電視臺機(jī)房防雷應(yīng)注意的幾個問題

陳吉祥

(忻州市廣播電視臺播控中心，山西 忻州 034000)

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電視臺機(jī)房防雷應(yīng)注意的幾個問題

陳吉祥

(忻州市廣播電視臺播控中心，山西 忻州 034000)

摘要：結(jié)合自己多年從事廣播電視雷電防護(hù)工作的經(jīng)驗，就當(dāng)前廣播電視機(jī)房低壓配電系統(tǒng)的雷電過電壓保護(hù)方面值得注意的一些問題提出分析和探討。

關(guān)鍵詞：廣播電視；配電系統(tǒng)；防雷保護(hù)

近幾年來，從電源系統(tǒng)侵入雷電過電壓導(dǎo)致事故例子越來越多，輕則使設(shè)備失控、誤操作，造成節(jié)目劣播；重則會造成設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)癱瘓，造成重大節(jié)目停播事故；更可怕的是造成人員傷亡、火災(zāi)等毀滅性事故。究其原因，主要是配電系統(tǒng)的防雷擊過電壓措施不完善所致。

1應(yīng)注意的幾個方面

1) 防直擊雷裝置和低接地電阻并不能保證建筑配電的防雷安全。很多人都認(rèn)為只要做好建筑物的防直擊雷裝置，并把配電系統(tǒng)的接地電阻值做的足夠小，建筑配電系統(tǒng)的防雷就可以高枕無憂了。實際不然，原因有三：

a) 建筑物的防直擊雷裝置是與建筑融為一體的，它并不能減少建筑的雷擊概率，更不能使建筑免遭雷擊，僅僅是給雷電流提供一個泄放通道而已。當(dāng)雷電擊中建筑物直擊雷防護(hù)裝置時，由于其時間過程很短暫、電流強(qiáng)度大，因此強(qiáng)電流的瞬態(tài)效應(yīng)十分明顯，產(chǎn)生強(qiáng)大的雷電電磁脈沖反而會對附近的線路、設(shè)備產(chǎn)生影響，可能引入高電壓損壞設(shè)備或配電系統(tǒng)。

b) 我們從接地的理論研究中可以知道，雷擊大地或接地體時，會引起地電位上升。因為配電系統(tǒng)變壓器的低壓中性點在遠(yuǎn)處是接地的，這種“電位升”將通過接地引入線、防雷器連接系統(tǒng)等其它連接導(dǎo)體進(jìn)入到建筑物內(nèi)部，波及附近的電子設(shè)備，并順著電力線以波阻向遠(yuǎn)處傳遞，會對設(shè)備產(chǎn)生共模性干擾或損害設(shè)備的絕緣。

c) 這種“電位升”有時可以達(dá)到很高的電壓值，一方面會對附近接地的物體、人或設(shè)備產(chǎn)生側(cè)擊，對有兩個分別設(shè)置接地的一個設(shè)備，設(shè)備內(nèi)部可能會出現(xiàn)拉弧的現(xiàn)象，燒毀電路，稱之為地電位反擊。另一方面在接地極的中心周圍還會有危險的電位梯度，存在所謂的禁止區(qū)域，這個區(qū)域內(nèi)可以產(chǎn)生很高的跨步電壓，導(dǎo)致人身傷害。

上述問題的解決必須要借助于其它多項技術(shù)配套措施來彌補(bǔ)。

2) 屋面用電設(shè)施電源線路的防雷電波侵入不能忽視。

隨著科技和經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，冷卻水塔、航空障礙信號燈、建筑彩燈、風(fēng)機(jī)等大批建筑附屬設(shè)施的配套設(shè)備被大量地使用，鐵塔以及附作在上面的各種天線。但對于這些設(shè)施伸出到屋面的控制線路和電源線路的防雷電波侵入問題不能忽視，因為：

a) 這些設(shè)施多安裝在屋面，金屬構(gòu)件比較多且與大地實際是相通的，本身就很容易成為雷擊的首要目標(biāo)，即使處于樓頂避雷針或避雷帶能夠保護(hù)的范圍之內(nèi)，也還有遭受雷電繞擊的可能性存在，不能完全避免雷電直擊，控制線路和電源線路引入雷電波侵入的幾率非常高。

b) 由于這些設(shè)施其控制電路的微電子技術(shù)成份多，耐受雷擊及其電磁效應(yīng)的能力低，對雷電過電壓及其電磁效應(yīng)的防護(hù)要求本身就高，需要有完善的攔截、屏蔽、接地、分流和等電位等技術(shù)措施配套，而實際情況是很多人都認(rèn)為只要使這些設(shè)施處于樓頂避雷針能夠保護(hù)的范圍之內(nèi)就可以了，忽視了屏蔽、接地、分流和等電位等配套措施的采取。

3) 埋地敷設(shè)引入的電纜依然有引入防雷電波入侵的可能。

很多人認(rèn)為地下電纜既然埋于地下，不像架空電線那樣高掛于地面，似乎不應(yīng)再受雷擊?？蓪嶋H情況不是這樣的，由于雷擊選擇性規(guī)律的作用，雷擊埋于地下電纜的事故依然屢有發(fā)生，特別是在高土壤電阻率地區(qū)，地下電纜的落雷幾率要遠(yuǎn)高于周邊地區(qū)。通常，雷擊地下電纜有以下幾種形式：

a) 雷電可以把地面擊成一個大洞并直接擊中地下電纜，一方面會造成電纜絕緣擊穿、直接燒斷、短路或引入大電流等嚴(yán)重事故，另一方面，大電流會沿電纜的金屬鎧裝層入侵室內(nèi)。

b) 雷擊附近大地、建筑物、大樹時會引起地面電位上升(如前所述)，這種“電位升”會擊穿土壤，形成從雷擊點到附近地下電纜的電弧通道，對附近的電纜發(fā)生放電，通常稱之為電纜引雷現(xiàn)象，這種現(xiàn)象往往會造成電纜的絕緣被擊穿、電纜直接燒斷或引起電纜短路等嚴(yán)重事故。

c) 雷電感應(yīng)會引入過電壓。一般來說，這種過電壓的能量都比較小、電壓低、電流弱，不會對電纜本身造成危害，但會危及后端的電源設(shè)備或用電設(shè)備，不能忽視。其感應(yīng)的機(jī)理和電壓的估算，這里不再贅述。

d) 即使電纜的金屬鎧裝層做了接地處理，從理論研究可以知道，被雷擊的電纜因為地電位抬升也可以成為反擊源，反擊其他電纜或電纜附近的其他物體，工程上通常只要知道雷電流值、土壤電阻率、其他電纜的耐過電壓水平等參數(shù)就可以估算出危險距離來。除此以外，由于轉(zhuǎn)移阻抗的存在，電纜的芯線照樣可以引入雷電流入侵。

由此可見，對建筑物配電系統(tǒng)來講，即使采用地下電纜引入，也還存在諸多問題，必須要結(jié)合現(xiàn)場的具體情況加以分析和解決。

4) 配電變壓器僅在高壓側(cè)進(jìn)線裝避雷器是不夠的。

我國民用低壓配電系統(tǒng)多為10 kV變380/220 V系統(tǒng)，且低壓側(cè)中性點是接地的，有關(guān)單位的試驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變壓器的低壓側(cè)出(進(jìn))線加裝了避雷器后，在低壓側(cè)出(進(jìn))線分別施加5、10、15、20 kV的沖擊電壓(單相進(jìn)波)時，低壓避雷器動作放電，而在高壓側(cè)，并未出現(xiàn)高電壓(最高只有2 kV)。后來把低壓避雷器拆了后，加到15 kV，變壓器就擊穿了。經(jīng)過解體檢查，發(fā)現(xiàn)高壓側(cè)C相匝間絕緣被擊穿。究其原因，是因為在配電變壓器上有正變換和反變換現(xiàn)象存在。

在低壓中性點接地的變壓器中，當(dāng)?shù)蛪簛頉_擊(雷)電流時，在外加電壓的作用下，會有電流流過低壓繞組，通過變壓器二次繞組的沖擊電流會按“變比”感應(yīng)出電動勢而使高壓繞組的中性點電位升高，相對高壓繞組而言，由于低壓繞組的絕緣裕度較大，故一般低壓繞組不損壞，而使高壓繞組絕緣破壞。在低壓側(cè)未裝避雷保護(hù)器的情況下，當(dāng)沖擊(雷)電流從高壓側(cè)進(jìn)來時，首先是高壓避雷器動作，在接地電阻上產(chǎn)生壓降，這個壓降作用在低壓零線上，而低壓側(cè)出現(xiàn)相當(dāng)于經(jīng)導(dǎo)線波阻接地，因此這個壓降絕大部分都加在低壓繞組上。由于沖擊(雷)電流是沖擊高頻波，故經(jīng)電磁感應(yīng)，在高壓繞組按變比會出現(xiàn)高壓。由于高壓繞組兩段電位受避雷器固定，因此這個電壓沿高壓繞組分布，且在中性點上達(dá)到最大值，致使高壓繞組中性點附近的絕緣被擊穿。

實際運行中的絕大多數(shù)建筑電力配電變壓器并未按要求在低壓側(cè)的出線上安裝電源避雷器，而其高壓多是從外電網(wǎng)引入、低壓的出(進(jìn))線往往又較長且多與建筑主體連接緊密，所以無法避免引入雷電流，因正/反變換導(dǎo)致變壓器匝間絕緣被擊穿自然也就是經(jīng)常的事情。不過值得注意的是，這種事件實際是發(fā)生在雷雨天，可有時雷擊造成變壓器匝間絕緣被擊穿破壞有時只是局部的，當(dāng)時都還能勉強(qiáng)運行，過一個階段后，故障擴(kuò)大，被迫停止，事故卻是發(fā)生在后期的天氣晴好時，給人的感覺往往是與雷電無關(guān)。

由此可見，配電變壓器的低壓側(cè)出線必須安裝電源避雷器，僅在高壓側(cè)進(jìn)線裝避雷器是不夠的。

5) 電涌保護(hù)器的能量配置、級間配合等因素很重要。

多數(shù)設(shè)計人員在設(shè)計配電系統(tǒng)的防雷擊過電壓措施時，往往是只根據(jù)自己的經(jīng)驗或通行的做法，僅僅限于在每個電源配電箱內(nèi)設(shè)計安裝幾個電涌保護(hù)器，而對電涌保護(hù)器的能量配置、級間配合、安裝位置、接線要求等很重要的問題從不考慮， 甚至對雷電流的可能侵入方向都不做分析，僅依據(jù)電流負(fù)荷的分配方向來簡單確定分級保護(hù)的前后級，這是很危險的。因為：

a) 實際工作中的電涌保護(hù)器往往不只是保護(hù)一臺設(shè)備，當(dāng)電涌保護(hù)器保護(hù)多臺用電設(shè)備時，電涌保護(hù)器與被保護(hù)設(shè)備間總有一定的距離。我們由傳輸線原理可以知道，當(dāng)電涌保護(hù)器動作時，1-2間的線路電感對來波陡度有一定的降低作用，但由于波的折射與反射，電涌保護(hù)器引線電感引起的壓降也相當(dāng)大，會使作用于被保護(hù)設(shè)備上的殘壓高于電涌保護(hù)器的殘壓，因而會影響電涌保護(hù)器的保護(hù)效果。一般來說，設(shè)備能夠承受的電壓與電涌保護(hù)器的殘壓、雷電侵入波陡度及引線接入點到設(shè)備之間的距離有關(guān)，因此，縮短兩者之間的距離(電涌保護(hù)器的位置)可以降低作用在設(shè)備上的殘壓。工程上通常可利用縮短此段引線的長度、V型接線方式來降低作用在設(shè)備上的殘壓或采用并聯(lián)集中電容來降低侵入波的陡度。

b) 在分級保護(hù)中，一般后級電涌保護(hù)器的殘壓和通流量要求比前級低，其啟動電壓值自然也就低，這是由器件的制造特性所決定的，這樣就會由于波速、波形、元件的響應(yīng)速度、啟動電壓值和線路波阻等因素的影響，使后級先于前級動作，就帶來了前后級動作怎么協(xié)調(diào)的問題。

這種后級電涌保護(hù)器先于前級電涌保護(hù)器動作，就會有可能抑制前級電涌保護(hù)器的動作而使后級電涌保護(hù)器單獨承受所有的浪涌能量，結(jié)果是導(dǎo)致后級電涌保護(hù)器因過載而損壞或整個保護(hù)的失敗。所以當(dāng)進(jìn)行分級保護(hù)時，必須合理配置各級電涌保護(hù)器的能量和前后級的距離(利用線路波阻，傳輸先原理)使它們的動作相協(xié)調(diào)，實現(xiàn)逐級分流能量、逐次降壓的目的。工程中可以通過要求前后級的距離(一般為510 m)或在它們之間串聯(lián)集中電感來實現(xiàn)。

c) 依據(jù)電流負(fù)荷的分配方向來確定分級保護(hù)的前后級，可能的結(jié)果往往是按照末級保護(hù)的參數(shù)配置要求配置了原本該按第一級設(shè)防的電涌保護(hù)器的參數(shù)，后果是在雷擊時，作為末級設(shè)防的電涌保護(hù)器承受了原本是第一級電涌保護(hù)器應(yīng)該承受的能量，自身損壞或?qū)е抡麄€防護(hù)失效。這種例子在實際工作中并不少見，尤其是在屋面有用電設(shè)施的建筑中。原因可能是源于設(shè)計人員對雷擊環(huán)境分區(qū)的概念沒有真正理解或有所忽視所致。

2結(jié)束語

電視臺配電系統(tǒng)的雷電防護(hù)工程是個系統(tǒng)性工程，牽涉的面比較多，做好前期規(guī)劃、雷擊風(fēng)險評估是前提，科學(xué)的設(shè)計是基礎(chǔ)，優(yōu)良的施工工藝才是保證。那種只重視某些個方面或僅僅想依靠安裝幾個電涌保護(hù)器做法是不對的，對上述幾個方面的問題，實際上在2000年版的《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》(GB50057-94)中的很多章節(jié)都有要求。必須把建筑配電系統(tǒng)的防雷保護(hù)納入整個建筑物的雷電防護(hù)工程中統(tǒng)籌考慮，做好建設(shè)前期的雷擊風(fēng)險評估、防雷工程的設(shè)計、設(shè)計審核和施工監(jiān)督/驗收工作，注重與建筑內(nèi)其它系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，做好相關(guān)配套工程建設(shè)，才有可能真正解決問題。

參考文獻(xiàn)

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Some Problems of Lightning Protection in the Computer Room of TV Station

Chen Jixiang

(BroadcastingControlCenter,XinzhouCityRadioandTelevisionStations,XinzhouShanxi034000,China)

Abstract:Combining with the years of working experience on lightning protection of broadcasting and television, this paper makes some analysis and discussion on the problems for lightning overvoltage protection that should pay attention in the low voltage power distribution system of radio and TV room.

Key words:radio and television; distribution system; lightning protection

收稿日期：2016-02-29

作者簡介：陳吉祥(1973- )，男，山西神池人，高級工程師，現(xiàn)任忻州市廣播電視臺播出部主任，主要從事廣播電視技術(shù)維護(hù)管理工作。

文章編號：1674- 4578(2016)03- 0067- 02

中圖分類號：TN949.194；TM862

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A