廣播電視高山臺站防雷減災(zāi)措施與技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

李國成

（天祝藏族自治縣毛毛山微波臺，甘肅 武威 733299）

0 引言

作為廣播電視節(jié)目傳播的重要環(huán)節(jié)，高山臺站由于其獨(dú)特的位置和復(fù)雜的線路與系統(tǒng)而成為雷電災(zāi)害的高發(fā)部位[1]。雖然近年來的設(shè)備和系統(tǒng)升級提高了高山臺站的運(yùn)行安全性，但在防范雷擊、降低雷擊的災(zāi)害性等方面仍然存在較大的不足。基于此，需要結(jié)合當(dāng)前廣播電視高山臺站布局和運(yùn)行的實(shí)際情況，探尋更加科學(xué)有效的防雷減災(zāi)措施。

1 廣播電視高山臺站概述

高山臺站是電視節(jié)目信號傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)站[2]。一般性的高山臺站主要由發(fā)射塔、機(jī)房、監(jiān)控系統(tǒng)、配電系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等幾部分組成。其中，發(fā)射塔的塔架上配備有天線和同軸電纜等，機(jī)房內(nèi)主要配備有機(jī)柜、走線架、信號接收設(shè)備、信號發(fā)射設(shè)備以及電源柜等。監(jiān)控系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分別對應(yīng)承擔(dān)臺站運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、臺站供電以及臺站網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行等功能[3]。

通常情況下，高山臺站的相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)主要是圍繞機(jī)房進(jìn)行布局和組裝的。機(jī)房的選址和建設(shè)重點(diǎn)考慮氣候、地形和信號傳輸實(shí)情[4]。在氣候方面，高山臺站的布局會(huì)充分考慮所在地的整體氣候條件和規(guī)律，根據(jù)氣候設(shè)計(jì)機(jī)房建筑風(fēng)格，以保證機(jī)房建筑與所在地的雨季等情況相匹配，例如，南方地區(qū)的高山臺站會(huì)按照歐式坡屋頂進(jìn)行設(shè)計(jì)，目的在于保證雨季排水的速度。在地形方面，雖然高山臺站會(huì)盡可能地選擇在地勢較高的位置建設(shè)，但會(huì)根據(jù)所選位置的地形特點(diǎn)對機(jī)房的功能房間進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，盡可能保證機(jī)房布局與地形特點(diǎn)吻合。在信號傳輸實(shí)情方面，為確保廣播電視信號的全覆蓋，會(huì)盡可能地將高山臺站安排在距離人口密集地區(qū)相對較近的地區(qū)，以保證信號傳輸?shù)馁|(zhì)量，降低信號中轉(zhuǎn)的成本。

2 雷電對廣播電視高山臺站的危害

相關(guān)研究表明，雖然高山臺站設(shè)備遭受雷電直擊的概率比較小，但一旦發(fā)生雷擊，會(huì)造成感應(yīng)雷或者雷電波從線路侵入到臺站內(nèi)部電路和系統(tǒng)中，導(dǎo)致機(jī)房內(nèi)部的熔斷器、電源變壓器、整流元件、三端穩(wěn)壓器等元器件出現(xiàn)損壞，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備和系統(tǒng)出現(xiàn)故障，無法正常運(yùn)行[5]。高山臺站遭受雷擊的情況存在一定的差異，并且不同雷擊現(xiàn)象造成的危害也不盡相同。下面主要對直擊雷、感應(yīng)雷及雷電波這3 種主要雷擊現(xiàn)象對應(yīng)的危害進(jìn)行分析說明。

2.1 直擊雷的危害

直擊雷是在雷云同機(jī)房周圍地面物體之間的電場強(qiáng)度達(dá)到空氣的擊穿強(qiáng)度時(shí)發(fā)生的一種放電現(xiàn)象。發(fā)生直擊雷時(shí)，雷電會(huì)在瞬間釋放出很大的能量，通過發(fā)生震動(dòng)和產(chǎn)生高溫等方式破壞機(jī)房周圍的物體[6]。當(dāng)直擊雷的雷電電流傳遞到臺站的電器設(shè)備時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的感應(yīng)電壓，破壞電器既有的絕緣性質(zhì)和功能，產(chǎn)生火花，引燃周圍物體，甚至可能出現(xiàn)爆炸等情況，給周邊的設(shè)備造成嚴(yán)重的破壞。另外，雷電產(chǎn)生的熱量會(huì)對流過的物體進(jìn)行加熱，導(dǎo)致物體上的水分因?yàn)槭軣崞蚨霈F(xiàn)劇烈的膨脹，瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，對臺站周圍的人、建筑物、電器設(shè)備等產(chǎn)生毀壞性的影響。

2.2 感應(yīng)雷的危害

感應(yīng)雷是一種過電壓現(xiàn)象，一般是指當(dāng)出現(xiàn)雷云時(shí)，臺站周圍地面的物體會(huì)由于靜電感應(yīng)而聚集起大量與雷電極性相反的束縛電荷，當(dāng)雷云對地或者對另一雷云產(chǎn)生閃擊放電后，云中的電荷就會(huì)轉(zhuǎn)變成自由電荷，從而產(chǎn)生出大量的靜電電壓，形成過電壓。相關(guān)研究表明，感應(yīng)雷產(chǎn)生的過電壓幅值可以達(dá)到幾萬甚至幾十萬伏，這足以造成高山臺站周邊建筑物內(nèi)的導(dǎo)線以及存在接地不良現(xiàn)象的金屬物導(dǎo)體和大型金屬設(shè)備因?yàn)榉烹姸l(fā)生電火花，從而引起火災(zāi)、爆炸等威脅臺站設(shè)備、系統(tǒng)及人員安全的現(xiàn)象。除了上述情況下會(huì)發(fā)生感應(yīng)雷以外，還有另外一種情況會(huì)引發(fā)感應(yīng)雷現(xiàn)象，即當(dāng)發(fā)生雷電閃擊時(shí)，受較大變化率的雷電流的影響，雷電流通道附近會(huì)形成較強(qiáng)的感應(yīng)電磁場，這種磁場會(huì)使周圍的建筑物、設(shè)備中的金屬構(gòu)件出現(xiàn)感應(yīng)電流，進(jìn)而出現(xiàn)干擾和破壞系統(tǒng)與設(shè)備正常運(yùn)行的情況。

2.3 雷電波的危害

雷電波指的是當(dāng)高山臺站內(nèi)的輸電線路遭受直擊雷或者感應(yīng)雷后，電流會(huì)沿著輸電線路侵入到臺站機(jī)房內(nèi)的配電系統(tǒng)和電子設(shè)備中，進(jìn)而造成設(shè)備與系統(tǒng)出現(xiàn)損壞，嚴(yán)重的可能引起人員觸電傷亡的情況。顯然，雷電波對高山臺站的危害更多地體現(xiàn)在臺站內(nèi)與線路或者管網(wǎng)連接的設(shè)備或者系統(tǒng)以及接觸線路或者管網(wǎng)的人員。

3 防范雷電對廣播電視高山臺站危害的措施

通過上述分析可以看出，目前廣播電視高山臺站可能遇到的雷擊危險(xiǎn)主要有直擊雷、感應(yīng)雷和雷電波。但就高山臺站運(yùn)行的實(shí)際情況來看，臺站遭受直擊雷的可能性比較低，且受臺站內(nèi)部電子設(shè)備較多、電路工作時(shí)的電壓偏低情況的影響，臺站很容易因?yàn)槭茌^大電壓、電流波動(dòng)的影響而發(fā)生感應(yīng)雷和雷電波的危害。因此，在實(shí)際的防雷減災(zāi)實(shí)踐中，更多地是針對可能發(fā)生的感應(yīng)雷和雷電波實(shí)施相應(yīng)的措施和技術(shù)應(yīng)用。

3.1 構(gòu)建全方位防護(hù)措施，防止雷電侵襲

考慮到感應(yīng)雷、雷電波是通過侵入設(shè)備和系統(tǒng)而引發(fā)破壞的情況，廣播電視高山臺站建設(shè)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)從技術(shù)方面做好電源線路和信號電纜的防護(hù)工作，構(gòu)建包括接地、分流、屏蔽、等電位連接在內(nèi)的一系列技術(shù)防護(hù)措施，防止雷電波侵入系統(tǒng)和設(shè)備[7]。

首先，注意室外信號電纜的防護(hù)。為防止高山臺站使用的同軸電纜傳輸方式可能因?yàn)閭鬏斅窂脚c雷電流引下線方向一致而出現(xiàn)過電壓經(jīng)同軸電路傳輸至機(jī)房設(shè)備的情況，在臺站建設(shè)過程中，要對同軸電纜進(jìn)行相應(yīng)的防雷技術(shù)處理，即將同軸電纜的外皮接到發(fā)射塔的上部和天線離塔下部處，以減少雷電波通過電纜侵入機(jī)房設(shè)備和線路的情況。對于同軸電纜需要一端接地和雙層屏蔽層時(shí)，要在電纜最外層的屏蔽層兩端進(jìn)行接地處理，并在未接地側(cè)對芯線加裝信號浪涌保護(hù)器（Surge Protection Device，SPD）。

其次，重視電源線路的防護(hù)。以往的高山臺站電源線路多是通過從山底以架空的方式引入，這種長距離、露天架設(shè)電源線路的方式增加了線路遭受直擊雷和感應(yīng)雷侵襲的概率。為減少雷擊情況的發(fā)生，在實(shí)際的電源線路布設(shè)過程中，應(yīng)對入戶附近的幾根電線桿進(jìn)行接地處理，處理方法為安裝簡易型羊角避雷裝置后進(jìn)行接地處理，并對線路的配套金屬器件進(jìn)行同步接地處理[8]。同時(shí)，為保證電源線路運(yùn)行的安全性，要在機(jī)房內(nèi)部配電室的變壓器前端加裝相應(yīng)的高壓電涌保護(hù)器，以達(dá)到保護(hù)變壓器和泄放雷電流的目的。

最后，合理安裝SPD，加強(qiáng)監(jiān)控信號線路防護(hù)。監(jiān)控系統(tǒng)是無人值守高山臺站運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)控的關(guān)鍵。在監(jiān)控信號傳輸線路的防護(hù)方面，可以在監(jiān)控線路電纜的電源連接處安裝三級電源SPD 或者防雷插座，提高防雷的性能[9]。同時(shí)，應(yīng)根據(jù)臺站的情況，在視頻信號轉(zhuǎn)換處加裝SPD，以保證信號傳輸線路的安全性和穩(wěn)定性。對于延伸到室外的電纜，要通過穿屏蔽管并進(jìn)行接地處理的方式，或者加裝網(wǎng)絡(luò)電涌保護(hù)器的方式來保證室外電纜的安全性。

3.2 設(shè)置防雷接地網(wǎng)

雷電流分流是通過將雷擊產(chǎn)生的雷電流引入遠(yuǎn)離設(shè)備、人員和各類接地線與線纜的地方，避免雷電反擊現(xiàn)象的產(chǎn)生。結(jié)合雷電流產(chǎn)生的原理，可以在高山臺站周邊加設(shè)相應(yīng)的防雷接地網(wǎng)，來實(shí)現(xiàn)雷電流分流的目的。

3.2.1 設(shè)置發(fā)射塔防雷接地網(wǎng)

通常情況下，高山臺站周邊海拔最高的應(yīng)當(dāng)是發(fā)射塔，并且發(fā)射塔在地面部分通常是孤立的，這就使得發(fā)射塔實(shí)際上承擔(dān)了整個(gè)高山臺站的避雷塔。故而，發(fā)射塔的防雷避雷設(shè)置成為防范直擊雷等雷擊災(zāi)害的重點(diǎn)所在。在發(fā)射塔防雷接地網(wǎng)的設(shè)置方面，應(yīng)根據(jù)發(fā)射塔與機(jī)房的距離進(jìn)行科學(xué)確定。當(dāng)發(fā)射塔與機(jī)房的距離在5 m 以上時(shí)，可以設(shè)置單獨(dú)的鐵塔防雷接地網(wǎng)對鐵塔的雷電流進(jìn)行分流，降低或者消除天饋線屏蔽層的分流電流，避免將雷電流直接引入機(jī)房；當(dāng)發(fā)射塔與機(jī)房的距離在5 m 及以下時(shí)，除了設(shè)置防雷接地網(wǎng)以外，還要適當(dāng)?shù)卦黾咏拥鼐瑢纂娏鬟M(jìn)行隔離，減弱或消除雷電流進(jìn)入機(jī)房的情況[10]。

3.2.2 共用接地網(wǎng)時(shí)不共接地引入線

不共接地引入線的措施是在遵循等電位接地原則的基礎(chǔ)上，對環(huán)境受限的臺站進(jìn)行防雷的重要技術(shù)手段。當(dāng)由于臺站周圍可用土地面積有限，不能分別配套建設(shè)機(jī)房地網(wǎng)、鐵塔地網(wǎng)、變壓器及配電房接地網(wǎng)時(shí)，應(yīng)在臺站的周邊建設(shè)邊界閉合的均壓網(wǎng)格地網(wǎng)，并分別設(shè)置地網(wǎng)接入線。這種共用接地網(wǎng)但不共接地引入線的方式，可以較好地避免臺站遭受雷擊二次反擊的現(xiàn)象。同時(shí)需要注意的是，臺站的各類接地干線在地網(wǎng)上的接入點(diǎn)的距離應(yīng)當(dāng)保持在5 m 以上，以保證避雷分流的效果。

3.3 兼用屏蔽接地措施

當(dāng)出現(xiàn)雷電閃擊時(shí)，很有可能引起空間的高頻電場，即雷電電磁脈沖，這就需要通過屏蔽和接地措施來加以防范。

3.3.1 做好穿管屏蔽措施

考慮到直擊雷等發(fā)生時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的雷電流，且雷電波是在基本沒有衰減的情況下直接侵入低壓線路，很容易引起雷擊點(diǎn)附近產(chǎn)生很強(qiáng)的瞬變電磁場，進(jìn)而破壞臺站的線路穩(wěn)定和安全，因此，要對臺站的各類線路進(jìn)行穿管屏蔽，以防護(hù)瞬變電磁場產(chǎn)生的過電壓、過電流。同時(shí)，要對暴露在地面的接地線進(jìn)行相應(yīng)的埋地敷設(shè)，以提高防護(hù)的能力和效果。

3.3.2 注意基本的接地防護(hù)

接地是避免或者減少雷擊損害的有效措施。考慮到臺站相關(guān)設(shè)備、系統(tǒng)、建筑物等物體狀況的差異，應(yīng)當(dāng)根據(jù)物體的不同分別實(shí)施相應(yīng)的接地處理。除了做好臺站帶電物體的接地處理外，還要對臺站戶外和外墻周邊不帶電的金屬外殼、窗戶、電纜橋架、樓梯、不銹鋼護(hù)欄、金屬管等進(jìn)行接地。同時(shí)，還要對衛(wèi)星接收高頻頭采取套屏蔽筒接地措施，對射頻線路采取套屏蔽波紋管接地措施，以保證臺站的接地防護(hù)效果。

4 結(jié)語

雖然近年來高山臺站的選址和建設(shè)均充分考慮了雷擊現(xiàn)象發(fā)生的概率和危害性，并將防雷減災(zāi)作為高山臺站建設(shè)和運(yùn)營維護(hù)的重點(diǎn)，但由于我國高山臺站數(shù)量偏多，位置差異明顯，在防雷減災(zāi)方面的水平和能力也參差不齊。針對高山臺站可能發(fā)生的雷擊現(xiàn)象，除了把握不同類型雷擊可能造成的危害以外，還要通過構(gòu)建全方位防護(hù)措施、設(shè)置防雷接地網(wǎng)、兼用屏蔽接地措施等來提高臺站防雷減災(zāi)的能力，確保臺站的安全性和穩(wěn)定性。