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1、常州电视塔及技术机房防雷系统的分析与改造朱亚欣内容提要本文经过对常州电视发射塔及机房设备受雷击原因的分析，提出了防雷的具体方法。通过防雷技术改造，强化了技术区避雷防雷的效果，保障了雷击发生时广播电视设备的安全运行。一、 概 述作为常州城区最高建筑物之一 常州电视发射塔在已有避雷手段的情况下，还经常受到雷电的侵袭。为确保安全播出的正常进行，必须全方位的加强电视塔和机房区的防雷避雷措施。对雷电可能入侵的诸多方面高空的直接雷、天线馈线和各类信号线的感应雷、电力线的感应雷电波、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，提高整个广播电视的运行安全保障率。二、 电视信号和发射系统遭雷击的历史情
2、况电视信号系统是以常州电视塔为中心，包括发射、微波机房及供配电的整个系统，1985年6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次则发生了比较严重的雷击后果，发射部和微波站的部门大事记均有详细记录，现抄录如下：1. 1996年8月18日，发射部大事记载：“下午2:30左右，发射机房、值班机房遭特大雷击。造成发射设备跳机，烧保险丝，中间设备中进口视分五个频道的插件全部打坏，五只电视接收机遭雷击损坏。”微波站大事记载：“下午2点多钟，我站遭雷击经统计全站损坏各类设备计12件，常州溧阳（微波），常州金坛（微波）因雷击造成部分或全部信号停传”。21998年7月1
3、6日，发射部大事记载：“下午4:30，局大院遭受击，全局停电”。微波站大事记载：“下午我站遭雷击，外电中断，部分视音分损坏”。另据电工和维护人员的维修记录，这次雷击损坏的具体设备情况是：电源配电房2#屏内整流二极管击穿；发射机房稳压板2只熔断器击穿；五台进口视分集成块烧坏；华通牌电视微波机高频头损坏等。96年、98年的这两次雷击，给我台播出设备造成了较重的损失，引起了台领导和市劳动局的重视，为此，要求我部对防雷问题提出整改措施。三、 受雷击原因的调查分析从这5次雷击的情况和结果来看，前三次雷击造成的损害程度较轻，后二次则雷击程度较重。那么是不是完全是由于雷击大小的原因，即前三次直击雷小后二次直
4、击雷大决定的呢？是不是还存在着自身原因，即设备变动或防雷设施变动而造成这样不同结果呢？1. 雷电与影响雷电是一种常见的自然现象，其放电过程包括；雷云与雷云之间的放电、透过向物体击打放电、直接击向大地放电等。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，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。2. 工作区
5、防雷系统原状原系统在防雷设施方面，除了在电视塔顶安装避雷针外，实施有四种接地方式：一是电视塔的防雷接地；二是供配电的保护接地；三是播出机房的工作接地；四是屏蔽房的屏蔽接地。四种接地自成系统，互相分开。为什么还有屏蔽接地呢？因为按原设计方案，电视发射的各个频道是分开的，为避免互相影响，根据机房结构，共设有8个屏蔽室，有一个公共地。至于播出机房的防雷，则在机房的一层地面敷设有均压网，保证电视塔一旦遭雷击时形成的跨步电压在人体的安全范围。在播出机房的楼层面和房顶的水泥层，都是用较密的钢筋网现浇而成，并用等电位连结棒和机房工作接地网连成一体，所以播出机房也具有一定的屏蔽防雷作用。我台于92年10月，完
6、成了对发射微波机房的改造。由于这次机房改造是属于装潢性质，仅仅拆通了屏蔽机房，对整个系统的防雷设施无多大影响。然而从1995年起，我台对发射微波机房的改造有几个大动作就改变了老系统防雷设施的状态。如：95年3月，我台完成了6CH天线的改造，将6CH天线升到电视塔靠近避雷针的桅杆上。这一举措的效果我们不说，单从防雷的角度讲，可能削弱了电视塔对发射系统的保护程度。95年4月，进口视音分配器用于东机房。据维护人员反映，后来的两次雷击，损坏的设备主要是进口视音分配器，而且几乎都是视音分内部的VDA3310集成块烧坏。这说明进口视音分耐冲击力较差，也是易遭雷击的一个自身原因。95年7月，完成所有发射机集
7、中于东机房的改造。9月又完成了中间设备的改造。这两项改造对原系统的影响，主要是改变了从微波站到发射部的信号线走向。原来的信号线都是从机房内部的地槽走的，而改造后各频道的信号线都从机房外面走，这就是说，各频道的信号线改造后不受机房的屏蔽保护，增加了外部雷电感应的可能性。96年9月，完成发射微波机房的地线改造。为什么要进行发射微波机房的地线改造？据1996年6月24日常州电视台技术委员会第二十五次会议纪要载，有四个原因：（1） 接收画面时有交流干扰现象，严重影响低频信噪比；（2） 接收画面时有网纹干扰出现；（3） 伴音接收时串入广播声音；（4） 由于微波、发射机房地电位不同，造成进口视分损坏等。以
8、上四个原因，是95年机房改造后的事情。地线改造完成后，验收时信号状况大大改善，达到了预期目的。但是，从会议纪要看，当时对防雷问题可能疏于注意。在这次地线改造后，原有的防雷设施有了较大的变动，表现在：（1）原来的四个接地网中三个网（机房的工作接地网，配电房的保护接地网和屏蔽房的屏蔽接地网）都废弃不用，只用一个，即集中于电视塔防雷接地网。（2）原来各个系统自行接地，变成所有机房的集中接地，都集中于电视塔南面两脚入地。（3）地线改造时我台企图和调频分开，把原来和调频机房相连的地线锯断隔开，结果调频看到我们把接地集中于铁塔，就也和我们的接在一起，还是没有分开。（4）供配电的保护接地，本来应该避开防雷接
9、地，也和铁塔接在了一起。3. 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）各类接地网的存在，必然会有接地电阻。据资料提供的数据，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
10、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）经过几次机房改造，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
11、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。四、 改造的具体措施1. 外部避雷系统的整改（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）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。（3）保留铁塔原有的接地网，分别重新埋设供配电的保护接地、机房设备的工作接地等。（4）在机房建筑上方与塔身之间，设计安装了一个采用不锈钢制作的网罩并
12、可靠接地，杜绝感应火球的危害。2. 内部避雷系统的增设（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：微波机房三相稳压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为一级防雷，采用雷电通ESP415，它能把雷击造成的数万伏电压在极短的时间内降至600V；防雷器2、3、4、5、6为二级防雷，采用雷电通V20-C4，将残压全部滤净。
13、（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，采用了雷电通KoaxB-E2/MF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。五、 后记电视塔工作区的综合防雷系统改造完成后，据各机房值班情况记录统计：从1998年完成防雷工程至今，电视塔处曾发生过两次因雷击而造成的外电跳闸，一次通过电话线窜入损坏两部电话，机房内外所有设备则完好无损。防雷系统的改造，不仅是对人员和设备提供了更好的保护，更重要的是进一步确保了信号的安全优质播出，提高了广播电视的经济和社会效益，因此，采取的改造措施应该说是较为成功的。5
