智能電涌保護(hù)器在廣播發(fā)射臺無人值守發(fā)射站的應(yīng)用

張升表，吳曉春，萬美芳

（1.浙江省浦江縣融媒體中心，浙江 金華 322200；2.杭州尚普電氣科技有限公司，浙江 杭州 330011）

0 引 言

浦江縣融媒體中心發(fā)射臺八角尖無人值守發(fā)射站設(shè)立在海拔806 m的山頂，任何交通工具都無法通行，人員需徒步近2 h才能到達(dá)站點(diǎn)。為此，發(fā)射站采用遠(yuǎn)程監(jiān)控播發(fā)方案，實(shí)現(xiàn)無人值守，減少通行次數(shù)，提高了管理效率。但防雷系統(tǒng)仍采用傳統(tǒng)的防雷器和安裝形式，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，對防雷安全管理帶來不利影響。當(dāng)發(fā)生雷擊，遠(yuǎn)端不能及時(shí)了解防雷系統(tǒng)的安全可靠性。例如，過長的低壓架空線在雷擊時(shí)將雷電能量引入發(fā)射機(jī)房的低壓總配箱；空氣潮濕或者連接螺栓松動，電氣連接不良，接地地位抬高；雷電沖擊時(shí)導(dǎo)致浪涌保護(hù)器（Surge Protection Device，SPD）的芯片發(fā)熱熔穿起火等，這些都會影響發(fā)射站設(shè)備的正常運(yùn)行[1-2]。而傳統(tǒng)的電涌保護(hù)器和安裝形式因沒有遠(yuǎn)程監(jiān)測功能，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測SPD的工作狀態(tài)，給發(fā)射站的防雷安全管理工作帶來隱患。因此，臺站需要采用SPD智能監(jiān)測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)SPD的遠(yuǎn)程監(jiān)測管理，在實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測SPD工作狀態(tài)的同時(shí)，提高管理效率，也提高發(fā)射站的防雷安全管理水平。

1 電涌的產(chǎn)生和對發(fā)射站的影響

隨著廣播電視發(fā)射設(shè)備器件的集成度提高和大量應(yīng)用，雷電對其的危害和破壞力也日趨增強(qiáng)。提高和加強(qiáng)發(fā)射站的防雷技術(shù)和安全管理水平非常重要。

1.1 電涌的產(chǎn)生

電涌是電路中出現(xiàn)的一種短暫的電流、電壓波動，一種在電路中持續(xù)時(shí)間較短的劇烈脈沖，一般是由雷擊或外部瞬態(tài)過電壓引發(fā)的，如電網(wǎng)切換以及發(fā)射天饋工作的大負(fù)載設(shè)備等產(chǎn)生電涌影響[3]。對于某個(gè)設(shè)施來說，這些電涌僅占所有電涌事件的50%。另外的50%電涌事件則是由于內(nèi)部切換造成的瞬態(tài)過電壓，如發(fā)射機(jī)房內(nèi)空調(diào)變頻器等的接線、接地錯(cuò)誤和電涌（也稱為瞬態(tài)過電壓），是當(dāng)今設(shè)施中常見的電源質(zhì)量問題，極易導(dǎo)致設(shè)備安全隱患、設(shè)備損壞及代價(jià)高昂的宕機(jī)故障。

1.2 發(fā)射站電涌產(chǎn)生的影響

浦江縣融媒體中心發(fā)射臺八角尖無人值守發(fā)射站為盡可能提高安全性和工作效率，降低成本，采用了遠(yuǎn)程監(jiān)控播發(fā)解決方案，實(shí)現(xiàn)了無人值守效果。在發(fā)射站中，防雷系統(tǒng)仍采用傳統(tǒng)的電涌保護(hù)器和安裝形式，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。過長的低壓供電線路通過架空引入發(fā)射機(jī)房的低壓總配箱，雖然在低壓總配箱進(jìn)線端做了重復(fù)接地，也安裝了阻燃材料模塊式T1級電涌保護(hù)器，但對于高山架空線纜受到直接雷擊感應(yīng)而產(chǎn)生的過電壓，瞬時(shí)強(qiáng)大的脈沖電流會在線纜周圍空間產(chǎn)生交變磁場，處于磁場中的導(dǎo)體會因此而感應(yīng)出高電壓，沿線路產(chǎn)生的過電壓竄入設(shè)備造成損壞。當(dāng)空氣潮濕或者連接螺栓松動、電氣連接不良、接地地位抬高，都會引起中性點(diǎn)電位升高，總配電柜中電涌保護(hù)器的N相因此承受高電壓而極易損壞。N相如發(fā)生故障，過電壓可導(dǎo)致MOV芯片發(fā)熱熔穿起火，熱量及時(shí)傳導(dǎo)至脫扣裝置，焊錫熔斷，銅片彈開，但該過程仍有一定幾率形成拉弧現(xiàn)象[4]。電弧一旦產(chǎn)生，維持其穩(wěn)定燃燒的要求條件很低，產(chǎn)生的熱量卻很高（電弧中心溫度可達(dá)5 000～10 000 ℃），能輕易將阻燃外殼燃燒起來，最終致使N相和臨近模塊徹底燒毀。

1.3 宕機(jī)的成本

發(fā)射站配電系統(tǒng)和連接的負(fù)載設(shè)備始終處于各種電源干擾的影響下，瞬態(tài)過電壓對敏感的電氣和電子設(shè)備具有最常見、最嚴(yán)重和最直接的損害。瞬態(tài)過電壓的累積效應(yīng)會導(dǎo)致半導(dǎo)體性能下降、設(shè)備損壞、控制過程中斷以及電路板損壞[5]。瞬態(tài)過電壓通常會造成設(shè)備過早損壞，導(dǎo)致代價(jià)高昂的宕機(jī)故障，嚴(yán)重影響廣播電視臺發(fā)射系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2 安裝SPD監(jiān)測系統(tǒng)的必要性及其特點(diǎn)

在發(fā)射站中，防雷系統(tǒng)仍采用傳統(tǒng)的電涌器和安裝形式，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，對防雷安全管理帶來不利影響。當(dāng)發(fā)生雷擊，遠(yuǎn)端不能及時(shí)了解防雷系統(tǒng)的安全可靠性。

2.1 安裝SPD監(jiān)測系統(tǒng)的必要性

設(shè)置在海拔806 m山頂上的發(fā)射站通過未設(shè)防雷線保護(hù)的架空電纜取電。在每年的雷雨季節(jié)，架空線會遭受不同程度的雷擊。當(dāng)電網(wǎng)遭雷擊發(fā)生瞬態(tài)過電壓時(shí)，電涌保護(hù)器呈低阻抗，泄放雷電流，以限制過電壓。如果雷電強(qiáng)度超預(yù)期，泄放電流大于其額定值（Iimp、Imax），電涌保護(hù)器被擊穿或炸裂，導(dǎo)致電網(wǎng)短路。電網(wǎng)故障時(shí)，將出現(xiàn)超過其最高持續(xù)運(yùn)行電壓的暫態(tài)工頻過電壓，泄漏電流產(chǎn)生熱效應(yīng)加速電涌保護(hù)器老化（劣化） 。當(dāng)出現(xiàn)大于1 A的泄漏電流，電涌保護(hù)器會嚴(yán)重發(fā)熱，引起塑料底座熔化或燃燒，從而發(fā)生安全事故。

因此，安裝實(shí)時(shí)SPD監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測電涌保護(hù)器的運(yùn)行狀態(tài)、雷電入侵次數(shù)、SPD接地狀態(tài)、SPD泄漏電流、SPD工作溫度、防雷箱環(huán)境溫度、防雷箱環(huán)境濕度、SPD壽命預(yù)估以及SCB（后備保護(hù)器裝置）狀態(tài)，缺一不可。通過引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以監(jiān)測SPD的電壓、電流、溫度、SPD狀態(tài)以及SCB狀態(tài)等相關(guān)數(shù)據(jù)，及時(shí)傳送至統(tǒng)一的管理平臺?？蛻舳酥恍枰ㄟ^瀏覽器訪問，即可實(shí)時(shí)監(jiān)測SPD的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行數(shù)據(jù)，展示報(bào)警信息，統(tǒng)計(jì)報(bào)警信息。該方案為廣播發(fā)射臺站的安全發(fā)展提供了新方向。

為提高供配電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，使得發(fā)射機(jī)設(shè)備不因電涌損壞、停頓，控制系統(tǒng)不因電涌失靈，需要安裝不燃材料、高容量、緊湊型的T1+T2級電磁抗干擾電涌保護(hù)器。

2.2 設(shè)備特點(diǎn)

T1+T2復(fù)合型諧波抑制電源一體式防雷箱具有如下特點(diǎn)。

（1）采用陣列設(shè)計(jì)，具備完整的電流分布和散流能力、長期可靠的瞬態(tài)過電壓防護(hù)能力以及更低的限制電壓保護(hù)水平。

（2）利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行造型和電路仿真設(shè)計(jì)，使所有元件完美協(xié)同運(yùn)作，出色地限制電壓指標(biāo)，確保性能平衡。

（3）能夠抑制高能量型瞬態(tài)過電壓和振蕩型瞬態(tài)過電壓，為關(guān)鍵敏感設(shè)備提供最高級別的保護(hù)及符合標(biāo)準(zhǔn)的EMI/RFI濾波功能，確保敏感設(shè)備不會受到頻繁過電壓的不利損害。

（4）針對電涌至負(fù)載設(shè)備的所有可能路徑，為負(fù)載提供最高級別的保護(hù)。對于三相五線制系統(tǒng)，可提供L-L，L-N，L-PE和N-PE模式的全模式保護(hù)。

（5）采用混合電路設(shè)計(jì)，通過組合不同的元件防護(hù)不同的電涌，發(fā)揮每個(gè)器件的最佳特性，克服各自的缺陷。

（6）門限抑制網(wǎng)絡(luò)和多級并行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，能夠抑制大功率脈沖波和內(nèi)部產(chǎn)生的振蕩波。

（7）采用電路封裝技術(shù)，在元件損壞前把電涌發(fā)生時(shí)造成的熱量快速轉(zhuǎn)移；絕緣強(qiáng)度高，能夠保護(hù)元器件，減少振動和惡劣環(huán)境的影響，在延長器件壽命同時(shí)也規(guī)避了起火燒毀的隱患。

（8）每相LED式診斷和干式觸點(diǎn)設(shè)置持續(xù)監(jiān)控瞬態(tài)浪涌抑制器（Transient Voltage Surge Suppressor，TVSS）。TVSS具有現(xiàn)場快速診斷評估功能。

（9）采用放電間隙技術(shù)，無漏流，高通流Iimp為25 kA（10/350 μs），保護(hù)水平Up≤1.5 kV。

（10）具有多點(diǎn)位安裝孔，適用于任何環(huán)境的安裝要求。

3 電涌保護(hù)器的正確安裝方法

電涌保護(hù)器的正確安裝，除了能夠保證安全性以外，最重要的是會直接影響電涌保護(hù)器的工作效能。實(shí)際應(yīng)用證明，連接線的長度、數(shù)量及其連接方法，直接影響電涌保護(hù)器的有效保護(hù)水平（即線路上疊加的電壓降和電涌保護(hù)器自身的殘壓相加值）。這是由于連接線上的電壓值主要決定于它的電感值，而線路的電感值則受到它的長度及其連接方法影響[6]。因此，為了減少并聯(lián)安裝電涌保護(hù)器后的電感性電壓，連接線越短其電感值越小。電涌保護(hù)器的連接線總長度應(yīng)＜0.5 m。有效保護(hù)水平Up/f應(yīng)小于設(shè)備耐壓沖擊電壓額定值Uw，參考《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》（GB 50343—2012）中的圖5.4.3-2，如圖1所示。

圖1 相關(guān)規(guī)范參數(shù)要求

電涌保護(hù)器的連接線總長度＞0.5 m時(shí)，需多使用一組連接線。由于多了一組線，因此電感電流平分在兩組線上，所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度就減低了一半，感應(yīng)電壓可降至一個(gè)可接受的水平。這樣，可采用兩條地線，一條連接接地排，另一條連接配電箱的金屬外殼。在下列情況下，接地線長度大于1 m時(shí)，如2 m、3 m或4 m，則可采用多條線纜，但線纜之間必須相隔最少0.5 m。

電涌保護(hù)器的安裝固定，應(yīng)注意電涌保護(hù)器和后備保護(hù)器裝置的正反方向，需遵守上進(jìn)下出的規(guī)則。按照防雷技術(shù)規(guī)范要求，電涌保護(hù)器接線①的線纜規(guī)格如下：電源線截面積不小于16 mm2，接地線截面積不小于16 mm2。

安裝后，應(yīng)檢查接線處是否碰觸在一起，如有碰觸則應(yīng)立即進(jìn)行處理，以免造成設(shè)備短路等情況發(fā)生。電涌保護(hù)器安裝完成后，應(yīng)用萬能表測試電涌保護(hù)器和后備保護(hù)器裝置上的各接線端是否都完全接通，確定后再將空開合閘。所有安裝工作完成后，需定期檢查其連接是否松動，工作狀態(tài)是否正常，若出現(xiàn)損壞等現(xiàn)象時(shí)應(yīng)及時(shí)更換。

4 安裝SPD監(jiān)測系統(tǒng)的有益效果預(yù)期

采用上述SPD智能監(jiān)測技術(shù)和智能電涌保護(hù)器，通過引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)SPD電壓、電流、溫度、SPD劣化狀態(tài)及SCB狀態(tài)等相關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)及時(shí)傳送至統(tǒng)一的管理平臺。管理工作人員只需通過瀏覽器訪問平臺，即可實(shí)時(shí)監(jiān)測SPD的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行數(shù)據(jù)，展示報(bào)警信息，統(tǒng)計(jì)報(bào)警信息。在實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測SPD工作狀態(tài)的同時(shí)，提高了管理效率，節(jié)省了人工和維護(hù)成本，提高了發(fā)射站的防雷安全管理水平，可取得有益的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

5 結(jié) 語

在對現(xiàn)有廣播發(fā)射臺無人值守發(fā)射站電涌產(chǎn)生的影響和傳統(tǒng)電涌保護(hù)器存在的問題進(jìn)行分析后，本文提出了SPD智能監(jiān)測技術(shù)和安裝智能型電涌保護(hù)器的應(yīng)用思路。通過正確安裝電涌保護(hù)器并接入物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)SPD狀態(tài)監(jiān)測，可達(dá)到預(yù)期有益的效果。在條件許可的情況下，建議按本文內(nèi)容進(jìn)行改造。本文方案也可為新建高山廣播發(fā)射臺無人值守發(fā)射站防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有益的參考。