广播发射台节目传输系统的防雷措施

张学兵

【摘 要】在广电行业中，因雷电引起的过电压及其产生的过电流造成的传输线路、接收设备损坏的安全事故时有发生。本文对雷电危害产生的原因进行了分析，为广播发射台站节目传输系统提出了有针对性的防雷措施，同时对防范直击雷、感应雷和防地电位反击引起的瞬间过电压影响等多方面的防护的方法进行了详细阐述，以供广大广电行业的同行参考。

【关键词】雷电 接收设施 传输线路 防雷措施？ 电压防护

1前言

科学技术的发展日新月异，智能化、网络化渗透到了社会的各行各业，随着采用大规模集成电路的设备在广播发射台的广泛应用，使得广播发送系统对过电压的要求也越来越高，特别是节目传输系统中，既有室外卫星天线、高频头等户外设备，又有卫星接收机、功分器、智能调度系统等精密设备，由于雷电在电源线、信号线、天馈线等部位上感应形成的瞬间过电压造成损坏的事故时有发生，因此必须采取适当的保护措施以避免上述事故的发生。

2雷电的危害

在日常生活中，雷电是一种常见的自然现象。根据气象观测，地球上每秒钟要出现大约100次左右的闪电雷击，它会击毁建筑物、引发森林火灾，甚至还会对人身造成伤害，给人类社会带来了很大的危害。笔者所在的电台曾出现过一次严重的雷击事故，事故造成了节目传输系统四个高频头、三部卫星接收机和两台功分器的损坏，经济损失极大。国际电工委员会已将雷电灾害称为“电子时代的一大公害”，雷击、感应雷击、电源尖波等瞬间过电压已成为破坏电子设备的罪魁祸首。

以雷击最大的受害者——通信行业为例，通过对大量通信设备雷击事故分析，专家们一致认为：由雷电感应和雷电波侵入造成的雷电电磁脉冲（LEMP）是通信设备损坏的主要原因。因此只有了解了雷电电磁脉冲（LEMP）的形成过程，寻求有效地防护措施才能减少雷电带来的损失。

在广电行业中，专用房屋有标准严格的设计规范，节目传输设备机房都会安装有避雷针、避雷网或避雷带，并且均采取了联合接地的方式。理论上来说，整栋建筑已具备了良好的防雷和抗外界电磁干扰的能力，但是设备还是会因雷击遭受过压过流而损坏，甚至还会对操作维护人员构成人身威胁。究其原因，这是由于当发生雷电现象时，带电的云层会在卫星接收天线上产生感应电荷或雷电感应通过通信和电力线路侵入，如果天线和通信线缆与大地之间直流通路不畅，就会由于感应在天线和线缆与大地之间产生高电位而引起过电压，致使卫星接收设施无法承受强电流的侵入而损坏，甚至会危及操作人员的人身安全。

3节目传输系统的防雷措施

在广播发射台站中，节目传输系统是最容易遭受雷击而引发事故的部位。随着节目传输系统智能化、网络化的发展，将逐步实现向有人留守、无人值班的值班模式转变，为了节目传输系统的安全运行，单一的雷电防护体系已无法满足整个系统安全防护要求，必须从单一防护体系转为多级防护：包括防直击雷、防感应雷电、防地电位反击引起的瞬间过电压影响等多方面的防护，应根据接收机、传输线路、局域网、交直流电源等所有微电子设备的不同功能、不同受保护程度确定防护要点和保护等级。根据雷电引起瞬间过电压危害的可能侵入通道，从电源线到数据通信线路都应该做到多级保护。因此我们采取了“整体防御、综合治理、多重保护”的防范原则，力争将其产生的危害降到最低点。

通常来说，避免建筑物及设备遭受雷击的方式大致有四种，第一种是疏导：即将雷云中的电荷通过引线疏导至大地，避免直接雷击或感应雷击电流流经建筑物或通信设备，从而使建筑物或通信设备免受雷击。第二种是隔离：即将雷电所产生的过电压和被保护物隔离开来从而避免雷击。第三种是等位：即将铁塔地、天馈线地、设备工作地、建筑物的公共地等置于等电位上。第四种是中和：即释放出异性电荷和雷云中的电荷进行中和，从而阻止雷电的形成。

结合以上的四种避雷方法，电台节目传输系统主要采取了以下几种防雷措施。

3.1外部防护

节目传输系统机房外部防护主要采用了避雷针（避雷网、避雷线和避雷带）和接地装置（接地线、地极）来加以防护。

3.1.1防直击雷的方法

当雷云放电接近地面时，它使地面的电场发生畸变，在避雷针（避雷线）顶部形成局部电场强度畸变，以影响雷电先导入电的发展方向，引导雷电向避雷针（避雷线）放电，再通过接地引下线、接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物免受雷击，经过人们长期实践证明这事防直击雷最有效的方法。然而，被动放电式避雷针存在反应速度差、保护的范围小以及导通量小等不足。根据现代通信发展的要求，避雷针应选择提前放电主动式的防雷装置，并且应该从30°、45°、60°等不同角度考虑，以做到对各种雷击的防护，增大保护范围，增加导通量。建筑物的所有外露金属构件（管道）都应与防雷网（避雷线或避雷带）连接良好。

避雷针是一种保护建筑物和电力设备免遭直接雷击的装置。其作用是利用尖端放电，减少建筑物或仪器内蓄积的电荷，缓和云层与物体间的电势差，防止雷击的发生。其防雷作用是它能把闪电从保护物上方引向自己并安全地通过本身泄入大地，因此，其引雷性能和泄流性能是至关重要的。

避雷针由接闪器、接地引下线和接地体 3部分组成。接闪器通常采用直径为 15～20mm、长度为1～2m的圆钢或钢管，固定于支柱上端经接地引下线与接地体连接。

当雷云对地放电通道发展到临近地面时，由于避雷针尖端突出地面并有良好接地，在针尖附近的电场强度提高，聚积相反极性的电荷，引导放电。进而防止建筑物或仪器蓄积过多电荷而遭受雷击。一般来讲，雷电并不会直接击中避雷针，而避雷针本身如果被闪电击中也有着融化及爆炸的危险。 避雷针具有一定的保护作用。保护范围的计算方法是由运行经验和实验室模型试验结果确定的。工程设计中常用的方法是认为保护半径是避雷针高度的函数。据中国的规范规定，单支避雷针的保护范围是一个锥体。高度为h的避雷针， 其在地面上的保护半径r=1.5h；在被保护物高度hx的水平面上，其保护半径rx为

当hx≥h/2时 ， rx=（h-hx）P

当hx

当h≤30m时， P=1

当300m≤h≤120m时，

P==5.5/

安装避雷针或接地装置的要求

（1）避雷针应当装在高于卫星天线尖端数米，避雷针与天线之间应有一定的间隔，以防止由于避雷针的存在而损坏天线的接受效果。一般的做法是避雷针安装在卫星天线外线大约1.5米以外。（2）避雷地线的直流通路的电阻要求足够低，一般为4--8Ω，由于雷电浪涌电流较大，频谱较宽且持续时间短，因此要求必须有尽量小的电感量。（3）接地引入线长度应不大于30米，其材料应采用热镀锌扁钢或铜排，截面积应不小于40mm×4mm。地线不能用扁平编织线和绞合线，因为这两种线电感较大，不利于泄放雷击电流，且容易被腐蚀。要尽可能使用3毫米以上的实心导线，且最好是相同的金属材料。（4）为了增大地表层的过电压的泄放面积，可采用埋设有一定间隔的多根接地体，且相互焊接。如在建筑物的四周以1至2米的间隔埋上10根左右的铜管，并把它们焊接起来。（5）对一些雷电常发地区，可以考虑安装放射性避雷装置。放射性避雷装置可以说是目前世界最先进的防雷保护装置之一。放射性避雷装置的关键部分是放射源，它能连续自行发射α粒子，使周围空气电离产生大量电子。在雷电场的作用下这些电子不断加速，对空气产生连锁的多极电离或雪崩电离，形成与电场强度成正比的电子流，这时产生的由放射源指向雷云的电离通导会永不间断地中和及释放空间电荷，把已有的低电场消除掉，把可能形成的高电场降为低电场，从而有效地防止发生雷击，起到显著的消雷作用。这种放射性避雷装置的防护面积较大，其半径大约为260米左右，且安全可靠对人身无伤害。

3.1.2防感应雷击的方法

除在卫星天线附近安装避雷针或避雷装置的同时，还要注意消除感应雷击，其常用的方法是在天馈系统中安装电涌保护器（SPD）。

在天馈系统中安装电涌保护器（SPD）时应注意以下方面的问题： 一是SPD的接地端必须与地连接可靠，一般要求接地引线应从天馈线入口处外侧的接地线、避雷带或地网引接，且接地电阻不得大于5Ω，不然将会影响到防雷的效果。二是安装天线时，天线的支撑杆要与地网可靠连接，连接电阻等于零。另外，还要注意供电系统的防雷，常见做法是在变压器和配电房安装避雷装置。

3.2内部防护

首先是电源部分的防护，因为电源线是雷电侵入的主要通道之一。对于高压部分，供电部门有专用的高压避雷装置，而线对线的过压则无法控制。因此，对380V低压线路应进行过电压保护，按国家规范要求应分为3部分：建议在高压变压器后端到配电机房总配电盘的电缆内芯线两端对地加装避雷器，作为一级保护；在楼宇总配电盘至楼层配电箱间电缆内芯线两端对地加装避雷器，作为二级保护；在所有重要的、精密的设备以及UPS的前端对地加装避雷器，作为三级保护。目的是用分流（限流）技术将雷电过电压（脉冲）能量分流疏导至大地，从而达到保护的目的。分流（限流）技术中采用的防护器的质量、性能的好坏将直接影响防护的效果，因此应选择合格优良的避雷装置。

3.3接地处理

接地系统把雷电流引入大地，从而达到保护设备和人身安全的目的。一般建筑物的接地系统有建筑物地网、电源地（要求地阻<10Ω）、逻辑地（也称信号地）和防雷地等。通信设备要求交直流工作地、安全保护地、防雷地必须独立时，如果相互之间距离达不到规范的要求，则容易出现地电位反击事故。因此，各接地系统之间的距离达不到规范要求时，应尽可能使它们连接在一起，如实际情况不允许直接连接，可通过地电位连接，从而保证各类接地点的基准电位是惟一值。为保证系统正常工作，每年在雷雨季节前后或春、秋检修时应定期用精密地阻仪检测地阻值，以确保地阻值始终保持在规定的范围内。

4结语

总之，防雷接地对与节目传输系统设备来说是一个永恒的话题，接地系统效果好坏直接关系到卫星接收设备和人身的安全。只要坚持做到对雷电“整体防御、综合治理、多重保护”的防范原则，发现问题及早采取有效措施，就能杜绝事故的发生，避免为国家和人民造成不必要的损失。