基于物聯網智能防雷監測系統對廣電發射臺改造的探討

摘? 要：隨著我國廣播電視發射設備的日趨數字化和智能化，雷電對發射設備的危害和破壞力也進一步增大。本文將從探討雷電危害機理、廣播電視發射臺現有的防雷措施、存在的防雷管理問題，以及通過采用基于物聯網智能防雷監測技術，對現有的廣播發射臺防雷系統進行改造升級，進一步促進廣播電視發射臺防雷技術的升級。

關鍵詞：發射臺防雷;物聯網智能防雷監測;直擊雷監測;感應雷監測;智能SPD監測;接地電阻監測;建筑物防雷;低壓電源防雷智能監測? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?中圖分類號：TM862? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1671-0134（2020）05-120-06? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.19483/j.cnki.11-4653/n.2020.05.034

本文著錄格式：黃俞成 .基于物聯網智能防雷監測系統對廣電發射臺改造的探討[J].中國傳媒科技，2020（5）：120-125.

導語

湖州金蓋山廣播電視發射臺位于湖州城南 7 公里處金蓋山上，經度 30o48′13.44″，緯度120o06′4.54″，金蓋山主峰海拔為 297 米，廣播電視發射臺有兩座 45 米和 25 米高的發射塔。金蓋山發射臺由兩座發射鐵塔、發射中心大樓，配電房、食堂和生活區組成，鐵塔南面為值機人員生活區，西面為發射機房，發射塔與機房之間的距離為 50 米，背面、東面均為山崖。

隨著廣播電視數字化、網絡化、信息化的迅速發展，廣播電視傳輸、發射的設備日益增多，信號傳輸暴露在室外的線路越來越長，遭受雷擊的概率顯著增大。加上現代電子設備中芯片的工作電壓越來越低，元器件布局的線間距離越來越小，使得設備抗雷擊能力越來越弱。由于金蓋山廣播電視發射臺地處湖州雷帶區，地形特殊，對于設在山頂上的發射臺遭受雷擊的概率非常大，更容易遭受雷擊。

雷電對廣播、電視發射設施傳輸系統危害極大，防雷與接地系統是否安全可靠關系到廣播、電視節目的安全播出及接收。廣電網絡龐大，有源器件多，遭雷擊的機會就多，每年因遭雷擊給廣電網絡造成的經濟損失是無法估計的。因此，如何有效保證金蓋山廣播電視發射臺的防雷管理水平，減少雷電危害對發射臺廣播、電視節目的安全播出和接收成為安全管理工作的重中之重。本文就湖州金蓋山廣播電視發射臺容易受到雷擊的原因，以傳統防雷技術為基礎，采用基于物聯網智能防雷監測系統技術，以先進的防雷監測設備和管理平臺，實現廣播電視發射臺防雷系統的智能化監測，保證防雷系統的安全可靠和智能化，提高發射臺的防雷管理水平進行探討。

1.雷電對廣播電視發射臺的危害形式

一般來說，雷電大致可分為直擊雷與感應雷，其中直擊雷危害極大，任何通信設備直接遭受直擊雷都會損壞;感應雷是雷電放電時在附近導體上產生靜電感應和電磁感應。

雷電入侵危害發射臺的形式一般有以下幾種：

1.1直擊雷

直擊雷指帶電云層與地面目標（地面凸出物如建筑物頂部、鐵塔、天線等）之間的迅猛放電，其峰值電壓可達幾百千伏以上，峰值電流則達 100kA 以上，產生的電效應、熱效應和機械力的破壞性很強，主要危害發射臺機房等建筑物、鐵塔及其安裝的天線和機房內設備。

當受到直接雷擊后，強大的雷擊電流沿著接地引下線，經接地體入地后地電位會瞬間升高產生高電位，引起地電位反擊，損壞設備或造成人員傷亡。

1.2感應雷

感應雷是雷電放電時在附近導體上產生靜電感應和電磁感應，它能使金屬部件之間產生火花，雷電感應可以來自對地雷擊，也可以來自云間放電。

靜電感應是由于雷云先導的作用，使附近導體上感應出與先導通道符號相反的電荷，雷云主放電時，先導通道中的電荷迅速中和，在導體上的感應電荷得到釋放，如不就近泄入地中就會產生很高的電位。

電磁感應是由于電流迅速變化在其周圍空間產生瞬變的強電磁場，使附近的導體產生很高的電動勢。

感應雷對地雷擊由于距雷擊點較近，產生的感應浪涌電壓較大，作用半徑也大，一般500 米范圍的電子信息設備均是其破壞對象;云中放電的感應浪涌電壓雖然較小，但發生概率較高。感應雷的電磁能量若不及時泄放入地，就會放電造成火花，危害供配電系統或干擾、破壞發射機房內的設備，甚至引發火災。

1.3雷電波侵入

當輸電線、通信電纜等架空導線或金屬管道遭受直擊雷或產生感應雷時，雷電的高電位以波的形式沿著這些管線侵入機房內，對設備造成損害或使機房內的金屬物品放電，進而可能危及人身安全。

經雷電電磁脈沖防護理論和實踐經驗證明，電子信息設備損壞的主要原因是雷電感應浪涌電壓造成的，它可以通過各種引線把感應的浪涌高電壓波引入電子信息設備內部，破壞其芯片或接口。

2.廣播電視發射臺現有防雷措施

湖州金蓋山廣播電視發射臺現有的雷電防護措施如下：

（1）在兩座鐵塔最高端安裝有防直擊雷避雷針，并通過接地引下線引至接地裝置，將雷電流瀉放入地。

直擊雷監測主要由柔性羅氏線圈傳感器和智能雷電流監測模塊組成，最多可監測四路直擊雷電流，監測模塊將傳感器采集到的雷電流信息上傳到智能云平臺管理系統。

當接閃器/線路一旦發生雷擊侵入時，通過柔性羅氏線圈傳感器采集發生的雷電流。智能雷電流監測模塊能準確采集到雷擊能量、強度、雷擊次數、雷擊的極性、雷擊時間，并上傳到智能云平臺管理系統，實現所有監測信息的遠程管理。

雷電流監測模塊可在第一時間將雷擊數據上傳至監控中心，監控中心運維人員接到雷擊事故信息后可迅速采取相應措施，保證設施的安全穩定運行。

柔性羅氏線圈可用于避雷針（塔）、地線雷電流波形或峰值采集，線圈的采集雷電流范圍：0.5～100KA，線圈的采集精度：±5%，線圈的頻率范圍：20Hz—10MHz。可根據不同的安裝直徑要求定制不同規格大小的線圈。

3.5.3感應雷監測

感應雷監測主要由柔性或剛性羅氏線圈傳感器和智能雷電流監測模塊組成，最多可監測四路感應雷電流峰值，監測模塊將傳感器采集到的雷電流信息上傳到智能云平臺管理系統。

感應雷電流峰值采集記錄與直擊雷在線監測工作原理相同，在基于直擊雷在線監測的基礎上，采集監測可使用柔性羅氏線圈，也可使用剛性羅氏線圈。將柔性或剛性線圈安裝在浪涌入地匯集點，即可輕松地實現電涌峰值采集記錄。

智能防雷箱簡介：

電源一體化數據采集智能防雷箱（簡稱智能防雷箱）集防雷和在線監測與一體，通過連接柔性或剛性羅氏線圈可在線監測感應雷電流的峰值大小、發生時間、發生次數和外部 SPD 狀態檢測，也是感應雷監測的一種，專為廣播電視發射機房防雷工程、網絡通信機房防雷工程、天然氣閥站防雷工程、鐵路交通防雷工程、建筑電氣防雷工程以及工業自動化防雷工程等低壓配電系統現場的雷電流參數在線監控而設計。其技術業界領先、性能穩定、安全可靠，為用戶提供近端人機界面監控，具備運行狀態和歷史信息的近端查詢功能。遵循 RS485 協議通訊，通過監測模塊將傳感器采集到的雷電流信息上傳到智能云平臺管理系統。

智能防雷箱雷擊浪涌防護能力：Imax 100kA，電壓保護水平：Up 1.2kV，感應雷電流峰值采集范圍：0.5～100KA。

3.5.4智能 SPD 監測

智能 SPD 監測主要由傳感器模塊和監測模塊組成，可監測 SPD 的運行電壓、交流漏電流、外殼溫度、環境溫度、空開狀態、劣化狀態等。根據不同現場應用，可對運行電壓和交流漏電流進行告警閾值設置。傳感器模塊通過 RS485 接口連接至監測模塊，監測模塊將傳感器模塊采集到的 SPD 狀態信息上傳到智能云平臺管理系統。

3.5.5發射塔、建筑物和機房接地電阻監測

3.5.5.1接地電阻監測現狀

接地系統由垂直接地體和水平接地體通過線型、網狀型、扇型等結構組成。在土壤電阻率高的地方配合以降阻劑、專用接地體、深井施工等方式降低接地電阻。一般在接地工程施工完成后，通過人工使用專用接地電阻測試儀進行現場接地電阻測試。工程竣工驗收完成后，根據不同的場所，以后每半年或一年按國家相關規定，由工程所在地防雷設施檢測所進行人工檢測。檢測之前，中間很長一段時間接地電阻的狀況都不清楚，在這個時間段，存在接地出現故障而不能及時了解的隱患，尤其是在易燃易爆的危化場所可能會產生嚴重的后果。

3.5.5.2接地電阻監測的目的

通過對具體建筑物、鐵塔、設備、場地等接地電阻數據進行監測和分析，可以做到：

（1）實時了解建筑物或設備的接地狀況;

（2）通過對接地電阻的長期監測，了解接地體是否存在腐蝕情況，接地線是否連接可靠;

（3）及時消除重要設施、易燃易爆危化場所等因接地不良而造成的隱患。

3.5.5.3智能接地電阻監測

智能接地電阻監測主要由接地測試棒和監測模塊組成，采用三點接地法對建筑物、機房、桿塔、設備裝置等的接地電阻進行監測，提供接地電阻數據，監測模塊將采集到的接地電阻數據信息上傳到智能云平臺管理系統。利用互聯網云平臺遠程進行監測和分析，便于實時查閱接地狀況，及時排除因接地不良引起的故障，避免事故的發生。

單個監測模塊可同時監測 3 處接地電阻，接地電阻監測范圍：0～300Ω，精度：±2%， 顯示 300Ω則表示接地斷路，需現場檢查接地體連接狀態。接地測試棒 C 端（電流端）和 P 端（電壓端）與待測接地點間應各相距 5～10 米。

3.5.6智能云平臺管理系統

3.5.6.1智能云平臺管理系統簡介

智能云平臺是一款基于WEB架構的工業級云平臺，用戶可以使用它來創建任何規模的數據監控與分析系統。創建好的工程項目可以直接供網絡上的PC、智能手機、平板電腦等多種設備訪問，服務器無需IIS等WEB服務器，客戶端無任何基礎安裝，僅需要一個瀏覽器即可。智能云平臺為那些需要在多種平臺上應用數據監控以及數據分析的項目提供了理想的解決方案，

3.5.6.2智能云平臺管理系統的特點

（1）基于公有云/私有云的部署策略：基于Web架構;無需任何安裝和部署，無需中心服務器，僅僅需要網頁瀏覽器或者移動終端。

（2）跨平臺項目訪問：跨操作系統平臺項目訪問，無限制點數、客戶端數、設備數、連接數。

（3）安全性與穩定性：現代化的安全與數據存儲機制實時保護您的數據。

（4）實時控制與監測：隨時隨地獲取您所需的數據與信息，利用云平臺的實時控制和分析功能，用戶可以輕松快速地分析和顯示設備的狀態以及及時查看數據分析結果。

（4）功能強大易于擴展：指揮調度;預案管理;遠程維保;在線升級。

（5）與傳統組態比較：無需本地軟件;支持移動端;變化靈活。

（6）為客戶提供私有云的部署服務：客戶需要申請獨立的網址;客戶服務器需要固定的IP地址;提供一整套的工業物聯網私有云解決方案。

4.湖州金蓋山廣播電視發射臺物聯網智能防雷監測實施方案

本實施方案結合湖州金蓋山廣播電視發射臺容易受到雷擊的原因，旨在以傳統防雷技術為基礎，采用基于物聯網智能防雷監測系統技術，先進的防雷監測設備和管理平臺，實現廣播電視發射臺防雷系統的智能化監測，保證防雷系統的安全可靠和智能化，提高發射臺的防雷管理水平。

4.1智能雷電預警實施方案

智能雷電預警設備安裝方案、現場和參數圖。

智能雷電預警如果只安裝單臺電場探測傳感器裝置，所感應采集的電場數據不能有效覆蓋整個金蓋山廣播電視發射臺，采集的數據沒有比對性，探測精度也不高，容易增大誤報的機率。為了減小誤報率，提高電場的探測精度，本實施方案采用安裝兩臺電場探測傳感器裝置。由于智能雷電預警電場探測傳感器需要比較空曠的周邊環境，因此，選擇在發射臺中心機房的房頂上和發射臺配電機房的房頂上各安裝一臺電場探測傳感器裝置和智能監測模塊安裝防護箱。現場安裝如圖 4.1-1 和 4.1-2，云平臺實時參數界面如圖 4.1-3。

4.2直擊雷監測實施方案

直擊雷監測設備安裝方案、現場和參數圖。

發射中心最高的發射塔最容易接閃，如果在發射塔的塔基上只安裝一路柔性羅氏線圈傳感裝置，所采集的雷電流數據沒有比對性，監測精度也不高。為了提高雷電流的監測精度， 本實施方案采用四路柔性羅氏線圈傳感裝置，分別安裝在發射塔的四個塔基上，智能監測模塊安裝在防護箱內。現場安裝如圖 4.2-1，云平臺實時參數界面如圖 4.2-2。

4.3感應雷監測實施方案

感應雷監測設備安裝方案、現場和參數圖。

在中心機房四個配電柜的電源供電系統安裝電源一體化數據采集智能防雷箱（簡稱智能防雷箱），該智能防雷箱集防雷和感應雷在線監測于一體，通過連接柔性或剛性羅氏線圈可在線監測電源線路上感應雷電流的峰值大小、發生時間、發生次數和外部 SPD 狀態檢測， 保護發射臺系統的設備安全。現場安裝如圖 4.3-1-4，云平臺實時參數界面如圖 4.3-5。

4.4智能SPD監測實施方案

智能SPD監測設備安裝方案、現場和參數圖。

在發射中心配電房主進線配電柜安裝一級SPD和智SPD監測模塊，可監測SPD的運行電壓、交流漏電流、外殼溫度、環境溫度、空開狀態、劣化狀態等。監測模塊將傳感器模塊采集到的 SPD 狀態信息上傳到智能云平臺管理系統。現場安裝如圖 4.4-1，云平臺實時參數界面如圖 4.4-2。

4.5發射塔、建筑物和機房接地電阻監測實施方案

發射塔、建筑物和機房接地電阻監測設備安裝方案、現場和參數圖。

為了全面監測發射中心的接地狀態，分別在發射中心的發射塔底、中心機房、配電房安裝三套接地電阻監測設備，并將采集到的數據信息上傳到智能云平臺管理系統。監測模塊安裝在防護箱內。現場安裝如圖 4.5-1-3，云平臺實時參數界面如圖 4.5-4-6。

結語

本文通過對基于物聯網智能防雷監測技術的探討，提出廣播電視發射臺防雷系統進行改造升級的設計思路，在現有防雷措施的基礎上對智能防雷監測技術進行了設計說明，從雷電預警到接地電阻監測，進行了較全面的智能防雷監測工程設計。通過對項目改造升級的建設實施，建立了統一的在線監測系統平臺，實現了雷電預警、直擊雷監測、感應雷監測、SPD 監測、接地電阻監測等實時監測功能。有效保障了人民生命財產安全和廣播電視發射系統、數據交換等弱電設備的正常投入使用，降低了雷擊等風險的概率，也為新建臺站提供了相關的智能防雷監測設計參考。

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作者簡介：黃俞成（1964-），男，浙江湖州人，高級工程師，研究方向：廣播電視技術設備。