電流阻斷防雷技術(shù)

蘇寵盛盧衛(wèi)東（ 、廣西廣播電視技術(shù)中心玉林分中心；、廣西廣播電視技術(shù)中心百色分中心）

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電流阻斷防雷技術(shù)

蘇寵盛1盧衛(wèi)東2
（ 1、廣西廣播電視技術(shù)中心玉林分中心；2、廣西廣播電視技術(shù)中心百色分中心）

［摘 要］介紹一種可以在理論上進行證明，在實際應(yīng)用中得到驗證的新型防雷技術(shù)。

［關(guān)鍵詞］阻斷；絕緣；接閃器；接地；零電位點

一、電流阻斷防雷的基本原理

1傳統(tǒng)的設(shè)備防雷技術(shù)

傳統(tǒng)的設(shè)備防雷技術(shù)如圖1a所示，圖1b是其等效電路圖，Z1、Z2是等效接地阻抗。從圖1b分析得知：

圖1a

圖1b　等效電路

在與接閃器有連接（包括絕緣擊穿）的設(shè)備線路中，接閃器有雷擊時雷電電荷會向設(shè)備移動，設(shè)備接大地D就可能會有強大的電流流過設(shè)備，電流I在設(shè)備電阻R上產(chǎn)生電功，電功率I2R過大就損壞設(shè)備。通常為保證人身安全，傳統(tǒng)防雷一般是按圖1a的接法，使用這種接法時，如果接地電阻過大（如石山區(qū)）就成為一種常見的雷電損壞設(shè)備的原因，而電流阻斷防雷就是消除這一隱患的防雷技術(shù)。

圖2a

2電流阻斷防雷技術(shù)基本原理

與傳統(tǒng)的防雷方法不同，電流阻斷防雷技術(shù)設(shè)備不接地，但與接閃器有聯(lián)接，如圖2a所示，圖2b是其等效電路。

圖2b　等效電路

從圖2b分析得知，當接閃器I有雷電通過時：

（1）在設(shè)備對大地D絕緣不會擊穿的條件下，設(shè)備不會流過雷電流，電功率I2R=0, 落在接閃器上的雷電不會對設(shè)備造成損壞。

（2）接地阻抗Z2大小在保證設(shè)備對地絕緣不會擊穿的條件下，設(shè)備流過的雷電流I=0, 電功率I2R=0, 防雷效果與接地阻抗Z2大小無關(guān)。

這兩個結(jié)論是電流阻斷防雷法的依據(jù)，接閃器有雷擊時，雷電會造成設(shè)備電位升高，但沒有雷電流流過設(shè)備，I2R=0，不會損壞設(shè)備。從這兩個結(jié)論可以得出一種新的設(shè)備防雷方法: 即電流阻斷防雷法，就是讓設(shè)備不接地，阻斷雷電電流通過設(shè)備的防雷方法。

在這個電路中，接閃器只有一個點T與設(shè)備相接，這是連接的技術(shù)要求，在這個要求下，不管設(shè)備到T有多少導(dǎo)線聯(lián)接，都不影響防雷效果。

防雷設(shè)計中可將導(dǎo)體TC 看成接閃器的一部分，從TC中間任一點P接到接閃器都只有一個點。

二、電流阻斷防雷技術(shù)對保護人身安全的作用

在防雷設(shè)計中人身安全是我們首先要考慮的，設(shè)備接大地是人身安全的一種設(shè)計習(xí)慣，若設(shè)備放置在與大地絕緣的金屬空間H中，人也工作在這個空間內(nèi)，在雷電到達設(shè)備的必經(jīng)之路上選一點P，用良導(dǎo)體將P與工作環(huán)境導(dǎo)體相連，如圖3，對接閃器I的雷電流而言，人在金屬環(huán)境H上工作是安全的，這就避免了安全需要上的設(shè)備與大地的導(dǎo)體聯(lián)接。

圖3　

考慮工作環(huán)境導(dǎo)體H對大地有阻抗的情況，圖4是其等效電路，Z3是良導(dǎo)線阻抗，Z4是工作環(huán)境導(dǎo)體對大地的阻抗，通常Z3是很小的, 當Z4/Z3大到一定程度時就可使設(shè)備與工作環(huán)境導(dǎo)體的電位差在安全電壓36V以下。

圖4　

將圖4中P點用良導(dǎo)線接地以降低設(shè)備的電位，在人身安全上與傳統(tǒng)接地并無差別，但P點仍是一個具有接閃器電位性質(zhì)的點，不是真正的地，不影響設(shè)備通過一個點接到接閃器的電結(jié)構(gòu)；為了確保安全，在工作環(huán)境導(dǎo)體外還可增加一圈埋土圍線M，并連接到P點，如圖5a所示。圖5a是比較完整的電流阻斷防雷的原理框圖，圖5b是要分析阻抗的等效電路，P點接地就相當于設(shè)備接地，與傳統(tǒng)接地一樣保證人身安全，但在接閃器I接閃雷電時，P處于與雷電性質(zhì)相同的電位上，而不是地電位。

圖5a

圖5b　等效電路

Z2是接閃器接地阻抗， Z3是良導(dǎo)線阻抗，Z4是環(huán)境對地阻抗，Z5 是良導(dǎo)線接地阻抗

三、電流阻斷防雷技術(shù)在電視、調(diào)頻發(fā)射臺站（主要是高山臺站）中的應(yīng)用及可行性分析

（1）設(shè)備不接地是否能正常工作：將電視調(diào)頻發(fā)射設(shè)備不接地進行試驗，設(shè)備能正常工作，這說明電視調(diào)頻發(fā)射設(shè)備不接地也是可以正常工作的。

（2）能否做到只有一點接地：在電流阻斷防雷技術(shù)中，接閃器只有一個點與設(shè)備連接是一個技術(shù)要求，而發(fā)射臺機房內(nèi)有多臺設(shè)備饋管與鐵塔相接，在鐵塔（接閃器）上有多個接點，這不符合接閃器只有一個點與設(shè)備連接的要求，為此可將饋管看成是接閃器的一部分，饋管可以隨意移動，在饋管進入機房處將饋管盡量靠近，靠近處的饋管屏蔽層用良導(dǎo)體接在一起，由于接點間的電位差很小，所有接點在電位上就相當于接閃器上的一個點，這樣機房設(shè)備就只有一點接到接閃器上，符合電流阻斷防雷技術(shù)的要求。

（3）電流阻斷防雷技術(shù)應(yīng)用的必要性

發(fā)射設(shè)備是必須與鐵塔連接的設(shè)備，而鐵塔是經(jīng)常遭受雷擊的，鐵塔其實就是接閃器。在傳統(tǒng)的防雷技術(shù)中設(shè)備都是接地的，設(shè)備連接在鐵塔與大地之間，受雷擊時會有雷電流流過設(shè)備，雷電流大時就會損壞設(shè)備。傳統(tǒng)的防雷方法讓設(shè)備接地后，再通過減小接地電阻及采用一些接地技術(shù)（如接地環(huán)、接地網(wǎng)等）可減小從鐵塔流經(jīng)設(shè)備的雷電流，效果好的能夠避免設(shè)備的損壞。但在山地環(huán)境中要得到理想的防雷效果是很困難的。據(jù)統(tǒng)計，每年都有不少使用傳統(tǒng)防雷技術(shù)的高山臺站因遭遇雷擊而損壞設(shè)備，造成停播的事故也不少，這說明開辟新思路采用新的防雷技術(shù)勢在必行。

四、電流阻斷防雷技術(shù)在發(fā)射臺的實際應(yīng)用實例

1以玉林分中心平南轉(zhuǎn)播臺機房采用阻斷防雷技術(shù)改造的實例來說明

圖6　

如圖6所示。在圖6中， K是電源直通/隔離開關(guān)，P是關(guān)鍵的饋管聯(lián)接點，由此引出多條良導(dǎo)線。Z1、 Z2 、Z6 是接地阻抗，Z5是導(dǎo)線阻抗。在機房內(nèi)機房電源與高壓變壓電源是隔開的，若取消接點P機房設(shè)備對地絕緣，針對平南機房的實際情況，按照電流阻斷防雷技術(shù)的電容要求，主要做了以下幾點的技術(shù)改造：

（1） 在設(shè)備工作環(huán)境中人身安全的設(shè)計

工作環(huán)境是機房，機房建在石質(zhì)地面上，是鋼筋水泥的框架結(jié)構(gòu)，實測鋼筋水泥框架結(jié)構(gòu)對大地的電阻為2K歐姆，從鋼筋結(jié)構(gòu)中引出的接點用良體連接向接點P，結(jié)構(gòu)鋼筋不連接任何的接地點，機房外加一圈鍍鋅鐵圍線，鍍鋅鐵也用良導(dǎo)線接向P點，鍍鋅鐵埋在土壤中，測得接地電阻為500 歐姆，這樣設(shè)備與環(huán)境（包括地面）之間的電位差是很小的，這就保證了機房工作人員的人身安全。

（2） 阻斷機房內(nèi)設(shè)備流向大地的雷電流

所有設(shè)備都沒有接地的接線，設(shè)備的地線接到P點，設(shè)備與環(huán)境之間用絕緣隔開，保證阻斷機房內(nèi)設(shè)備的雷電流。

（3） 阻斷衛(wèi)星信號接收高頻頭流向大地的電流

用絕緣桿支撐衛(wèi)星信號的高頻頭，并保證信號線與信號反射面、地面的絕緣不被擊穿。

（4） 阻斷數(shù)字微波高頻頭流向大地的電流

① 用絕緣桿支撐數(shù)字微波的高頻頭；

② 用塑料王將數(shù)字微波饋管與接地的金屬反射面隔開；

③ 將室外單元ODU安放在絕緣板上；

④ 饋管用絕緣桿固定，一直到機房保證不接地；

⑤ 用良導(dǎo)體將微波反射面與P 相接，減小塑料王上的電位差，以防止塑料王絕緣擊穿。

（5） 阻斷流經(jīng)電源線路的接地電流

雷電有多種途經(jīng)從電源線路流向大地，阻斷經(jīng)電源線路流向大地的電流是難度較大的技術(shù)問題。

① 流經(jīng)電源線路接地電流對設(shè)備的影響

為保護電源變壓器及人身安全的需要，高壓避雷器與中性線要在高壓變壓器處聯(lián)接并就近接地，會引起雷電的饋管也需要與機房的設(shè)備連接。鐵塔遭遇雷電時設(shè)備與中性線、三相電間會產(chǎn)生很大的電位差，若電位差擊穿設(shè)備的絕緣，大的雷電流就會流過設(shè)備到地。開關(guān)絕緣、插座絕緣、導(dǎo)線絕緣、設(shè)備絕緣都可能會被擊穿，絕緣層擊穿后相當于接地。

雷電流過設(shè)備到地（包括屏蔽線接地 ）引起的地電位差是損害設(shè)備的主要原因。

雷電流流過中性線（一定會有阻抗）是產(chǎn)生單相電源大浪涌電壓的原因，浪涌電壓過大就會從電源損壞到設(shè)備。

② 阻斷從電源流向大地的雷電流

如圖6, 用隔離變壓器B2來阻斷從電源流向大地的雷電流。要求隔離變壓器初級端的接線距離設(shè)備地、離次級接線在10CM 以上，保證絕緣。電源直通/隔離開關(guān)的直通與隔離接點距離要大于3 CM，防止空氣絕緣擊穿，因直通與初級是相接的，直通接點也要離機箱 3CM 以上。

③ 減小隔離變壓器B2初次級的電位差

可在機房外用10條25MM2 鋁線把電源變壓器的接地A與接點P連接，導(dǎo)線阻抗為 Z5，在這樣的線路中，遭遇雷電時測得A、P 間電位差還有5000---10000伏，這個電位差在隔離變壓器絕緣不擊穿時就是初次級中性線間的電位差。

2電流阻斷防雷技術(shù)的優(yōu)勢及實際效果

通過以上的技術(shù)改進，平南機房采用電流阻斷技術(shù)進行防雷，2011年、2012年 、2013年和2015年均沒有發(fā)生設(shè)備被雷電損壞的事故。

3電流阻斷防雷技術(shù)的推廣價值

電流阻斷防雷法在理論上推論可行，在實踐上與地網(wǎng)的接地電阻關(guān)系不大，對接地電阻的要求不高，無需投入大量資金減小接地電阻。而傳統(tǒng)的防雷方法，在高山臺站為了減少接地電阻需要投入大量的資金，而且防雷的可靠性難以保證。2014年平南發(fā)射臺因重建機房施工而損壞了防雷接線，數(shù)字微波系統(tǒng)、衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)、部分遠程監(jiān)控設(shè)備、總電源穩(wěn)壓器等多次遭受雷電擊中損壞，造成了很大的損失，這些都從反面證明了阻斷電流防雷技術(shù)的優(yōu)點及應(yīng)用價值。