廣播發(fā)射臺(tái)節(jié)目傳輸系統(tǒng)的防雷措施

張學(xué)兵

【摘 要】在廣電行業(yè)中，因雷電引起的過電壓及其產(chǎn)生的過電流造成的傳輸線路、接收設(shè)備損壞的安全事故時(shí)有發(fā)生。本文對(duì)雷電危害產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，為廣播發(fā)射臺(tái)站節(jié)目傳輸系統(tǒng)提出了有針對(duì)性的防雷措施，同時(shí)對(duì)防范直擊雷、感應(yīng)雷和防地電位反擊引起的瞬間過電壓影響等多方面的防護(hù)的方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述，以供廣大廣電行業(yè)的同行參考。

【關(guān)鍵詞】雷電 接收設(shè)施 傳輸線路 防雷措施？ 電壓防護(hù)

1前言

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，智能化、網(wǎng)絡(luò)化滲透到了社會(huì)的各行各業(yè)，隨著采用大規(guī)模集成電路的設(shè)備在廣播發(fā)射臺(tái)的廣泛應(yīng)用，使得廣播發(fā)送系統(tǒng)對(duì)過電壓的要求也越來越高，特別是節(jié)目傳輸系統(tǒng)中，既有室外衛(wèi)星天線、高頻頭等戶外設(shè)備，又有衛(wèi)星接收機(jī)、功分器、智能調(diào)度系統(tǒng)等精密設(shè)備，由于雷電在電源線、信號(hào)線、天饋線等部位上感應(yīng)形成的瞬間過電壓造成損壞的事故時(shí)有發(fā)生，因此必須采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施以避免上述事故的發(fā)生。

2雷電的危害

在日常生活中，雷電是一種常見的自然現(xiàn)象。根據(jù)氣象觀測(cè)，地球上每秒鐘要出現(xiàn)大約100次左右的閃電雷擊，它會(huì)擊毀建筑物、引發(fā)森林火災(zāi)，甚至還會(huì)對(duì)人身造成傷害，給人類社會(huì)帶來了很大的危害。筆者所在的電臺(tái)曾出現(xiàn)過一次嚴(yán)重的雷擊事故，事故造成了節(jié)目傳輸系統(tǒng)四個(gè)高頻頭、三部衛(wèi)星接收機(jī)和兩臺(tái)功分器的損壞，經(jīng)濟(jì)損失極大。國際電工委員會(huì)已將雷電災(zāi)害稱為“電子時(shí)代的一大公害”，雷擊、感應(yīng)雷擊、電源尖波等瞬間過電壓已成為破壞電子設(shè)備的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

以雷擊最大的受害者——通信行業(yè)為例，通過對(duì)大量通信設(shè)備雷擊事故分析，專家們一致認(rèn)為：由雷電感應(yīng)和雷電波侵入造成的雷電電磁脈沖（LEMP）是通信設(shè)備損壞的主要原因。因此只有了解了雷電電磁脈沖（LEMP）的形成過程，尋求有效地防護(hù)措施才能減少雷電帶來的損失。

在廣電行業(yè)中，專用房屋有標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格的設(shè)計(jì)規(guī)范，節(jié)目傳輸設(shè)備機(jī)房都會(huì)安裝有避雷針、避雷網(wǎng)或避雷帶，并且均采取了聯(lián)合接地的方式。理論上來說，整棟建筑已具備了良好的防雷和抗外界電磁干擾的能力，但是設(shè)備還是會(huì)因雷擊遭受過壓過流而損壞，甚至還會(huì)對(duì)操作維護(hù)人員構(gòu)成人身威脅。究其原因，這是由于當(dāng)發(fā)生雷電現(xiàn)象時(shí)，帶電的云層會(huì)在衛(wèi)星接收天線上產(chǎn)生感應(yīng)電荷或雷電感應(yīng)通過通信和電力線路侵入，如果天線和通信線纜與大地之間直流通路不暢，就會(huì)由于感應(yīng)在天線和線纜與大地之間產(chǎn)生高電位而引起過電壓，致使衛(wèi)星接收設(shè)施無法承受強(qiáng)電流的侵入而損壞，甚至?xí)＜安僮魅藛T的人身安全。

3節(jié)目傳輸系統(tǒng)的防雷措施

在廣播發(fā)射臺(tái)站中，節(jié)目傳輸系統(tǒng)是最容易遭受雷擊而引發(fā)事故的部位。隨著節(jié)目傳輸系統(tǒng)智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，將逐步實(shí)現(xiàn)向有人留守、無人值班的值班模式轉(zhuǎn)變，為了節(jié)目傳輸系統(tǒng)的安全運(yùn)行，單一的雷電防護(hù)體系已無法滿足整個(gè)系統(tǒng)安全防護(hù)要求，必須從單一防護(hù)體系轉(zhuǎn)為多級(jí)防護(hù)：包括防直擊雷、防感應(yīng)雷電、防地電位反擊引起的瞬間過電壓影響等多方面的防護(hù)，應(yīng)根據(jù)接收機(jī)、傳輸線路、局域網(wǎng)、交直流電源等所有微電子設(shè)備的不同功能、不同受保護(hù)程度確定防護(hù)要點(diǎn)和保護(hù)等級(jí)。根據(jù)雷電引起瞬間過電壓危害的可能侵入通道，從電源線到數(shù)據(jù)通信線路都應(yīng)該做到多級(jí)保護(hù)。因此我們采取了“整體防御、綜合治理、多重保護(hù)”的防范原則，力爭(zhēng)將其產(chǎn)生的危害降到最低點(diǎn)。

通常來說，避免建筑物及設(shè)備遭受雷擊的方式大致有四種，第一種是疏導(dǎo)：即將雷云中的電荷通過引線疏導(dǎo)至大地，避免直接雷擊或感應(yīng)雷擊電流流經(jīng)建筑物或通信設(shè)備，從而使建筑物或通信設(shè)備免受雷擊。第二種是隔離：即將雷電所產(chǎn)生的過電壓和被保護(hù)物隔離開來從而避免雷擊。第三種是等位：即將鐵塔地、天饋線地、設(shè)備工作地、建筑物的公共地等置于等電位上。第四種是中和：即釋放出異性電荷和雷云中的電荷進(jìn)行中和，從而阻止雷電的形成。

結(jié)合以上的四種避雷方法，電臺(tái)節(jié)目傳輸系統(tǒng)主要采取了以下幾種防雷措施。

3.1外部防護(hù)

節(jié)目傳輸系統(tǒng)機(jī)房外部防護(hù)主要采用了避雷針（避雷網(wǎng)、避雷線和避雷帶）和接地裝置（接地線、地極）來加以防護(hù)。

3.1.1防直擊雷的方法

當(dāng)雷云放電接近地面時(shí)，它使地面的電場(chǎng)發(fā)生畸變，在避雷針（避雷線）頂部形成局部電場(chǎng)強(qiáng)度畸變，以影響雷電先導(dǎo)入電的發(fā)展方向，引導(dǎo)雷電向避雷針（避雷線）放電，再通過接地引下線、接地裝置將雷電流引入大地，從而使被保護(hù)物免受雷擊，經(jīng)過人們長(zhǎng)期實(shí)踐證明這事防直擊雷最有效的方法。然而，被動(dòng)放電式避雷針存在反應(yīng)速度差、保護(hù)的范圍小以及導(dǎo)通量小等不足。根據(jù)現(xiàn)代通信發(fā)展的要求，避雷針應(yīng)選擇提前放電主動(dòng)式的防雷裝置，并且應(yīng)該從30°、45°、60°等不同角度考慮，以做到對(duì)各種雷擊的防護(hù)，增大保護(hù)范圍，增加導(dǎo)通量。建筑物的所有外露金屬構(gòu)件（管道）都應(yīng)與防雷網(wǎng)（避雷線或避雷帶）連接良好。

避雷針是一種保護(hù)建筑物和電力設(shè)備免遭直接雷擊的裝置。其作用是利用尖端放電，減少建筑物或儀器內(nèi)蓄積的電荷，緩和云層與物體間的電勢(shì)差，防止雷擊的發(fā)生。其防雷作用是它能把閃電從保護(hù)物上方引向自己并安全地通過本身泄入大地，因此，其引雷性能和泄流性能是至關(guān)重要的。

避雷針由接閃器、接地引下線和接地體 3部分組成。接閃器通常采用直徑為 15～20mm、長(zhǎng)度為1～2m的圓鋼或鋼管，固定于支柱上端經(jīng)接地引下線與接地體連接。

當(dāng)雷云對(duì)地放電通道發(fā)展到臨近地面時(shí)，由于避雷針尖端突出地面并有良好接地，在針尖附近的電場(chǎng)強(qiáng)度提高，聚積相反極性的電荷，引導(dǎo)放電。進(jìn)而防止建筑物或儀器蓄積過多電荷而遭受雷擊。一般來講，雷電并不會(huì)直接擊中避雷針，而避雷針本身如果被閃電擊中也有著融化及爆炸的危險(xiǎn)。 避雷針具有一定的保護(hù)作用。保護(hù)范圍的計(jì)算方法是由運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)結(jié)果確定的。工程設(shè)計(jì)中常用的方法是認(rèn)為保護(hù)半徑是避雷針高度的函數(shù)。據(jù)中國的規(guī)范規(guī)定，單支避雷針的保護(hù)范圍是一個(gè)錐體。高度為h的避雷針， 其在地面上的保護(hù)半徑r=1.5h；在被保護(hù)物高度hx的水平面上，其保護(hù)半徑rx為

當(dāng)hx≥h/2時(shí) ， rx=（h-hx）P

當(dāng)hx

當(dāng)h≤30m時(shí)， P=1

當(dāng)300m≤h≤120m時(shí)，

P==5.5/

安裝避雷針或接地裝置的要求

（1）避雷針應(yīng)當(dāng)裝在高于衛(wèi)星天線尖端數(shù)米，避雷針與天線之間應(yīng)有一定的間隔，以防止由于避雷針的存在而損壞天線的接受效果。一般的做法是避雷針安裝在衛(wèi)星天線外線大約1.5米以外。（2）避雷地線的直流通路的電阻要求足夠低，一般為4--8Ω，由于雷電浪涌電流較大，頻譜較寬且持續(xù)時(shí)間短，因此要求必須有盡量小的電感量。（3）接地引入線長(zhǎng)度應(yīng)不大于30米，其材料應(yīng)采用熱鍍鋅扁鋼或銅排，截面積應(yīng)不小于40mm×4mm。地線不能用扁平編織線和絞合線，因?yàn)檫@兩種線電感較大，不利于泄放雷擊電流，且容易被腐蝕。要盡可能使用3毫米以上的實(shí)心導(dǎo)線，且最好是相同的金屬材料。（4）為了增大地表層的過電壓的泄放面積，可采用埋設(shè)有一定間隔的多根接地體，且相互焊接。如在建筑物的四周以1至2米的間隔埋上10根左右的銅管，并把它們焊接起來。（5）對(duì)一些雷電常發(fā)地區(qū)，可以考慮安裝放射性避雷裝置。放射性避雷裝置可以說是目前世界最先進(jìn)的防雷保護(hù)裝置之一。放射性避雷裝置的關(guān)鍵部分是放射源，它能連續(xù)自行發(fā)射α粒子，使周圍空氣電離產(chǎn)生大量電子。在雷電場(chǎng)的作用下這些電子不斷加速，對(duì)空氣產(chǎn)生連鎖的多極電離或雪崩電離，形成與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比的電子流，這時(shí)產(chǎn)生的由放射源指向雷云的電離通導(dǎo)會(huì)永不間斷地中和及釋放空間電荷，把已有的低電場(chǎng)消除掉，把可能形成的高電場(chǎng)降為低電場(chǎng)，從而有效地防止發(fā)生雷擊，起到顯著的消雷作用。這種放射性避雷裝置的防護(hù)面積較大，其半徑大約為260米左右，且安全可靠對(duì)人身無傷害。

3.1.2防感應(yīng)雷擊的方法

除在衛(wèi)星天線附近安裝避雷針或避雷裝置的同時(shí)，還要注意消除感應(yīng)雷擊，其常用的方法是在天饋系統(tǒng)中安裝電涌保護(hù)器（SPD）。

在天饋系統(tǒng)中安裝電涌保護(hù)器（SPD）時(shí)應(yīng)注意以下方面的問題： 一是SPD的接地端必須與地連接可靠，一般要求接地引線應(yīng)從天饋線入口處外側(cè)的接地線、避雷帶或地網(wǎng)引接，且接地電阻不得大于5Ω，不然將會(huì)影響到防雷的效果。二是安裝天線時(shí)，天線的支撐桿要與地網(wǎng)可靠連接，連接電阻等于零。另外，還要注意供電系統(tǒng)的防雷，常見做法是在變壓器和配電房安裝避雷裝置。

3.2內(nèi)部防護(hù)

首先是電源部分的防護(hù)，因?yàn)殡娫淳€是雷電侵入的主要通道之一。對(duì)于高壓部分，供電部門有專用的高壓避雷裝置，而線對(duì)線的過壓則無法控制。因此，對(duì)380V低壓線路應(yīng)進(jìn)行過電壓保護(hù)，按國家規(guī)范要求應(yīng)分為3部分：建議在高壓變壓器后端到配電機(jī)房總配電盤的電纜內(nèi)芯線兩端對(duì)地加裝避雷器，作為一級(jí)保護(hù)；在樓宇總配電盤至樓層配電箱間電纜內(nèi)芯線兩端對(duì)地加裝避雷器，作為二級(jí)保護(hù)；在所有重要的、精密的設(shè)備以及UPS的前端對(duì)地加裝避雷器，作為三級(jí)保護(hù)。目的是用分流（限流）技術(shù)將雷電過電壓（脈沖）能量分流疏導(dǎo)至大地，從而達(dá)到保護(hù)的目的。分流（限流）技術(shù)中采用的防護(hù)器的質(zhì)量、性能的好壞將直接影響防護(hù)的效果，因此應(yīng)選擇合格優(yōu)良的避雷裝置。

3.3接地處理

接地系統(tǒng)把雷電流引入大地，從而達(dá)到保護(hù)設(shè)備和人身安全的目的。一般建筑物的接地系統(tǒng)有建筑物地網(wǎng)、電源地（要求地阻<10Ω）、邏輯地（也稱信號(hào)地）和防雷地等。通信設(shè)備要求交直流工作地、安全保護(hù)地、防雷地必須獨(dú)立時(shí)，如果相互之間距離達(dá)不到規(guī)范的要求，則容易出現(xiàn)地電位反擊事故。因此，各接地系統(tǒng)之間的距離達(dá)不到規(guī)范要求時(shí)，應(yīng)盡可能使它們連接在一起，如實(shí)際情況不允許直接連接，可通過地電位連接，從而保證各類接地點(diǎn)的基準(zhǔn)電位是惟一值。為保證系統(tǒng)正常工作，每年在雷雨季節(jié)前后或春、秋檢修時(shí)應(yīng)定期用精密地阻儀檢測(cè)地阻值，以確保地阻值始終保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。

4結(jié)語

總之，防雷接地對(duì)與節(jié)目傳輸系統(tǒng)設(shè)備來說是一個(gè)永恒的話題，接地系統(tǒng)效果好壞直接關(guān)系到衛(wèi)星接收設(shè)備和人身的安全。只要堅(jiān)持做到對(duì)雷電“整體防御、綜合治理、多重保護(hù)”的防范原則，發(fā)現(xiàn)問題及早采取有效措施，就能杜絕事故的發(fā)生，避免為國家和人民造成不必要的損失。