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)射臺站已有設備得到了更新，增添了一批全固態(tài)或數字發(fā)射傳輸設備。就拿我們稷王山廣播電視發(fā)射中心而言，2007年之前僅承擔著省市兩套廣播電視節(jié)目的無線發(fā)射任務，而目前承擔著中央、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。這些新的發(fā)射設備和數字微波傳輸設備，大多采用CMOS集成電路和大功率模塊，它們普遍對電網電壓的質量要求較高，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及耐雷水平極低的各類發(fā)射、接收設備，決定了高山臺站雷擊事故居高不下。所以，如何防雷減災，保障高山臺站的設備安全，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人員迫切需要關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象。當雷電發(fā)生時，產生強大的雷擊電流，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，對建筑物、電子電氣設備和人、畜造成危害，是一種嚴重的氣象自然災害。

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)生迅猛放電現象。雷電流也是電流，它具有電流所具有的一切效應，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，損壞放電通道上的建筑物、輸電線、電子設備等。

2.2 感應雷的形成與危害

感應雷是帶電的云層由于靜電感應和電磁感應作用，使地面某一范圍帶上相反的電荷，當直擊雷發(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，以致出現局部高電位，或者由于直擊雷放電過程中，產生強大的電磁脈沖電流對周圍的導線或金屬物產生電磁感應發(fā)生高電位以致發(fā)生閃擊的現象，感應雷又叫“二次雷”。

雷電感應是由于雷雨云之間和雷雨云與大地之間放電時，放電通道周圍產生的電磁感應及雷云電場的靜電感應，使建筑物上的金屬部件，如管道、鋼筋、電源線、信號傳輸線、天饋線等感應出雷電高電壓，通過電源線、信號線、天饋線以及進入室內的管道、電纜、走線橋架等引入室內造成放電，從而破壞電子設備。一般來說，感應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害，而感應雷則不論雷云對地閃擊，或者雷云之間閃擊（據觀測資料介紹，雷云對雷云閃擊比雷云對地閃擊幾率高得多），都可能發(fā)生并造成災害。此外，直擊雷一次只能襲擊一兩個小范圍的目標，而一次雷閃擊可以在比較大的范圍內多個小局部同時發(fā)生感應雷過電壓現象，并且這種感應高電壓可以通過電力線、電話線等金屬導線傳輸到很遠，致使雷害范圍擴大。雷電感應的破壞作用悄然發(fā)生，不易察覺，后果遠比直擊雷嚴重得多。

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、藍色或綠色的。大多數火球的直徑在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。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入室內，有時也通過不接地的門窗鐵絲網進入室內。最常見的是沿大樹滾下進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（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無聲消失，但大多數均伴有爆炸聲且響聲震耳。爆炸后偶爾有硫磺、臭氧或二氧化碳氣味。球雷火球可輻射出大量的熱能，因此它的燒傷力比破壞力要大。

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，是天空打雷時產生的作為干擾源的強大閃電流及其電磁場。它的感應范圍很大，對建筑物、人身和各種電氣設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生的干擾。

建筑物內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電力線路和電子設備的電磁干擾；

（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電力線路和電子設備的干擾；

（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電子設備的干擾。

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幾百千安，而電流上升僅幾個μs，持續(xù)時間為ms～s的數量級。因此，雷電放電時，可以產生強烈的電磁輻射，通過空間來耦合或金屬導體侵入設備，輕者造成工作失常，重者可使設備局部損壞或整機報廢，造成巨大的損失。據統(tǒng)計，因雷電電磁脈沖（LEMP）造成的電子設備直接損失約占雷電災害的80%以上。

3.廣播電視高山臺站雷擊災害的特點

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)射臺經多年統(tǒng)計雷電事故，發(fā)現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）電力線感應雷造成設備損壞。盡管供電線路上安裝了高、低壓避雷器，但高山臺站的地網電阻一般在10Ω以上，有的高達30Ω（這是由地質情況所決定的），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，大大超過設備耐壓水平，從而導致燒毀設備的事故發(fā)生。

（2）地網反擊造成發(fā)射機電源系統(tǒng)損壞。當雷電流為100KA（出現概率為20%）時，若地網電阻為10Ω，地網電位可達100萬伏。而電源變壓器一般在遠離發(fā)射機房數百米處，且采用獨立接地網，不隨鐵塔地網浮動，在設備窄小空間內會發(fā)生設備外殼向電源放電的反擊現象。此時若安裝避雷器，會出現雷電能量由地網通過避雷器向電源線“倒灌”。

（3）直擊雷經饋線入機房對發(fā)送設備造成損壞。一般各臺站機房內的所以發(fā)送設備的接地線均與電纜溝中銅排接地，當直擊雷擊中鐵塔后，雷電流沿同軸電纜外導體進入機房，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電壓按下式計算：

其中：I——雷電流，為16.7nKA

a——導線距銅排的距離，取0.02m

代入（1）式

求出感應電壓 Um=179KV/m

由計算結果，可看出直擊雷產生的感應電壓遠遠超過機器設備的耐壓，故導致對發(fā)送設備的損壞。

（4）電磁感應對發(fā)射臺站內設備的損壞。雷電每次釋放數百兆焦耳的能量，與微電子設備的毫焦耳能量相比相差懸殊，在其產生移動放電過程中，伴隨著電磁輻射、靜電感應、光輻射、熱效應及沖擊波等物理過程，其中電磁輻射、靜電感應可對臺站內的電子設備造成直接危害。

1）靜電感應對設備的危害

雷雨云的云底分布著大量的電荷，產生較強的靜電場。在雷云所覆蓋的地面上的各種物體特別是金屬導體上會產生大量的異性電荷，當雷云在移動或產生云際、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體，因電荷的積聚產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生很高的脈沖電流，沿著各種金屬導線侵入機房等，造成設備的損壞。

2）磁感應對設備的危害

美國通用研究公司的研究，得到了電磁感應對微電子設備損害的定量結果，閃電回擊電流產生的最大磁場強度為：

B=I/2πkr

式中：I為閃電回擊峰值電流（KA）；

K為單位換算系數；

r為機房到雷擊的水平距離（km）

當磁場強度大于2.4高斯的時候，就會造成微電子設備的損壞，雷擊點離臺站越近，由于閃電而引起設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。根據相關理論和具體時間可采用以下措施：（1）延伸地網，擴大接地網的有效接地面積；（2）選用防腐防銹性能良好的非再生、熱鍍鋅的實心優(yōu)質鋼材（角鋼或扁鋼）或銅材作為地網接地體，減少接地體與土壤的接觸電阻，保證地網間的有效連接和可持久性；（3）選用長效和與當地地表環(huán)境相適宜的降阻劑來降低接地電阻。

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

4.2 地網間要作等電位連接

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

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幾百KA，電壓高達數萬伏至數千萬伏。假設某發(fā)射臺的兩個接地網間的接地電阻為4歐姆，雷擊感應電流為二百KA，可知兩個地網的瞬間感應電位差將高達80KV，連接在兩個地網間的設備就很可能被擊壞。如果發(fā)射臺各接地網（如供電系統(tǒng)接地網、發(fā)射鐵塔接地網、建筑物接地網、傳輸與發(fā)射設備保護接地網等）成為統(tǒng)一的帶電體，那么當雷擊發(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備事故。如實際情況不允許各接地網直接連接，亦可通過等電位連接器實現等電位連接。

4.3 防雷措施要多層級

防雷地網建好以后，如何把雷電泄入大地，就成為高山廣播電視發(fā)射臺站防雷減災的重要環(huán)節(jié)。多年的經驗表明，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、避雷保護器防雷和專用設備防雷等方法。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，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線端加裝避雷保護器，作為高山發(fā)射臺站的一級防護。

（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線端加裝具有避雷保護器功能的大功率穩(wěn)壓器，作為二級防護。

（4）重要設備防雷

在所有重要的、精密的設備前端加裝電源浪涌保護器，作為三級保護。

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)、網絡及監(jiān)控系統(tǒng)等防雷也不應忽視，所有的室外空置電纜線均應有效接地，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等四套調頻廣播節(jié)目的無線覆蓋任務和中央、省、市等多套廣播電視節(jié)目的微波傳輸任務，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，為雷電自然災害頻發(fā)地區(qū)之一，原有的防雷設施不全及陳舊等原因，每年總有一兩次主要設備遭到雷電侵害而無法正常使用或停播的困擾，嚴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 地網建設

稷王山發(fā)射中心始建于上世紀八十年代中期，機房及鐵塔至今使用達27年之久，地網腐蝕較為嚴重，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，在坑內填充降阻劑，坑內打入若干根寬為4厘米的扁鋼，并將碎石置換成導電性好的濕土。同時，我們根據本臺的實際情況，將臺內各個地網進行了等電位連接，盡可能降低地網間的電位差，以減少地電位反擊損壞設備事故的發(fā)生。

5.2.2 多層級的防雷措施

針對稷王山雷電災害事故的特點，電源線應突出多級防護。多級防護是以各防雷區(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備絕緣強度之內。

（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，特別是由感應雷產生很高的浪涌電壓對設備破壞比較常見。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，當雷電落到電力線路附近時，就會產生一個強電磁場，高壓線上會感應到一個非常高的感應電壓，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，可有效降低感應電壓對設備侵害的風險。

（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，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）矩陣式設計和填砂滅弧結構的JOSLYN雷電浪涌防護器，可將雷電電波殘壓抑制在千伏以下。

（4）在進入敏感設備前，使用帶有多級雷電浪涌防護器的GD型廣電機房專用大功率穩(wěn)壓電源，以便對設備做進一步保護。

（5）輔助防護措施，一是將總配電柜的三項總閘刀設計為三刀雙擲的開關，二是在每套設備的電源進線端加裝一個與該設備同規(guī)格的空氣開關，在這個開關出線端的每一相對地并聯一只壓敏電阻，所有設備的接地線都用銅線連接到與地網相通的地線上，采用以上簡易防雷措施作為輔助防護。

（6）所有配電、發(fā)射、微波及信源設備都與地網有良好的連接。

5.2.3 加強對防雷設施的定期檢測和不定期維護

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，我們組織技術人員對防雷裝置進行安全檢測，對接地系統(tǒng)進行保養(yǎng)和維護工作，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到防雷技術要求。

5.3 稷王山廣播電視發(fā)射中心防雷減災的成效

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天無重要設備遭雷擊的事故發(fā)生，期間經歷了2008年8月24日，2009年11月8日和2010年7月13日三次嚴重打擊的考驗，每次雷擊時間將近一個小時，雷擊次數均超過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)射機和數字微波通信機均被打告警，但雷電過后，所有設備均能正常運行。

6.結束語

隨著廣播電視數字設備的不斷投入和設備更新，防雷工作的復雜性和重要性大大增加，目前仍沒有任何一種產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工作的認識。一方面要對已有防雷設施加強日常維護與保養(yǎng)工作，另一方要積極研究和探討現代防雷技術。只有這樣，才能應對千變萬化的雷電災害，確保廣播電視節(jié)目的安全播出與傳輸。

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