淺談高山發(fā)射臺綜合防雷

2012-08-15 00:44:26張文平

山西電子技術 2012年3期

張文平

(山西廣播電視局無線管理中心三二八臺，山西太原030001)

高山發(fā)射臺一般都在高山上，海拔高，環(huán)境惡劣，但它具有發(fā)射距離遠，覆蓋面積大的特點，因而受到廣播電視部門的廣泛應用。但是，由于高山發(fā)射臺特殊的地理位置，極易受到雷電的襲擊。

1 高山雷電的特點

雷電的形成，主要依賴云層，云層越多越厚，相互碰撞的機會就越大，所產(chǎn)生的電離子就越多，當離子在云層中積聚到一定濃度的時候，產(chǎn)生一個足以擊穿隔離層的電場強度，就會發(fā)生電閃雷鳴的雷電現(xiàn)象。高山臺主要雷擊災害為直擊雷和感應雷兩種，直擊雷放電電流可高達數(shù)十萬安培，放電過程極為短暫，約為50～100 μs。直擊雷一般從供電線路及鐵塔、發(fā)射天線、衛(wèi)星天線入侵設備，易損壞設備是變壓器、避雷器、穩(wěn)壓器、高頻頭、功分器、衛(wèi)星接收機、激勵器。直擊雷的破壞力大，直接危及人的生命和設備的安全。感應雷的形成原因有兩種，由于帶電雷云的先導作用，雷云附近的導體或輸電線路上感應出異性電荷，當雷電對附近目標或接閃器放電時，它所帶電荷迅速和放電物所帶的異性電荷中和，而雷云附近的導體或輸電線路上感應的電荷變?yōu)樽杂呻姾?，形成對地局部感應高電位，它要從距離其最近處、電壓低處或元器件最易擊穿處尋找放電通道，從而形成感應雷。另一種感應雷是在直擊雷通過放電物體放電時產(chǎn)生巨大電流，這個迅速變化的電流必然在周圍產(chǎn)生瞬變的強大磁場，使其附近的導體感應出高電壓并尋找放電通道，從而形成感應雷。直擊雷由于能量大，對建筑物和人、設備危害甚大;而感應雷作用范圍寬，雷擊概率遠大于直擊雷，對廣播電視傳輸、發(fā)射設備危害更大;有時二者又相伴存在。感應雷能從信號線及供電線路入侵設備，易損壞高頻頭、功分器、衛(wèi)星接收機、激勵器、視音頻分配器、計算機等，是由于雷擊后雷電流在其周圍產(chǎn)生大的電磁場所致，這種電磁場能在附近的金屬導體上感應出很高的電壓，通過電力線等傳輸?shù)竭h方，雖然它沒有直擊雷那么猛烈，但發(fā)生的幾率大，危害范圍廣。避雷針引雷后，引下線附近的設備會受到雷電流的感應，這就是雷電電磁脈沖干擾，分三種情況:天空中雷電波的電磁輻射對電力線路和電子設備的電磁干擾;防雷裝置接閃時，強大的瞬間雷電流對電力線路和電子設備的干擾;由外部各種強、弱電架空線路或電纜線路傳來的電磁波對電子設備的干擾。

2 雷電對發(fā)射機房造成的危害

(1)雷直擊機房所在建筑物的避雷系統(tǒng)，強大的雷電流沿建筑物的結(jié)構(gòu)鋼筋和其他金屬管線泄放到大地。流過結(jié)構(gòu)鋼筋的雷電流將對機房內(nèi)的設備產(chǎn)生過電壓;另一方面，雷電流引起建筑物的接地裝置的地電位升高，有可能造成對機房設備的反擊。

(2)雷直擊與機房所在建筑物相連的金屬管線，如:電源線、電話、信號線、網(wǎng)線、水管、暖氣管等，在金屬管線上形成直擊雷過電壓或雷擊金屬管線附近的大地，在金屬管線上形成感應雷過電壓，這兩種過電壓均將沿金屬管線侵入機房，對設備造成危害。

(3)雷擊機房所在建筑物附近的其他物體，如:大地、樹木等，雷電電磁脈沖通過空間輻射的方式部分穿透建筑物的屏蔽體而在機房設備中產(chǎn)生過電壓。

以上三種方式，主要運用接地、屏蔽、隔離及安裝相應的保護器等綜合技術實現(xiàn)機房對雷電的防護。

機房設備如發(fā)射機日益向高精度、高靈敏度和高可靠性方向發(fā)展，但耐壓很低，一般只能承受不超過5伏的電壓波動。以各種微機為例，當雷電電磁脈沖的磁場強度超過0.07高斯時，就會引起微機的誤動作，當磁場強度超過24高斯時，就會造成微機的永久性損壞。

3 接地系統(tǒng)

高山發(fā)射臺的防雷可分為天線鐵塔、樓房建筑、機器設備、用電設備四部分。這幾部分的防雷措施既要相對獨立，又要相互關聯(lián)。相對獨立是指各部分都應該有自己的獨立地井、地網(wǎng)，比如，天線鐵塔是整個設備中最高最突出的部分，一般以避雷針作為設備的防雷接閃器，并且鐵塔本身就是一個很大的接閃器。當鐵塔將形成的電荷對地泄放時，會產(chǎn)生高達幾十千安，甚至幾百千安的極大雷電流，如果這時鐵塔的地網(wǎng)與機器設備或電源設備或樓房建筑物等就近相連，這些雷電流將對機房內(nèi)的電子設備產(chǎn)生過電壓干擾，正在使用的弱電器件，如CMOS器件，晶體管器件極易破壞。

如果各部分設施的地網(wǎng)、地井完全獨立，雷擊發(fā)生時又會造成彼此之間存在一定的電位差，在地面上就反映為電位梯度，由此可能產(chǎn)生跨步電位危及人身。因此，它們之間彼次間都必須擁有一個共同的基準點——等電位。

由于高山主要以風化石土質(zhì)為主，泥土表面較薄，背風山坡的灌木地帶比向陽的茅草地帶的土層略厚。為使地網(wǎng)電阻足夠小，地井需選擇在帶灌木的山坳泥土較濕潤的地方，寬度3～3 m，深度一般2 m以下4 m以上，然后用多根鍍鋅角鋼，沿井壁四周及中間用大錘打下去，再用扁鋼將鐵樁焊接起來，倒上高山臺專用降阻劑，使地井的泄放導體與大地緊緊連在一起。

除了地井之外，在引下線經(jīng)過的開闊地帶，還連接多個魚骨狀的泄放導體。再者高山臺地質(zhì)條件差，一般是砂石，巖石結(jié)構(gòu)，土壤電阻率大，可以做地網(wǎng)的場所不多，接地電阻很難在1 Ω以內(nèi)。地網(wǎng)還可以采用挖溝放入接地體、加降阻劑或挖水池放入接地體加降阻劑并長期保證水池有水。

4 電源及設備防雷

電源是廣播電視設施的主要組成部分，又是最容易受到雷電攻擊的目標。發(fā)射機房對電源的要求很高。理想的電源“凈化”應是三管齊下，及包括隔離變壓器、浪涌抑制器和大功率不間斷電源(UPS)。

對于高山發(fā)射臺，引雷器或稱避雷針，在被保護物遭雷擊之前提前放電，為防止被保護物受到直接雷擊而將雷電電流引入地下。強大的雷電電流在其周圍會形成強大的電磁場，并在輸電線路上產(chǎn)生電磁干擾，成為間接雷擊或二次雷擊。二次雷擊造成的浪涌電壓典型值為6 000 V，最高可達上萬伏。浪涌抑制器的作用是:將二次雷擊造成的浪涌電壓降到一定的范圍內(nèi)，使經(jīng)過抑制的電壓成為殘壓。而UPS對供電線路的各種干擾具有隔離凈化和不間斷的作用，可輸出符合發(fā)射機要求的交流電源。具體做法是:

(1)高壓線變壓器，高壓線路沿山脊高空架設，連綿幾十公里，加上高山以巖石為主，地表土層較薄，泥土濕度較低，雖然三相高壓線上都安裝了避雷線，每節(jié)電桿有接地與避雷線相連接，但終端桿的地網(wǎng)阻值很難達到理想值。因此在低壓側(cè)兩端相線對地加裝了氧化鋅低壓避雷器，其金屬外護層直接與地網(wǎng)就近連接。對低壓線路，采用屏蔽埋地電纜引入配電房最為合理。在高山泥土中埋入一根屏蔽電纜，在原理上，電纜就相當于一條低阻帶，很容易招致雷擊的，解決的方法是:在埋設電纜的上方加埋兩條鍍鋅扁鐵，在扁鐵上每隔5～8 m打下一條鍍鋅角鋼作為接地體，用電焊焊牢，再與山上的地網(wǎng)相連，這樣就極大地減少了雷擊對電纜的破壞。

(2)在柴油發(fā)電機輸出端和低壓端安裝容量為120 kVA的電源浪涌保護器，機房總開關后面安裝容量為100 kVA的浪涌保護器，作為第二級避雷保護措施。

(3)在每部發(fā)射機總開關后面安裝容量為60 kVA的避雷模塊作為三級防雷。浪涌保護器、避雷模塊接地引出線不要長于15 m。

以上三級防雷可有效地抑制感應雷產(chǎn)生的高壓過電壓浪涌，達到保護設備的目的，為使電源波形更干凈，更優(yōu)質(zhì)，還需加裝一組在線式大功率不間斷電源。一方面可以緩解因高山臺天氣惡劣造成的斷電問題，另一方面，從防雷的角度，也是一個不可忽視的因素。在線式UPS電源的逆變器始終處于工作狀態(tài)，加上輸入低通濾波器、輸出低通濾波器和輸出隔離變壓器的濾波和隔離作用，能夠有效地從根本上消除或隔離來自市電電網(wǎng)、UPS本身以及整流濾波型負載設備的各種波動、干擾和諧波成分。因此，可實現(xiàn)對負載的高質(zhì)量凈化和安全可靠地供電。

用扁銅皮在發(fā)射機房內(nèi)安裝環(huán)形接地母線，機房內(nèi)各種設備的接地線和機器外殼均與接地母線牢固焊接，接地母線與避雷器引下線相連。

5 機房的線路連接

機房設備只能采用三網(wǎng)(保護接地網(wǎng)、防雷網(wǎng)、供電中性接地網(wǎng))合一引進機房，然后將中性點、保護接地、防雷接地統(tǒng)一接在匯流排上。在低壓220/380伏供電系統(tǒng)中，應采用三相五線系統(tǒng)，以便于裝置接地線和中性線分開，裝置接地線應接到地的終端地板上，為了防御雷電電磁脈沖，機房內(nèi)的電源、電話、信號線最好采用埋地電纜引入，所用電纜應為鎧裝電纜或同軸電纜且外皮兩端均要接地。

總之，廣播電視發(fā)射臺(站)防雷工作，首先要設計一個科學的，符合實際的防雷方案。其次，要嚴格落實定期檢測、維護制度，這樣才能保證有備無患。