基于物联网智能防雷监测系统对广电发射台改造的探讨

摘  要：随着我国广播电视发射设备的日趋数字化和智能化，雷电对发射设备的危害和破坏力也进一步增大。本文将从探讨雷电危害机理、广播电视发射台现有的防雷措施、存在的防雷管理问题，以及通过采用基于物联网智能防雷监测技术，对现有的广播发射台防雷系统进行改造升级，进一步促进广播电视发射台防雷技术的升级。

关键词：发射台防雷;物联网智能防雷监测;直击雷监测;感应雷监测;智能SPD监测;接地电阻监测;建筑物防雷;低压电源防雷智能监测                               中图分类号：TM862                               文献标识码：A

文章编号：1671-0134（2020）05-120-06                                     DOI：10.19483/j.cnki.11-4653/n.2020.05.034

本文著录格式：黄俞成 .基于物联网智能防雷监测系统对广电发射台改造的探讨[J].中国传媒科技，2020（5）：120-125.

导语

湖州金盖山广播电视发射台位于湖州城南 7 公里处金盖山上，经度 30o48′13.44″，纬度120o06′4.54″，金盖山主峰海拔为 297 米，广播电视发射台有两座 45 米和 25 米高的发射塔。金盖山发射台由两座发射铁塔、发射中心大楼，配电房、食堂和生活区组成，铁塔南面为值机人员生活区，西面为发射机房，发射塔与机房之间的距离为 50 米，背面、东面均为山崖。

随着广播电视数字化、网络化、信息化的迅速发展，广播电视传输、发射的设备日益增多，信号传输暴露在室外的线路越来越长，遭受雷击的概率显著增大。加上现代电子设备中芯片的工作电压越来越低，元器件布局的线间距离越来越小，使得设备抗雷击能力越来越弱。由于金盖山广播电视发射台地处湖州雷带区，地形特殊，对于设在山顶上的发射台遭受雷击的概率非常大，更容易遭受雷击。

雷电对广播、电视发射设施传输系统危害极大，防雷与接地系统是否安全可靠关系到广播、电视节目的安全播出及接收。广电网络庞大，有源器件多，遭雷击的机会就多，每年因遭雷击给广电网络造成的经济损失是无法估计的。因此，如何有效保证金盖山广播电视发射台的防雷管理水平，减少雷电危害对发射台广播、电视节目的安全播出和接收成为安全管理工作的重中之重。本文就湖州金盖山广播电视发射台容易受到雷击的原因，以传统防雷技术为基础，采用基于物联网智能防雷监测系统技术，以先进的防雷监测设备和管理平台，实现广播电视发射台防雷系统的智能化监测，保证防雷系统的安全可靠和智能化，提高发射台的防雷管理水平进行探讨。

1.雷电对广播电视发射台的危害形式

一般来说，雷电大致可分为直击雷与感应雷，其中直击雷危害极大，任何通信设备直接遭受直击雷都会损坏;感应雷是雷电放电时在附近导体上产生静电感应和电磁感应。

雷电入侵危害发射台的形式一般有以下几种：

1.1直击雷

直击雷指带电云层与地面目标（地面凸出物如建筑物顶部、铁塔、天线等）之间的迅猛放电，其峰值电压可达几百千伏以上，峰值电流则达 100kA 以上，产生的电效应、热效应和机械力的破坏性很强，主要危害发射台机房等建筑物、铁塔及其安装的天线和机房内设备。

当受到直接雷击后，强大的雷击电流沿着接地引下线，经接地体入地后地電位会瞬间升高产生高电位，引起地电位反击，损坏设备或造成人员伤亡。

1.2感应雷

感应雷是雷电放电时在附近导体上产生静电感应和电磁感应，它能使金属部件之间产生火花，雷电感应可以来自对地雷击，也可以来自云间放电。

静电感应是由于雷云先导的作用，使附近导体上感应出与先导通道符号相反的电荷，雷云主放电时，先导通道中的电荷迅速中和，在导体上的感应电荷得到释放，如不就近泄入地中就会产生很高的电位。

电磁感应是由于电流迅速变化在其周围空间产生瞬变的强电磁场，使附近的导体产生很高的电动势。

感应雷对地雷击由于距雷击点较近，产生的感应浪涌电压较大，作用半径也大，一般500 米范围的电子信息设备均是其破坏对象;云中放电的感应浪涌电压虽然较小，但发生概率较高。感应雷的电磁能量若不及时泄放入地，就会放电造成火花，危害供配电系统或干扰、破坏发射机房内的设备，甚至引发火灾。

1.3雷电波侵入

当输电线、通信电缆等架空导线或金属管道遭受直击雷或产生感应雷时，雷电的高电位以波的形式沿着这些管线侵入机房内，对设备造成损害或使机房内的金属物品放电，进而可能危及人身安全。

经雷电电磁脉冲防护理论和实践经验证明，电子信息设备损坏的主要原因是雷电感应浪涌电压造成的，它可以通过各种引线把感应的浪涌高电压波引入电子信息设备内部，破坏其芯片或接口。

2.广播电视发射台现有防雷措施

湖州金盖山广播电视发射台现有的雷电防护措施如下：

（1）在两座铁塔最高端安装有防直击雷避雷针，并通过接地引下线引至接地装置，将雷电流泻放入地。

直击雷监测主要由柔性罗氏线圈传感器和智能雷电流监测模块组成，最多可监测四路直击雷电流，监测模块将传感器采集到的雷电流信息上传到智能云平台管理系统。

当接闪器/线路一旦发生雷击侵入时，通过柔性罗氏线圈传感器采集发生的雷电流。智能雷电流监测模块能准确采集到雷击能量、强度、雷击次数、雷击的极性、雷击时间，并上传到智能云平台管理系统，实现所有监测信息的远程管理。

雷电流监测模块可在第一时间将雷击数据上传至监控中心，监控中心运维人员接到雷击事故信息后可迅速采取相应措施，保证设施的安全稳定运行。

柔性罗氏线圈可用于避雷针（塔）、地线雷电流波形或峰值采集，线圈的采集雷电流范围：0.5～100KA，线圈的采集精度：±5%，线圈的频率范围：20Hz—10MHz。可根据不同的安装直径要求定制不同规格大小的线圈。

3.5.3感应雷监测

感应雷监测主要由柔性或刚性罗氏线圈传感器和智能雷电流监测模块组成，最多可监测四路感应雷电流峰值，监测模块将传感器采集到的雷电流信息上传到智能云平台管理系统。

感应雷电流峰值采集记录与直击雷在线监测工作原理相同，在基于直击雷在线监测的基础上，采集监测可使用柔性罗氏线圈，也可使用刚性罗氏线圈。将柔性或刚性线圈安装在浪涌入地汇集点，即可轻松地实现电涌峰值采集记录。

智能防雷箱简介：

电源一体化数据采集智能防雷箱（简称智能防雷箱）集防雷和在线监测与一体，通过连接柔性或刚性罗氏线圈可在线监测感应雷电流的峰值大小、发生时间、发生次数和外部 SPD 状态检测，也是感应雷监测的一种，专为广播电视发射机房防雷工程、网络通信机房防雷工程、天然气阀站防雷工程、铁路交通防雷工程、建筑电气防雷工程以及工业自动化防雷工程等低压配电系统现场的雷电流参数在线监控而设计。其技术业界领先、性能稳定、安全可靠，为用户提供近端人机界面监控，具备运行状态和历史信息的近端查询功能。遵循 RS485 协议通讯，通过监测模块将传感器采集到的雷电流信息上传到智能云平台管理系统。

智能防雷箱雷击浪涌防护能力：Imax 100kA，电压保护水平：Up 1.2kV，感应雷电流峰值采集范围：0.5～100KA。

3.5.4智能 SPD 监测

智能 SPD 监测主要由传感器模块和监测模块组成，可监测 SPD 的运行电压、交流漏电流、外壳温度、环境温度、空开状态、劣化状态等。根据不同现场应用，可对运行电压和交流漏电流进行告警阈值设置。传感器模块通过 RS485 接口连接至监测模块，监测模块将传感器模块采集到的 SPD 状态信息上传到智能云平台管理系统。

3.5.5发射塔、建筑物和机房接地电阻监测

3.5.5.1接地电阻监测现状

接地系统由垂直接地体和水平接地体通过线型、网状型、扇型等结构组成。在土壤电阻率高的地方配合以降阻剂、专用接地体、深井施工等方式降低接地电阻。一般在接地工程施工完成后，通过人工使用专用接地电阻测试仪进行现场接地电阻测试。工程竣工验收完成后，根据不同的场所，以后每半年或一年按国家相关规定，由工程所在地防雷设施检测所进行人工检测。检测之前，中间很长一段时间接地电阻的状况都不清楚，在这个时间段，存在接地出现故障而不能及时了解的隐患，尤其是在易燃易爆的危化场所可能会产生严重的后果。

3.5.5.2接地电阻监测的目的

通过对具体建筑物、铁塔、设备、场地等接地电阻数据进行监测和分析，可以做到：

（1）实时了解建筑物或设备的接地状况;

（2）通过对接地电阻的长期监测，了解接地体是否存在腐蚀情况，接地线是否连接可靠;

（3）及时消除重要设施、易燃易爆危化场所等因接地不良而造成的隐患。

3.5.5.3智能接地电阻监测

智能接地电阻监测主要由接地测试棒和监测模块组成，采用三点接地法对建筑物、机房、杆塔、设备装置等的接地电阻进行监测，提供接地电阻数据，监测模块将采集到的接地电阻数据信息上传到智能云平台管理系统。利用互联网云平台远程进行监测和分析，便于实时查阅接地状况，及时排除因接地不良引起的故障，避免事故的发生。

單个监测模块可同时监测 3 处接地电阻，接地电阻监测范围：0～300Ω，精度：±2%， 显示 300Ω则表示接地断路，需现场检查接地体连接状态。接地测试棒 C 端（电流端）和 P 端（电压端）与待测接地点间应各相距 5～10 米。

3.5.6智能云平台管理系统

3.5.6.1智能云平台管理系统简介

智能云平台是一款基于WEB架构的工业级云平台，用户可以使用它来创建任何规模的数据监控与分析系统。创建好的工程项目可以直接供网络上的PC、智能手机、平板电脑等多种设备访问，服务器无需IIS等WEB服务器，客户端无任何基础安装，仅需要一个浏览器即可。智能云平台为那些需要在多种平台上应用数据监控以及数据分析的项目提供了理想的解决方案，

3.5.6.2智能云平台管理系统的特点

（1）基于公有云/私有云的部署策略：基于Web架构;无需任何安装和部署，无需中心服务器，仅仅需要网页浏览器或者移动终端。

（2）跨平台项目访问：跨操作系统平台项目访问，无限制点数、客户端数、设备数、连接数。

（3）安全性与稳定性：现代化的安全与数据存储机制实时保护您的数据。

（4）实时控制与监测：随时随地获取您所需的数据与信息，利用云平台的实时控制和分析功能，用户可以轻松快速地分析和显示设备的状态以及及时查看数据分析结果。

（4）功能强大易于扩展：指挥调度;预案管理;远程维保;在线升级。

（5）与传统组态比较：无需本地软件;支持移动端;变化灵活。

（6）为客户提供私有云的部署服务：客户需要申请独立的网址;客户服务器需要固定的IP地址;提供一整套的工业物联网私有云解决方案。

4.湖州金盖山广播电视发射台物联网智能防雷监测实施方案

本实施方案结合湖州金盖山广播电视发射台容易受到雷击的原因，旨在以传统防雷技术为基础，采用基于物聯网智能防雷监测系统技术，先进的防雷监测设备和管理平台，实现广播电视发射台防雷系统的智能化监测，保证防雷系统的安全可靠和智能化，提高发射台的防雷管理水平。

4.1智能雷电预警实施方案

智能雷电预警设备安装方案、现场和参数图。

智能雷电预警如果只安装单台电场探测传感器装置，所感应采集的电场数据不能有效覆盖整个金盖山广播电视发射台，采集的数据没有比对性，探测精度也不高，容易增大误报的机率。为了减小误报率，提高电场的探测精度，本实施方案采用安装两台电场探测传感器装置。由于智能雷电预警电场探测传感器需要比较空旷的周边环境，因此，选择在发射台中心机房的房顶上和发射台配电机房的房顶上各安装一台电场探测传感器装置和智能监测模块安装防护箱。现场安装如图 4.1-1 和 4.1-2，云平台实时参数界面如图 4.1-3。

4.2直击雷监测实施方案

直击雷监测设备安装方案、现场和参数图。

发射中心最高的发射塔最容易接闪，如果在发射塔的塔基上只安装一路柔性罗氏线圈传感装置，所采集的雷电流数据没有比对性，监测精度也不高。为了提高雷电流的监测精度， 本实施方案采用四路柔性罗氏线圈传感装置，分别安装在发射塔的四个塔基上，智能监测模块安装在防护箱内。现场安装如图 4.2-1，云平台实时参数界面如图 4.2-2。

4.3感应雷监测实施方案

感应雷监测设备安装方案、现场和参数图。

在中心机房四个配电柜的电源供电系统安装电源一体化数据采集智能防雷箱（简称智能防雷箱），该智能防雷箱集防雷和感应雷在线监测于一体，通过连接柔性或刚性罗氏线圈可在线监测电源线路上感应雷电流的峰值大小、发生时间、发生次数和外部 SPD 状态检测， 保护发射台系统的设备安全。现场安装如图 4.3-1-4，云平台实时参数界面如图 4.3-5。

4.4智能SPD监测实施方案

智能SPD监测设备安装方案、现场和参数图。

在发射中心配电房主进线配电柜安装一级SPD和智SPD监测模块，可监测SPD的运行电压、交流漏电流、外壳温度、环境温度、空开状态、劣化状态等。监测模块将传感器模块采集到的 SPD 状态信息上传到智能云平台管理系统。现场安装如图 4.4-1，云平台实时参数界面如图 4.4-2。

4.5发射塔、建筑物和机房接地电阻监测实施方案

发射塔、建筑物和机房接地电阻监测设备安装方案、现场和参数图。

为了全面监测发射中心的接地状态，分别在发射中心的发射塔底、中心机房、配电房安装三套接地电阻监测设备，并将采集到的数据信息上传到智能云平台管理系统。监测模块安装在防护箱内。现场安装如图 4.5-1-3，云平台实时参数界面如图 4.5-4-6。

结语

本文通过对基于物联网智能防雷监测技术的探讨，提出广播电视发射台防雷系统进行改造升级的设计思路，在现有防雷措施的基础上对智能防雷监测技术进行了设计说明，从雷电预警到接地电阻监测，进行了较全面的智能防雷监测工程设计。通过对项目改造升级的建设实施，建立了统一的在线监测系统平台，实现了雷电预警、直击雷监测、感应雷监测、SPD 监测、接地电阻监测等实时监测功能。有效保障了人民生命财产安全和广播电视发射系统、数据交换等弱电设备的正常投入使用，降低了雷击等风险的概率，也为新建台站提供了相关的智能防雷监测设计参考。

参考文献

[1]GB 50057-2010建筑物防雷设计规范[S].北京：中国计划出版社，2011：2-6;80-82.

[2]GB 50343-2012建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012：89-93.

[3]GB 50689-2011通信局（站）防雷与接地工程设计规范[S].北京：中国计划出版社，2012：11-21.

[4]GB 50174-2017数据中心设计规范[S].北京：中国计划出版社，2017：27-33.

[5]虞昊.现代防雷技术基础[M]北京：清华大学出版社，2005：160-171;197-206.

作者简介：黄俞成（1964-），男，浙江湖州人，高级工程师，研究方向：广播电视技术设备。