閆新華

【摘要】高山發(fā)射臺地理位置與氣象條件相對特殊，而且電視發(fā)射機的供配電、信號調(diào)制、接收和發(fā)射系統(tǒng)構(gòu)成及運行原理十分復(fù)雜，給防雷保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計和維護(hù)帶來了極大困難。本文針對目前高山發(fā)射臺電視發(fā)射機對雷電保護(hù)措施的特殊要求，分析了在其輸配電線路和設(shè)備、發(fā)射塔與發(fā)射天線、建筑內(nèi)外的接地系統(tǒng)以及信號傳輸網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)采取的有效措施，并且結(jié)合實踐經(jīng)驗探討了防雷保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計要點，闡釋了避雷裝置選型安裝、雷電流接地通路設(shè)計的原則和線路中的屏蔽、分流措施，基于多重防護(hù)以及科學(xué)的運維，保障高山發(fā)射臺電視發(fā)射機的運行安全。

【關(guān)鍵詞】雷電災(zāi)害;電視發(fā)射機;防范措施;高山發(fā)射臺

中圖分類號：TN954 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1673-0348（2020）09-023-03

[Abstract] the geographical location and meteorological conditions of Alpine transmitting station are relatively special， and the power supply and distribution， signal modulation， receiving and transmitting system composition and operation principle of TV transmitter are very complex， which brings great difficulties to the design and maintenance of lightning protection system. In view of the special requirements for lightning protection measures of TV transmitters in Alpine transmitting station， this paper analyzes the effective measures to be taken in the transmission and distribution lines and equipment， transmission tower and transmitting antenna， grounding system inside and outside the building and signal transmission network， and discusses the design points of lightning protection system based on practical experience， explains the selection and installation of lightning protection devices， lightning protection Based on multiple protection and scientific operation and maintenance， the design principle of the current grounding path and the shielding and shunt measures in the line can ensure the operation safety of the TV transmitter in the alpine transmitting station.

[Key words] lightning disaster; TV transmitter; preventive measures; alpine transmitter

為提升廣播電視信號的有效覆蓋面積和傳輸質(zhì)量，電視發(fā)射機及其輔助設(shè)備、設(shè)施通常被設(shè)置在海拔最高的區(qū)域，而發(fā)射塔和發(fā)射天線則成為了制高點。所以，包含敏感電子元器件的機電設(shè)備、電力和信號傳輸線路都面臨極高的雷擊風(fēng)險，無論是對廣播電視節(jié)目的放送質(zhì)量還是設(shè)備、人員的安全，都會帶來威脅。

1. 防雷保護(hù)的重要性

1.1 電視發(fā)射機對防雷保護(hù)的特殊要求

目前集成化、高密度、全固態(tài)的電視發(fā)射機已經(jīng)普及，其模塊化的設(shè)計簡化了設(shè)備的安裝調(diào)試和運維，也大幅提升了廣播電視節(jié)目信號的品質(zhì)。但與此同時，大量高齡敏度的電子裝置和元器件的使用也對防雷保護(hù)有了更高要求。首先，當(dāng)前的高山發(fā)射臺的電源系統(tǒng)和信號調(diào)制、發(fā)射與接收系統(tǒng)實現(xiàn)了自動化控制，而保護(hù)電路、自動控制裝置的運行可靠性極易受到雷電災(zāi)害的影響;其次，由于全固態(tài)的電視發(fā)射機集成了多種電子元器件，所以對電磁場的變化極為敏感，如果防雷保護(hù)措施不力，會造成設(shè)備損壞、縮短其使用壽命和影響信號傳輸質(zhì)量。

1.2 高山發(fā)射臺雷電災(zāi)害類型及影響方式

由于海拔相對較高且處于山區(qū)，高山發(fā)射臺所在地點是雷電災(zāi)害的高發(fā)區(qū)域，而且因為地形地貌復(fù)雜，在雷雨季節(jié)可有直擊雷、感應(yīng)雷等多種雷電災(zāi)害威脅高山發(fā)射臺電視發(fā)射機的運行安全，以不同作用方式侵入系統(tǒng)和損壞設(shè)備、影響廣播電視信號的傳輸質(zhì)量。首先，由于發(fā)射塔、天線以及機房等建筑物處于山巔，其金屬框架結(jié)構(gòu)或線路極易成為大地和雷云之間的電流通路，當(dāng)雷擊發(fā)生時，雷雨中所積聚的電能會在不大于100us的時間內(nèi)全部釋放，形成數(shù)萬伏的過電壓和上千安的過電流，不僅可以形成機械力、熱電效應(yīng)并毀壞設(shè)備、裝置及電子元器件，而且還會導(dǎo)致強電磁感應(yīng)，影響電子設(shè)備的正常運行;其次，在高山發(fā)射臺的供配電系統(tǒng)、機房與發(fā)射塔所在區(qū)域，當(dāng)雷云會導(dǎo)致地面的設(shè)備及線路產(chǎn)生感應(yīng)電場和形成電位差，最終將相對薄弱的部位擊穿并形成放電通路，造成電視發(fā)射系統(tǒng)設(shè)備損壞，無法正常完成節(jié)目放送。這類雷電災(zāi)害的入侵路徑具有極高不確定性，但是發(fā)生的概率較高。此外，高山發(fā)射臺的發(fā)射塔、機房等設(shè)施通常都有相對獨立的接地網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)某一地網(wǎng)因雷擊而向大地放電時，與臨近的地網(wǎng)之間會瞬間形成極高的電位差并發(fā)生電位差反擊現(xiàn)象，毀壞地面設(shè)備和影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

2. 雷電保護(hù)措施

不同類型的雷電災(zāi)害對高山發(fā)射臺的危害及入侵系統(tǒng)的路徑各異，所以在設(shè)計防護(hù)措施時，需要針對不同環(huán)節(jié)選擇可靠的技術(shù)方案，對系統(tǒng)的線路、設(shè)備和設(shè)施進(jìn)行多重保護(hù)。在盡量阻斷雷電入侵路徑的同時，設(shè)置均壓與分流裝置，逐級減小雷擊帶來的過電流對電視發(fā)射機的影響。

2.1 直接雷擊的防范措施

高山發(fā)射臺的發(fā)射塔與發(fā)射天線最易受到雷電直擊，導(dǎo)致瞬態(tài)過電壓經(jīng)由天線侵入機房并損壞電視發(fā)射機等設(shè)備，所以其防雷系統(tǒng)設(shè)計非常關(guān)鍵。首先，為防范發(fā)射塔尖端效應(yīng)帶來的雷擊風(fēng)險，除了在塔頂設(shè)置避雷針和避雷線，還需要在塔基處配備放電井，基于對基底周邊地形地貌的勘測和對土質(zhì)的分析，依據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范確定井深、直徑等參數(shù)。在井底用導(dǎo)電性能優(yōu)良的紫銅板做為接地導(dǎo)體，其上焊接和引出相同材料的導(dǎo)線至地面，與金屬放電球的地線相連接。放電井的回填材料視當(dāng)?shù)赝临|(zhì)和氣象條件而定，為了確保接地電阻不超過2歐姆，應(yīng)合理選擇和使用石墨等降阻劑。當(dāng)發(fā)射塔或天線遭到雷擊時，放電球、放電井可以依靠尖端放電原理高效泄放雷電的能量，形成對高山發(fā)射臺電視發(fā)射機的第一重防護(hù);其次，為了防范直擊雷引發(fā)的感應(yīng)電流損毀電視發(fā)射機的元器件，還應(yīng)在無線信號的輸入端、天饋調(diào)配室輸入端以及調(diào)配網(wǎng)絡(luò)前端增設(shè)放電和隔離裝置，分別利用uH電感、石墨放電器與大容量電容器串聯(lián)或并聯(lián)到線路當(dāng)中并可靠接地，將過電流引入地下并阻止其入侵系統(tǒng)，將雷擊的影響控制在電視發(fā)射機可以承受的范圍。

2.2 高壓輸配電系統(tǒng)的防雷保護(hù)

高壓輸配電系統(tǒng)為高山發(fā)射臺電視發(fā)射機及其輔助設(shè)備的運行提供了電能，而位于山區(qū)的高壓線路和變電所等設(shè)施同樣面臨較高的雷擊風(fēng)險，如若防范措施不當(dāng)，不僅影響廣播電視節(jié)目放送質(zhì)量，而且容易導(dǎo)致變壓器等關(guān)鍵設(shè)備的損壞。首先，鑒于高壓供電線路長距離暴露于雷擊高發(fā)區(qū)域，需要敷設(shè)避雷線加以防范，以鍍鋅角鋼作為接地導(dǎo)體，采用分段和多點接地的方式形成可靠的雷電流泄放通路;其次，在線路當(dāng)中應(yīng)依據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范加裝避雷裝置，而且在變壓器輸入端安裝避雷器，根據(jù)系統(tǒng)中被保護(hù)設(shè)備的額定參數(shù)合理設(shè)置整定電壓，確保在雷電流入侵時快速響應(yīng)并將其引入接地網(wǎng)絡(luò)。

2.3 低壓輸配電線路的防雷保護(hù)

高山發(fā)射臺的低壓輸配電系統(tǒng)直接向各種設(shè)備供電，由于電視發(fā)射機對電能質(zhì)量的要求極高，所以合理設(shè)置防雷保護(hù)措施并保持系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性至關(guān)重要。首先，配電室內(nèi)外需要有完善的接地網(wǎng)絡(luò)，在室內(nèi)設(shè)置環(huán)形接地系統(tǒng)并與機電設(shè)備的外殼、線路的接地導(dǎo)體相連，形成多點接地;其次，配電室的進(jìn)線、配電柜和配電箱的電源線采用鎧裝電纜，或者將線路穿鋼管后接地，以便防止電源線路受到雷電感應(yīng)的影響。當(dāng)使用鎧裝電纜敷設(shè)線路時，彎曲半徑需控制在線纜外徑的20倍以上。此外，在配電柜引入端、輸出端及重要機電設(shè)備的電源輸入端，分別設(shè)置浪涌保護(hù)器，形成分級防護(hù)并穩(wěn)定電能傳輸質(zhì)量。

2.4 防雷保護(hù)系統(tǒng)的檢測與維護(hù)

由于高山發(fā)射臺電視發(fā)射機在運行過程中處于高頻高壓狀態(tài)，所以其室內(nèi)外關(guān)鍵設(shè)備對電磁場的變化極度敏感。為了有效防范雷擊導(dǎo)致的信號失真、數(shù)據(jù)丟失和自動控制系統(tǒng)誤動等問題，在設(shè)計和安裝防雷保護(hù)系統(tǒng)的同時，需要制定規(guī)范化的檢測與維護(hù)技術(shù)方案，才能夠確保所有防護(hù)措施都能起到預(yù)期作用。首先，需要對各部分接地線路的接地電阻進(jìn)行規(guī)范化的測試，并且依據(jù)實際的氣象變化情況調(diào)整檢測頻次，原則上過電流在2000A時，接地電阻應(yīng)不超過2歐姆;其次，要不定期的對金屬放電球、浪涌保護(hù)器等關(guān)鍵裝置進(jìn)行性能測試，采集阻抗等關(guān)鍵數(shù)據(jù)并評價其運行可靠性，在必要時采取維護(hù)措施。例如在雷雨天氣過后，應(yīng)校正金屬放電球的間距，檢查接地導(dǎo)體焊接等部位有無銹蝕及損傷，對相關(guān)問題及時加以處理。

3. 高山發(fā)射臺防雷保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計要點

高山發(fā)射臺所處地理位置、設(shè)備型號以及信號調(diào)制和控制網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)各異，所以具體的防雷保護(hù)措施應(yīng)具有針對性，在避雷裝置選型、接地網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計以及防雷設(shè)施的布局方面，需要根據(jù)設(shè)備類型、地形地貌與氣象條件進(jìn)行優(yōu)化，以便全面防范和控制雷電災(zāi)害帶來的影響。

3.1 避雷裝置的選型與安裝

避雷針、避雷器以及分流和均壓等裝置是達(dá)到防雷保護(hù)目的的關(guān)鍵，在安裝時需要結(jié)合被保護(hù)設(shè)備、線路的設(shè)計參數(shù)，根據(jù)對當(dāng)?shù)乩纂娀顒右?guī)律的分析進(jìn)行合理選型。首先，在發(fā)射臺選址與布局過程中就需要考慮防雷保護(hù)問題，結(jié)合地質(zhì)勘察、歷史氣象資料加以優(yōu)化;其次在發(fā)射塔頂部應(yīng)安裝避雷針等接閃裝置，而且設(shè)置單獨的放電井，保障其接地電阻在2歐姆以內(nèi);最后，避雷器應(yīng)根據(jù)被保護(hù)對象的特點進(jìn)行選型和安裝，在高壓電源輸入端采用具有自動控制功能的閥式避雷器，當(dāng)過電壓達(dá)到整定值時可自動切斷電源，并且在雷擊過后瞬間恢復(fù)供電;而低壓配電系統(tǒng)則使用壓敏電阻避雷器，依靠其高靈敏度保障供電質(zhì)量和發(fā)射設(shè)備的運行可靠性。此外，配置于變壓器等關(guān)鍵設(shè)備電源輸入端的各級浪涌保護(hù)器的參數(shù)應(yīng)經(jīng)過精確核算，確保其起到分級保護(hù)的作用。

3.2 雷電流接地通路的設(shè)計及優(yōu)化

構(gòu)建可靠的雷電流接地通路是保護(hù)高山發(fā)射臺電視發(fā)射機的前提，鑒于發(fā)射塔和技術(shù)場區(qū)間距較小，相對獨立的接地系統(tǒng)之間形成電位差反擊的概率極大，所以應(yīng)優(yōu)化接地網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計并有效控制電位差。首先，可以沿技術(shù)場區(qū)及發(fā)射塔周邊布設(shè)架空防雷線路，將所有設(shè)施和設(shè)備都納入到保護(hù)范圍。以等間距設(shè)置架線桿的方式，用避雷線做為接閃裝置，以鍍鋅扁鋼作為接地導(dǎo)體實現(xiàn)多點接地，把雷電引入接地網(wǎng)絡(luò);其次，將發(fā)射臺、機房等間距較近且相對獨立的接地系統(tǒng)連為一體，把機房室內(nèi)的環(huán)形接地系統(tǒng)、放電井的接地母線和外部接地網(wǎng)絡(luò)的接地導(dǎo)體相連，避免在局部形成雷電流通路時形成過大的接地系統(tǒng)電位差。

3.3 線纜的屏蔽與分流保護(hù)措施

針對高山發(fā)射臺室內(nèi)外廣泛分布的電力和數(shù)字信號傳輸線纜，應(yīng)在有效屏蔽雷電感應(yīng)的同時，采取分級弱化感應(yīng)電流的防護(hù)措施，避免影響信號傳輸質(zhì)量或者縮短設(shè)備的使用壽命。首先，在電力線路中采用架空避雷線將直擊雷引入地下，并且在配電柜和機電設(shè)備的前端安裝電涌保護(hù)器;其次，在發(fā)射天線及其信號調(diào)制網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，配備均壓和分流保護(hù)裝置，根據(jù)被保護(hù)對象的特點選擇不同運行原理的裝置，分流和逐級弱化雷擊發(fā)生時侵入線路中的過電流和感應(yīng)電磁場。

4. 結(jié)束語

全固態(tài)電視發(fā)射機的使用大幅提升了廣播電視節(jié)目的品質(zhì)，但系統(tǒng)對雷電災(zāi)害更加敏感，要想保障信號放送的穩(wěn)定性和設(shè)備運行安全，必須根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛才c氣象條件，對高山發(fā)射臺的防雷保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化;并且強化對接地系統(tǒng)的檢測和維護(hù)，確保接地電阻等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)始終處于允許范圍。

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