淺談廣播電視高山臺(tái)站的防雷保護(hù)技術(shù)

魏愛(ài)成

(山西廣播電視無(wú)線管理中心，山西太原030001)

隨著廣播電視技術(shù)的迅速發(fā)展，設(shè)備的集成度越來(lái)越高，其耐壓水平也越來(lái)越低。由于廣播電視高山臺(tái)站分布范圍廣，位置處于制高點(diǎn)，容易遭受雷擊災(zāi)害。雷電具有很強(qiáng)的破壞性，一旦臺(tái)站遭受雷擊，容易造成設(shè)備損壞，傳輸信號(hào)中斷，給社會(huì)帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)影響，因此做好臺(tái)站的防雷保護(hù)是一項(xiàng)非常重要的工作。

1 雷電的種類(lèi)［1］

(1)直擊雷:是雷電直接擊在建筑物、大地、防雷裝置或其它物體上產(chǎn)生電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械力。

(2)感應(yīng)雷:是雷電在雷云之間或雷云對(duì)地的放電時(shí)，并在附近的戶(hù)外傳輸信號(hào)線路、埋地電力線、設(shè)備間連接線和電磁感應(yīng)并侵入設(shè)備，使串聯(lián)在線路中間或終端的電子設(shè)備遭到損害。感應(yīng)雷破壞也稱(chēng)為二次破壞。它分為靜電感應(yīng)雷和電磁感應(yīng)雷兩種。

(3)雷電波侵入:是由于雷電對(duì)架空線路或金屬管線的作用，雷電波可能沿著這些管線侵入屋內(nèi)，危及人身安全或損壞設(shè)備。

(4)球形雷:是一種特殊的雷電現(xiàn)象，簡(jiǎn)稱(chēng)球雷，是一種似紅色火焰的發(fā)光球體，一旦遇到物體或電氣設(shè)備時(shí)會(huì)產(chǎn)生燃燒或爆炸，其主要是沿建筑物的孔洞或開(kāi)著的門(mén)窗進(jìn)入室內(nèi)，有的由煙囪或通氣管道滾進(jìn)樓房，多數(shù)沿帶電體消失。

2 雷電的危害

雷電危害，不僅會(huì)造成人員傷亡，而且對(duì)機(jī)房設(shè)備的損害很大。

2.1 雷電對(duì)人的傷害

主要有四種形式，即:直接雷擊、接觸電壓、旁側(cè)閃擊和跨步電壓。

(1)直接雷擊:在雷電現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，閃電直接襲擊到人體，因?yàn)槿耸且粋€(gè)很好的導(dǎo)體，高達(dá)幾萬(wàn)到十幾萬(wàn)安培的雷電電流，由人的頭頂部一直通過(guò)人體到兩腳，流入到大地。人因此而遭到雷擊，受到雷電的擊傷，嚴(yán)重的甚至死亡。

(2)接觸電壓:當(dāng)雷電電流通過(guò)高大的物體，如高的建筑物、樹(shù)木、金屬構(gòu)筑物等泄放下來(lái)時(shí)，強(qiáng)大的雷電電流，會(huì)在高大導(dǎo)體上產(chǎn)生高達(dá)幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)伏的電壓。人不小心觸摸到這些物體時(shí)，受到這種觸摸電壓的襲擊，發(fā)生觸電事故。

(3)旁側(cè)閃擊:當(dāng)雷電擊中一個(gè)物體時(shí)，強(qiáng)大的雷電電流，通過(guò)物體泄放到大地。人體的電阻很小，如果人就在這雷擊中的物體附近，雷電電流就會(huì)在人頭頂高度附近，將空氣擊穿，再經(jīng)過(guò)人體泄放下來(lái)，使人遭受襲擊。

(4)跨步電壓:當(dāng)雷電從云中泄放到大地時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電位場(chǎng)。電位的分布是越靠近地面雷擊點(diǎn)的地方電位越高;遠(yuǎn)離雷擊點(diǎn)的電位就低。如果在雷擊時(shí)，人的兩腳站的地點(diǎn)電位不同，這種電位差在人的兩腳間就產(chǎn)生電壓，也就有電流通過(guò)人的下肢。兩腿之間的距離越大，跨步電壓也就越大。

2.2 雷電對(duì)機(jī)房設(shè)備的危害

高山臺(tái)站高壓線路、天線、饋線、機(jī)房設(shè)備以及水管、暖氣管道時(shí)刻都處于雷擊的嚴(yán)重威脅之中。雷電侵入波由于閃電脈沖放電峰值電流大，電場(chǎng)強(qiáng)，電流隨時(shí)間變化率大，且放電過(guò)程所形成的頻譜范圍寬，因此，對(duì)微波傳輸線路會(huì)感生出強(qiáng)大的感應(yīng)過(guò)電壓和感應(yīng)過(guò)電流，一旦感應(yīng)過(guò)電壓和感應(yīng)過(guò)電流被引入微波設(shè)備的內(nèi)部，將產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾甚至毀壞設(shè)備。而微波設(shè)備上的元器件耐壓水平很低，電源線路和信號(hào)線路有的未設(shè)置必要的過(guò)電壓保護(hù)，還有一些其他原因，例如電源線路、信號(hào)線路和與信號(hào)有聯(lián)系的微波線路管道、結(jié)構(gòu)件等如果布置不當(dāng)，形成一個(gè)開(kāi)口導(dǎo)電環(huán)，當(dāng)遠(yuǎn)處落雷時(shí)，地面電磁場(chǎng)也可在環(huán)內(nèi)感應(yīng)過(guò)電壓，環(huán)路包繞的面積越大，感應(yīng)的過(guò)電壓也越高，擊壞微波設(shè)備的危險(xiǎn)性就越大。

3 雷擊的主要途徑

3.1 雷電通過(guò)臺(tái)站鐵塔和天饋線侵入

一般的臺(tái)站鐵塔較高，當(dāng)鐵塔的避雷針受到直接雷擊時(shí)，雷電流通過(guò)鐵塔，經(jīng)其接地裝置散流入地，使地網(wǎng)地電位升高，導(dǎo)致基站地網(wǎng)與設(shè)備之間產(chǎn)生很高的電位差而形成地電位反擊，對(duì)機(jī)房設(shè)備造成損壞。如果天饋線為同軸電纜，在導(dǎo)體上感應(yīng)出較強(qiáng)的感應(yīng)電流，即為同軸電纜的感應(yīng)電流。感應(yīng)電流經(jīng)同軸電纜從鐵塔天線進(jìn)入臺(tái)站機(jī)房，燒壞設(shè)備。

3.2 雷電通過(guò)架空管線侵入

架空管線是引入雷害的重要途徑。當(dāng)雷云放電時(shí)，其空間形成強(qiáng)大的電場(chǎng)，在架空管線靠近終端時(shí)，主要成分是水平電場(chǎng)，出現(xiàn)在電場(chǎng)中的突出物體最易出現(xiàn)感應(yīng)電荷的集中，使其周?chē)妶?chǎng)強(qiáng)度顯著增加，架空管線很容易發(fā)生尖端放電而被雷電擊中。當(dāng)架空管線遇雷電侵襲時(shí)，將過(guò)電壓引入機(jī)房，很可能燒壞設(shè)備。雷云對(duì)地放電也會(huì)在架空管線上感應(yīng)過(guò)電壓，該過(guò)電壓也會(huì)對(duì)電源設(shè)備造成威脅。

3.3 雷電電磁感應(yīng)影響

接閃器在接閃過(guò)程中，雷電流強(qiáng)度大，放電時(shí)間短，在接閃器和引下線周?chē)鷮a(chǎn)生較大的瞬時(shí)電磁場(chǎng)。在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，處于磁場(chǎng)中的導(dǎo)體將產(chǎn)生高達(dá)幾千至幾萬(wàn)伏的感應(yīng)電壓，如此之高的感應(yīng)電壓勢(shì)會(huì)造成微波設(shè)備的損壞。微波設(shè)備是集成化較高的設(shè)備，耐沖擊力相對(duì)較差，因此受雷電感應(yīng)的影響較大。

3.4 臺(tái)站機(jī)房引入雷電

當(dāng)臺(tái)站機(jī)房建在山頂上，機(jī)房位置的海拔高度很高時(shí)，直擊雷可能繞過(guò)避雷針從橫向及斜面擊中被保護(hù)物，這種現(xiàn)象叫雷電繞擊。在這種情況下，孤立的避雷針往往已不能防御雷電對(duì)機(jī)房的直擊。因此，臺(tái)站機(jī)房必須采取必要的防雷措施。

4 防雷技術(shù)

4.1 雷電防護(hù)原理

雷電由高能的低頻成分與極具滲透性的高頻成分組成。其主要通過(guò)兩種形式［2］，一種是通過(guò)金屬管線或地線直接傳導(dǎo)雷電致?lián)p設(shè)備;另一種是閃電通道及泄流通道的雷電電磁脈沖以各種耦合方式感應(yīng)到金屬管線或地線產(chǎn)生浪涌致?lián)p設(shè)備。絕大部分雷損由這種感應(yīng)而引起。對(duì)于機(jī)房設(shè)備而言，危害主要來(lái)自于由雷電引起的雷電電磁脈沖的耦合能量，通過(guò)以下三個(gè)通道所產(chǎn)生的瞬態(tài)浪涌。一是金屬管線通道，二是地線通道，三是空間通道。其中金屬管線通道的浪涌和地線通道的地電位反擊是機(jī)房設(shè)備系統(tǒng)致?lián)p的主要原因，它的最常見(jiàn)的致?lián)p形式是在傳輸線上引起的雷損，所以需作為防護(hù)的重點(diǎn)。由于雷電無(wú)孔不入地侵襲機(jī)房設(shè)備系統(tǒng)，雷電防護(hù)將是個(gè)系統(tǒng)工程，雷電防護(hù)的中心內(nèi)容是泄放和均衡，所以防雷是個(gè)不容忽視的問(wèn)題。

4.2 防雷措施

(1)鐵塔的防雷措施

鐵塔頂部天線平臺(tái)處，塔身中部及塔基處應(yīng)預(yù)留接地孔，或?qū)⒏浇砭o固螺栓改用加長(zhǎng)緊固螺栓作接地點(diǎn)。因鐵塔較高，一定要保證連接點(diǎn)的數(shù)量和分散性，以利于分散雷電流。鐵塔為落地塔時(shí)，其鐵塔地網(wǎng)與機(jī)房地網(wǎng)之間應(yīng)每間隔3～5 m相互焊接連通1次，且至少有2處相互連通。鐵塔四腳與其他地網(wǎng)就近焊接連通。天線應(yīng)有防直擊雷的保護(hù)措施。天線鐵塔設(shè)避雷針并與鐵塔焊接。天線安裝位置應(yīng)在避雷針的防雷保護(hù)區(qū)內(nèi)。避雷針與鐵塔焊接的目的就是確保避雷針有良好的接地線，以保證雷電流及時(shí)流入大地。

(2)架空管線的防雷措施

連至機(jī)房的架空管線不能直接進(jìn)入，應(yīng)分類(lèi)穿入金屬管埋地后進(jìn)入機(jī)房。若路程較長(zhǎng)，應(yīng)加裝保護(hù)裝置。金屬管兩端分別與地線焊接，焊點(diǎn)要作防腐處理，電力線與信號(hào)線不能混合走線。各系統(tǒng)的接地應(yīng)按照安裝要求，分別接至各自的接地匯流排，再統(tǒng)一接至室內(nèi)接地排。機(jī)房?jī)?nèi)直流電源接地線從室內(nèi)地線排上引入，與保護(hù)地各自獨(dú)立，再接入接地匯流排上，且不共用引線。

(3)天饋線的防雷措施［3］

饋線屏蔽層應(yīng)在塔頂、饋線離開(kāi)塔身至機(jī)房轉(zhuǎn)彎處上方0.5～1.0 m處、進(jìn)入機(jī)房入口后的內(nèi)側(cè)3點(diǎn)妥善接地。當(dāng)長(zhǎng)度超出60 m時(shí)，應(yīng)在其中間增加接地點(diǎn)，使相鄰2個(gè)接地點(diǎn)間距離不超過(guò)60 m，室內(nèi)走線架應(yīng)每隔5～10 m接地1次。要求饋線進(jìn)入室內(nèi)后加裝避雷器，避雷器的安裝位置應(yīng)盡可能緊靠饋線進(jìn)建筑物的入口處。

(4)機(jī)房的防雷措施

對(duì)于機(jī)房的防雷問(wèn)題應(yīng)包括機(jī)房的建筑物防雷接地、機(jī)房設(shè)備和供電系統(tǒng)的防雷接地。

(5)等電位連接

臺(tái)站地網(wǎng)應(yīng)按均壓、等電位的原理，將工作地、保護(hù)地和防雷地組成一個(gè)聯(lián)合接地網(wǎng)，臺(tái)站內(nèi)各類(lèi)接地線應(yīng)從接地匯集線或接地網(wǎng)上分別引入。對(duì)于高土壤電阻率地區(qū)的高山基站地網(wǎng)，除了要降低其地阻值外，最重要的是進(jìn)行等電位連接、屏蔽以及均壓處理，以達(dá)到各部分之間的電位分布均勻，使電位差為“零”，從而確保雷電流不會(huì)對(duì)各部分造成高壓反擊及減小電磁干擾。

(6)降低接地電阻值

臺(tái)站地阻值要求應(yīng)小于4 Ω，在高土壤電阻率地區(qū)，降低接地電阻的常用方法有以下幾種:一是采用多支線外引接地裝置，外引長(zhǎng)度應(yīng)不大于有效長(zhǎng)度;二是接地體埋于較深的低電阻率土壤中;三是采用降阻劑;四是換土。

4.3 防雷設(shè)備

常用的防雷設(shè)備有:避雷器、壓敏電阻器、陶瓷放電管、配線保安單元、高頻信號(hào)保護(hù)器、同軸電纜保護(hù)器、過(guò)壓保護(hù)器、保護(hù)轉(zhuǎn)換隔離器等。其中避雷器的種類(lèi)［4］主要有電源避雷器、信號(hào)型避雷器、天饋線避雷器三種。電源避雷器是最常用的，是電器設(shè)備防雷的重點(diǎn)。信號(hào)型避雷器，多數(shù)用在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信系統(tǒng)上。天饋線避雷器，比較適用于有發(fā)射機(jī)天線系統(tǒng)和接收無(wú)線電信號(hào)設(shè)備系統(tǒng)。在正常情況下，防雷器處于高阻狀態(tài)。

5 結(jié)束語(yǔ)

廣播電視設(shè)備的雷電防護(hù)，是保護(hù)設(shè)備及人身安全的重要技術(shù)手段，是確保設(shè)備正常運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)安全傳輸不可缺少的技術(shù)，因此，做好臺(tái)站的防雷保護(hù)非常必要。

［1］肖穩(wěn)安，張小青.雷電與防護(hù)技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:氣象出版社.2006

［2］虞昊.現(xiàn)代防雷技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京.清華大學(xué)出版社，2005.

［3］周志敏.電子信息系統(tǒng)防雷接地技術(shù)［M］.北京:人民郵電出版社，2004.

［4］蘇邦禮.雷電與避雷工程［M］.廣州:中山大學(xué)出版社，1996.