廣播電視發射臺綜合防雷應用實踐

傅高強

（浙江省磐安縣融媒體中心，浙江金華 322300）

0.引言

磐安縣廣播電視發射臺（白云山發射點）位于新渥街道白云山巔上，經緯度（120.45962，28.980919），海拔為950m，發射鐵塔高度為35m。白云山發射點承擔著發射中央電視中一、中七等12套數字電視節目、浙江衛視、金華綜合頻道、磐安綜合頻道、文化生活頻道的無線數字電視節目，浙江之聲、浙江交通之聲、磐安FM98等3套調頻廣播節目的發射任務，信號可有效覆蓋新老城區及周邊地區。

因此，有效保證磐安縣白云山廣播電視發射臺的雷電浪涌防護能力，減少雷電活動對發射臺廣播、電視節目的播出和接收的危害是廣電發射臺站安全管理工作的重要職責。本文從磐安縣白云山廣播電視發射臺遭受雷擊原因分析，在傳統防雷措施的基礎上，采用大保護角直擊雷保護裝置和云平臺智能監測防雷技術，通過智能的監測設備、防雷設備和監測控制云平臺實現廣電發射臺智能化的雷電防護和監測技術，保證發射臺防雷技術和措施的智能化和可靠性，提高廣電發射臺的防雷技術和管理水平的一些實踐[1]。

1.雷電對廣播電視發射臺的危害

雷電危害一般大致可分為直擊雷危害和感應雷危害，其中直擊雷危害極大，廣播電視發射設備如果遭受到直擊雷大概率都會造成報廢。雷電活動危害發射臺的形式大致會有以下3種：

1.1 直擊雷危害

直擊雷是指帶有正電荷或負電荷的云層對地面目標之間的迅猛放電，其放電電壓最高達幾百千伏以上，峰值電流則達200kA以上，放電時產生的電場效應、電磁效應和機械力都具有很強的破壞性。對于發射臺來說，主要危害所在地的建筑物、發射鐵塔及塔上的發射天線和機房內弱電、控制設備。當這些物體遭受到直擊雷后，強大的直擊雷電流沿著接閃物體、接地引下線、接地裝置入地。由于存在接地電阻，雷電流入地后會瞬間抬高地電位，這個抬高的地電位對設備等放電反擊，造成設備損壞或人員傷亡[2]。

1.2 感應雷危害

感應雷是雷云對地放電時，在雷擊點周邊的金屬物導體上就會存在電場感應和電磁感應，這2種感應現象會使金屬物體之間產生放電現象，感應雷可能由雷云對地閃擊產生，也可能由雷云間的放電產生。

在感應雷對地閃擊時，當距離雷擊點比較近時，在周邊產生的感應電壓較大，其作用的半徑也較大，一般空曠地帶1km范圍內的電子電氣設備均容易受到感應雷的破壞。感應雷產生的浪涌電流如不能瞬時對地釋放，就會形成過電壓或放電火花，危害電氣設備或干擾、破壞機房內的發射設備，甚至引起火災。

1.3 雷電波侵入

當輸電線路、光纜等入戶線路在進入建筑物前的架空線路或金屬管道遭受到直擊雷擊或產生感應浪涌電流時，直擊雷或感應雷的高電位會以波的傳導方式沿著這些線路或管道進入建筑物內，造成機房設備損害或對機房內的金屬物體放電，還有可能危及人的生命安全。

2.廣播電視發射臺傳統防雷措施

根據綜合防雷技術理論，傳統雷電防護措施分為建筑物外部防雷和建筑物內部防雷，建筑物外部防雷一般為直擊雷防護，建筑物內部防雷一般為感應雷防護。

2.1 防直擊雷措施

防直擊雷措施主要是引導雷云對接閃裝置放電，使雷擊電流瞬間泄放入地，從而保護發射塔或建筑物免受雷擊。防直接雷擊的防雷裝置和措施有裝設避雷針、避雷帶、避雷線及引下線和接地系統等。防雷裝置的設置位置和接地系統的沖擊接地電阻值應符合設計和相關標準要求。

2.2 防感應雷措施

感應雷破壞的本質是感應過電壓，感應過電壓有多種耦合途徑，常見的防范措施有以下幾種。

2.2.1 防電磁感應、靜電感應措施

（1）等電位連接和接地：等電位連接的結構形式采用S型、M型或它們的組合與接地裝置構成接地系統。

（2）合理布線：可以遠離干擾源、減小環路面積和避免平行布線。

（3）采用雙絞線：雙絞線可以有效降低電感耦合影響，雙絞線絞距所形成環路的磁通方向與相鄰的環路磁通方向相反，磁通量互相抵消。

（4）采用屏蔽線：采用屏蔽線后，感應的靜電荷都處在屏蔽層，將屏蔽層接地后，其電位相當于零，不會對屏蔽層內的線路造成干擾。

（5）合理安裝SPD：選擇SPD時應根據其耐沖擊電壓值、最大持續工作電壓、沖擊電流、標稱放電電流、特性阻抗等參數進行合理選用安裝。

2.2.2 防地電位反擊措施

（1）等電位連接：將各獨立接地的發射塔或建筑物進行等電位連接，減小各發射塔或建筑物之間的地電位差。

（2）安裝等電位連接器：如在發射塔或建筑物之間進行等電位連接有影響時，可安裝等電位連接器。當各獨立地之間某處發生地電位抬升時，通過等電位連接器瞬間將各接地裝置進行等電位，減小地電位差。

2.3 防雷電波侵入措施

雷電波的侵入形式主要是通過各種線路或管道進入建筑物，根據標準規范、防雷等級要求，合理選擇適用的SPD。

對電源線路，在各防雷區界面處，如總配電柜、分配電柜和設備終端安裝電源SPD。當電源線路有屏蔽層時，將屏蔽層進行兩端接地。

對信號線路，在入戶端或設備終端安裝對應的信號SPD。當信號線路有屏蔽層時，將屏蔽層進行單端接地。

上述電源或信號線路為架空線進出建筑物時，根據規范要求進行穿金屬管埋地引入和接地處理。對進出建筑物的管道，將管道進出端與鄰近的接地裝置進行等電位連接。

3.大保護角直擊雷保護裝置防護技術

傳統避雷針是在其避雷針上感應的電荷反放電（向上先導放電)與雷云產生的梯式（級）向下先導接通，形成一個充滿負電荷（對地負閃）為主的通道，稱為電離通道或閃電通道，通過避雷針將電荷引入大地。

3.1 大保護角直擊雷保護裝置的主要創新

大保護角直擊雷保護裝置金屬電極積累的電荷反放電后，高壓大電流開關以納秒級的速度關斷大保護角直擊雷保護裝置的接地通道，金屬電極放出的電荷將“有去無回”，在空中破壞了下行先導產生閃電的條件。大保護角直擊雷保護裝置中和雷電的創新原理就是不讓雷電落下來，而傳統避雷針則是盡快地將雷電引入大地。

大保護角直擊雷保護裝置突破了傳統避雷針接閃引雷入地的的理念，解決了雷電放電通道的阻斷問題，有效的避免和降低了被保護區域內直擊雷導致的雷電災害。

大保護角直擊雷保護裝置的創新原理為：在具有強電場帶電雷云的作用下，裝置頂部的金屬電極開始積累電荷，當該電極的電荷值對地的電位差達到裝置內大電流高壓開關設定的開關電壓值時，大電流高壓開關接通，通過接地引下線從地面向上面的金屬電極加載電荷。當帶電雷云對大保護角保護裝置的電場強度達到使金屬電極上累積的電荷出現反放電時（向上先導放電的瞬間），金屬電極積累的電荷對地電位差消失，大電流高壓開關斷開。向上先導放電與帶電雷云的向下先導的瞬間中和（微秒級），破壞了出現閃電的條件，使在保護范圍內沒有雷擊發生。

大保護角直擊雷保護裝置通過破壞向下先導產生閃電的條件后，金屬電極又恢復到初始時的狀態，等待對雷電向下先導的下一次發生并中和。在中和過程中自動有效地減少了雷擊的危害。

3.2 大保護角保護裝置與傳統避雷針應用比較效果

將大保護角直擊雷保護裝置、提前放電避雷針、普通避雷針放在同樣高度，可以得到如下比較結論：

（1）提前放電避雷針和傳統避雷針都是接閃針，只是提前放電避雷針增加了高度，保護角是一樣的，但加大了保護半徑。

（2）天幕型直擊雷保護裝置中和上方的雷電下行先導，由于下行先導不是密集存在，因此有很大的保護角（70°），其保護半徑也很大，達到48m。

（3）最重要的是天幕型不接閃，沒有大的雷電流入地的過程，直擊雷可大大減少，也就大大減少了感應雷擊的產生。

4.云平臺智能監測防雷技術

云平臺智能監測防雷系統主要由羅氏線圈和雷電流智能監測器組成，智能監測器將羅氏線圈采集到的雷擊浪涌信息通過串口服務器上傳至云平臺智能管理系統。

雷電流智能監測器能準確監測到：雷擊浪涌強度大小、能量大小、雷擊發生次數、雷擊發生時間。當接閃器或線路管道發生雷擊浪涌入侵時，通過羅氏線圈采集發生的雷擊浪涌數據，并通過網絡上傳到云平臺智能監測管理系統，實現對監測到的浪涌數據進行遠程管理[3]。

5.大保護角直擊雷保護裝置和云平臺智能監測防雷技術實施方案

本實施方案結合磐安縣白云山廣播電視發射臺易遭受雷擊的原因分析，在傳統防雷措施的基礎上，采用云平臺智能監測防雷系統技術，通過智能監測設備、防雷設備和監測控制云平臺，實現廣電發射臺智能化的雷電防護和監測技術，保證發射臺防雷技術措施的智能化和可靠性，提高廣電發射臺的防雷技術和管理水平的一些實踐。

發射臺傳統防雷應用技術在防雷設計施工時都會有涉及到，此實踐方案中不再重復描述。本實踐主要實施采用大保護角直擊雷保護裝置用以防護直擊雷和減少感應雷；采用云平臺智能監測防雷系統技術實施發射臺智能直擊雷監測、智能感應雷監測和智能接地電阻監測。

5.1 大保護角直擊雷保護裝置直擊雷防護實施方案

大保護角直擊雷保護裝置比傳統避雷針擁有較好的優勢，且發射塔距離機房較遠，傳統避雷針的保護范圍不足以有效保護機房建筑物。因此，此方案中在發射塔最高點由裝設傳統避雷針改為裝設大保護角直擊雷保護裝置，該裝置可將塔上發射天線和機房建筑物置于直擊雷保護范圍內，而且在該裝置應用時，不但在保護范圍內將雷電對地面的閃擊大幅度減少，還大幅減少了傳統避雷針接閃（引雷入地）時所產生的大量感應雷擊，從而大大減少了從電源線、信號線、天饋線上產生的感應雷擊。現場安裝施工如圖1所示。

圖1 發射塔頂大保護角直擊雷保護裝置

5.2 直擊雷智能監測實施方案

發射臺中最高位置的發射塔非常容易接閃，本方案在發射塔塔座地表內埋入羅氏線圈作為浪涌電流傳感裝置，傳感裝置可采集雷擊能量和強度大小、雷擊發生次數、雷擊發生時間等浪涌數據。當發射塔接閃時，由傳感裝置采集發生的雷擊浪涌數據，并通過網絡上傳到云平臺智能監測防雷管理系統，實現對監測到的浪涌數據進行遠程管理。

5.3 感應雷智能監測實施方案

根據相關雷擊案例統計分析顯示，在雷擊事故中，從電源線路侵入感應雷浪涌過電壓損壞設備占有較大比例。所以電源線路的感應雷防護是所有設備防護的根本和基本條件，沒有電源線路感應雷的防護，其他的措施都是舍本逐末。為此，本方案在建筑物機房內總配電柜中裝設帶有防雷和監測功能的智能防雷一體箱，該智能防雷一體箱集雷電防護和在線監測為一體，通過連接羅氏線圈后可實時監測電源線路上感應雷浪涌的峰值強度、發生時間、發生次數和自身劣化狀態，并通過網絡上傳到云平臺智能監測防雷管理系統，實現對監測到的浪涌數據進行遠程管理[4]。

6.結語

本文通過對云平臺智能監測防雷技術應用實踐的探討，提出廣電發射臺防雷技術系統進行升級改造的實踐思路，在傳統雷電防護措施的基礎上，對大保護角直擊雷保護裝置和云平臺智能監測防雷技術進行簡明扼要的設計說明，從直擊雷防護和減少感應雷、直擊雷監測和感應雷監測到接地電阻監測，進行了智能監測防雷系統工程設計。通過對防雷項目的建設實踐，形成了統一的智能監測防雷管理系統平臺，實現了防護直擊雷、減少感應雷、監測直擊雷、監測感應雷、監測接地電阻等實時智能監測和雷電防護功能。