廣播發射臺節目傳輸系統的防雷措施

張學兵

【摘 要】在廣電行業中，因雷電引起的過電壓及其產生的過電流造成的傳輸線路、接收設備損壞的安全事故時有發生。本文對雷電危害產生的原因進行了分析，為廣播發射臺站節目傳輸系統提出了有針對性的防雷措施，同時對防范直擊雷、感應雷和防地電位反擊引起的瞬間過電壓影響等多方面的防護的方法進行了詳細闡述，以供廣大廣電行業的同行參考。

【關鍵詞】雷電 接收設施 傳輸線路 防雷措施？ 電壓防護

1前言

科學技術的發展日新月異，智能化、網絡化滲透到了社會的各行各業，隨著采用大規模集成電路的設備在廣播發射臺的廣泛應用，使得廣播發送系統對過電壓的要求也越來越高，特別是節目傳輸系統中，既有室外衛星天線、高頻頭等戶外設備，又有衛星接收機、功分器、智能調度系統等精密設備，由于雷電在電源線、信號線、天饋線等部位上感應形成的瞬間過電壓造成損壞的事故時有發生，因此必須采取適當的保護措施以避免上述事故的發生。

2雷電的危害

在日常生活中，雷電是一種常見的自然現象。根據氣象觀測，地球上每秒鐘要出現大約100次左右的閃電雷擊，它會擊毀建筑物、引發森林火災，甚至還會對人身造成傷害，給人類社會帶來了很大的危害。筆者所在的電臺曾出現過一次嚴重的雷擊事故，事故造成了節目傳輸系統四個高頻頭、三部衛星接收機和兩臺功分器的損壞，經濟損失極大。國際電工委員會已將雷電災害稱為“電子時代的一大公害”，雷擊、感應雷擊、電源尖波等瞬間過電壓已成為破壞電子設備的罪魁禍首。

以雷擊最大的受害者——通信行業為例，通過對大量通信設備雷擊事故分析，專家們一致認為：由雷電感應和雷電波侵入造成的雷電電磁脈沖（LEMP）是通信設備損壞的主要原因。因此只有了解了雷電電磁脈沖（LEMP）的形成過程，尋求有效地防護措施才能減少雷電帶來的損失。

在廣電行業中，專用房屋有標準嚴格的設計規范，節目傳輸設備機房都會安裝有避雷針、避雷網或避雷帶，并且均采取了聯合接地的方式。理論上來說，整棟建筑已具備了良好的防雷和抗外界電磁干擾的能力，但是設備還是會因雷擊遭受過壓過流而損壞，甚至還會對操作維護人員構成人身威脅。究其原因，這是由于當發生雷電現象時，帶電的云層會在衛星接收天線上產生感應電荷或雷電感應通過通信和電力線路侵入，如果天線和通信線纜與大地之間直流通路不暢，就會由于感應在天線和線纜與大地之間產生高電位而引起過電壓，致使衛星接收設施無法承受強電流的侵入而損壞，甚至會危及操作人員的人身安全。

3節目傳輸系統的防雷措施

在廣播發射臺站中，節目傳輸系統是最容易遭受雷擊而引發事故的部位。隨著節目傳輸系統智能化、網絡化的發展，將逐步實現向有人留守、無人值班的值班模式轉變，為了節目傳輸系統的安全運行，單一的雷電防護體系已無法滿足整個系統安全防護要求，必須從單一防護體系轉為多級防護：包括防直擊雷、防感應雷電、防地電位反擊引起的瞬間過電壓影響等多方面的防護，應根據接收機、傳輸線路、局域網、交直流電源等所有微電子設備的不同功能、不同受保護程度確定防護要點和保護等級。根據雷電引起瞬間過電壓危害的可能侵入通道，從電源線到數據通信線路都應該做到多級保護。因此我們采取了“整體防御、綜合治理、多重保護”的防范原則，力爭將其產生的危害降到最低點。

通常來說，避免建筑物及設備遭受雷擊的方式大致有四種，第一種是疏導：即將雷云中的電荷通過引線疏導至大地，避免直接雷擊或感應雷擊電流流經建筑物或通信設備，從而使建筑物或通信設備免受雷擊。第二種是隔離：即將雷電所產生的過電壓和被保護物隔離開來從而避免雷擊。第三種是等位：即將鐵塔地、天饋線地、設備工作地、建筑物的公共地等置于等電位上。第四種是中和：即釋放出異性電荷和雷云中的電荷進行中和，從而阻止雷電的形成。

結合以上的四種避雷方法，電臺節目傳輸系統主要采取了以下幾種防雷措施。

3.1外部防護

節目傳輸系統機房外部防護主要采用了避雷針（避雷網、避雷線和避雷帶）和接地裝置（接地線、地極）來加以防護。

3.1.1防直擊雷的方法

當雷云放電接近地面時，它使地面的電場發生畸變，在避雷針（避雷線）頂部形成局部電場強度畸變，以影響雷電先導入電的發展方向，引導雷電向避雷針（避雷線）放電，再通過接地引下線、接地裝置將雷電流引入大地，從而使被保護物免受雷擊，經過人們長期實踐證明這事防直擊雷最有效的方法。然而，被動放電式避雷針存在反應速度差、保護的范圍小以及導通量小等不足。根據現代通信發展的要求，避雷針應選擇提前放電主動式的防雷裝置，并且應該從30°、45°、60°等不同角度考慮，以做到對各種雷擊的防護，增大保護范圍，增加導通量。建筑物的所有外露金屬構件（管道）都應與防雷網（避雷線或避雷帶）連接良好。

避雷針是一種保護建筑物和電力設備免遭直接雷擊的裝置。其作用是利用尖端放電，減少建筑物或儀器內蓄積的電荷，緩和云層與物體間的電勢差，防止雷擊的發生。其防雷作用是它能把閃電從保護物上方引向自己并安全地通過本身泄入大地，因此，其引雷性能和泄流性能是至關重要的。

避雷針由接閃器、接地引下線和接地體 3部分組成。接閃器通常采用直徑為 15～20mm、長度為1～2m的圓鋼或鋼管，固定于支柱上端經接地引下線與接地體連接。

當雷云對地放電通道發展到臨近地面時，由于避雷針尖端突出地面并有良好接地，在針尖附近的電場強度提高，聚積相反極性的電荷，引導放電。進而防止建筑物或儀器蓄積過多電荷而遭受雷擊。一般來講，雷電并不會直接擊中避雷針，而避雷針本身如果被閃電擊中也有著融化及爆炸的危險。 避雷針具有一定的保護作用。保護范圍的計算方法是由運行經驗和實驗室模型試驗結果確定的。工程設計中常用的方法是認為保護半徑是避雷針高度的函數。據中國的規范規定，單支避雷針的保護范圍是一個錐體。高度為h的避雷針， 其在地面上的保護半徑r=1.5h；在被保護物高度hx的水平面上，其保護半徑rx為

當hx≥h/2時 ， rx=（h-hx）P

當hx

當h≤30m時， P=1

當300m≤h≤120m時，

P==5.5/

安裝避雷針或接地裝置的要求

（1）避雷針應當裝在高于衛星天線尖端數米，避雷針與天線之間應有一定的間隔，以防止由于避雷針的存在而損壞天線的接受效果。一般的做法是避雷針安裝在衛星天線外線大約1.5米以外。（2）避雷地線的直流通路的電阻要求足夠低，一般為4--8Ω，由于雷電浪涌電流較大，頻譜較寬且持續時間短，因此要求必須有盡量小的電感量。（3）接地引入線長度應不大于30米，其材料應采用熱鍍鋅扁鋼或銅排，截面積應不小于40mm×4mm。地線不能用扁平編織線和絞合線，因為這兩種線電感較大，不利于泄放雷擊電流，且容易被腐蝕。要盡可能使用3毫米以上的實心導線，且最好是相同的金屬材料。（4）為了增大地表層的過電壓的泄放面積，可采用埋設有一定間隔的多根接地體，且相互焊接。如在建筑物的四周以1至2米的間隔埋上10根左右的銅管，并把它們焊接起來。（5）對一些雷電常發地區，可以考慮安裝放射性避雷裝置。放射性避雷裝置可以說是目前世界最先進的防雷保護裝置之一。放射性避雷裝置的關鍵部分是放射源，它能連續自行發射α粒子，使周圍空氣電離產生大量電子。在雷電場的作用下這些電子不斷加速，對空氣產生連鎖的多極電離或雪崩電離，形成與電場強度成正比的電子流，這時產生的由放射源指向雷云的電離通導會永不間斷地中和及釋放空間電荷，把已有的低電場消除掉，把可能形成的高電場降為低電場，從而有效地防止發生雷擊，起到顯著的消雷作用。這種放射性避雷裝置的防護面積較大，其半徑大約為260米左右，且安全可靠對人身無傷害。

3.1.2防感應雷擊的方法

除在衛星天線附近安裝避雷針或避雷裝置的同時，還要注意消除感應雷擊，其常用的方法是在天饋系統中安裝電涌保護器（SPD）。

在天饋系統中安裝電涌保護器（SPD）時應注意以下方面的問題： 一是SPD的接地端必須與地連接可靠，一般要求接地引線應從天饋線入口處外側的接地線、避雷帶或地網引接，且接地電阻不得大于5Ω，不然將會影響到防雷的效果。二是安裝天線時，天線的支撐桿要與地網可靠連接，連接電阻等于零。另外，還要注意供電系統的防雷，常見做法是在變壓器和配電房安裝避雷裝置。

3.2內部防護

首先是電源部分的防護，因為電源線是雷電侵入的主要通道之一。對于高壓部分，供電部門有專用的高壓避雷裝置，而線對線的過壓則無法控制。因此，對380V低壓線路應進行過電壓保護，按國家規范要求應分為3部分：建議在高壓變壓器后端到配電機房總配電盤的電纜內芯線兩端對地加裝避雷器，作為一級保護；在樓宇總配電盤至樓層配電箱間電纜內芯線兩端對地加裝避雷器，作為二級保護；在所有重要的、精密的設備以及UPS的前端對地加裝避雷器，作為三級保護。目的是用分流（限流）技術將雷電過電壓（脈沖）能量分流疏導至大地，從而達到保護的目的。分流（限流）技術中采用的防護器的質量、性能的好壞將直接影響防護的效果，因此應選擇合格優良的避雷裝置。

3.3接地處理

接地系統把雷電流引入大地，從而達到保護設備和人身安全的目的。一般建筑物的接地系統有建筑物地網、電源地（要求地阻<10Ω）、邏輯地（也稱信號地）和防雷地等。通信設備要求交直流工作地、安全保護地、防雷地必須獨立時，如果相互之間距離達不到規范的要求，則容易出現地電位反擊事故。因此，各接地系統之間的距離達不到規范要求時，應盡可能使它們連接在一起，如實際情況不允許直接連接，可通過地電位連接，從而保證各類接地點的基準電位是惟一值。為保證系統正常工作，每年在雷雨季節前后或春、秋檢修時應定期用精密地阻儀檢測地阻值，以確保地阻值始終保持在規定的范圍內。

4結語

總之，防雷接地對與節目傳輸系統設備來說是一個永恒的話題，接地系統效果好壞直接關系到衛星接收設備和人身的安全。只要堅持做到對雷電“整體防御、綜合治理、多重保護”的防范原則，發現問題及早采取有效措施，就能杜絕事故的發生，避免為國家和人民造成不必要的損失。