广播电视系统防雷技术

2014-03-08雷跃

云南电力技术 2014年1期

关键词：避雷针保护器雷电

雷跃

(云南省广播电视局，昆明 650031)

1 前言

广播电视系统因其建筑物结构、传输发射设备设施特点，很容易遭受到雷击，并且随着广播电视设备的飞速发展，防雷问题显得愈加突出。要确保广播电视系统安全稳定运行，必须做好防雷工作。

2 雷电及其危害

1)直接雷击:雷电直接击到建筑物顶部。如果没有适当的泄流途径，雷电流的能量以极高的温度、极大的热量、强力冲击波、极大的电动力对建筑物或其顶部的其他设施造成严重损害。

2)反击:由于强大的雷电流在接地电阻和引下线上造成的很高的电阻和电感电压降，使无雷击时处于低电位的接地装置或与之相连的金属物体出现很高的电位。如果邻近的物体没有做好等电位连接而距离又不够，就会发生击穿，称为反击。

3)雷电侵入波:雷击于远处的架空的通讯线或电力线，然后沿着架空导线以过电压、过电流波的形式侵入建筑物。如果架空线上方没有避雷线，雷电波侵入的概率是相当大的。过电压、过电流波进入建筑物后还会沿内部通讯线或电力线袭击敏感设备。

4)雷电感应:雷电直接击于建筑物上或附近，雷电流通道的电磁场对建筑物外部和内部都会有空间感应。如果建筑物、机房和管线无屏蔽，在建筑物的某些部位上磁场和电场可能达到有害的数值。雷电感应数量级虽较前几种小得多，却可能危害敏感的微电子器件，而且它作用范围广，入侵途径多，比较难以捉摸。在过去主要着眼于大工业设备防雷时，雷电感应常被忽略，但是对于信息系统防雷而言，是应该予以严重关注的。

以上几种是基本的雷害途径，实际中可能是几种方式的混合，如由一处地电位升高经水平接地引线传递到另一处;雷击于地，雷电流经地下金属管道传入建筑物;雷击于地，架空线受到感应，然后传入建筑物，再传递到敏感设备。

3 雷电对广播电视系统的危害

广播电视中心大楼一般都是所在城市的超高层建筑，而且屋顶通常都带有发射塔、天线等金属器械，为最大限度提高发射效益，提高广播电视覆盖率，广播电视无线发射台、卫星上行站等一般都建在地势较高的山顶，且建有铁塔，配备有天线设备、卫星信号发射接收装置等，再加上高空架设的输电线路，与各种线缆相连的机房设备等，时刻都处于雷害的严重威胁之中。必须切实采取各种防雷措施，来保证广播电视系统的安全运行。

4 防雷技术

防雷技术是指根据雷电的性质，分析雷击危害的特点，采取有效的措施，设立相应装置对保护对象进行防雷保护。

从电磁兼容的观点来看，一个防雷保护区域从外到内可分为几级保护区。最外面是直接雷击区域，危险性最高，将其定义为一级区，越往内，危险程度越低。建筑物楼内为二级区，楼内房间为三级区，房屋内的金属屏蔽柜架为四级区等，各级保护区的界面由外部防雷系统、钢筋混凝土、金属管道及金属柜架等构成的屏蔽层形成。

发生雷击时，雷电流约有一半直接流入大地，另一半则平均流入由电源线、信号线和金属管道等构成的电气通道。从一级保护区到最内层保护区，必须实行分级保护。

电源系统可按保护需要分为对应的三级或四级;信号、信息系统可分为粗保护和精保护两级。作为保护一级区的外部防雷系统，由避雷针 (避雷线或避雷带)、引下线、接地体组成，主要目的是保护建筑物免遭雷击。而内部防雷系统则是防止雷电流侵入设备和产生电磁感应而造成损坏。为了实现内部避雷，有效消除雷电引起的毁坏性电位差，进出各保护区的线缆都必须通过过压保护器进行等电位连接，各层保护区的金属管道、金属门窗、金属构架物件都必须与相关的局部等电位连接棒连接，最后都与主等电位连接棒相连。

环形接地体和内部环形导体应连接到钢筋或其它屏蔽件上，最好每隔5 m连接一次。建筑物内有信息系统时，在要求雷击电磁脉冲影响最小之处，等电位连接带宜采用金属板，并与钢筋或其屏蔽构件作多点连接。

电气设备和电子设备的电源线路和信号线路可感应雷电瞬态对地电压，此过电压可能击坏设备的绝缘，应作等电位连接来防范。但电源线路中的带电导体和信号线路的芯线是不允许用导线直接和保护地线相连接的，必须采用浪涌保护器来实现等电位连接。平时保护器不导通，当线路感应瞬态过电压时，保护器被击穿导通而实现瞬间的等电位连接，它泄放雷电流并将瞬态过电压钳制在低水平上，使设备各端口的电压将大致相同，即近似于等电位，从而保护设备免遭损坏。

引下线是避雷针与接地体的连接线。建筑物的结构中有大量钢筋，经过绑扎、焊接会形成一个良好的导体，是建筑物很好的自然避雷引下线。用作等电位连接中的基础钢筋、地下水管和金属外皮也都是很好的自然接地极，其使用寿命和建筑物相当。高层建筑物的基础一般有几十米深，用基础钢筋作接地体是符合要求的。如再单独作接地体，为满足接地电阻小于1 Ω的要求，必须使用大量的人工接地极，由于土壤腐蚀，这种人工接地极使用寿命非常有限，在经济上是不可取的。对于低层建筑因其基础较浅，根据系统设备要求，也可单独作接地体。

针对直击雷的保护装置主要有避雷针、避雷线、避雷带和避雷网等。雷电侵入波的保护装置主要有阀型避雷器、保护间隙、管型避雷器、同轴电缆信息保护器、双绞线信息线路保护器、天馈线保护器、串并口保护器和网络浪涌保护器等。

避雷针是竖立在保护区最高处的针形金属导体，与它大地良好接触，雷电先导电路向地面延伸时，受到其畸变电场的影响，会逐渐转向并击中避雷针，然后向大地泄放雷电流，从而避免了雷电导向保护对象。避雷针其实是引雷针，它是将雷电引向自己从而起到保护对象免遭雷击的作用。它主要用来保护电站、输电线路和高层建筑物。

避雷线也叫架空地线，它是沿输电线路架设于杆塔顶端，并连接良好的接地金属导线，用来保护输电线路。避雷线的保护原理与避雷针相似，除了能屏蔽输电线免遭直接雷击外，还能分散雷击自身的雷电流，增大耦合系数，从而降低雷击电压的幅值。

避雷带是在保护对象的顶部和周围设置与大地可靠连接的金属保护带。避雷网是在保护对象的周围设置与大地可靠连接的网状金属保护装置。这两者的保护原理均与避雷针相似，它们比避雷针更加可靠。

阀型避雷器主要由放电间隙和非线性电阻构成，当高幅值的雷电流侵入时，放电间隙先行放电，将限制保护对象上的过电压。在泄放雷电流时，非线性电阻又将避雷器的残压限制在保护对象的耐压水平之下。雷电流过去后，它还能自动将工频续流切断，从而达到保护的目的。保护间隙是一种简单有效的过压保护器件，它由带电与接地两个间隔一定距离的电极构成。当雷电波到来时，间隙先行击穿，雷电流被引入大地，从而避免保护对象因高幅值的过电压而击毁。它的缺点是不具备熄弧能力，即使配备自动合闸装置，也会出现几百毫秒的中断时间。管型避雷器是具有熄弧能力的保护间隙不须靠断路器动作断弧，可以保证保护对象工作的连续性。这三种保护器主要都是用于输电系统的防雷保护。

5 广播电视系统的防雷措施

5.1 建筑物与天线塔的防雷

广播电视中心大楼楼顶一般都建有发射铁塔，塔体必须与楼体钢筋可靠焊接，楼体钢筋与接地体可靠连接，而且大楼在设计时要考虑楼体的防雷问题。预防直击雷的避雷针可固定在天线塔上，利用塔体或楼体钢筋作接闪器和引下线，塔基或楼基的四角埋设垂直接地体，水平接地体应围绕塔基或楼基做成闭合环形，并与垂直接地体相连，接地电阻应小于4 Ω。

天线塔上的所有金属物件，如天线的支杆或框架、反射器的框架、甚至航空障碍信号灯等，都必须与塔体可靠连接。波导管或同轴传输线缆的金属外皮及敷设电缆的金属管应在塔体的上下两端和每约10m处与塔体作金属连接，并与机房内的接地网相连。塔上照明灯的电源线应采用金属外皮电缆穿管敷设，电缆外皮和金属套管两端与塔体连接。

5.2 机房的防雷

广播电视系统的机房，如微波机房、发射机房甚至播出中心机房、编辑制作机房和演播机房，一般都处于天线塔避雷针的保护范围之内，机房防雷问题就简单得多了。

如果机房不处于天线塔保护范围内，如一些卫星地面站机房等，必须沿房顶四周装设闭合环形避雷带，利用墙柱中的钢筋或专设引下线接地。机房外应围绕机房埋设地下环形水平接地体。机房内用截面大于120×0.35 mm2的铜带沿墙体敷设环形接地母线，室内各种设备外壳、电缆的金属外皮、金属管道和铝合金门窗等不带电的金属部分，均应就近与室内环形接地母线连接。室内接地母线、室外环形接地体和屋顶环形避雷带间，至少应有四个对称分布的连接线互相连接，相邻连接线间的距离应小于18m。机房的接地网与塔体的接地网间，至少应连接有两根水平接地体，总接地电阻应小于1 Ω。

进出机房内的输电线、信号电缆应有金属外皮或敷设在金属管内，金属外皮和金属套管必须良好接地。

5.3 卫星地面站装置的防雷

卫星地面站可能既没有天线塔，也没有高层建筑物，因此卫星地面站的发送或接收装置的防雷问题有所不同。

卫星地面站的防雷，可以设置专用的独立避雷针，也可以在天线反射体抛物面骨架顶端或在调整器顶端预留的专用位置上安装避雷针。避雷针的接地可以专设接地引下线，也可以利用钢筋混凝土构件内的钢筋代替。防雷接地、电子接地和保护接地共用一个接地装置，接地体沿建筑物四周敷设成闭合环形，接地电阻小于1 Ω。

5.4 电源系统的防雷

广播电视系统使用的电源系统为三相五线制和单相三线制，应采用三级保护方式。

电源系统三级保护的基本要求分别是:第一级采用高能量防雷器，防雷击电流不小于100 kA，响应时间不大于100 ns;第二级采用过压保护器，可承受最大放电电流40 kA，响应时间不大于25 ns;第三级采用浪涌吸收精细过压保护器，可承受放电电流5 kA，响应时间不大于25 ns。

5.5 信号、信息电缆的防雷

对信号、信息电缆的防雷是内部防雷的重要组成部分。在雷电流通过外部防雷系统泄放时，强大的雷电流除了在防雷装置上产生高电位外，还会在其周围产生一定的电磁场，并在电气环路中产生危险的高电压。如果屏蔽不好、耐压能力低、脆弱敏感的电子设备很可能被击坏。另外，与室外系统相连的电源线和通信线缆、卫星信号电缆都可能引入附近其它建筑物或架空线缆遭受雷击时的雷电波。海南电视台建立在内部防雷系统之前，就经历过两次因外部雷击而引起感应雷电波击坏内部重要设备的惨痛教训。我局主楼消防控制中心及电梯机房电源系统曾发生过因未安装防雷击电磁脉冲装置，雷击造成消防控制设备损坏的事故。

信号、信息电缆的防雷应以独立机房为单元，对进出单元的电缆一律加装信息线路保护器，要根据信号性质选择保护器类型，满足其相应的要求。

用于传输模拟视频信号或数字视音频信号的同轴电缆，应加装同轴电缆信息保护器，其参考参数为可承受最大放电电流20 kA，，带宽为SDI数字视频信号不小于150 MHz，模拟视频信号或数字音频信号不小于8 MHz。用于传输有线电视信号和卫星传送、接收信号的天线馈线电缆，应加装可承受最大放电电流20 kA的天馈线防雷保护器，所有不平衡传输的信号使用的保护器，要求其在所适应的最大传输频率下反射损耗不大于20 dB，插入损耗不大于3 dB。