基于主動防雷系統(tǒng)在電臺中的應(yīng)用

周厚福

摘要：廣播電臺是整個廣播電視系統(tǒng)當中的一個關(guān)鍵組成部分，每年因為雷擊造成的停播事故多有發(fā)生，該文介紹了雷電的形成以及其危害性，對主動防雷系統(tǒng)從信號探測、數(shù)據(jù)處理、報警信息、多級防御在電臺中的應(yīng)用進行了闡述，從探測系統(tǒng)和干擾問題兩方面深入探討了主動防雷系統(tǒng)在電臺中的實際應(yīng)用，期望能及時采取措施避免雷擊傷害和減少雷擊造成的損失。

關(guān)鍵詞：雷電檢測；雷電主動防御；浪涌多級防護

中圖分類號：P338 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）01（a）-0000-00

前言

隨著技術(shù)的發(fā)展，我局發(fā)射機、發(fā)射機自動化系統(tǒng)、天線控制系統(tǒng)、電站控制系統(tǒng)、信息化支持平臺等設(shè)備均實現(xiàn)板卡化、數(shù)字化、微電子化，由于這些設(shè)備的高度集成化和微電子化，使其易受雷電的侵害。

我臺處于雷暴頻發(fā)地區(qū)，雷閃持續(xù)時間長（最多1天可發(fā)生十幾次雷閃），單次雷閃電流大等特點。近年來，每年都發(fā)生多起雷擊事件，造成設(shè)備的損壞、發(fā)射機的停播等。

通過安裝避雷器、浪涌保護器、強化機房設(shè)備屏蔽等的防雷措施，這些手段都是被動防雷措施，對雷暴頻發(fā)地區(qū)的電臺臺站所起到的效果并不理想。

1雷電的形成

由于大氣的劇烈運動，引起靜電摩擦和其他電離作用，使云團內(nèi)部產(chǎn)生了大量的帶正、負電荷的帶電離子，又因空間電場力的作用，這些帶電離子定向垂直移動，使云團上部積累正電荷，下部積累負電荷（情況也可以相反），云團內(nèi)產(chǎn)生分層電荷，形成產(chǎn)生雷電的雷云。雷云的成因主要來自于大氣的運動，當雷云在天空移動時，在其下方的地面上會靜電感應(yīng)出一個帶相反電荷的地面陰影。

正常情況下地面電場強度約為250—300V/m，而當?shù)孛骐妶鰪姸冗_到2KV/m以上時，表明該地的上方雷云已經(jīng)產(chǎn)生，當?shù)孛骐妶鰪姸瘸掷m(xù)增大到4KV/m以上時，該地發(fā)生雷閃的可能性超過90%，雷閃發(fā)生時，電場強度增大到14KV/m以上。

基于上述原理設(shè)計的雷電探測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r檢測所在地的電場變化；為了達到更好的效果，在所在地周圍選定多個點，用來排除修正其他非雷云的電場干擾信號，從而實現(xiàn)雷電的準確報警；同時可設(shè)置三個報警閾值等級，第一級閾值：通報出現(xiàn)了一個微弱的電場（預(yù)先通知）；第二級閾值：通報一個活動的雷雨正在靠近，在當前預(yù)知時間10到20分鐘內(nèi)將抵達現(xiàn)場；第三級閾值：通報雷擊將在3-5分鐘到來。

連接各個等級閾值的控制系統(tǒng)用來啟動報警和開啟防御設(shè)備，同時通過報警可以提醒我們采取有效的防御措施，如關(guān)閉電腦、斷開辦公設(shè)備電源等。

2主動防雷預(yù)警系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)的組成

主動防雷預(yù)警系統(tǒng)是一種通過檢測大氣靜電場的變化預(yù)報雷電的設(shè)備?？梢灶A(yù)報10km范圍內(nèi)產(chǎn)生了雷電，具有提前預(yù)警、提前保護用電設(shè)備免受雷電災(zāi)害的功能。整個系統(tǒng)由雷電探測裝置、通訊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、主動防護系統(tǒng)、報警系統(tǒng)組成。

2.2系統(tǒng)簡介

探測裝置是一個高集成度極其靈敏的靜電探測器，對地表附近的大氣電場進行測量，將探測結(jié)果進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，傳給遠程通信模塊；控制系統(tǒng)的通信模塊將收到的數(shù)據(jù)實時發(fā)送到遠程終端進行顯示；電源部分采用太陽能電源，主要完成對探頭進行供電；

探測系統(tǒng)與控制系統(tǒng)我們選用無線數(shù)據(jù)傳輸方式，負責將探測數(shù)據(jù)發(fā)送到有固定IP地址的終端進行顯示；控制系統(tǒng)與主動防御系統(tǒng)及報警系統(tǒng)均采用PC機串口RS232輸出轉(zhuǎn)RS485通訊方式，控制聲光報警及主動防御的啟動。

控制系統(tǒng)是基于C++編寫的雷電預(yù)警控制軟件，負責將探測收到的數(shù)據(jù)進行實時處理，設(shè)置預(yù)警等級，主動防御設(shè)置，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送預(yù)警信息等。

設(shè)置預(yù)警等級是根據(jù)探測到的電場強度變化，而判斷是否產(chǎn)生雷電的可能，一級預(yù)警，場強設(shè)為2.0KV/m，表示當?shù)乩自飘a(chǎn)生；二級預(yù)警，場強設(shè)為4.0KV/m，表示當?shù)乩自朴锌赡墚a(chǎn)生雷閃；三級預(yù)警，場強設(shè)為10.0KV/m，表示當?shù)乩组W在3-5分鐘內(nèi)到來；

一級防御：當一級預(yù)警發(fā)出時，在電網(wǎng)中投入第二級防浪涌設(shè)備；

二級防御：當二級預(yù)警發(fā)出時，在電網(wǎng)中投入第三級防浪涌設(shè)備；

三級防御：當三級預(yù)警發(fā)出時，對UPS供電的設(shè)備進行外電隔離；同時當預(yù)警信號解除后，能自動恢復(fù)到正常狀態(tài)。

報警信息均可勾選，不選時，不會發(fā)出報警信號，報警是根據(jù)探測到的電場強度變化而觸發(fā)報警信息。圖1是主動防雷系統(tǒng)界面和一次雷暴發(fā)生時探測到的電場變化圖。

報警信息均可勾選，不選時，不會發(fā)出報警觸發(fā)信號，有三種報警方式組成：聲光報警、網(wǎng)絡(luò)報警、短信報警。

聲光報警是根據(jù)探測到的電場強度變化而在控制室發(fā)出聲音告警信息，聲光報警是一級報警，當電場強度達到2.0KV/m時觸發(fā)報警信號，提醒值班人員當?shù)爻霈F(xiàn)雷云，有可能會出現(xiàn)雷閃，根據(jù)雷雨預(yù)案做好準備工作。

網(wǎng)絡(luò)報警是根據(jù)探測到的電場強度達到4.0KV/m時觸發(fā)報警信號，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)信號，在全臺OA辦公系統(tǒng)中發(fā)出雷電來臨的預(yù)警信號，提醒各部門有關(guān)人員做好準備。

短信報警是通過手機平臺發(fā)送信號，根據(jù)探測到的電場強度變化，達到三級預(yù)警時，通過短信向各科室人員發(fā)出雷閃將在3-5分鐘后到來的信息，提醒大家采取有關(guān)措施，關(guān)閉辦公設(shè)備等。

2.3主動防御簡介

由于雷擊的能量是非常巨大的，需要通過分級泄放的方法，將雷擊能量逐步泄放到大地。第一級防雷器可以對于直接雷擊電流進行泄放，或者當電源傳輸線路遭受直接雷擊時傳導(dǎo)的巨大能量進行泄放。

第二級防護是針對經(jīng)過第一級防雷器后的殘余電壓進一步吸收，對于前級發(fā)生較大雷擊時，經(jīng)過第一級的防雷器能量吸收仍有一部分能量（對設(shè)備而言是相當巨大的）會傳導(dǎo)過來，需要第二級防雷器進一步對雷擊能量實施泄放。

第三級防雷器是對LEMP（雷電電磁脈沖）和通過第二級防雷器的殘余雷擊能量進行保護。

由于防雷設(shè)備的投入運行，會產(chǎn)生能量消耗，為了節(jié)約資源及保證防浪涌設(shè)備的使用壽命，平時二級、三級防雷設(shè)備并不投入運行，當探測裝置檢測到電場強度增大，達到4KV/m時，該地發(fā)生雷閃的可能性超過90%，而且可能在10分鐘左右到達，這時通過主動防雷預(yù)警系統(tǒng)開啟二級、三級防雷保護，通過二、三級的防雷保護，進一步將通過第一級防雷器的殘余浪涌電壓的值進行限制，大大的提高了設(shè)備運行的安全性和可靠性。

圖2為三級防雷示意圖，正常情況下K1在常閉狀態(tài)，只接入一級防雷設(shè)備，當檢測到雷電到來時，通過控制觸發(fā)主動防雷系統(tǒng)，使K2閉合，延時5秒后K1斷開，供電電路通過二、三級防雷系統(tǒng)，進一步抑制了雷電的殘余浪涌電壓。當預(yù)警信息解除后，K1接通，延時5秒后K2斷開，恢復(fù)到常態(tài)。

3實際應(yīng)用中應(yīng)考慮的問題

3.1探測系統(tǒng)問題

雷電探測系統(tǒng)一般安裝在戶外，因此對其也要采取必要的防雷措施，確保設(shè)備本身不受雷電傷害。

雷電探測系統(tǒng)，安裝在遠離機房的室外，電源線、及信號傳輸線安裝不方便，整個探測系統(tǒng)功耗小，所以我們采用太陽能供電、無線傳輸方式。

3.2干擾問題

為了防止非雷電信號干擾，而產(chǎn)生誤報警，我們采用多點式數(shù)據(jù)采集，每點相隔一定的距離，信號采用“與”輸入，只有在多個采集點都發(fā)出雷電預(yù)警信號時候，才發(fā)出雷電預(yù)警信號，從而排除了誤報警情況。

為了預(yù)報的更加準確，可以考慮加入氣象預(yù)報信息，通過訪問當?shù)氐臍庀箢A(yù)報網(wǎng)，采集氣象信息作為我們報警的一個條件。

4結(jié)束語

雷電預(yù)警系統(tǒng)是根據(jù)環(huán)境靜電場變化的原理對雷云進行偵測的電子安全系統(tǒng)，能夠?qū)妆┻M行預(yù)防性偵測，能在雷電電磁釋放前提供有效的實時的報警及安全信息，能夠及時地在雷電產(chǎn)生之前發(fā)出雷電警報，讓我們及時采取措施避免雷擊傷害和減少雷擊造成的損失，促使雷電造成的損害從很大程度上得到降低。

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