淺析雷電與安全

申翔

摘 要：河南省部分中波發射臺地處偏遠山區，海拔高、地貌突兀，容易遭受雷電的侵襲和災難性侵害，文章結合實際經歷，結合理論及技改成果，對雷電與安全的關系進行了分析。

關鍵詞：防雷避雷；接地器；屏蔽；電流電壓；安全播出

中圖分類號：TM86 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）11-0054-02

隨著社會的進步，廣播電視已完全融入群眾的生活，把優質動聽的廣播信號發送給每個聽眾，確保廣播設備穩定工作是每個中波廣播技術工作者職責。山區或者曠野地貌的中波發射臺，容易遭到雷電的襲擊。掌握科學新技術、排除廣播發送設備的疑難問題，保障設備安全工作，防范突發災害性侵害。

雷電是高速運動的云團在相互摩擦過程中形成帶電荷的云，當兩團帶有異性電荷的云相遇時，將擊穿兩者之間絕緣空氣，正負電荷進行中和放電，產生雷電，其實雷電是大氣中帶電的云對地放電的自然現象，雷電分為直擊雷和感應雷。

1 雷電的特點

1.1 極寬的頻譜

雷電包括直流和交流成份，交流部份，頻率從幾赫茲到幾百千兆赫茲，甚至幾千兆赫茲。

1.2 高電壓大電流

雷電云團的電壓數千伏，有的云團上萬伏甚至更高，在中和放電時，產生數千安培的電流，導致同時產生雷聲和閃電。

1.3 可預測性

雷電自然現象有別于風、雨、雪等，現代科技還難以預測其具體的落地點和強度。

2 雷電防御分析

雷電危分為直接雷擊和間接雷擊。直接雷擊是雷電直接作用在物體上，產生電效應、熱效應和機械力，它的高電壓和強電流對被擊物體造成致命的破壞；間接雷擊主要是雷電感應和雷電波的侵害。雷電感應是當雷電放電時，在附近的物體上產生靜電感應和電磁感應，從而使金屬物體部件之間產生電火花；雷電侵入指雷電放電時產生雷電反擊、雷電過電壓、電磁脈沖等會沿著架空的金屬導管、導線、信號線等進入屋內或設備，危及人體、設備。雷電的破壞力主要來源于雷電本身強大的電流、高溫、沖擊波、劇變的電磁場、強烈的電磁輻射。感應雷擊是直接雷擊引起的強大電磁場在導體中感應起的電磁脈沖，感應雷擊的破壞沒有直接雷擊大，但破壞面和概率強于直接雷擊。

①直擊雷防護采用避雷針、避雷帶、避雷線、避雷網等作為接入器，將雷電引入自身，然后再由下引線（接地線/接地體）迅速將雷電流泄放到大地，極大降低雷擊強度。

普遍使用的避雷器由接閃器、支桿、下引線和接地體四部分組成。簡易避雷針的接閃器一般采用粗銅絲或鐵絲，用粗些的鐵棍更好；支桿最好用金屬桿；下引線可用粗鐵絲、銅絲或者帶狀金屬條，上端與接閃器相連，下端與接地體相連，連接必須牢固焊接；接地線必須整根線，以最短路徑接到地體上，盡量不彎折接地線；接地體埋于地下不小于200 cm的深度，材質為扁鋼/角鋼等焊接，單根材料100～200 cm，接地體的幾何面積越大效果越好。一個避雷針單獨一個接地體，不能共用一個接地體。

避雷針的有效保護范圍是避雷針下面450～600的傘形區域。避雷針越高，受保護的區域越大，避雷針與被保護對象之間的距離應大于500 cm，避雷針及下引線受雷電感應時能擊穿200～300 cm的空氣層。

②傳統的防雷技術是引雷機理，難以解決有效保護范圍、感應雷、跨步電壓、接觸電壓、二次雷擊等問題。當雷電擊中避雷針，雷電流經避雷針、引下線和接地網的接地電阻入地，地電位有的高達幾千甚至上萬伏，遠高于電器設備耐壓值，造成設備損壞。接地電阻為4 ？贅、電流為3 000 A時，接地電阻上產生4×3 000=12 000 伏的電位差，必將損壞一批電子設備。AR避雷針，依據“滾球法”機理進行防護，能有效地限制急劇上升的雷電流，減少雷電擊中避雷針后造成的二次效應，可靠性高、落雷記數和免維護功能。

③感應雷的防護，分為靜電感應和電磁感應兩種方式而進行。供電電纜應有金屬屏蔽層，盡可能地下鋪設，高低壓輸電線逐級、分類安裝與供電電壓相匹配的避雷器。10 kV的高壓供電安裝的避雷器，同時380/220 V也應加裝低壓避雷器。中波臺的電腦控制系統還應加裝交流和直流避雷器，以保護電腦控制系統。

④巧用閑置發射天線防雷電。可將閑置天線改造成為高大避雷針，其保護區域有時可覆蓋一個中小型的中波發射臺。

⑤防雷接地分為接地體和接地線，能將直擊雷電流或感應雷電流及時泄放到大地。

其一，接地體一般分為自然接地體和人工接地體，凡埋在土壤中的金屬管道物、基礎內的鋼筋、其地下金屬結構等，都可作為自然接地體。人工接地體，普遍采用扁鋼，圓鋼、鋼板或角鋼制成網狀。

一般地網面積15 m2左右，接地體水平埋入地下或采用水平放射式埋設，接地體橫截面積應不小于下表值。見表1：

其二，接地線盡量用鋼材，地下不得用裸鋁線作為接地線。

其三，接地電阻是衡量接地裝置好壞的重要參數。接地電阻的大小主要取決于接地體周圍土壤的電阻率和接地體與土壤的接觸面積。選擇潮濕的沼澤地、黑土、田園土等電阻率低的土壤，電阻率高的土壤，用電阻率低的土壤置換、土壤進行降阻處理（撒木炭、石灰、食鹽、化學降阻劑等），使接地體保持良好導電性能。

由于中波傳輸的特點，中波發射臺地理位置偏僻、邊遠、空曠。發射天線必然是當地最高建筑物，遭受雷擊的概率要比低矮的周邊建筑物大得多。顯然，中波臺的防雷系統應當是一個全面立體的防護系統，發射天線、機房、天饋線、高低壓供電線路，室內外都必須切采取相應的防雷措施。重點部位為：發射機房的防雷；高、低壓供電線路及變電、配電設備；接收天線、傳輸線、發射塔、天饋線。

3 鶴壁地區防雷電實例分析

3.1 發射機房的防避雷

實際結合發射機房建筑物結構性質、機房內各全固態發射機及其附屬設備的特性、功率采取防避雷措施。

若新建機房，依據電氣安全要求，地面上的水泥樁破樁頭與建筑物的地梁鋼筋焊接在一起，分別留6或8個接地點（根據需要可增減）。發射機房通過3或4根200 mm寬，厚

1 mm銅皮與4或6個接地點可靠連接，控制室通過一條200 mm寬1mm厚銅皮與一個接地點可靠連接，配電房通過一條32 m2銅線與1個接地點可靠相連。

對于磚木結構的老式機房：可以采取在機房兩端對角設立兩付避雷針，對機房進行有效保護。避雷針（器）有效保護半徑R=h，（h為避雷塔高度，R為有效保護半徑）。

機房的全固態中波發射機，防雷性能較差。發射機輸出功率經饋管輸送到天線，雷電也可經饋管侵入發射機，損壞功放模塊或合成磁環。

發射機三相電電源也是雷電侵入的途徑。可采取：①饋管和調配網絡之間串聯一個電涌保護器，對經饋管侵入發射機的雷電進行泄放，電涌保護器經過雷擊考驗，防雷效果顯著。②發射機三相電電源進線處加裝避雷器。每部發射機配置獨立的防雷接地點，切忌發射機共用一個接地點。

音頻系統的防雷避雷直接影響安全播出，雖然采取了光纖傳輸信號，光纖信號抗雷性好，但備用衛星信號源和控制系統，仍有可能因感應雷的侵害而損毀。首先將音頻系統和控制系統各設備的良好接地，音頻系統和控制系統總電源進線處裝避雷器，以達到從雷電的侵入和泄放兩個途徑進行有效的防避雷。

3.2 天線系統的防避雷

中波臺發射塔多是76 m斜拉桅桿式天線和120 m、76 m自立塔天線，發射塔成為所處地域的最高金屬建筑物，易引雷并遭受雷擊。發射機功率放大的場效應管，極易過壓、過流、過荷損壞，因此介紹以下多重防避雷措施：

①科學利用天線底部的半球式放電球，根據尖端放電原理，雷擊的瞬時，天線底部產生極高的電壓，經由放電球對地泄放雷電壓，若天線的輸入阻抗為ZA=R+JX，那么：

天線輸入端電壓U=I×ZA

放電球間的間隙d=u×1.2 mm/kV（或1.5 mm/kV）

846 kHz/1 107 kHz，10 kW雙頻共塔天線，天線底部最大電壓為2 366 V，則放電球間隙約30 mm（考慮天氣潮濕等）。②安裝石墨放電球。石墨放電球的放電電壓隨面積的增加而降低，石墨放電球的間隙可調，一般為1 mm/kV。石墨放電球的接地銅棒良好接地，接地銅棒上再串接50個磁環，遭遇雷擊時，可有效地提高發射機短路射頻阻抗，保護發射機。③隔直流電容器。當雷電擊中天線，部分雷電能量經饋線侵入發射機，在天線和天調網絡之間加一個

1 000～3 000 PF的隔直電容器，該隔直流電容器的伏安量、耐壓值越大越好。④天線對地串接一只微亨級（幾十或十幾微亨）的電感線圈，其電阻量極小，雷電中的一部分能量可經該電感線圈對地泄放。⑤在天調網絡中，設計帶通匹配和移相網絡，移相對雷電進行防避。⑥天線地網同樣也可以為雷電提供泄放點，接地電阻越小則雷電壓越小，將發射天線底座的鋼筋籠與天線地網可靠地連接，提高泄放面積，確保良好接地，有效快速泄放雷電。

3.3 高低壓供電線路的防避雷

鶴壁中波臺專用高壓供電線路綿延丘陵達7～8 km，極易遭受雷電侵害，防避雷工作量大，困難多。以下是歷年來各臺在高低壓供配電防雷中的措施方案：

①在高壓變壓器輸入端安裝規格相當的高壓避雷器，高壓避雷器的下引線不得≥35 mm，接地器埋深應>1.0 m且接地器水平有效面積≥6 m2。②鶴壁中波臺的高壓電是企業的自發電，輸電線是裸露的鋁質線，線路分布在山頂或丘陵最高處，經常遭到雷電侵害，采取多點避雷的方法，在經常遭雷擊的高壓供電線路處安裝高壓避雷器，雷擊嚴重的地點安裝高壓避雷塔（注意：供電高壓避雷塔的安裝與高壓供電線間應確保電氣安全間距，供電部門安裝，定期安全試驗。）③高壓變壓器輸出端為380 V安裝相應規格的低壓避雷器，各主要設備的配電端也應當安裝相應規格的避雷器，并且低壓避雷器的泄放點接地良好，下引線≥25 mm，接地點應與其它系統泄放點區別開來，獨立設置一個低壓避雷泄放點，且接地器埋深≥80 cm，水平有效面積≥4 m2。④關鍵設備的專用三相電，在設備供電進線端安裝相應規格的避雷器，安裝設計要符合電氣安裝規范。

總之，中波發射的防雷問題因各發射臺的發射機功率大小，地理位置，地質狀況，塔體實況等客觀條件不同而各有特點，工作中多想多查多防范，才能有效保障安全播出工作萬無一失。

參考文獻：

[1] 王曉芳.淺談防雷電安全措施[J].科技傳播，2010，（16）.