智能電涌保護器在廣播發射臺無人值守發射站的應用

張升表，吳曉春，萬美芳

（1.浙江省浦江縣融媒體中心，浙江 金華 322200；2.杭州尚普電氣科技有限公司，浙江 杭州 330011）

0 引 言

浦江縣融媒體中心發射臺八角尖無人值守發射站設立在海拔806 m的山頂，任何交通工具都無法通行，人員需徒步近2 h才能到達站點。為此，發射站采用遠程監控播發方案，實現無人值守，減少通行次數，提高了管理效率。但防雷系統仍采用傳統的防雷器和安裝形式，無法實現遠程監控，對防雷安全管理帶來不利影響。當發生雷擊，遠端不能及時了解防雷系統的安全可靠性。例如，過長的低壓架空線在雷擊時將雷電能量引入發射機房的低壓總配箱；空氣潮濕或者連接螺栓松動，電氣連接不良，接地地位抬高；雷電沖擊時導致浪涌保護器（Surge Protection Device，SPD）的芯片發熱熔穿起火等，這些都會影響發射站設備的正常運行[1-2]。而傳統的電涌保護器和安裝形式因沒有遠程監測功能，不能實時監測SPD的工作狀態，給發射站的防雷安全管理工作帶來隱患。因此，臺站需要采用SPD智能監測技術，實現SPD的遠程監測管理，在實現實時監測SPD工作狀態的同時，提高管理效率，也提高發射站的防雷安全管理水平。

1 電涌的產生和對發射站的影響

隨著廣播電視發射設備器件的集成度提高和大量應用，雷電對其的危害和破壞力也日趨增強。提高和加強發射站的防雷技術和安全管理水平非常重要。

1.1 電涌的產生

電涌是電路中出現的一種短暫的電流、電壓波動，一種在電路中持續時間較短的劇烈脈沖，一般是由雷擊或外部瞬態過電壓引發的，如電網切換以及發射天饋工作的大負載設備等產生電涌影響[3]。對于某個設施來說，這些電涌僅占所有電涌事件的50%。另外的50%電涌事件則是由于內部切換造成的瞬態過電壓，如發射機房內空調變頻器等的接線、接地錯誤和電涌（也稱為瞬態過電壓），是當今設施中常見的電源質量問題，極易導致設備安全隱患、設備損壞及代價高昂的宕機故障。

1.2 發射站電涌產生的影響

浦江縣融媒體中心發射臺八角尖無人值守發射站為盡可能提高安全性和工作效率，降低成本，采用了遠程監控播發解決方案，實現了無人值守效果。在發射站中，防雷系統仍采用傳統的電涌保護器和安裝形式，無法實現遠程監控。過長的低壓供電線路通過架空引入發射機房的低壓總配箱，雖然在低壓總配箱進線端做了重復接地，也安裝了阻燃材料模塊式T1級電涌保護器，但對于高山架空線纜受到直接雷擊感應而產生的過電壓，瞬時強大的脈沖電流會在線纜周圍空間產生交變磁場，處于磁場中的導體會因此而感應出高電壓，沿線路產生的過電壓竄入設備造成損壞。當空氣潮濕或者連接螺栓松動、電氣連接不良、接地地位抬高，都會引起中性點電位升高，總配電柜中電涌保護器的N相因此承受高電壓而極易損壞。N相如發生故障，過電壓可導致MOV芯片發熱熔穿起火，熱量及時傳導至脫扣裝置，焊錫熔斷，銅片彈開，但該過程仍有一定幾率形成拉弧現象[4]。電弧一旦產生，維持其穩定燃燒的要求條件很低，產生的熱量卻很高（電弧中心溫度可達5 000～10 000 ℃），能輕易將阻燃外殼燃燒起來，最終致使N相和臨近模塊徹底燒毀。

1.3 宕機的成本

發射站配電系統和連接的負載設備始終處于各種電源干擾的影響下，瞬態過電壓對敏感的電氣和電子設備具有最常見、最嚴重和最直接的損害。瞬態過電壓的累積效應會導致半導體性能下降、設備損壞、控制過程中斷以及電路板損壞[5]。瞬態過電壓通常會造成設備過早損壞，導致代價高昂的宕機故障，嚴重影響廣播電視臺發射系統正常運行。

2 安裝SPD監測系統的必要性及其特點

在發射站中，防雷系統仍采用傳統的電涌器和安裝形式，無法實現遠程監控，對防雷安全管理帶來不利影響。當發生雷擊，遠端不能及時了解防雷系統的安全可靠性。

2.1 安裝SPD監測系統的必要性

設置在海拔806 m山頂上的發射站通過未設防雷線保護的架空電纜取電。在每年的雷雨季節，架空線會遭受不同程度的雷擊。當電網遭雷擊發生瞬態過電壓時，電涌保護器呈低阻抗，泄放雷電流，以限制過電壓。如果雷電強度超預期，泄放電流大于其額定值（Iimp、Imax），電涌保護器被擊穿或炸裂，導致電網短路。電網故障時，將出現超過其最高持續運行電壓的暫態工頻過電壓，泄漏電流產生熱效應加速電涌保護器老化（劣化） 。當出現大于1 A的泄漏電流，電涌保護器會嚴重發熱，引起塑料底座熔化或燃燒，從而發生安全事故。

因此，安裝實時SPD監測系統，監測電涌保護器的運行狀態、雷電入侵次數、SPD接地狀態、SPD泄漏電流、SPD工作溫度、防雷箱環境溫度、防雷箱環境濕度、SPD壽命預估以及SCB（后備保護器裝置）狀態，缺一不可。通過引入物聯網技術，可以監測SPD的電壓、電流、溫度、SPD狀態以及SCB狀態等相關數據，及時傳送至統一的管理平臺。客戶端只需要通過瀏覽器訪問，即可實時監測SPD的運行狀態、運行數據，展示報警信息，統計報警信息。該方案為廣播發射臺站的安全發展提供了新方向。

為提高供配電系統運行的安全性，使得發射機設備不因電涌損壞、停頓，控制系統不因電涌失靈，需要安裝不燃材料、高容量、緊湊型的T1+T2級電磁抗干擾電涌保護器。

2.2 設備特點

T1+T2復合型諧波抑制電源一體式防雷箱具有如下特點。

（1）采用陣列設計，具備完整的電流分布和散流能力、長期可靠的瞬態過電壓防護能力以及更低的限制電壓保護水平。

（2）利用計算機進行造型和電路仿真設計，使所有元件完美協同運作，出色地限制電壓指標，確保性能平衡。

（3）能夠抑制高能量型瞬態過電壓和振蕩型瞬態過電壓，為關鍵敏感設備提供最高級別的保護及符合標準的EMI/RFI濾波功能，確保敏感設備不會受到頻繁過電壓的不利損害。

（4）針對電涌至負載設備的所有可能路徑，為負載提供最高級別的保護。對于三相五線制系統，可提供L-L，L-N，L-PE和N-PE模式的全模式保護。

（5）采用混合電路設計，通過組合不同的元件防護不同的電涌，發揮每個器件的最佳特性，克服各自的缺陷。

（6）門限抑制網絡和多級并行網絡設計，能夠抑制大功率脈沖波和內部產生的振蕩波。

（7）采用電路封裝技術，在元件損壞前把電涌發生時造成的熱量快速轉移；絕緣強度高，能夠保護元器件，減少振動和惡劣環境的影響，在延長器件壽命同時也規避了起火燒毀的隱患。

（8）每相LED式診斷和干式觸點設置持續監控瞬態浪涌抑制器（Transient Voltage Surge Suppressor，TVSS）。TVSS具有現場快速診斷評估功能。

（9）采用放電間隙技術，無漏流，高通流Iimp為25 kA（10/350 μs），保護水平Up≤1.5 kV。

（10）具有多點位安裝孔，適用于任何環境的安裝要求。

3 電涌保護器的正確安裝方法

電涌保護器的正確安裝，除了能夠保證安全性以外，最重要的是會直接影響電涌保護器的工作效能。實際應用證明，連接線的長度、數量及其連接方法，直接影響電涌保護器的有效保護水平（即線路上疊加的電壓降和電涌保護器自身的殘壓相加值）。這是由于連接線上的電壓值主要決定于它的電感值，而線路的電感值則受到它的長度及其連接方法影響[6]。因此，為了減少并聯安裝電涌保護器后的電感性電壓，連接線越短其電感值越小。電涌保護器的連接線總長度應＜0.5 m。有效保護水平Up/f應小于設備耐壓沖擊電壓額定值Uw，參考《建筑物電子信息系統防雷技術規范》（GB 50343—2012）中的圖5.4.3-2，如圖1所示。

圖1 相關規范參數要求

電涌保護器的連接線總長度＞0.5 m時，需多使用一組連接線。由于多了一組線，因此電感電流平分在兩組線上，所產生的磁場強度就減低了一半，感應電壓可降至一個可接受的水平。這樣，可采用兩條地線，一條連接接地排，另一條連接配電箱的金屬外殼。在下列情況下，接地線長度大于1 m時，如2 m、3 m或4 m，則可采用多條線纜，但線纜之間必須相隔最少0.5 m。

電涌保護器的安裝固定，應注意電涌保護器和后備保護器裝置的正反方向，需遵守上進下出的規則。按照防雷技術規范要求，電涌保護器接線①的線纜規格如下：電源線截面積不小于16 mm2，接地線截面積不小于16 mm2。

安裝后，應檢查接線處是否碰觸在一起，如有碰觸則應立即進行處理，以免造成設備短路等情況發生。電涌保護器安裝完成后，應用萬能表測試電涌保護器和后備保護器裝置上的各接線端是否都完全接通，確定后再將空開合閘。所有安裝工作完成后，需定期檢查其連接是否松動，工作狀態是否正常，若出現損壞等現象時應及時更換。

4 安裝SPD監測系統的有益效果預期

采用上述SPD智能監測技術和智能電涌保護器，通過引入物聯網技術，可實現SPD電壓、電流、溫度、SPD劣化狀態及SCB狀態等相關數據的實時監測，并將數據及時傳送至統一的管理平臺。管理工作人員只需通過瀏覽器訪問平臺，即可實時監測SPD的運行狀態、運行數據，展示報警信息，統計報警信息。在實現實時監測SPD工作狀態的同時，提高了管理效率，節省了人工和維護成本，提高了發射站的防雷安全管理水平，可取得有益的經濟效益和社會效益。

5 結 語

在對現有廣播發射臺無人值守發射站電涌產生的影響和傳統電涌保護器存在的問題進行分析后，本文提出了SPD智能監測技術和安裝智能型電涌保護器的應用思路。通過正確安裝電涌保護器并接入物聯網進行實時SPD狀態監測，可達到預期有益的效果。在條件許可的情況下，建議按本文內容進行改造。本文方案也可為新建高山廣播發射臺無人值守發射站防雷系統設計提供有益的參考。