廣播電視發(fā)射臺綜合防雷應(yīng)用實(shí)踐

傅高強(qiáng)

（浙江省磐安縣融媒體中心，浙江金華 322300）

0.引言

磐安縣廣播電視發(fā)射臺（白云山發(fā)射點(diǎn)）位于新渥街道白云山巔上，經(jīng)緯度（120.45962，28.980919），海拔為950m，發(fā)射鐵塔高度為35m。白云山發(fā)射點(diǎn)承擔(dān)著發(fā)射中央電視中一、中七等12套數(shù)字電視節(jié)目、浙江衛(wèi)視、金華綜合頻道、磐安綜合頻道、文化生活頻道的無線數(shù)字電視節(jié)目，浙江之聲、浙江交通之聲、磐安FM98等3套調(diào)頻廣播節(jié)目的發(fā)射任務(wù)，信號可有效覆蓋新老城區(qū)及周邊地區(qū)。

因此，有效保證磐安縣白云山廣播電視發(fā)射臺的雷電浪涌防護(hù)能力，減少雷電活動對發(fā)射臺廣播、電視節(jié)目的播出和接收的危害是廣電發(fā)射臺站安全管理工作的重要職責(zé)。本文從磐安縣白云山廣播電視發(fā)射臺遭受雷擊原因分析，在傳統(tǒng)防雷措施的基礎(chǔ)上，采用大保護(hù)角直擊雷保護(hù)裝置和云平臺智能監(jiān)測防雷技術(shù)，通過智能的監(jiān)測設(shè)備、防雷設(shè)備和監(jiān)測控制云平臺實(shí)現(xiàn)廣電發(fā)射臺智能化的雷電防護(hù)和監(jiān)測技術(shù)，保證發(fā)射臺防雷技術(shù)和措施的智能化和可靠性，提高廣電發(fā)射臺的防雷技術(shù)和管理水平的一些實(shí)踐[1]。

1.雷電對廣播電視發(fā)射臺的危害

雷電危害一般大致可分為直擊雷危害和感應(yīng)雷危害，其中直擊雷危害極大，廣播電視發(fā)射設(shè)備如果遭受到直擊雷大概率都會造成報廢。雷電活動危害發(fā)射臺的形式大致會有以下3種：

1.1 直擊雷危害

直擊雷是指帶有正電荷或負(fù)電荷的云層對地面目標(biāo)之間的迅猛放電，其放電電壓最高達(dá)幾百千伏以上，峰值電流則達(dá)200kA以上，放電時產(chǎn)生的電場效應(yīng)、電磁效應(yīng)和機(jī)械力都具有很強(qiáng)的破壞性。對于發(fā)射臺來說，主要危害所在地的建筑物、發(fā)射鐵塔及塔上的發(fā)射天線和機(jī)房內(nèi)弱電、控制設(shè)備。當(dāng)這些物體遭受到直擊雷后，強(qiáng)大的直擊雷電流沿著接閃物體、接地引下線、接地裝置入地。由于存在接地電阻，雷電流入地后會瞬間抬高地電位，這個抬高的地電位對設(shè)備等放電反擊，造成設(shè)備損壞或人員傷亡[2]。

1.2 感應(yīng)雷危害

感應(yīng)雷是雷云對地放電時，在雷擊點(diǎn)周邊的金屬物導(dǎo)體上就會存在電場感應(yīng)和電磁感應(yīng)，這2種感應(yīng)現(xiàn)象會使金屬物體之間產(chǎn)生放電現(xiàn)象，感應(yīng)雷可能由雷云對地閃擊產(chǎn)生，也可能由雷云間的放電產(chǎn)生。

在感應(yīng)雷對地閃擊時，當(dāng)距離雷擊點(diǎn)比較近時，在周邊產(chǎn)生的感應(yīng)電壓較大，其作用的半徑也較大，一般空曠地帶1km范圍內(nèi)的電子電氣設(shè)備均容易受到感應(yīng)雷的破壞。感應(yīng)雷產(chǎn)生的浪涌電流如不能瞬時對地釋放，就會形成過電壓或放電火花，危害電氣設(shè)備或干擾、破壞機(jī)房內(nèi)的發(fā)射設(shè)備，甚至引起火災(zāi)。

1.3 雷電波侵入

當(dāng)輸電線路、光纜等入戶線路在進(jìn)入建筑物前的架空線路或金屬管道遭受到直擊雷擊或產(chǎn)生感應(yīng)浪涌電流時，直擊雷或感應(yīng)雷的高電位會以波的傳導(dǎo)方式沿著這些線路或管道進(jìn)入建筑物內(nèi)，造成機(jī)房設(shè)備損害或?qū)C(jī)房內(nèi)的金屬物體放電，還有可能危及人的生命安全。

2.廣播電視發(fā)射臺傳統(tǒng)防雷措施

根據(jù)綜合防雷技術(shù)理論，傳統(tǒng)雷電防護(hù)措施分為建筑物外部防雷和建筑物內(nèi)部防雷，建筑物外部防雷一般為直擊雷防護(hù)，建筑物內(nèi)部防雷一般為感應(yīng)雷防護(hù)。

2.1 防直擊雷措施

防直擊雷措施主要是引導(dǎo)雷云對接閃裝置放電，使雷擊電流瞬間泄放入地，從而保護(hù)發(fā)射塔或建筑物免受雷擊。防直接雷擊的防雷裝置和措施有裝設(shè)避雷針、避雷帶、避雷線及引下線和接地系統(tǒng)等。防雷裝置的設(shè)置位置和接地系統(tǒng)的沖擊接地電阻值應(yīng)符合設(shè)計和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 防感應(yīng)雷措施

感應(yīng)雷破壞的本質(zhì)是感應(yīng)過電壓，感應(yīng)過電壓有多種耦合途徑，常見的防范措施有以下幾種。

2.2.1 防電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)措施

（1）等電位連接和接地：等電位連接的結(jié)構(gòu)形式采用S型、M型或它們的組合與接地裝置構(gòu)成接地系統(tǒng)。

（2）合理布線：可以遠(yuǎn)離干擾源、減小環(huán)路面積和避免平行布線。

（3）采用雙絞線：雙絞線可以有效降低電感耦合影響，雙絞線絞距所形成環(huán)路的磁通方向與相鄰的環(huán)路磁通方向相反，磁通量互相抵消。

（4）采用屏蔽線：采用屏蔽線后，感應(yīng)的靜電荷都處在屏蔽層，將屏蔽層接地后，其電位相當(dāng)于零，不會對屏蔽層內(nèi)的線路造成干擾。

（5）合理安裝SPD：選擇SPD時應(yīng)根據(jù)其耐沖擊電壓值、最大持續(xù)工作電壓、沖擊電流、標(biāo)稱放電電流、特性阻抗等參數(shù)進(jìn)行合理選用安裝。

2.2.2 防地電位反擊措施

（1）等電位連接：將各獨(dú)立接地的發(fā)射塔或建筑物進(jìn)行等電位連接，減小各發(fā)射塔或建筑物之間的地電位差。

（2）安裝等電位連接器：如在發(fā)射塔或建筑物之間進(jìn)行等電位連接有影響時，可安裝等電位連接器。當(dāng)各獨(dú)立地之間某處發(fā)生地電位抬升時，通過等電位連接器瞬間將各接地裝置進(jìn)行等電位，減小地電位差。

2.3 防雷電波侵入措施

雷電波的侵入形式主要是通過各種線路或管道進(jìn)入建筑物，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、防雷等級要求，合理選擇適用的SPD。

對電源線路，在各防雷區(qū)界面處，如總配電柜、分配電柜和設(shè)備終端安裝電源SPD。當(dāng)電源線路有屏蔽層時，將屏蔽層進(jìn)行兩端接地。

對信號線路，在入戶端或設(shè)備終端安裝對應(yīng)的信號SPD。當(dāng)信號線路有屏蔽層時，將屏蔽層進(jìn)行單端接地。

上述電源或信號線路為架空線進(jìn)出建筑物時，根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行穿金屬管埋地引入和接地處理。對進(jìn)出建筑物的管道，將管道進(jìn)出端與鄰近的接地裝置進(jìn)行等電位連接。

3.大保護(hù)角直擊雷保護(hù)裝置防護(hù)技術(shù)

傳統(tǒng)避雷針是在其避雷針上感應(yīng)的電荷反放電（向上先導(dǎo)放電)與雷云產(chǎn)生的梯式（級）向下先導(dǎo)接通，形成一個充滿負(fù)電荷（對地負(fù)閃）為主的通道，稱為電離通道或閃電通道，通過避雷針將電荷引入大地。

3.1 大保護(hù)角直擊雷保護(hù)裝置的主要創(chuàng)新

大保護(hù)角直擊雷保護(hù)裝置金屬電極積累的電荷反放電后，高壓大電流開關(guān)以納秒級的速度關(guān)斷大保護(hù)角直擊雷保護(hù)裝置的接地通道，金屬電極放出的電荷將“有去無回”，在空中破壞了下行先導(dǎo)產(chǎn)生閃電的條件。大保護(hù)角直擊雷保護(hù)裝置中和雷電的創(chuàng)新原理就是不讓雷電落下來，而傳統(tǒng)避雷針則是盡快地將雷電引入大地。

大保護(hù)角直擊雷保護(hù)裝置突破了傳統(tǒng)避雷針接閃引雷入地的的理念，解決了雷電放電通道的阻斷問題，有效的避免和降低了被保護(hù)區(qū)域內(nèi)直擊雷導(dǎo)致的雷電災(zāi)害。

大保護(hù)角直擊雷保護(hù)裝置的創(chuàng)新原理為：在具有強(qiáng)電場帶電雷云的作用下，裝置頂部的金屬電極開始積累電荷，當(dāng)該電極的電荷值對地的電位差達(dá)到裝置內(nèi)大電流高壓開關(guān)設(shè)定的開關(guān)電壓值時，大電流高壓開關(guān)接通，通過接地引下線從地面向上面的金屬電極加載電荷。當(dāng)帶電雷云對大保護(hù)角保護(hù)裝置的電場強(qiáng)度達(dá)到使金屬電極上累積的電荷出現(xiàn)反放電時（向上先導(dǎo)放電的瞬間），金屬電極積累的電荷對地電位差消失，大電流高壓開關(guān)斷開。向上先導(dǎo)放電與帶電雷云的向下先導(dǎo)的瞬間中和（微秒級），破壞了出現(xiàn)閃電的條件，使在保護(hù)范圍內(nèi)沒有雷擊發(fā)生。

大保護(hù)角直擊雷保護(hù)裝置通過破壞向下先導(dǎo)產(chǎn)生閃電的條件后，金屬電極又恢復(fù)到初始時的狀態(tài)，等待對雷電向下先導(dǎo)的下一次發(fā)生并中和。在中和過程中自動有效地減少了雷擊的危害。

3.2 大保護(hù)角保護(hù)裝置與傳統(tǒng)避雷針應(yīng)用比較效果

將大保護(hù)角直擊雷保護(hù)裝置、提前放電避雷針、普通避雷針放在同樣高度，可以得到如下比較結(jié)論：

（1）提前放電避雷針和傳統(tǒng)避雷針都是接閃針，只是提前放電避雷針增加了高度，保護(hù)角是一樣的，但加大了保護(hù)半徑。

（2）天幕型直擊雷保護(hù)裝置中和上方的雷電下行先導(dǎo)，由于下行先導(dǎo)不是密集存在，因此有很大的保護(hù)角（70°），其保護(hù)半徑也很大，達(dá)到48m。

（3）最重要的是天幕型不接閃，沒有大的雷電流入地的過程，直擊雷可大大減少，也就大大減少了感應(yīng)雷擊的產(chǎn)生。

4.云平臺智能監(jiān)測防雷技術(shù)

云平臺智能監(jiān)測防雷系統(tǒng)主要由羅氏線圈和雷電流智能監(jiān)測器組成，智能監(jiān)測器將羅氏線圈采集到的雷擊浪涌信息通過串口服務(wù)器上傳至云平臺智能管理系統(tǒng)。

雷電流智能監(jiān)測器能準(zhǔn)確監(jiān)測到：雷擊浪涌強(qiáng)度大小、能量大小、雷擊發(fā)生次數(shù)、雷擊發(fā)生時間。當(dāng)接閃器或線路管道發(fā)生雷擊浪涌入侵時，通過羅氏線圈采集發(fā)生的雷擊浪涌數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)上傳到云平臺智能監(jiān)測管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測到的浪涌數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理[3]。

5.大保護(hù)角直擊雷保護(hù)裝置和云平臺智能監(jiān)測防雷技術(shù)實(shí)施方案

本實(shí)施方案結(jié)合磐安縣白云山廣播電視發(fā)射臺易遭受雷擊的原因分析，在傳統(tǒng)防雷措施的基礎(chǔ)上，采用云平臺智能監(jiān)測防雷系統(tǒng)技術(shù)，通過智能監(jiān)測設(shè)備、防雷設(shè)備和監(jiān)測控制云平臺，實(shí)現(xiàn)廣電發(fā)射臺智能化的雷電防護(hù)和監(jiān)測技術(shù)，保證發(fā)射臺防雷技術(shù)措施的智能化和可靠性，提高廣電發(fā)射臺的防雷技術(shù)和管理水平的一些實(shí)踐。

發(fā)射臺傳統(tǒng)防雷應(yīng)用技術(shù)在防雷設(shè)計施工時都會有涉及到，此實(shí)踐方案中不再重復(fù)描述。本實(shí)踐主要實(shí)施采用大保護(hù)角直擊雷保護(hù)裝置用以防護(hù)直擊雷和減少感應(yīng)雷；采用云平臺智能監(jiān)測防雷系統(tǒng)技術(shù)實(shí)施發(fā)射臺智能直擊雷監(jiān)測、智能感應(yīng)雷監(jiān)測和智能接地電阻監(jiān)測。

5.1 大保護(hù)角直擊雷保護(hù)裝置直擊雷防護(hù)實(shí)施方案

大保護(hù)角直擊雷保護(hù)裝置比傳統(tǒng)避雷針擁有較好的優(yōu)勢，且發(fā)射塔距離機(jī)房較遠(yuǎn)，傳統(tǒng)避雷針的保護(hù)范圍不足以有效保護(hù)機(jī)房建筑物。因此，此方案中在發(fā)射塔最高點(diǎn)由裝設(shè)傳統(tǒng)避雷針改為裝設(shè)大保護(hù)角直擊雷保護(hù)裝置，該裝置可將塔上發(fā)射天線和機(jī)房建筑物置于直擊雷保護(hù)范圍內(nèi)，而且在該裝置應(yīng)用時，不但在保護(hù)范圍內(nèi)將雷電對地面的閃擊大幅度減少，還大幅減少了傳統(tǒng)避雷針接閃（引雷入地）時所產(chǎn)生的大量感應(yīng)雷擊，從而大大減少了從電源線、信號線、天饋線上產(chǎn)生的感應(yīng)雷擊。現(xiàn)場安裝施工如圖1所示。

圖1 發(fā)射塔頂大保護(hù)角直擊雷保護(hù)裝置

5.2 直擊雷智能監(jiān)測實(shí)施方案

發(fā)射臺中最高位置的發(fā)射塔非常容易接閃，本方案在發(fā)射塔塔座地表內(nèi)埋入羅氏線圈作為浪涌電流傳感裝置，傳感裝置可采集雷擊能量和強(qiáng)度大小、雷擊發(fā)生次數(shù)、雷擊發(fā)生時間等浪涌數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)射塔接閃時，由傳感裝置采集發(fā)生的雷擊浪涌數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)上傳到云平臺智能監(jiān)測防雷管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測到的浪涌數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。

5.3 感應(yīng)雷智能監(jiān)測實(shí)施方案

根據(jù)相關(guān)雷擊案例統(tǒng)計分析顯示，在雷擊事故中，從電源線路侵入感應(yīng)雷浪涌過電壓損壞設(shè)備占有較大比例。所以電源線路的感應(yīng)雷防護(hù)是所有設(shè)備防護(hù)的根本和基本條件，沒有電源線路感應(yīng)雷的防護(hù)，其他的措施都是舍本逐末。為此，本方案在建筑物機(jī)房內(nèi)總配電柜中裝設(shè)帶有防雷和監(jiān)測功能的智能防雷一體箱，該智能防雷一體箱集雷電防護(hù)和在線監(jiān)測為一體，通過連接羅氏線圈后可實(shí)時監(jiān)測電源線路上感應(yīng)雷浪涌的峰值強(qiáng)度、發(fā)生時間、發(fā)生次數(shù)和自身劣化狀態(tài)，并通過網(wǎng)絡(luò)上傳到云平臺智能監(jiān)測防雷管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測到的浪涌數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理[4]。

6.結(jié)語

本文通過對云平臺智能監(jiān)測防雷技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐的探討，提出廣電發(fā)射臺防雷技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行升級改造的實(shí)踐思路，在傳統(tǒng)雷電防護(hù)措施的基礎(chǔ)上，對大保護(hù)角直擊雷保護(hù)裝置和云平臺智能監(jiān)測防雷技術(shù)進(jìn)行簡明扼要的設(shè)計說明，從直擊雷防護(hù)和減少感應(yīng)雷、直擊雷監(jiān)測和感應(yīng)雷監(jiān)測到接地電阻監(jiān)測，進(jìn)行了智能監(jiān)測防雷系統(tǒng)工程設(shè)計。通過對防雷項(xiàng)目的建設(shè)實(shí)踐，形成了統(tǒng)一的智能監(jiān)測防雷管理系統(tǒng)平臺，實(shí)現(xiàn)了防護(hù)直擊雷、減少感應(yīng)雷、監(jiān)測直擊雷、監(jiān)測感應(yīng)雷、監(jiān)測接地電阻等實(shí)時智能監(jiān)測和雷電防護(hù)功能。