廣播電視系統(tǒng)防雷技術(shù)

雷躍

(云南省廣播電視局，昆明 650031)

1 前言

廣播電視系統(tǒng)因其建筑物結(jié)構(gòu)、傳輸發(fā)射設(shè)備設(shè)施特點(diǎn)，很容易遭受到雷擊，并且隨著廣播電視設(shè)備的飛速發(fā)展，防雷問題顯得愈加突出。要確保廣播電視系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須做好防雷工作。

2 雷電及其危害

1)直接雷擊:雷電直接擊到建筑物頂部。如果沒有適當(dāng)?shù)男沽魍緩?，雷電流的能量以極高的溫度、極大的熱量、強(qiáng)力沖擊波、極大的電動(dòng)力對(duì)建筑物或其頂部的其他設(shè)施造成嚴(yán)重?fù)p害。

2)反擊:由于強(qiáng)大的雷電流在接地電阻和引下線上造成的很高的電阻和電感電壓降，使無雷擊時(shí)處于低電位的接地裝置或與之相連的金屬物體出現(xiàn)很高的電位。如果鄰近的物體沒有做好等電位連接而距離又不夠，就會(huì)發(fā)生擊穿，稱為反擊。

3)雷電侵入波:雷擊于遠(yuǎn)處的架空的通訊線或電力線，然后沿著架空導(dǎo)線以過電壓、過電流波的形式侵入建筑物。如果架空線上方?jīng)]有避雷線，雷電波侵入的概率是相當(dāng)大的。過電壓、過電流波進(jìn)入建筑物后還會(huì)沿內(nèi)部通訊線或電力線襲擊敏感設(shè)備。

4)雷電感應(yīng):雷電直接擊于建筑物上或附近，雷電流通道的電磁場對(duì)建筑物外部和內(nèi)部都會(huì)有空間感應(yīng)。如果建筑物、機(jī)房和管線無屏蔽，在建筑物的某些部位上磁場和電場可能達(dá)到有害的數(shù)值。雷電感應(yīng)數(shù)量級(jí)雖較前幾種小得多，卻可能危害敏感的微電子器件，而且它作用范圍廣，入侵途徑多，比較難以捉摸。在過去主要著眼于大工業(yè)設(shè)備防雷時(shí)，雷電感應(yīng)常被忽略，但是對(duì)于信息系統(tǒng)防雷而言，是應(yīng)該予以嚴(yán)重關(guān)注的。

以上幾種是基本的雷害途徑，實(shí)際中可能是幾種方式的混合，如由一處地電位升高經(jīng)水平接地引線傳遞到另一處;雷擊于地，雷電流經(jīng)地下金屬管道傳入建筑物;雷擊于地，架空線受到感應(yīng)，然后傳入建筑物，再傳遞到敏感設(shè)備。

3 雷電對(duì)廣播電視系統(tǒng)的危害

廣播電視中心大樓一般都是所在城市的超高層建筑，而且屋頂通常都帶有發(fā)射塔、天線等金屬器械，為最大限度提高發(fā)射效益，提高廣播電視覆蓋率，廣播電視無線發(fā)射臺(tái)、衛(wèi)星上行站等一般都建在地勢(shì)較高的山頂，且建有鐵塔，配備有天線設(shè)備、衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射接收裝置等，再加上高空架設(shè)的輸電線路，與各種線纜相連的機(jī)房設(shè)備等，時(shí)刻都處于雷害的嚴(yán)重威脅之中。必須切實(shí)采取各種防雷措施，來保證廣播電視系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

4 防雷技術(shù)

防雷技術(shù)是指根據(jù)雷電的性質(zhì)，分析雷擊危害的特點(diǎn)，采取有效的措施，設(shè)立相應(yīng)裝置對(duì)保護(hù)對(duì)象進(jìn)行防雷保護(hù)。

從電磁兼容的觀點(diǎn)來看，一個(gè)防雷保護(hù)區(qū)域從外到內(nèi)可分為幾級(jí)保護(hù)區(qū)。最外面是直接雷擊區(qū)域，危險(xiǎn)性最高，將其定義為一級(jí)區(qū)，越往內(nèi)，危險(xiǎn)程度越低。建筑物樓內(nèi)為二級(jí)區(qū)，樓內(nèi)房間為三級(jí)區(qū)，房屋內(nèi)的金屬屏蔽柜架為四級(jí)區(qū)等，各級(jí)保護(hù)區(qū)的界面由外部防雷系統(tǒng)、鋼筋混凝土、金屬管道及金屬柜架等構(gòu)成的屏蔽層形成。

發(fā)生雷擊時(shí)，雷電流約有一半直接流入大地，另一半則平均流入由電源線、信號(hào)線和金屬管道等構(gòu)成的電氣通道。從一級(jí)保護(hù)區(qū)到最內(nèi)層保護(hù)區(qū)，必須實(shí)行分級(jí)保護(hù)。

電源系統(tǒng)可按保護(hù)需要分為對(duì)應(yīng)的三級(jí)或四級(jí);信號(hào)、信息系統(tǒng)可分為粗保護(hù)和精保護(hù)兩級(jí)。作為保護(hù)一級(jí)區(qū)的外部防雷系統(tǒng)，由避雷針 (避雷線或避雷帶)、引下線、接地體組成，主要目的是保護(hù)建筑物免遭雷擊。而內(nèi)部防雷系統(tǒng)則是防止雷電流侵入設(shè)備和產(chǎn)生電磁感應(yīng)而造成損壞。為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)部避雷，有效消除雷電引起的毀壞性電位差，進(jìn)出各保護(hù)區(qū)的線纜都必須通過過壓保護(hù)器進(jìn)行等電位連接，各層保護(hù)區(qū)的金屬管道、金屬門窗、金屬構(gòu)架物件都必須與相關(guān)的局部等電位連接棒連接，最后都與主等電位連接棒相連。

環(huán)形接地體和內(nèi)部環(huán)形導(dǎo)體應(yīng)連接到鋼筋或其它屏蔽件上，最好每隔5 m連接一次。建筑物內(nèi)有信息系統(tǒng)時(shí)，在要求雷擊電磁脈沖影響最小之處，等電位連接帶宜采用金屬板，并與鋼筋或其屏蔽構(gòu)件作多點(diǎn)連接。

電氣設(shè)備和電子設(shè)備的電源線路和信號(hào)線路可感應(yīng)雷電瞬態(tài)對(duì)地電壓，此過電壓可能擊壞設(shè)備的絕緣，應(yīng)作等電位連接來防范。但電源線路中的帶電導(dǎo)體和信號(hào)線路的芯線是不允許用導(dǎo)線直接和保護(hù)地線相連接的，必須采用浪涌保護(hù)器來實(shí)現(xiàn)等電位連接。平時(shí)保護(hù)器不導(dǎo)通，當(dāng)線路感應(yīng)瞬態(tài)過電壓時(shí)，保護(hù)器被擊穿導(dǎo)通而實(shí)現(xiàn)瞬間的等電位連接，它泄放雷電流并將瞬態(tài)過電壓鉗制在低水平上，使設(shè)備各端口的電壓將大致相同，即近似于等電位，從而保護(hù)設(shè)備免遭損壞。

引下線是避雷針與接地體的連接線。建筑物的結(jié)構(gòu)中有大量鋼筋，經(jīng)過綁扎、焊接會(huì)形成一個(gè)良好的導(dǎo)體，是建筑物很好的自然避雷引下線。用作等電位連接中的基礎(chǔ)鋼筋、地下水管和金屬外皮也都是很好的自然接地極，其使用壽命和建筑物相當(dāng)。高層建筑物的基礎(chǔ)一般有幾十米深，用基礎(chǔ)鋼筋作接地體是符合要求的。如再單獨(dú)作接地體，為滿足接地電阻小于1 Ω的要求，必須使用大量的人工接地極，由于土壤腐蝕，這種人工接地極使用壽命非常有限，在經(jīng)濟(jì)上是不可取的。對(duì)于低層建筑因其基礎(chǔ)較淺，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備要求，也可單獨(dú)作接地體。

針對(duì)直擊雷的保護(hù)裝置主要有避雷針、避雷線、避雷帶和避雷網(wǎng)等。雷電侵入波的保護(hù)裝置主要有閥型避雷器、保護(hù)間隙、管型避雷器、同軸電纜信息保護(hù)器、雙絞線信息線路保護(hù)器、天饋線保護(hù)器、串并口保護(hù)器和網(wǎng)絡(luò)浪涌保護(hù)器等。

避雷針是豎立在保護(hù)區(qū)最高處的針形金屬導(dǎo)體，與它大地良好接觸，雷電先導(dǎo)電路向地面延伸時(shí)，受到其畸變電場的影響，會(huì)逐漸轉(zhuǎn)向并擊中避雷針，然后向大地泄放雷電流，從而避免了雷電導(dǎo)向保護(hù)對(duì)象。避雷針其實(shí)是引雷針，它是將雷電引向自己從而起到保護(hù)對(duì)象免遭雷擊的作用。它主要用來保護(hù)電站、輸電線路和高層建筑物。

避雷線也叫架空地線，它是沿輸電線路架設(shè)于桿塔頂端，并連接良好的接地金屬導(dǎo)線，用來保護(hù)輸電線路。避雷線的保護(hù)原理與避雷針相似，除了能屏蔽輸電線免遭直接雷擊外，還能分散雷擊自身的雷電流，增大耦合系數(shù)，從而降低雷擊電壓的幅值。

避雷帶是在保護(hù)對(duì)象的頂部和周圍設(shè)置與大地可靠連接的金屬保護(hù)帶。避雷網(wǎng)是在保護(hù)對(duì)象的周圍設(shè)置與大地可靠連接的網(wǎng)狀金屬保護(hù)裝置。這兩者的保護(hù)原理均與避雷針相似，它們比避雷針更加可靠。

閥型避雷器主要由放電間隙和非線性電阻構(gòu)成，當(dāng)高幅值的雷電流侵入時(shí)，放電間隙先行放電，將限制保護(hù)對(duì)象上的過電壓。在泄放雷電流時(shí)，非線性電阻又將避雷器的殘壓限制在保護(hù)對(duì)象的耐壓水平之下。雷電流過去后，它還能自動(dòng)將工頻續(xù)流切斷，從而達(dá)到保護(hù)的目的。保護(hù)間隙是一種簡單有效的過壓保護(hù)器件，它由帶電與接地兩個(gè)間隔一定距離的電極構(gòu)成。當(dāng)雷電波到來時(shí)，間隙先行擊穿，雷電流被引入大地，從而避免保護(hù)對(duì)象因高幅值的過電壓而擊毀。它的缺點(diǎn)是不具備熄弧能力，即使配備自動(dòng)合閘裝置，也會(huì)出現(xiàn)幾百毫秒的中斷時(shí)間。管型避雷器是具有熄弧能力的保護(hù)間隙不須靠斷路器動(dòng)作斷弧，可以保證保護(hù)對(duì)象工作的連續(xù)性。這三種保護(hù)器主要都是用于輸電系統(tǒng)的防雷保護(hù)。

5 廣播電視系統(tǒng)的防雷措施

5.1 建筑物與天線塔的防雷

廣播電視中心大樓樓頂一般都建有發(fā)射鐵塔，塔體必須與樓體鋼筋可靠焊接，樓體鋼筋與接地體可靠連接，而且大樓在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮樓體的防雷問題。預(yù)防直擊雷的避雷針可固定在天線塔上，利用塔體或樓體鋼筋作接閃器和引下線，塔基或樓基的四角埋設(shè)垂直接地體，水平接地體應(yīng)圍繞塔基或樓基做成閉合環(huán)形，并與垂直接地體相連，接地電阻應(yīng)小于4 Ω。

天線塔上的所有金屬物件，如天線的支桿或框架、反射器的框架、甚至航空障礙信號(hào)燈等，都必須與塔體可靠連接。波導(dǎo)管或同軸傳輸線纜的金屬外皮及敷設(shè)電纜的金屬管應(yīng)在塔體的上下兩端和每約10m處與塔體作金屬連接，并與機(jī)房內(nèi)的接地網(wǎng)相連。塔上照明燈的電源線應(yīng)采用金屬外皮電纜穿管敷設(shè)，電纜外皮和金屬套管兩端與塔體連接。

5.2 機(jī)房的防雷

廣播電視系統(tǒng)的機(jī)房，如微波機(jī)房、發(fā)射機(jī)房甚至播出中心機(jī)房、編輯制作機(jī)房和演播機(jī)房，一般都處于天線塔避雷針的保護(hù)范圍之內(nèi)，機(jī)房防雷問題就簡單得多了。

如果機(jī)房不處于天線塔保護(hù)范圍內(nèi)，如一些衛(wèi)星地面站機(jī)房等，必須沿房頂四周裝設(shè)閉合環(huán)形避雷帶，利用墻柱中的鋼筋或?qū)ＴO(shè)引下線接地。機(jī)房外應(yīng)圍繞機(jī)房埋設(shè)地下環(huán)形水平接地體。機(jī)房內(nèi)用截面大于120×0.35 mm2的銅帶沿墻體敷設(shè)環(huán)形接地母線，室內(nèi)各種設(shè)備外殼、電纜的金屬外皮、金屬管道和鋁合金門窗等不帶電的金屬部分，均應(yīng)就近與室內(nèi)環(huán)形接地母線連接。室內(nèi)接地母線、室外環(huán)形接地體和屋頂環(huán)形避雷帶間，至少應(yīng)有四個(gè)對(duì)稱分布的連接線互相連接，相鄰連接線間的距離應(yīng)小于18m。機(jī)房的接地網(wǎng)與塔體的接地網(wǎng)間，至少應(yīng)連接有兩根水平接地體，總接地電阻應(yīng)小于1 Ω。

進(jìn)出機(jī)房內(nèi)的輸電線、信號(hào)電纜應(yīng)有金屬外皮或敷設(shè)在金屬管內(nèi)，金屬外皮和金屬套管必須良好接地。

5.3 衛(wèi)星地面站裝置的防雷

衛(wèi)星地面站可能既沒有天線塔，也沒有高層建筑物，因此衛(wèi)星地面站的發(fā)送或接收裝置的防雷問題有所不同。

衛(wèi)星地面站的防雷，可以設(shè)置專用的獨(dú)立避雷針，也可以在天線反射體拋物面骨架頂端或在調(diào)整器頂端預(yù)留的專用位置上安裝避雷針。避雷針的接地可以專設(shè)接地引下線，也可以利用鋼筋混凝土構(gòu)件內(nèi)的鋼筋代替。防雷接地、電子接地和保護(hù)接地共用一個(gè)接地裝置，接地體沿建筑物四周敷設(shè)成閉合環(huán)形，接地電阻小于1 Ω。

5.4 電源系統(tǒng)的防雷

廣播電視系統(tǒng)使用的電源系統(tǒng)為三相五線制和單相三線制，應(yīng)采用三級(jí)保護(hù)方式。

電源系統(tǒng)三級(jí)保護(hù)的基本要求分別是:第一級(jí)采用高能量防雷器，防雷擊電流不小于100 kA，響應(yīng)時(shí)間不大于100 ns;第二級(jí)采用過壓保護(hù)器，可承受最大放電電流40 kA，響應(yīng)時(shí)間不大于25 ns;第三級(jí)采用浪涌吸收精細(xì)過壓保護(hù)器，可承受放電電流5 kA，響應(yīng)時(shí)間不大于25 ns。

5.5 信號(hào)、信息電纜的防雷

對(duì)信號(hào)、信息電纜的防雷是內(nèi)部防雷的重要組成部分。在雷電流通過外部防雷系統(tǒng)泄放時(shí)，強(qiáng)大的雷電流除了在防雷裝置上產(chǎn)生高電位外，還會(huì)在其周圍產(chǎn)生一定的電磁場，并在電氣環(huán)路中產(chǎn)生危險(xiǎn)的高電壓。如果屏蔽不好、耐壓能力低、脆弱敏感的電子設(shè)備很可能被擊壞。另外，與室外系統(tǒng)相連的電源線和通信線纜、衛(wèi)星信號(hào)電纜都可能引入附近其它建筑物或架空線纜遭受雷擊時(shí)的雷電波。海南電視臺(tái)建立在內(nèi)部防雷系統(tǒng)之前，就經(jīng)歷過兩次因外部雷擊而引起感應(yīng)雷電波擊壞內(nèi)部重要設(shè)備的慘痛教訓(xùn)。我局主樓消防控制中心及電梯機(jī)房電源系統(tǒng)曾發(fā)生過因未安裝防雷擊電磁脈沖裝置，雷擊造成消防控制設(shè)備損壞的事故。

信號(hào)、信息電纜的防雷應(yīng)以獨(dú)立機(jī)房為單元，對(duì)進(jìn)出單元的電纜一律加裝信息線路保護(hù)器，要根據(jù)信號(hào)性質(zhì)選擇保護(hù)器類型，滿足其相應(yīng)的要求。

用于傳輸模擬視頻信號(hào)或數(shù)字視音頻信號(hào)的同軸電纜，應(yīng)加裝同軸電纜信息保護(hù)器，其參考參數(shù)為可承受最大放電電流20 kA，，帶寬為SDI數(shù)字視頻信號(hào)不小于150 MHz，模擬視頻信號(hào)或數(shù)字音頻信號(hào)不小于8 MHz。用于傳輸有線電視信號(hào)和衛(wèi)星傳送、接收信號(hào)的天線饋線電纜，應(yīng)加裝可承受最大放電電流20 kA的天饋線防雷保護(hù)器，所有不平衡傳輸?shù)男盘?hào)使用的保護(hù)器，要求其在所適應(yīng)的最大傳輸頻率下反射損耗不大于20 dB，插入損耗不大于3 dB。

6 結(jié)束語

防雷工作在廣播電視系統(tǒng)的安全播出和設(shè)備維護(hù)工作中起著至關(guān)重要的作用，提高技術(shù)能力和手段，以盡可能低的成本把雷害減少到最小程度，還需要不斷地探索。

［1］建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范.GB 50057－2010［S］.

［2］建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范.GB50343－2012［S］ .

［3］防雷與接地安裝 ［Z］.

［4］建筑物防雷裝置安全檢測技術(shù)規(guī)范.GB/T21431－2008［S］ .

［5］雷電電磁眿沖的防護(hù).GB/T 19271.1－2003［S］.