論廣播電視發射系統的雷電損害成因及綜合防雷保護技術

朱鳳華

（棗莊市棗莊轉播臺，山東 棗莊 277100）

0 引 言

雷電災害是聯合國公布的10種最嚴重的自然災害之一，被國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）視為“信息時代的公害”。隨著自然環境的變化，全球雷電災害呈逐年增加的趨勢。近年來，廣播電視技術及發射系統設備不斷更新換代，各類規模化集成電路、微電子及計算機等精密設備應用廣泛，發射設備內置大量半導體集成模塊，具有集成度高、工作電壓低、抗雷電電磁脈沖能力差及過壓、過流脆弱等典型特征，這種特征決定了廣播電視發射系統極易遭受雷擊損害。一旦遭遇雷電，輕者將影響發射臺設備正常運行及廣播電視節目的安全播出，重者會嚴重危害人們生命安全，引發嚴重的經濟及社會危害。因此，如何加強廣播電視發射系統的綜合防雷保護，成為廣播電視臺安全防護的重要課題之一。廣播電視發射系統相關的雷電危害種類眾多，涉及地電位的反擊危害、雷電直擊危害、擊中后的電感應危害以及雷電波侵入危害等；發射系統的接地危害也很多，如直流、交流、安全保護與防雷接地等。為了保障廣播電視發射系統的安全運行，有必要深入探討廣電發射系統的雷電損害成因及綜合防雷保護技術。

1 廣播電視發射系統的雷電損害成因

雷電是因空氣的對流運動形成的。積雨云中雷電的產生往往伴隨著強大的電流與沖擊力，具有極強的破壞力。雷擊涉及多種類型，如直擊雷、感應雷、球形雷等。就廣播電視發射系統而言，雷電損害主要體現在如下幾個方面。

1.1 直接雷擊損害

直接雷擊損害是指建筑物、動植物、人等受雷電直擊，在熱效應、電效應及機械效應等因素的影響下而引發的人畜傷亡或建筑物損壞等問題。雷電蘊含著巨大的能量，直接雷擊會造成巨大的破壞。對于廣播電視發射系統而言，雷電直擊將釋放出上千安的電流與百萬伏的電壓，并在短時間內迅速放電，可能對廣播電視發射系統的設備及設施帶來嚴重的熱效應損傷，或形成電效應、電動力效應，引發電路故障，嚴重時甚至能導致設備燒毀[1]。

1.2 感應雷擊損害

感應雷擊指的是雷云放電時在金屬導體處所形成的靜電感應或電磁感應。雷云對地放電往往會引發地面通信線路、電力線路或設備連接處出現電磁感應。該電磁感應還會侵入線路設備，產生進一步破壞。相對于直接雷擊損害，感應雷擊損害雖危害程度較輕，但發生率較高，且在電力線路的作用下，感應高壓的影響范圍會持續擴大。由于電子電氣設備是感應雷擊的主要對象，因此，此類雷擊對于廣播電視發射系統的危害不容忽視。廣播電視發射系統感應雷擊損害主要包括兩種，一種是雷云放電時引發的強雷電流脈沖與地面物體產生近距離雷電感應，繼而引發高壓電流，對發射系統設備造成嚴重損害，甚至造成發射臺設備被擊穿或燒毀；二是雷電區域內的地面設備與雷云中的靜電產生感應，尤其是發射架等較高金屬設施，更易遭遇 損害[2]。

1.3 地電位反擊損害

地電位反擊損害是當直接雷擊發生于外部防雷裝置時，接地電阻兩端產生過電壓，受接閃物影響，設備接地線與其他設備連通，導致設備遭到進一步損害的現象。對于廣播電視發射系統而言，當設備遭遇雷電直擊，電流將沿著避雷設備進入地面，形成地電位反擊損害，此時無論是接地體還是引下線亦或避雷裝置等，電位均會急劇上升至數十萬伏，繼而導致發射設備嚴重受損。地電位反擊損害并非直接危害，發生率較低，對于發射系統及其相關設備的危害度較低[3]。

1.4 雷電電磁脈沖侵入損害

廣播電視發射系統遭遇雷電擊中后，發射臺本體、相關設備、金屬管道及架空線路間往往會因雷電效應而產生雷電電磁脈沖。雷電電磁脈沖會沿著設備金屬管線、架設線路等侵入發射系統，并對發射線路及關聯設備造成嚴重危害。從發生率層面而言，雷電電磁脈沖侵入損害相對頻繁[4]。

2 廣播電視發射系統的綜合防雷保護技術

2.1 雷電直擊損害的防護技術

為了有效防止廣播電視發射系統遭受雷電直擊損害，一方面，需要利用接地體的散流作用，將其埋入地下，利用相互連接的方式形成網絡，繼而達到疏導和擴散雷電流的作用，通常需要選擇壁厚的鋼管或扁鋼等接地體材料，并將其構建成環形網絡，該結構能夠在引下線和環形地網組合的情況下均勻分散內部電位，有效弱化雷電直擊的危害；另一方面，針對易受雷電直擊的發射塔及相關設備，需要科學安裝接閃器即避雷針、避雷網等，通過選擇與發射設備相匹配的避雷器，將其安裝在發射臺頂部，達到避雷的效果。為了提高防雷效果，還需要對接閃器及防雷保護區域面積進行校準[5]。此外，還可設置引下線提高防雷效果。應注意的是，引下線設置時數量必須大于2根，并在發射臺周圍以對稱方式布設，如此方可確保下泄電流磁場均衡抵消。設置引下線時，間距不得超過18 m，否則將失去防雷效果。若引下線長度有限，可通過焊接適度延長。對于框架結構的建筑物，需要利用發射臺內部鋼筋形成引下線，如此方可確保侵入的雷電流均勻入地[6]。

2.2 感應雷擊損害的防護技術

針對感應雷擊損害的防護技術又被稱為內部防護技術，主要是通過均衡系統電位、限制過電壓幅值而達到防雷保護的作用。感應雷擊防護主要由均等電位連接、過電壓保護器等構成，針對感應雷擊侵入途徑的多元化，可分別從電源防雷、信號系統防雷、等電位連接、屏蔽接地等方面出發，有效保護設備和電源，使雷電感應通過設備外機殼時受到屏蔽。

針對電源防雷，可依循多級防護的原則，采用避雷器防護方案，結合接線、接地、接熔茲等要求，采用三級SPD保護模式，借助SPD瞬時將設備接入等電位系統中，成功將雷擊脈沖能量泄放到大地，從而防止設備因過電壓沖擊而遭受破壞；針對信號系統防雷，需要結合信號線種類、接口類型、通信方式等科學選擇避雷口，并利用避雷口串聯或并聯等方式限制過電壓，保護相連的電子設備；等電位連接是利用導體將各自獨立的接地系統相連接，從而減小雷電流在系統間所產生的電位差，實現雷電能量的有效釋放；屏蔽接地是利用連續的金屬槽兩端接地形成屏蔽，以此規避雷電電磁脈沖對槽內線路的損害[7]。

2.3 地電位反擊損害的防護技術

針對地電位反擊損害，需要采取對應的地電位反擊防護技術，避免發射機內引入瞬間高壓破壞設備。通常，地電位反擊損害的防護是借助共同連接保護接地、防雷接地、工作接地等方式，建立起一個性能穩定的等電位接地網絡。這樣，當廣播電視發射系統的接地裝置中的導體處于同等電位狀態時，將有效避免高壓電位反擊的危害。值得注意的是，如果等電位連接過程中各接地獨立時相互距離達不到規范要求，極易引發地電位反擊損害。針對此類雷電損害，需要盡可能將供電系統接地網、發射鐵塔接地網、建筑物接地網、發射設備保護接地網等連接在一起，若實際情況不允許直接連接，則需要借助等電位連接器的幫助[8]。

2.4 雷電電磁脈沖侵入損害的防護技術

對于雷電電磁脈沖侵入損害而言，最有效的防護技術是采用接地方式進行分流和泄放，這也是電位均衡補償的基礎，旨在使雷電流通過低阻抗接地系統向大地泄放。為了達到合理接地的目的，一方面需要依循規范及發射系統的差異對地線進行改造，必要時利用低阻、高效、非金屬接地模塊與降阻劑減小地線電阻，達到降低反擊電位之效；另一方面，需要將系統接地與防雷接地實行“共地”，即利用公共接地點提供基準零電位，以防各系統獨立接地繼而產生毀壞性電位差。接地體多采用網狀接地體、板狀接地體等方式，其中，網狀接地體是利用扁鋼做成長方形或方形網狀，面積在12～16 m2，水平埋入地下1～2 m深，并以扁鋼焊接引出地面；板狀接地體則是由厚度為3～4 mm的銅板或鐵板埋入地下1～2 m處，以銅帶引出地面[9]。

3 結 語

隨著廣播電視節目收視率的逐步提高，廣播電視發射系統所承擔的任務愈加重要。廣播電視發射系統面臨的最大問題即雷電損害，加上信息電子設備數量的不斷增加及其精密度的持續提升，發射系統面臨的雷擊概率也逐步提高。因此，必須根據雷電的產生機理及其危害性，結合發射臺遭受雷擊全過程，分別從直接雷擊、感應雷擊、地電位反擊、雷電電磁脈沖等多方面出發，持續深入地探索廣播電視發射系統雷電損害的形成原因，并從廣播電視發射系統安全運行的角度出發，通過宏觀到微觀、內部防雷到外部防雷、天線到地線、強電到弱電各方面統籌考量，制定系統、完善的綜合防雷保護技術方案，配合防雷系統的日常維護、接地電阻的定期測量，切實提升廣播電視發射系統的抗雷擊水平，保障廣播電視節目的正常播出。