中波台感应消雷技术应用实践

熊晨辉

抚州八三一台 江西抚州 344000

1 现场情况

中波台的发展历史较长,在新一轮的广电无线覆盖数字化基础改造中,中波台的基础配套得到进一步提升,改造提升后的中波台环境安全配套系统节点越来越多,节点系统设备集成度越来越高,不间断播出的监控质量手段和技术要求越来越严格。尽管中波台的工作环境大多为空旷平地,但每次雷击后,配套设备都有不同程度的损坏,需要及时修复,花费很大的人力和物力。对于年雷暴日多于40 d的中波台而言,雷击损坏累计的投入很大,会影响中波台维护经费的计划支出。由此可见,中波台需要有更可靠、更有效的雷击自然灾害应对措施。

江西抚州中波台为中波和调频发射混合台,位于低海拔的抚州郊区,周围无其它高层建筑覆盖。中波台机房西侧有高90 m的调频发射铁塔T1,机房东侧有高30 m的中波小天线铁塔T2。中波台系统如图1所示。

图1 中波台系统

抚州雷暴日多于50 d,因此中波台属于雷击损坏严重的中波台,已经采用传统防雷技术进行多次改造,但没有从根本上解决雷击损坏问题。防雷工作非常重要,在本轮中波台基础改造中,针对特殊情况,重视对防雷技术选型的问题,进行多次研讨。实践证明,在中波台,雷击最容易损坏环境监控弱电子信息系统,只要中波台解决了环境监控的雷害问题,其它机房系统设备一定可以在安全保障范围内。结合抚州麻姑山708高山发射台感应消雷技术的应用效果,最终选定能够对症解决中波台雷害的感应消雷技术进行改造。通过雷雨季节的实际使用,验证了选用技术的保护效果。

2 中波台弱电子信息系统雷击损坏分析

传统防雷理论认为,弱电子信息系统雷击损坏的原因是感应雷击。做好接地工程,检测电阻符合要求,可以预防感应雷击。还可以通过线缆屏蔽和安装监控端口浪涌保护器加以保护。

在中波台的监控系统工程中,基本采用上述防雷措施。但在雷击严重场合,有些部位的监控系统设备遭到雷击必然损坏。一般中波台将监控系统设备作为雷击易损品处理,采用多库存更换。

从技术层面来说,重复出现的损坏事故,属于技术方法不当,必须从技术层面找出原因,对症解决。

对于中波台监控系统而言,如果隔空传输的感应雷击能够引起设备损坏,那么监控系统的雷击损坏很难做到可靠保护。根据防雷技术交流学习,笔者认识到传统防雷机理可能有误,监控系统雷击的损坏原因也许不是感应雷击,而是直接雷击地闪电流引起的地电势叠加损坏。

雷电流是超高压有害电流,引流泄放的防雷方法是花最大成本将雷电流的能量消耗在接地系统后,即在雷电流途径的后端,在接地系统中产生超高压地电势。这个超高压地电势具有正、负极性,具体和雷云电荷的极性相同。在某一时刻,机房电气系统设备三相电源相线、中性线的端口电位也具有瞬间正、负极性,电势和电位都是标量,具有正、负叠加的物理特性。

在直接雷击发生的瞬间,雷击地电势和三相电源通过接地系统产生叠加反击,叠加的结果是三相电源一相升高、一相降低,从而引起相关的电气系统设备损坏。这一地电势叠加损坏具有随机概率。

监控系统设备都是低压小功率开关电源设备。在工程实施时,采用的开关电源功率冗余不足,单遇电源电压偏高时,开关电源就会发生过压击穿损坏。单遇电源电压偏低时,开关电源就会发生欠压过流损坏。在实际工作中,电源电压偏低更容易导致监控系统设备损坏。

具体而言,监控系统供电电源电压偏低有两种情况。第一,中波台内直接雷击地电势叠加反击,引起某相电压瞬间偏低。第二,中波台外供电线路引起某相电压偏低。

具体针对上述两种情况采用综合保护,才能保证监控系统的雷击安全。

3 中波台内电源地电势叠加反击应对

雷电是有害电,高电压是危险的,低电压才是安全的。针对有害雷击高电压,在技术上唯一可靠的保护措施是采用在前端,即铁塔顶端消耗的方式,用小电流、高电势方法主动消耗雷电的有害能量,从而消除接地系统雷击地电势的叠加隐患。

中波台感应消雷针安装如图2所示。

图2 中波台感应消雷针安装

在铁塔T1处安装相应型号的感应消雷针Z1。因中波台采用小天线铁塔T2,塔顶结构比较单薄,因此采用在周边安装感应消雷副针的方法。在铁塔T2周边较高的建筑上安装感应消雷副针Z2、Z3,主动感应消耗中波台上方空间雷云电场的有害能量,消除中波台的雷击地电势叠加隐患,保证中波台内电源电压稳定。

4 中波台外电源地电势叠加反击应对

中波台机房电源系统采用交流配电模式。一般为保护电源系统的安全性,会在配电前端配置大功率交流隔离变压器和交流稳压电源,这些装置在供电线路瞬间雷击电压偏低的情况下,无法跟随提升,使监控电源发生欠压过流损坏。要保证监控的安全性,必须确保监控电源稳定。在一些台站,为减小监控系统雷击损坏的影响范围,监控电源一般取自主机房外围,而这些外围电源雷击瞬间变化的幅度很大,因此监控系统很容易损坏。

作为应对,中波台采用感应消雷技术,监控电源直接在主机房系统不间断电源后端取电,由此完全消除外界电网雷击引起的电源电压变化意外损坏监控系统的情况,从而确保中波台弱电子信息系统的安全性。

5 中波台防雷工程实施前置评估

5.1 防雷安全性评估要素

雷电是有害电,可以借助安全用电的基本常识,确定防雷安全性评估的基本要求。

雷击产生过程中,有害的超高电压会在接地系统中产生高压地电势。这个地电势具有正、负极性,通过铁塔到地的幅度越强,危害隐患越大。

雷击在铁塔上产生的有害高压电势不会突变,只有通过阻性元件的消耗才会变小。

评估的基本方法是从防雷措施降低雷电流幅度或消除雷电流入手进行评定。在此,可以简单评定一下传统富兰克林避雷针引雷泄放防雷措施存在的技术问题。引雷泄放措施要求引下线和接地系统电阻越小越好。雷电流不是工作电流,接地系统电阻小,损耗就小,有害电危害程度就高。雷电流途径是串联途径,接地系统电阻小,表示雷电能量消耗小,其余能量全部消耗在途径后的大地部分,这个高电势会叠加到途径前,可见引雷泄放也许不是减小地电势的正面措施。

5.2 使用期成本评估要素

使用期成本一般包括使用成本和维护成本。使用成本有电费等,维护成本有接地检测成本、接地电阻值保持投入的成本等。

感应消雷针为无源器件,使用期没有电费成本,保护可靠性和接地电阻值无关,因此也没有地线维护和接地电阻检测成本。