馈管等，在入机房前，把外橡胶保护层割开，对馈管外壁进行单独接地，然后完全密封保护层割开处理。（3）、网络系统的防雷在二楼半节目制作室到五楼发射机房的播出设备两端，加装千兆网专用防雷器TTS-E1000/8S对端口进行保护。(4)、机房等电位连接I、在机房静电地板下铺设30*3紫铜排作为设备接地及静电卸放使