山西省運城市廣播電視臺 閆旭東 姚天明

1.引言

隨著國家廣電總局對廣播電視節(jié)目無線覆蓋工程的重視，各高山發(fā)射臺站已有設(shè)備得到了更新，增添了一批全固態(tài)或數(shù)字發(fā)射傳輸設(shè)備。就拿我們稷王山廣播電視發(fā)射中心而言，2007年之前僅承擔(dān)著省市兩套廣播電視節(jié)目的無線發(fā)射任務(wù)，而目前承擔(dān)著中央、山西省及運城市共8套各級廣播電視節(jié)目的無線發(fā)射和微波信號傳輸任務(wù)。這些新的發(fā)射設(shè)備和數(shù)字微波傳輸設(shè)備，大多采用CMOS集成電路和大功率模塊，它們普遍對電網(wǎng)電壓的質(zhì)量要求較高，對浪涌電壓承受能力較弱，因此成為雷電浪涌電壓侵入的薄弱環(huán)節(jié)。加之高山臺站的特殊地理環(huán)境，決定了高山臺站遭受雷擊的概率、強度均大于平原地區(qū)，同時高山臺站高電阻地網(wǎng)及耐雷水平極低的各類發(fā)射、接收設(shè)備，決定了高山臺站雷擊事故居高不下。所以，如何防雷減災(zāi)，保障高山臺站的設(shè)備安全，確保廣播電視節(jié)目的安全播出，日益成為我們各級廣播電視工程技術(shù)人員迫切需要關(guān)注與研究的重要課題。

2.雷擊的形成與危害

雷電是因強對流氣候而形成的雷雨云層間和云層與大地間強烈瞬間放電現(xiàn)象。當(dāng)雷電發(fā)生時，產(chǎn)生強大的雷擊電流，熾熱的高溫，猛烈的沖擊波，瞬變的電磁場和強烈的電磁輻射等綜合物理效應(yīng)，對建筑物、電子電氣設(shè)備和人、畜造成危害，是一種嚴(yán)重的氣象自然災(zāi)害。

2.1 直擊雷的形成與危害

直擊雷是帶電的云層與大地某一點之間發(fā)生迅猛放電現(xiàn)象。雷電流也是電流，它具有電流所具有的一切效應(yīng)，不同的只是它在短時間以脈沖的形式通過強大的電流，尤其是直擊雷，它的峰值可達(dá)幾十KA，甚至幾百KA。它的峰值時間（從雷電流上升至1/2峰值算起，直至下降到1/2峰值至的時間間隔），通常負(fù)閃擊只有幾微妙到十幾微妙，正閃擊較長些，正是這種特殊情況，使雷電流具有它特殊的破壞作用。它以強大的沖擊電流、熾熱的高溫、猛烈的沖擊波、強烈的電磁輻射和靜電感應(yīng)，損壞放電通道上的建筑物、輸電線、電子設(shè)備等。

2.2 感應(yīng)雷的形成與危害

感應(yīng)雷是帶電的云層由于靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)作用，使地面某一范圍帶上相反的電荷，當(dāng)直擊雷發(fā)生后，云層所帶的電荷迅速消失，而地面某些范圍由于散流電阻大，散流速度相對較慢，以致出現(xiàn)局部高電位，或者由于直擊雷放電過程中，產(chǎn)生強大的電磁脈沖電流對周圍的導(dǎo)線或金屬物產(chǎn)生電磁感應(yīng)發(fā)生高電位以致發(fā)生閃擊的現(xiàn)象，感應(yīng)雷又叫“二次雷”。

雷電感應(yīng)是由于雷雨云之間和雷雨云與大地之間放電時，放電通道周圍產(chǎn)生的電磁感應(yīng)及雷云電場的靜電感應(yīng)，使建筑物上的金屬部件，如管道、鋼筋、電源線、信號傳輸線、天饋線等感應(yīng)出雷電高電壓，通過電源線、信號線、天饋線以及進(jìn)入室內(nèi)的管道、電纜、走線橋架等引入室內(nèi)造成放電，從而破壞電子設(shè)備。一般來說，感應(yīng)雷沒有直擊雷那么猛烈，但它發(fā)生的幾率比直擊雷高的多。因為直擊雷只發(fā)生在雷云對地閃擊時才會對地面造成災(zāi)害，而感應(yīng)雷則不論雷云對地閃擊，或者雷云之間閃擊（據(jù)觀測資料介紹，雷云對雷云閃擊比雷云對地閃擊幾率高得多），都可能發(fā)生并造成災(zāi)害。此外，直擊雷一次只能襲擊一兩個小范圍的目標(biāo)，而一次雷閃擊可以在比較大的范圍內(nèi)多個小局部同時發(fā)生感應(yīng)雷過電壓現(xiàn)象，并且這種感應(yīng)高電壓可以通過電力線、電話線等金屬導(dǎo)線傳輸?shù)胶苓h(yuǎn)，致使雷害范圍擴大。雷電感應(yīng)的破壞作用悄然發(fā)生，不易察覺，后果遠(yuǎn)比直擊雷嚴(yán)重得多。

2.3 球型雷的形成與危害

球型雷是一種橙色或紅色的類似火焰的發(fā)光球體，偶爾也有黃色、藍(lán)色或綠色的。大多數(shù)火球的直徑在10～100㎝左右。球雷多在強雷暴時空中普通閃電最頻繁的時候出現(xiàn)。球雷通常沿水平方向以1～2m/s的速度上下滾動，有時距地面0.5～1m，有時升起2～3m，它在空中漂游的時間可由幾秒至幾分鐘。球雷常由建筑物的空洞、煙囪或開著的門窗進(jìn)入室內(nèi)，有時也通過不接地的門窗鐵絲網(wǎng)進(jìn)入室內(nèi)。最常見的是沿大樹滾下進(jìn)入建筑物并伴有嘶嘶聲。球雷有時自然爆炸，有時遇到金屬管線而爆炸。球雷遇到易燃物質(zhì)（如木材、紙張、衣物、被褥等）則造成燃燒，遇到可爆炸的氣體或液體則造成更大的爆炸。有的球雷會不留痕跡地?zé)o聲消失，但大多數(shù)均伴有爆炸聲且響聲震耳。爆炸后偶爾有硫磺、臭氧或二氧化碳?xì)馕丁Ｇ蚶谆鹎蚩奢椛涑龃罅康臒崮?，因此它的燒傷力比破壞力要大?/p>

2.4 雷電電磁脈沖的形成與危害

雷電電磁脈沖（Lightning Elec-tromagnetic Pulse）簡稱LEMP，是天空打雷時產(chǎn)生的作為干擾源的強大閃電流及其電磁場。它的感應(yīng)范圍很大，對建筑物、人身和各種電氣設(shè)備及管線都會有不同程度的危害。這種危害就是雷電電磁脈沖所產(chǎn)生的干擾。

建筑物內(nèi)的雷電電磁脈沖干擾指以下三種情況：

（1）天空中雷電波的電磁輻射對建筑物內(nèi)電力線路和電子設(shè)備的電磁干擾；

（2）建筑物的防雷裝置接閃時，強大的瞬間雷電流對建筑物內(nèi)電力線路和電子設(shè)備的干擾；

（3）由外部各種強、弱電架空線路或電纜線路傳來的電磁波對建筑物內(nèi)電子設(shè)備的干擾。

在各種干擾中，電磁干擾對廣播電視發(fā)射系統(tǒng)的危害尤為嚴(yán)重，而雷電是常見的大氣層中強電磁干擾源，云地放電的峰值電流高達(dá)幾百千安，而電流上升僅幾個μs，持續(xù)時間為ms～s的數(shù)量級。因此，雷電放電時，可以產(chǎn)生強烈的電磁輻射，通過空間來耦合或金屬導(dǎo)體侵入設(shè)備，輕者造成工作失常，重者可使設(shè)備局部損壞或整機報廢，造成巨大的損失。據(jù)統(tǒng)計，因雷電電磁脈沖（LEMP）造成的電子設(shè)備直接損失約占雷電災(zāi)害的80%以上。

3.廣播電視高山臺站雷擊災(zāi)害的特點

雷電襲擊廣播電視高山臺站的途徑如圖1所示。

稷王山廣播電視發(fā)射臺經(jīng)多年統(tǒng)計雷電事故，發(fā)現(xiàn)雷擊造成的故障和損壞的器材大多為供電高壓變壓器、發(fā)射機電源系統(tǒng)及通信系統(tǒng)等。根據(jù)我們的研究，雷擊造成電源系統(tǒng)損壞的原因有以下幾種情況：

（1）電力線感應(yīng)雷造成設(shè)備損壞。盡管供電線路上安裝了高、低壓避雷器，但高山臺站的地網(wǎng)電阻一般在10Ω以上，有的高達(dá)30Ω（這是由地質(zhì)情況所決定的），所以由電力線侵入的雷電波在線路上的殘壓仍會很高。例如：220V低壓氧化鋅避雷器在1.5KA時殘壓為1.3KV，若考慮10Ω的地網(wǎng)電阻上的壓降，電源線上總殘壓為Uz=1.3KV+1.5KA×10Ω=16.3KV，大大超過設(shè)備耐壓水平，從而導(dǎo)致燒毀設(shè)備的事故發(fā)生。

（2）地網(wǎng)反擊造成發(fā)射機電源系統(tǒng)損壞。當(dāng)雷電流為100KA（出現(xiàn)概率為20%）時，若地網(wǎng)電阻為10Ω，地網(wǎng)電位可達(dá)100萬伏。而電源變壓器一般在遠(yuǎn)離發(fā)射機房數(shù)百米處，且采用獨立接地網(wǎng)，不隨鐵塔地網(wǎng)浮動，在設(shè)備窄小空間內(nèi)會發(fā)生設(shè)備外殼向電源放電的反擊現(xiàn)象。此時若安裝避雷器，會出現(xiàn)雷電能量由地網(wǎng)通過避雷器向電源線“倒灌”。

（3）直擊雷經(jīng)饋線入機房對發(fā)送設(shè)備造成損壞。一般各臺站機房內(nèi)的所以發(fā)送設(shè)備的接地線均與電纜溝中銅排接地，當(dāng)直擊雷擊中鐵塔后，雷電流沿同軸電纜外導(dǎo)體進(jìn)入機房，并流過電纜溝中的銅排。

圖1 雷擊途徑

實驗表明，若雷電流為100KA，每根波導(dǎo)管流過的雷電流占總雷流的1/6，高山臺站一般有多（n）根同軸電纜（稷王山目前有9根饋線）從塔上天線接至發(fā)射機、微波機，故流入機房內(nèi)電纜溝中銅排的雷電流占雷電流總值的n/6，即16.7nKA。此雷電流在電纜溝中其它電源線信號線上的感應(yīng)電壓按下式計算：

其中：I——雷電流，為16.7nKA

a——導(dǎo)線距銅排的距離，取0.02m

代入（1）式

求出感應(yīng)電壓 Um=179KV/m

由計算結(jié)果，可看出直擊雷產(chǎn)生的感應(yīng)電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過機器設(shè)備的耐壓，故導(dǎo)致對發(fā)送設(shè)備的損壞。

（4）電磁感應(yīng)對發(fā)射臺站內(nèi)設(shè)備的損壞。雷電每次釋放數(shù)百兆焦耳的能量，與微電子設(shè)備的毫焦耳能量相比相差懸殊，在其產(chǎn)生移動放電過程中，伴隨著電磁輻射、靜電感應(yīng)、光輻射、熱效應(yīng)及沖擊波等物理過程，其中電磁輻射、靜電感應(yīng)可對臺站內(nèi)的電子設(shè)備造成直接危害。

1）靜電感應(yīng)對設(shè)備的危害

雷雨云的云底分布著大量的電荷，產(chǎn)生較強的靜電場。在雷云所覆蓋的地面上的各種物體特別是金屬導(dǎo)體上會產(chǎn)生大量的異性電荷，當(dāng)雷云在移動或產(chǎn)生云際、云地閃擊后，云中的電荷突然消失，但地面上的物體特別是金屬導(dǎo)體，因電荷的積聚產(chǎn)生了很高的靜電電壓，必然要放電。這種電荷在釋放過程中會產(chǎn)生很高的脈沖電流，沿著各種金屬導(dǎo)線侵入機房等，造成設(shè)備的損壞。

2）磁感應(yīng)對設(shè)備的危害

美國通用研究公司的研究，得到了電磁感應(yīng)對微電子設(shè)備損害的定量結(jié)果，閃電回?fù)綦娏鳟a(chǎn)生的最大磁場強度為：

B=I/2πkr

式中：I為閃電回?fù)舴逯惦娏鳎↘A）；

K為單位換算系數(shù)；

r為機房到雷擊的水平距離（km）

當(dāng)磁場強度大于2.4高斯的時候，就會造成微電子設(shè)備的損壞，雷擊點離臺站越近，由于閃電而引起設(shè)備損壞的概率就越大。

4.廣播電視高山臺站的防雷要點

4.1 接地系統(tǒng)要良好

高山上的廣播電視發(fā)射臺站，它的發(fā)射鐵塔和機房大多建在土層淺薄、電阻率高的山頂上，這對謀求一個良好的接地系統(tǒng)造成困難。根據(jù)相關(guān)理論和具體時間可采用以下措施：（1）延伸地網(wǎng)，擴大接地網(wǎng)的有效接地面積；（2）選用防腐防銹性能良好的非再生、熱鍍鋅的實心優(yōu)質(zhì)鋼材（角鋼或扁鋼）或銅材作為地網(wǎng)接地體，減少接地體與土壤的接觸電阻，保證地網(wǎng)間的有效連接和可持久性；（3）選用長效和與當(dāng)?shù)氐乇憝h(huán)境相適宜的降阻劑來降低接地電阻。

需要注意的是，接地網(wǎng)的長度盡量要短，因為無限度延伸地網(wǎng)的長度會增加地網(wǎng)材料本身的電阻，從而影響防雷效果。

4.2 地網(wǎng)間要作等電位連接

等電位連接就是將防雷有效空間的各個接地網(wǎng)連接起來，盡可能的減少各接地網(wǎng)之間的電位差。

前面我們已介紹了雷電的巨大能量，它瞬間放電電流峰值可達(dá)幾百KA，電壓高達(dá)數(shù)萬伏至數(shù)千萬伏。假設(shè)某發(fā)射臺的兩個接地網(wǎng)間的接地電阻為4歐姆，雷擊感應(yīng)電流為二百KA，可知兩個地網(wǎng)的瞬間感應(yīng)電位差將高達(dá)80KV，連接在兩個地網(wǎng)間的設(shè)備就很可能被擊壞。如果發(fā)射臺各接地網(wǎng)（如供電系統(tǒng)接地網(wǎng)、發(fā)射鐵塔接地網(wǎng)、建筑物接地網(wǎng)、傳輸與發(fā)射設(shè)備保護(hù)接地網(wǎng)等）成為統(tǒng)一的帶電體，那么當(dāng)雷擊發(fā)生時，各接地體間的電位差將趨于零，因此就不容易發(fā)生閃擊放電或損壞設(shè)備事故。如實際情況不允許各接地網(wǎng)直接連接，亦可通過等電位連接器實現(xiàn)等電位連接。

4.3 防雷措施要多層級

防雷地網(wǎng)建好以后，如何把雷電泄入大地，就成為高山廣播電視發(fā)射臺站防雷減災(zāi)的重要環(huán)節(jié)。多年的經(jīng)驗表明，供電系統(tǒng)的防雷是高山廣播電視發(fā)射臺站防雷的重中之重，十有八九的雷電損毀設(shè)備事故都是由電力線路侵入的。高山廣播電視發(fā)射臺站的防雷措施有簡易防雷、避雷保護(hù)器防雷和專用設(shè)備防雷等方法。由于雷電的能量過于巨大，要想一次性消散完雷電的能量目前還難于做到，采取多級層避雷是迫不得已的選擇。

（1）高壓輸電線路和變壓器的防雷

高壓輸電線路末端可安裝兩組高壓避雷器（閥型避雷器），變壓器由野外移至工作室內(nèi)，這樣可極大降低變壓器雷擊事故的發(fā)生。

（2）380伏總配電柜前的防雷

由于對電力線線與線之間的雷電感應(yīng)電壓目前還難以控制，所以需在高壓變壓器出線端到總配電柜進(jìn)線端加裝避雷保護(hù)器，作為高山發(fā)射臺站的一級防護(hù)。

（3）機房配電箱前的防雷

在總配電柜出線端到各分配電箱進(jìn)線端加裝具有避雷保護(hù)器功能的大功率穩(wěn)壓器，作為二級防護(hù)。

（4）重要設(shè)備防雷

在所有重要的、精密的設(shè)備前端加裝電源浪涌保護(hù)器，作為三級保護(hù)。

高山廣播電視發(fā)射臺站，除重點做好供電系統(tǒng)的防雷外，天饋系統(tǒng)、衛(wèi)星接收系統(tǒng)、微波傳輸系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)及監(jiān)控系統(tǒng)等防雷也不應(yīng)忽視，所有的室外空置電纜線均應(yīng)有效接地，以防雷電的侵入。

5.稷王山廣播電視發(fā)射中心防雷實踐

5.1 稷王山廣播電視發(fā)射中心概況

稷王山廣播電視發(fā)射中心，位于山西省西南部海拔1279米的稷王山頂，該中心承擔(dān)著中央電視一套18CH 3KW、七套20CH 10KW、山西衛(wèi)視26CH 5KW、運城一套14CH 5KW等四套電視節(jié)目及中國之聲105.7MHz 3KW、山西新聞廣播104.2 MHz 3KW、運城新聞綜合廣播93.2MHz 5KW及運城交通文藝廣播101.9MH 5KW等四套調(diào)頻廣播節(jié)目的無線覆蓋任務(wù)和中央、省、市等多套廣播電視節(jié)目的微波傳輸任務(wù)，是山西省南部十分重要的無線發(fā)射和微波信號傳輸臺站。

5.2 稷王山廣播電視發(fā)射中心防雷措施

稷王山廣播電視發(fā)射中心位于稷王山之巔，山頂土層十分淺薄，山石大多為碳酸鈣石灰?guī)r，為雷電自然災(zāi)害頻發(fā)地區(qū)之一，原有的防雷設(shè)施不全及陳舊等原因，每年總有一兩次主要設(shè)備遭到雷電侵害而無法正常使用或停播的困擾，嚴(yán)重影響了廣播電視節(jié)目的正常播放和信號傳輸。

2007年，在國家廣電總局無線覆蓋工程和山西省廣播電視微波線路數(shù)字化改造工程的推動下，稷王山電視發(fā)射中心的防雷及接地系統(tǒng)得以全面升級改造。

5.2.1 地網(wǎng)建設(shè)

稷王山發(fā)射中心始建于上世紀(jì)八十年代中期，機房及鐵塔至今使用達(dá)27年之久，地網(wǎng)腐蝕較為嚴(yán)重，接地電阻較大。在改造中，我們采取除原接地點之外，另在一相鄰10米處方便施工的地方，搗開一4ⅹ8平方米、深1.5米的碎石坑，在坑內(nèi)填充降阻劑，坑內(nèi)打入若干根寬為4厘米的扁鋼，并將碎石置換成導(dǎo)電性好的濕土。同時，我們根據(jù)本臺的實際情況，將臺內(nèi)各個地網(wǎng)進(jìn)行了等電位連接，盡可能降低地網(wǎng)間的電位差，以減少地電位反擊損壞設(shè)備事故的發(fā)生。

5.2.2 多層級的防雷措施

針對稷王山雷電災(zāi)害事故的特點，電源線應(yīng)突出多級防護(hù)。多級防護(hù)是以各防雷區(qū)為層次，對雷電能量的逐級減弱，最終使過電壓值限制在設(shè)備絕緣強度之內(nèi)。

（1）對10KV高壓架空線近端安裝避雷線并加裝氧化鋅避雷器，大量的雷電由供電系統(tǒng)引入，特別是由感應(yīng)雷產(chǎn)生很高的浪涌電壓對設(shè)備破壞比較常見。稷王山發(fā)射中心所用高壓線路跨過多個山頭，容易遭受雷擊，當(dāng)雷電落到電力線路附近時，就會產(chǎn)生一個強電磁場，高壓線上會感應(yīng)到一個非常高的感應(yīng)電壓，因此，在變壓器前兩根電線上安裝避雷線，每桿做一次接地，在變壓器前第二桿上增裝一組氧化鋅避雷器，可有效降低感應(yīng)電壓對設(shè)備侵害的風(fēng)險。

（2）2007年5月，我們將高壓電源變壓器由野外放置于專門供變壓器用的工作室內(nèi)，引入線更換為高壓電纜線，這樣做后極大地降低雷電對變壓器直接侵害的風(fēng)險，幾年來再未發(fā)生變壓器遭雷擊的事故。

（3）在總配電柜上加裝采用MOV（壓敏電阻）矩陣式設(shè)計和填砂滅弧結(jié)構(gòu)的JOSLYN雷電浪涌防護(hù)器，可將雷電電波殘壓抑制在千伏以下。

（4）在進(jìn)入敏感設(shè)備前，使用帶有多級雷電浪涌防護(hù)器的GD型廣電機房專用大功率穩(wěn)壓電源，以便對設(shè)備做進(jìn)一步保護(hù)。

（5）輔助防護(hù)措施，一是將總配電柜的三項總閘刀設(shè)計為三刀雙擲的開關(guān)，二是在每套設(shè)備的電源進(jìn)線端加裝一個與該設(shè)備同規(guī)格的空氣開關(guān)，在這個開關(guān)出線端的每一相對地并聯(lián)一只壓敏電阻，所有設(shè)備的接地線都用銅線連接到與地網(wǎng)相通的地線上，采用以上簡易防雷措施作為輔助防護(hù)。

（6）所有配電、發(fā)射、微波及信源設(shè)備都與地網(wǎng)有良好的連接。

5.2.3 加強對防雷設(shè)施的定期檢測和不定期維護(hù)

由于防雷裝置有可能因雨水等發(fā)生氧化、腐朽以及因機械損壞等原因造成損壞、接地線斷裂、不同的接地系統(tǒng)之間的等電位連接失效等，當(dāng)發(fā)生雷電后電流不能順利的泄流入地從而易發(fā)生雷擊事故。所以每年雷雨季節(jié)前，我們組織技術(shù)人員對防雷裝置進(jìn)行安全檢測，對接地系統(tǒng)進(jìn)行保養(yǎng)和維護(hù)工作，對各接地裝置澆一次鹽水，力爭使臺站工作區(qū)域所有檢測點接地電阻值達(dá)到防雷技術(shù)要求。

5.3 稷王山廣播電視發(fā)射中心防雷減災(zāi)的成效

稷王山廣播電視發(fā)射中心防雷系統(tǒng)改造至今，已連續(xù)使用將近1000天無重要設(shè)備遭雷擊的事故發(fā)生，期間經(jīng)歷了2008年8月24日，2009年11月8日和2010年7月13日三次嚴(yán)重打擊的考驗，每次雷擊時間將近一個小時，雷擊次數(shù)均超過20余次，特別是2009年11月8日初冬那次30年不遇的雷電災(zāi)害，我臺通信光纜多處被擊斷，所有工作的固態(tài)發(fā)射機和數(shù)字微波通信機均被打告警，但雷電過后，所有設(shè)備均能正常運行。

6.結(jié)束語

隨著廣播電視數(shù)字設(shè)備的不斷投入和設(shè)備更新，防雷工作的復(fù)雜性和重要性大大增加，目前仍沒有任何一種產(chǎn)品可以全面防止雷電的危害，所以我們必須提高對防雷減災(zāi)工作的認(rèn)識。一方面要對已有防雷設(shè)施加強日常維護(hù)與保養(yǎng)工作，另一方要積極研究和探討現(xiàn)代防雷技術(shù)。只有這樣，才能應(yīng)對千變?nèi)f化的雷電災(zāi)害，確保廣播電視節(jié)目的安全播出與傳輸。

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