浅谈广播电视高山台站的防雷保护技术

2012-08-15魏爱成

山西电子技术 2012年2期

魏爱成

(山西广播电视无线管理中心，山西太原030001)

随着广播电视技术的迅速发展，设备的集成度越来越高，其耐压水平也越来越低。由于广播电视高山台站分布范围广，位置处于制高点，容易遭受雷击灾害。雷电具有很强的破坏性，一旦台站遭受雷击，容易造成设备损坏，传输信号中断，给社会带来较大的经济影响，因此做好台站的防雷保护是一项非常重要的工作。

1 雷电的种类［1］

(1)直击雷:是雷电直接击在建筑物、大地、防雷装置或其它物体上产生电效应、热效应和机械力。

(2)感应雷:是雷电在雷云之间或雷云对地的放电时，并在附近的户外传输信号线路、埋地电力线、设备间连接线和电磁感应并侵入设备，使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害。感应雷破坏也称为二次破坏。它分为静电感应雷和电磁感应雷两种。

(3)雷电波侵入:是由于雷电对架空线路或金属管线的作用，雷电波可能沿着这些管线侵入屋内，危及人身安全或损坏设备。

(4)球形雷:是一种特殊的雷电现象，简称球雷，是一种似红色火焰的发光球体，一旦遇到物体或电气设备时会产生燃烧或爆炸，其主要是沿建筑物的孔洞或开着的门窗进入室内，有的由烟囱或通气管道滚进楼房，多数沿带电体消失。

2 雷电的危害

雷电危害，不仅会造成人员伤亡，而且对机房设备的损害很大。

2.1 雷电对人的伤害

主要有四种形式，即:直接雷击、接触电压、旁侧闪击和跨步电压。

(1)直接雷击:在雷电现象发生时，闪电直接袭击到人体，因为人是一个很好的导体，高达几万到十几万安培的雷电电流，由人的头顶部一直通过人体到两脚，流入到大地。人因此而遭到雷击，受到雷电的击伤，严重的甚至死亡。

(2)接触电压:当雷电电流通过高大的物体，如高的建筑物、树木、金属构筑物等泄放下来时，强大的雷电电流，会在高大导体上产生高达几万到几十万伏的电压。人不小心触摸到这些物体时，受到这种触摸电压的袭击，发生触电事故。

(3)旁侧闪击:当雷电击中一个物体时，强大的雷电电流，通过物体泄放到大地。人体的电阻很小，如果人就在这雷击中的物体附近，雷电电流就会在人头顶高度附近，将空气击穿，再经过人体泄放下来，使人遭受袭击。

(4)跨步电压:当雷电从云中泄放到大地时，就会产生一个电位场。电位的分布是越靠近地面雷击点的地方电位越高;远离雷击点的电位就低。如果在雷击时，人的两脚站的地点电位不同，这种电位差在人的两脚间就产生电压，也就有电流通过人的下肢。两腿之间的距离越大，跨步电压也就越大。

2.2 雷电对机房设备的危害

高山台站高压线路、天线、馈线、机房设备以及水管、暖气管道时刻都处于雷击的严重威胁之中。雷电侵入波由于闪电脉冲放电峰值电流大，电场强，电流随时间变化率大，且放电过程所形成的频谱范围宽，因此，对微波传输线路会感生出强大的感应过电压和感应过电流，一旦感应过电压和感应过电流被引入微波设备的内部，将产生严重的干扰甚至毁坏设备。而微波设备上的元器件耐压水平很低，电源线路和信号线路有的未设置必要的过电压保护，还有一些其他原因，例如电源线路、信号线路和与信号有联系的微波线路管道、结构件等如果布置不当，形成一个开口导电环，当远处落雷时，地面电磁场也可在环内感应过电压，环路包绕的面积越大，感应的过电压也越高，击坏微波设备的危险性就越大。

3 雷击的主要途径

3.1 雷电通过台站铁塔和天馈线侵入

一般的台站铁塔较高，当铁塔的避雷针受到直接雷击时，雷电流通过铁塔，经其接地装置散流入地，使地网地电位升高，导致基站地网与设备之间产生很高的电位差而形成地电位反击，对机房设备造成损坏。如果天馈线为同轴电缆，在导体上感应出较强的感应电流，即为同轴电缆的感应电流。感应电流经同轴电缆从铁塔天线进入台站机房，烧坏设备。

3.2 雷电通过架空管线侵入

架空管线是引入雷害的重要途径。当雷云放电时，其空间形成强大的电场，在架空管线靠近终端时，主要成分是水平电场，出现在电场中的突出物体最易出现感应电荷的集中，使其周围电场强度显著增加，架空管线很容易发生尖端放电而被雷电击中。当架空管线遇雷电侵袭时，将过电压引入机房，很可能烧坏设备。雷云对地放电也会在架空管线上感应过电压，该过电压也会对电源设备造成威胁。

3.3 雷电电磁感应影响

接闪器在接闪过程中，雷电流强度大，放电时间短，在接闪器和引下线周围将产生较大的瞬时电磁场。在强磁场作用下，处于磁场中的导体将产生高达几千至几万伏的感应电压，如此之高的感应电压势会造成微波设备的损坏。微波设备是集成化较高的设备，耐冲击力相对较差，因此受雷电感应的影响较大。

3.4 台站机房引入雷电

当台站机房建在山顶上，机房位置的海拔高度很高时，直击雷可能绕过避雷针从横向及斜面击中被保护物，这种现象叫雷电绕击。在这种情况下，孤立的避雷针往往已不能防御雷电对机房的直击。因此，台站机房必须采取必要的防雷措施。

4 防雷技术

4.1 雷电防护原理

雷电由高能的低频成分与极具渗透性的高频成分组成。其主要通过两种形式［2］，一种是通过金属管线或地线直接传导雷电致损设备;另一种是闪电通道及泄流通道的雷电电磁脉冲以各种耦合方式感应到金属管线或地线产生浪涌致损设备。绝大部分雷损由这种感应而引起。对于机房设备而言，危害主要来自于由雷电引起的雷电电磁脉冲的耦合能量，通过以下三个通道所产生的瞬态浪涌。一是金属管线通道，二是地线通道，三是空间通道。其中金属管线通道的浪涌和地线通道的地电位反击是机房设备系统致损的主要原因，它的最常见的致损形式是在传输线上引起的雷损，所以需作为防护的重点。由于雷电无孔不入地侵袭机房设备系统，雷电防护将是个系统工程，雷电防护的中心内容是泄放和均衡，所以防雷是个不容忽视的问题。

4.2 防雷措施

(1)铁塔的防雷措施

铁塔顶部天线平台处，塔身中部及塔基处应预留接地孔，或将附近塔身紧固螺栓改用加长紧固螺栓作接地点。因铁塔较高，一定要保证连接点的数量和分散性，以利于分散雷电流。铁塔为落地塔时，其铁塔地网与机房地网之间应每间隔3～5 m相互焊接连通1次，且至少有2处相互连通。铁塔四脚与其他地网就近焊接连通。天线应有防直击雷的保护措施。天线铁塔设避雷针并与铁塔焊接。天线安装位置应在避雷针的防雷保护区内。避雷针与铁塔焊接的目的就是确保避雷针有良好的接地线，以保证雷电流及时流入大地。

(2)架空管线的防雷措施

连至机房的架空管线不能直接进入，应分类穿入金属管埋地后进入机房。若路程较长，应加装保护装置。金属管两端分别与地线焊接，焊点要作防腐处理，电力线与信号线不能混合走线。各系统的接地应按照安装要求，分别接至各自的接地汇流排，再统一接至室内接地排。机房内直流电源接地线从室内地线排上引入，与保护地各自独立，再接入接地汇流排上，且不共用引线。

(3)天馈线的防雷措施［3］

馈线屏蔽层应在塔顶、馈线离开塔身至机房转弯处上方0.5～1.0 m处、进入机房入口后的内侧3点妥善接地。当长度超出60 m时，应在其中间增加接地点，使相邻2个接地点间距离不超过60 m，室内走线架应每隔5～10 m接地1次。要求馈线进入室内后加装避雷器，避雷器的安装位置应尽可能紧靠馈线进建筑物的入口处。

(4)机房的防雷措施

对于机房的防雷问题应包括机房的建筑物防雷接地、机房设备和供电系统的防雷接地。

(5)等电位连接

台站地网应按均压、等电位的原理，将工作地、保护地和防雷地组成一个联合接地网，台站内各类接地线应从接地汇集线或接地网上分别引入。对于高土壤电阻率地区的高山基站地网，除了要降低其地阻值外，最重要的是进行等电位连接、屏蔽以及均压处理，以达到各部分之间的电位分布均匀，使电位差为“零”，从而确保雷电流不会对各部分造成高压反击及减小电磁干扰。

(6)降低接地电阻值

台站地阻值要求应小于4 Ω，在高土壤电阻率地区，降低接地电阻的常用方法有以下几种:一是采用多支线外引接地装置，外引长度应不大于有效长度;二是接地体埋于较深的低电阻率土壤中;三是采用降阻剂;四是换土。

4.3 防雷设备

常用的防雷设备有:避雷器、压敏电阻器、陶瓷放电管、配线保安单元、高频信号保护器、同轴电缆保护器、过压保护器、保护转换隔离器等。其中避雷器的种类［4］主要有电源避雷器、信号型避雷器、天馈线避雷器三种。电源避雷器是最常用的，是电器设备防雷的重点。信号型避雷器，多数用在计算机网络、通信系统上。天馈线避雷器，比较适用于有发射机天线系统和接收无线电信号设备系统。在正常情况下，防雷器处于高阻状态。