淺析雷電與安全

申翔

摘 要：河南省部分中波發(fā)射臺(tái)地處偏遠(yuǎn)山區(qū)，海拔高、地貌突兀，容易遭受雷電的侵襲和災(zāi)難性侵害，文章結(jié)合實(shí)際經(jīng)歷，結(jié)合理論及技改成果，對(duì)雷電與安全的關(guān)系進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：防雷避雷；接地器；屏蔽；電流電壓；安全播出

中圖分類號(hào)：TM86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2014）11-0054-02

隨著社會(huì)的進(jìn)步，廣播電視已完全融入群眾的生活，把優(yōu)質(zhì)動(dòng)聽(tīng)的廣播信號(hào)發(fā)送給每個(gè)聽(tīng)眾，確保廣播設(shè)備穩(wěn)定工作是每個(gè)中波廣播技術(shù)工作者職責(zé)。山區(qū)或者曠野地貌的中波發(fā)射臺(tái)，容易遭到雷電的襲擊。掌握科學(xué)新技術(shù)、排除廣播發(fā)送設(shè)備的疑難問(wèn)題，保障設(shè)備安全工作，防范突發(fā)災(zāi)害性侵害。

雷電是高速運(yùn)動(dòng)的云團(tuán)在相互摩擦過(guò)程中形成帶電荷的云，當(dāng)兩團(tuán)帶有異性電荷的云相遇時(shí)，將擊穿兩者之間絕緣空氣，正負(fù)電荷進(jìn)行中和放電，產(chǎn)生雷電，其實(shí)雷電是大氣中帶電的云對(duì)地放電的自然現(xiàn)象，雷電分為直擊雷和感應(yīng)雷。

1 雷電的特點(diǎn)

1.1 極寬的頻譜

雷電包括直流和交流成份，交流部份，頻率從幾赫茲到幾百千兆赫茲，甚至幾千兆赫茲。

1.2 高電壓大電流

雷電云團(tuán)的電壓數(shù)千伏，有的云團(tuán)上萬(wàn)伏甚至更高，在中和放電時(shí)，產(chǎn)生數(shù)千安培的電流，導(dǎo)致同時(shí)產(chǎn)生雷聲和閃電。

1.3 可預(yù)測(cè)性

雷電自然現(xiàn)象有別于風(fēng)、雨、雪等，現(xiàn)代科技還難以預(yù)測(cè)其具體的落地點(diǎn)和強(qiáng)度。

2 雷電防御分析

雷電危分為直接雷擊和間接雷擊。直接雷擊是雷電直接作用在物體上，產(chǎn)生電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械力，它的高電壓和強(qiáng)電流對(duì)被擊物體造成致命的破壞；間接雷擊主要是雷電感應(yīng)和雷電波的侵害。雷電感應(yīng)是當(dāng)雷電放電時(shí)，在附近的物體上產(chǎn)生靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)，從而使金屬物體部件之間產(chǎn)生電火花；雷電侵入指雷電放電時(shí)產(chǎn)生雷電反擊、雷電過(guò)電壓、電磁脈沖等會(huì)沿著架空的金屬導(dǎo)管、導(dǎo)線、信號(hào)線等進(jìn)入屋內(nèi)或設(shè)備，危及人體、設(shè)備。雷電的破壞力主要來(lái)源于雷電本身強(qiáng)大的電流、高溫、沖擊波、劇變的電磁場(chǎng)、強(qiáng)烈的電磁輻射。感應(yīng)雷擊是直接雷擊引起的強(qiáng)大電磁場(chǎng)在導(dǎo)體中感應(yīng)起的電磁脈沖，感應(yīng)雷擊的破壞沒(méi)有直接雷擊大，但破壞面和概率強(qiáng)于直接雷擊。

①直擊雷防護(hù)采用避雷針、避雷帶、避雷線、避雷網(wǎng)等作為接入器，將雷電引入自身，然后再由下引線（接地線/接地體）迅速將雷電流泄放到大地，極大降低雷擊強(qiáng)度。

普遍使用的避雷器由接閃器、支桿、下引線和接地體四部分組成。簡(jiǎn)易避雷針的接閃器一般采用粗銅絲或鐵絲，用粗些的鐵棍更好；支桿最好用金屬桿；下引線可用粗鐵絲、銅絲或者帶狀金屬條，上端與接閃器相連，下端與接地體相連，連接必須牢固焊接；接地線必須整根線，以最短路徑接到地體上，盡量不彎折接地線；接地體埋于地下不小于200 cm的深度，材質(zhì)為扁鋼/角鋼等焊接，單根材料100～200 cm，接地體的幾何面積越大效果越好。一個(gè)避雷針單獨(dú)一個(gè)接地體，不能共用一個(gè)接地體。

避雷針的有效保護(hù)范圍是避雷針下面450～600的傘形區(qū)域。避雷針越高，受保護(hù)的區(qū)域越大，避雷針與被保護(hù)對(duì)象之間的距離應(yīng)大于500 cm，避雷針及下引線受雷電感應(yīng)時(shí)能擊穿200～300 cm的空氣層。

②傳統(tǒng)的防雷技術(shù)是引雷機(jī)理，難以解決有效保護(hù)范圍、感應(yīng)雷、跨步電壓、接觸電壓、二次雷擊等問(wèn)題。當(dāng)雷電擊中避雷針，雷電流經(jīng)避雷針、引下線和接地網(wǎng)的接地電阻入地，地電位有的高達(dá)幾千甚至上萬(wàn)伏，遠(yuǎn)高于電器設(shè)備耐壓值，造成設(shè)備損壞。接地電阻為4 ？贅、電流為3 000 A時(shí)，接地電阻上產(chǎn)生4×3 000=12 000 伏的電位差，必將損壞一批電子設(shè)備。AR避雷針，依據(jù)“滾球法”機(jī)理進(jìn)行防護(hù)，能有效地限制急劇上升的雷電流，減少雷電擊中避雷針后造成的二次效應(yīng)，可靠性高、落雷記數(shù)和免維護(hù)功能。

③感應(yīng)雷的防護(hù)，分為靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)兩種方式而進(jìn)行。供電電纜應(yīng)有金屬屏蔽層，盡可能地下鋪設(shè)，高低壓輸電線逐級(jí)、分類安裝與供電電壓相匹配的避雷器。10 kV的高壓供電安裝的避雷器，同時(shí)380/220 V也應(yīng)加裝低壓避雷器。中波臺(tái)的電腦控制系統(tǒng)還應(yīng)加裝交流和直流避雷器，以保護(hù)電腦控制系統(tǒng)。

④巧用閑置發(fā)射天線防雷電?？蓪㈤e置天線改造成為高大避雷針，其保護(hù)區(qū)域有時(shí)可覆蓋一個(gè)中小型的中波發(fā)射臺(tái)。

⑤防雷接地分為接地體和接地線，能將直擊雷電流或感應(yīng)雷電流及時(shí)泄放到大地。

其一，接地體一般分為自然接地體和人工接地體，凡埋在土壤中的金屬管道物、基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋、其地下金屬結(jié)構(gòu)等，都可作為自然接地體。人工接地體，普遍采用扁鋼，圓鋼、鋼板或角鋼制成網(wǎng)狀。

一般地網(wǎng)面積15 m2左右，接地體水平埋入地下或采用水平放射式埋設(shè)，接地體橫截面積應(yīng)不小于下表值。見(jiàn)表1：

其二，接地線盡量用鋼材，地下不得用裸鋁線作為接地線。

其三，接地電阻是衡量接地裝置好壞的重要參數(shù)。接地電阻的大小主要取決于接地體周圍土壤的電阻率和接地體與土壤的接觸面積。選擇潮濕的沼澤地、黑土、田園土等電阻率低的土壤，電阻率高的土壤，用電阻率低的土壤置換、土壤進(jìn)行降阻處理（撒木炭、石灰、食鹽、化學(xué)降阻劑等），使接地體保持良好導(dǎo)電性能。

由于中波傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，中波發(fā)射臺(tái)地理位置偏僻、邊遠(yuǎn)、空曠。發(fā)射天線必然是當(dāng)?shù)刈罡呓ㄖ?，遭受雷擊的概率要比低矮的周邊建筑物大得多。顯然，中波臺(tái)的防雷系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是一個(gè)全面立體的防護(hù)系統(tǒng)，發(fā)射天線、機(jī)房、天饋線、高低壓供電線路，室內(nèi)外都必須切采取相應(yīng)的防雷措施。重點(diǎn)部位為：發(fā)射機(jī)房的防雷；高、低壓供電線路及變電、配電設(shè)備；接收天線、傳輸線、發(fā)射塔、天饋線。

3 鶴壁地區(qū)防雷電實(shí)例分析

3.1 發(fā)射機(jī)房的防避雷

實(shí)際結(jié)合發(fā)射機(jī)房建筑物結(jié)構(gòu)性質(zhì)、機(jī)房?jī)?nèi)各全固態(tài)發(fā)射機(jī)及其附屬設(shè)備的特性、功率采取防避雷措施。

若新建機(jī)房，依據(jù)電氣安全要求，地面上的水泥樁破樁頭與建筑物的地梁鋼筋焊接在一起，分別留6或8個(gè)接地點(diǎn)（根據(jù)需要可增減）。發(fā)射機(jī)房通過(guò)3或4根200 mm寬，厚

1 mm銅皮與4或6個(gè)接地點(diǎn)可靠連接，控制室通過(guò)一條200 mm寬1mm厚銅皮與一個(gè)接地點(diǎn)可靠連接，配電房通過(guò)一條32 m2銅線與1個(gè)接地點(diǎn)可靠相連。

對(duì)于磚木結(jié)構(gòu)的老式機(jī)房：可以采取在機(jī)房?jī)啥藢?duì)角設(shè)立兩付避雷針，對(duì)機(jī)房進(jìn)行有效保護(hù)。避雷針（器）有效保護(hù)半徑R=h，（h為避雷塔高度，R為有效保護(hù)半徑）。

機(jī)房的全固態(tài)中波發(fā)射機(jī)，防雷性能較差。發(fā)射機(jī)輸出功率經(jīng)饋管輸送到天線，雷電也可經(jīng)饋管侵入發(fā)射機(jī)，損壞功放模塊或合成磁環(huán)。

發(fā)射機(jī)三相電電源也是雷電侵入的途徑?？刹扇。孩兖伖芎驼{(diào)配網(wǎng)絡(luò)之間串聯(lián)一個(gè)電涌保護(hù)器，對(duì)經(jīng)饋管侵入發(fā)射機(jī)的雷電進(jìn)行泄放，電涌保護(hù)器經(jīng)過(guò)雷擊考驗(yàn)，防雷效果顯著。②發(fā)射機(jī)三相電電源進(jìn)線處加裝避雷器。每部發(fā)射機(jī)配置獨(dú)立的防雷接地點(diǎn)，切忌發(fā)射機(jī)共用一個(gè)接地點(diǎn)。

音頻系統(tǒng)的防雷避雷直接影響安全播出，雖然采取了光纖傳輸信號(hào)，光纖信號(hào)抗雷性好，但備用衛(wèi)星信號(hào)源和控制系統(tǒng)，仍有可能因感應(yīng)雷的侵害而損毀。首先將音頻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)各設(shè)備的良好接地，音頻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)總電源進(jìn)線處裝避雷器，以達(dá)到從雷電的侵入和泄放兩個(gè)途徑進(jìn)行有效的防避雷。

3.2 天線系統(tǒng)的防避雷

中波臺(tái)發(fā)射塔多是76 m斜拉桅桿式天線和120 m、76 m自立塔天線，發(fā)射塔成為所處地域的最高金屬建筑物，易引雷并遭受雷擊。發(fā)射機(jī)功率放大的場(chǎng)效應(yīng)管，極易過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)荷損壞，因此介紹以下多重防避雷措施：

①科學(xué)利用天線底部的半球式放電球，根據(jù)尖端放電原理，雷擊的瞬時(shí)，天線底部產(chǎn)生極高的電壓，經(jīng)由放電球?qū)Φ匦狗爬纂妷海籼炀€的輸入阻抗為ZA=R+JX，那么：

天線輸入端電壓U=I×ZA

放電球間的間隙d=u×1.2 mm/kV（或1.5 mm/kV）

846 kHz/1 107 kHz，10 kW雙頻共塔天線，天線底部最大電壓為2 366 V，則放電球間隙約30 mm（考慮天氣潮濕等）。②安裝石墨放電球。石墨放電球的放電電壓隨面積的增加而降低，石墨放電球的間隙可調(diào)，一般為1 mm/kV。石墨放電球的接地銅棒良好接地，接地銅棒上再串接50個(gè)磁環(huán)，遭遇雷擊時(shí)，可有效地提高發(fā)射機(jī)短路射頻阻抗，保護(hù)發(fā)射機(jī)。③隔直流電容器。當(dāng)雷電擊中天線，部分雷電能量經(jīng)饋線侵入發(fā)射機(jī)，在天線和天調(diào)網(wǎng)絡(luò)之間加一個(gè)

1 000～3 000 PF的隔直電容器，該隔直流電容器的伏安量、耐壓值越大越好。④天線對(duì)地串接一只微亨級(jí)（幾十或十幾微亨）的電感線圈，其電阻量極小，雷電中的一部分能量可經(jīng)該電感線圈對(duì)地泄放。⑤在天調(diào)網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)計(jì)帶通匹配和移相網(wǎng)絡(luò)，移相對(duì)雷電進(jìn)行防避。⑥天線地網(wǎng)同樣也可以為雷電提供泄放點(diǎn)，接地電阻越小則雷電壓越小，將發(fā)射天線底座的鋼筋籠與天線地網(wǎng)可靠地連接，提高泄放面積，確保良好接地，有效快速泄放雷電。

3.3 高低壓供電線路的防避雷

鶴壁中波臺(tái)專用高壓供電線路綿延丘陵達(dá)7～8 km，極易遭受雷電侵害，防避雷工作量大，困難多。以下是歷年來(lái)各臺(tái)在高低壓供配電防雷中的措施方案：

①在高壓變壓器輸入端安裝規(guī)格相當(dāng)?shù)母邏罕芾灼?，高壓避雷器的下引線不得≥35 mm，接地器埋深應(yīng)>1.0 m且接地器水平有效面積≥6 m2。②鶴壁中波臺(tái)的高壓電是企業(yè)的自發(fā)電，輸電線是裸露的鋁質(zhì)線，線路分布在山頂或丘陵最高處，經(jīng)常遭到雷電侵害，采取多點(diǎn)避雷的方法，在經(jīng)常遭雷擊的高壓供電線路處安裝高壓避雷器，雷擊嚴(yán)重的地點(diǎn)安裝高壓避雷塔（注意：供電高壓避雷塔的安裝與高壓供電線間應(yīng)確保電氣安全間距，供電部門(mén)安裝，定期安全試驗(yàn)。）③高壓變壓器輸出端為380 V安裝相應(yīng)規(guī)格的低壓避雷器，各主要設(shè)備的配電端也應(yīng)當(dāng)安裝相應(yīng)規(guī)格的避雷器，并且低壓避雷器的泄放點(diǎn)接地良好，下引線≥25 mm，接地點(diǎn)應(yīng)與其它系統(tǒng)泄放點(diǎn)區(qū)別開(kāi)來(lái)，獨(dú)立設(shè)置一個(gè)低壓避雷泄放點(diǎn)，且接地器埋深≥80 cm，水平有效面積≥4 m2。④關(guān)鍵設(shè)備的專用三相電，在設(shè)備供電進(jìn)線端安裝相應(yīng)規(guī)格的避雷器，安裝設(shè)計(jì)要符合電氣安裝規(guī)范。

總之，中波發(fā)射的防雷問(wèn)題因各發(fā)射臺(tái)的發(fā)射機(jī)功率大小，地理位置，地質(zhì)狀況，塔體實(shí)況等客觀條件不同而各有特點(diǎn)，工作中多想多查多防范，才能有效保障安全播出工作萬(wàn)無(wú)一失。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王曉芳.淺談防雷電安全措施[J].科技傳播，2010，（16）.