淺談高山發(fā)射臺綜合防雷

2012-08-15 00:44張文平

山西電子技術(shù) 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(yuǎn)，覆蓋面積大的特點，因而受到廣播電視部門的廣泛應(yīng)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(jī)會就越大，所產(chǎn)生的電離子就越多，當(dāng)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(qiáng)度，就會發(fā)生電閃雷鳴的雷電現(xiàn)象。高山臺主要雷擊災(zāi)害為直擊雷和感應(yīng)雷兩種，直擊雷放電電流可高達(dá)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(shè)備，易損壞設(shè)備是變壓器、避雷器、穩(wěn)壓器、高頻頭、功分器、衛(wèi)星接收機(jī)、激勵器。直擊雷的破壞力大，直接危及人的生命和設(shè)備的安全。感應(yīng)雷的形成原因有兩種，由于帶電雷云的先導(dǎo)作用，雷云附近的導(dǎo)體或輸電線路上感應(yīng)出異性電荷，當(dāng)雷電對附近目標(biāo)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(dǎo)體或輸電線路上感應(yīng)的電荷變?yōu)樽杂呻姾?，形成對地局部感?yīng)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(yīng)雷。另一種感應(yīng)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(qiáng)大磁場，使其附近的導(dǎo)體感應(yīng)出高電壓并尋找放電通道，從而形成感應(yīng)雷。直擊雷由于能量大，對建筑物和人、設(shè)備危害甚大;而感應(yīng)雷作用范圍寬，雷擊概率遠(yuǎn)大于直擊雷，對廣播電視傳輸、發(fā)射設(shè)備危害更大;有時二者又相伴存在。感應(yīng)雷能從信號線及供電線路入侵設(shè)備，易損壞高頻頭、功分器、衛(wèi)星接收機(jī)、激勵器、視音頻分配器、計算機(jī)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(dǎo)體上感應(yīng)出很高的電壓，通過電力線等傳輸?shù)竭h(yuǎn)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(shè)備會受到雷電流的感應(yīng)，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(shè)備的電磁干擾;防雷裝置接閃時，強(qiáng)大的瞬間雷電流對電力線路和電子設(shè)備的干擾;由外部各種強(qiáng)、弱電架空線路或電纜線路傳來的電磁波對電子設(shè)備的干擾。

2 雷電對發(fā)射機(jī)房造成的危害

(1)雷直擊機(jī)房所在建筑物的避雷系統(tǒng)，強(qiáng)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(jī)房內(nèi)的設(shè)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(jī)房設(shè)備的反擊。

(2)雷直擊與機(jī)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(yīng)雷過電壓，這兩種過電壓均將沿金屬管線侵入機(jī)房，對設(shè)備造成危害。

(3)雷擊機(jī)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(jī)房設(shè)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(yīng)的保護(hù)器等綜合技術(shù)實現(xiàn)機(jī)房對雷電的防護(hù)。

機(jī)房設(shè)備如發(fā)射機(jī)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(jī)為例，當(dāng)雷電電磁脈沖的磁場強(qiáng)度超過0.07高斯時，就會引起微機(jī)的誤動作，當(dāng)磁場強(qiáng)度超過24高斯時，就會造成微機(jī)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(jī)器設(shè)備、用電設(shè)備四部分。這幾部分的防雷措施既要相對獨立，又要相互關(guān)聯(lián)。相對獨立是指各部分都應(yīng)該有自己的獨立地井、地網(wǎng)，比如，天線鐵塔是整個設(shè)備中最高最突出的部分，一般以避雷針作為設(shè)備的防雷接閃器，并且鐵塔本身就是一個很大的接閃器。當(dāng)鐵塔將形成的電荷對地泄放時，會產(chǎn)生高達(dá)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(jī)器設(shè)備或電源設(shè)備或樓房建筑物等就近相連，這些雷電流將對機(jī)房內(nèi)的電子設(shè)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(shè)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(zhǔn)點——等電位。

由于高山主要以風(fēng)化石土質(zhì)為主，泥土表面較薄，背風(fēng)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(dǎo)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(dǎo)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(shè)備防雷

電源是廣播電視設(shè)施的主要組成部分，又是最容易受到雷電攻擊的目標(biāo)。發(fā)射機(jī)房對電源的要求很高。理想的電源“凈化”應(yīng)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(hù)物遭雷擊之前提前放電，為防止被保護(hù)物受到直接雷擊而將雷電電流引入地下。強(qiáng)大的雷電電流在其周圍會形成強(qiáng)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(dá)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(jī)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(shè)，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(dá)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(hù)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(dāng)于一條低阻帶，很容易招致雷擊的，解決的方法是:在埋設(shè)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(jī)輸出端和低壓端安裝容量為120 kVA的電源浪涌保護(hù)器，機(jī)房總開關(guān)后面安裝容量為100 kVA的浪涌保護(hù)器，作為第二級避雷保護(hù)措施。

(3)在每部發(fā)射機(jī)總開關(guān)后面安裝容量為60 kVA的避雷模塊作為三級防雷。浪涌保護(hù)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(yīng)雷產(chǎn)生的高壓過電壓浪涌，達(dá)到保護(hù)設(shè)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(fù)載設(shè)備的各種波動、干擾和諧波成分。因此，可實現(xiàn)對負(fù)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(jī)房內(nèi)安裝環(huán)形接地母線，機(jī)房內(nèi)各種設(shè)備的接地線和機(jī)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(jī)房的線路連接

機(jī)房設(shè)備只能采用三網(wǎng)(保護(hù)接地網(wǎng)、防雷網(wǎng)、供電中性接地網(wǎng))合一引進(jìn)機(jī)房，然后將中性點、保護(hù)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(yīng)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(yīng)接到地的終端地板上，為了防御雷電電磁脈沖，機(jī)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(yīng)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(shè)計一個科學(xué)的，符合實際的防雷方案。其次，要嚴(yán)格落實定期檢測、維護(hù)制度，這樣才能保證有備無患。