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）

?

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(jìn)行證明，在實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)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(diǎn)

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(shí)雷電電荷會(huì)向設(shè)備移動(dòng)，設(shè)備接大地D就可能會(huì)有強(qiáng)大的電流流過(guò)設(shè)備，電流I在設(shè)備電阻R上產(chǎn)生電功，電功率I2R過(guò)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(shí)，如果接地電阻過(guò)大（如石山區(qū)）就成為一種常見(jiàn)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(dāng)接閃器I有雷電通過(guò)時(shí)：

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

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

這兩個(gè)結(jié)論是電流阻斷防雷法的依據(jù)，接閃器有雷擊時(shí)，雷電會(huì)造成設(shè)備電位升高，但沒(méi)有雷電流流過(guò)設(shè)備，I2R=0，不會(huì)損壞設(shè)備。從這兩個(gè)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(guò)設(shè)備的防雷方法。

在這個(gè)電路中，接閃器只有一個(gè)點(diǎn)T與設(shè)備相接，這是連接的技術(shù)要求，在這個(gè)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(jì)中可將導(dǎo)體TC 看成接閃器的一部分，從TC中間任一點(diǎn)P接到接閃器都只有一個(gè)點(diǎn)。

二、電流阻斷防雷技術(shù)對(duì)保護(hù)人身安全的作用

在防雷設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)空間內(nèi)，在雷電到達(dá)設(shè)備的必經(jīng)之路上選一點(diǎn)P，用良導(dǎo)體將P與工作環(huán)境導(dǎo)體相連，如圖3，對(duì)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(duì)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(duì)大地的阻抗，通常Z3是很小的, 當(dāng)Z4/Z3大到一定程度時(shí)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(diǎn)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(wú)差別，但P點(diǎn)仍是一個(gè)具有接閃器電位性質(zhì)的點(diǎn)，不是真正的地，不影響設(shè)備通過(guò)一個(gè)點(diǎn)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(diǎn)，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(diǎn)接地就相當(dāng)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(shí)，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(duì)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(tái)站（主要是高山臺(tái)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(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)備能正常工作，這說(shuō)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(diǎn)接地：在電流阻斷防雷技術(shù)中，接閃器只有一個(gè)點(diǎn)與設(shè)備連接是一個(gè)技術(shù)要求，而發(fā)射臺(tái)機(jī)房?jī)?nèi)有多臺(tái)設(shè)備饋管與鐵塔相接，在鐵塔（接閃器）上有多個(gè)接點(diǎn)，這不符合接閃器只有一個(gè)點(diǎn)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(dòng)，在饋管進(jìn)入機(jī)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(diǎn)間的電位差很小，所有接點(diǎn)在電位上就相當(dāng)于接閃器上的一個(gè)點(diǎn)，這樣機(jī)房設(shè)備就只有一點(diǎn)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(shí)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(shí)會(huì)有雷電流流過(guò)設(shè)備，雷電流大時(shí)就會(huì)損壞設(shè)備。傳統(tǒng)的防雷方法讓設(shè)備接地后，再通過(guò)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(jì)，每年都有不少使用傳統(tǒng)防雷技術(shù)的高山臺(tái)站因遭遇雷擊而損壞設(shè)備，造成停播的事故也不少，這說(shuō)明開(kāi)辟新思路采用新的防雷技術(shù)勢(shì)在必行。

四、電流阻斷防雷技術(shù)在發(fā)射臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用實(shí)例

1以玉林分中心平南轉(zhuǎn)播臺(tái)機(jī)房采用阻斷防雷技術(shù)改造的實(shí)例來(lái)說(shuō)明

圖6　

如圖6所示。在圖6中， K是電源直通/隔離開(kāi)關(guān)，P是關(guān)鍵的饋管聯(lián)接點(diǎn)，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(jī)房?jī)?nèi)機(jī)房電源與高壓變壓電源是隔開(kāi)的，若取消接點(diǎn)P機(jī)房設(shè)備對(duì)地絕緣，針對(duì)平南機(jī)房的實(shí)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(diǎn)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(jì)

工作環(huán)境是機(jī)房，機(jī)房建在石質(zhì)地面上，是鋼筋水泥的框架結(jié)構(gòu)，實(shí)測(cè)鋼筋水泥框架結(jié)構(gòu)對(duì)大地的電阻為2K歐姆，從鋼筋結(jié)構(gòu)中引出的接點(diǎn)用良體連接向接點(diǎn)P，結(jié)構(gòu)鋼筋不連接任何的接地點(diǎn)，機(jī)房外加一圈鍍鋅鐵圍線，鍍鋅鐵也用良導(dǎo)線接向P點(diǎn)，鍍鋅鐵埋在土壤中，測(cè)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(jī)房工作人員的人身安全。

（2） 阻斷機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備流向大地的雷電流

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

（3） 阻斷衛(wèi)星信號(hào)接收高頻頭流向大地的電流

用絕緣桿支撐衛(wèi)星信號(hào)的高頻頭，并保證信號(hào)線與信號(hào)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(kāi)；

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(jī)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(wèn)題。

① 流經(jīng)電源線路接地電流對(duì)設(shè)備的影響

為保護(hù)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(huì)引起雷電的饋管也需要與機(jī)房的設(shè)備連接。鐵塔遭遇雷電時(shí)設(shè)備與中性線、三相電間會(huì)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(huì)流過(guò)設(shè)備到地。開(kāi)關(guān)絕緣、插座絕緣、導(dǎo)線絕緣、設(shè)備絕緣都可能會(huì)被擊穿，絕緣層擊穿后相當(dāng)于接地。

雷電流過(guò)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(guò)中性線（一定會(huì)有阻抗）是產(chǎn)生單相電源大浪涌電壓的原因，浪涌電壓過(guò)大就會(huì)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(lái)阻斷從電源流向大地的雷電流。要求隔離變壓器初級(jí)端的接線距離設(shè)備地、離次級(jí)接線在10CM 以上，保證絕緣。電源直通/隔離開(kāi)關(guān)的直通與隔離接點(diǎn)距離要大于3 CM，防止空氣絕緣擊穿，因直通與初級(jí)是相接的，直通接點(diǎn)也要離機(jī)箱 3CM 以上。

③ 減小隔離變壓器B2初次級(jí)的電位差

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

2電流阻斷防雷技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及實(shí)際效果

通過(guò)以上的技術(shù)改進(jìn)，平南機(jī)房采用電流阻斷技術(shù)進(jìn)行防雷，2011年、2012年 、2013年和2015年均沒(méi)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(jià)值

電流阻斷防雷法在理論上推論可行，在實(shí)踐上與地網(wǎng)的接地電阻關(guān)系不大，對(duì)接地電阻的要求不高，無(wú)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(tái)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(tái)因重建機(jī)房施工而損壞了防雷接線，數(shù)字微波系統(tǒng)、衛(wèi)星信號(hào)接收系統(tǒng)、部分遠(yuǎn)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(diǎn)及應(yīng)用價(jià)值。