避雷与接地技术在广播电视中的应用

宋森林

【摘要】在广播电视技术发展中，一些设备、技术系统承受雷电能力较弱，需加强避雷和接地技术的应用和创新。本文分析了广播电视雷电打击问题，简要叙述了雷电侵入方式和雷电危害机理，并提出了广播电视避雷接地技术方法。旨在强化广播电视系统防雷性能，减轻雷电自然现象给系统电子设备造成的影响，保证系统安全平稳运行。

【关键词】广播电视；避雷与接地技术；应用策略

中图分类号：TN92                            文献标识码：A                            DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2024.06.008

发射台位置具有特殊性，且信号发射塔位置较高，缺少遮挡，在雷电天气容易遭受雷击影响，造成电子设备烧毁、系统瘫痪、无线广播电视信号中断传输的严重后果，不利于廣播电视节目安全播出。为此，本文围绕广播电视雷电打击进行了分析研究，通过合理利用避雷接地技术，可以切实降低广播电视系统故障率，提高广播电视节目安全播出能力。

1. 广播电视雷电打击问题概述

1.1 雷电侵入方式

雷电侵入常表现为配电线路直接侵入、信号线侵入、发射塔与避雷针侵入三种侵入打击方式，不同的侵入方式雷电流通路径与危害程度存在明显差异。第一，配电线路直接侵入。广播电视项目从外部电网取电，户外高空架设输电线路，或是在地层内敷设输电线路。出现雷电自然气象后，架空输电线路和缺乏屏蔽保护机制的暗敷输电线路容易遭受直击雷和感应雷打击，雷电波通过输电线路向两端传输，在暂态过电压作用下，致使线路沿途电气设备受损，还可能损坏广播电视系统低压电子器件。第二，信号线侵入。为实现信号传输功能与信号发射功能，通过信号线缆来连接发射塔与控制室，信号线缆可能遭受感应雷侵入，外部空间电磁场在线缆处形成感应过电压，过电压经过线缆传入控制室与发射站内部，致使低压电子设备烧毁，严重时还会引发发射系统爆炸[1]。第三，发射塔与避雷针侵入。在发射塔、反射塔顶端部署避雷装置的情况下，如果雷电直接击中避雷针，雷电流经过引下线流入接地网，理论层面上可以把雷电流顺利泄入大地，不会危害到广播电视系统。但根据实际情况来看，由于接地网存在接地电阻，在寄生电感影响下，面临地网电位分布不均情况，局部电位有所提升，在土壤电阻率超标时，无法顺利散流入地雷电流，进而给二次设备地电位造成干扰、反击等影响，最终侵入站内低压设备。

1.2 雷电危害机理

雷电作为一类常见的自然现象，由带电荷雷云所形成，雷云间、雷云和地面物体出现强烈放电现象。雷云间放电被称为云闪现象，基本不会对地面建筑物与人员安全造成明显的影响，但会在电磁感应作用下，在输定线路及网络中形成感应雷过电压。雷云对地放电被称为地闪现象，放电期间在短时间内从雷电流中释放巨大能量，给沿途电气设备、电子器件造成严重损毁。从广播电视项目角度来看，虽然地闪现象出现概率较低，但危害程度远超云闪现象。

2. 避雷与接地技术在广播电视项目中的应用方法

2.1 电源系统避雷接地

针对广播电视电源系统，考虑到架空线路、低压侧电缆是雷电主要侵入方式，且线路沿途部署的变压器在雷电打击期间的受损程度较为严重，将架空线路、低压侧电缆、变压器作为主要的避雷改造对象，制定专项技术方案，具体如下。

第一，架空线路避雷接地改造。在架空线路临近电源接入点、变压器进线段杆塔处部署可调式过电压保护间隙，架空线路遭受雷电侵入时，保护间隙先于绝缘装置放电，避免后端绝缘装置在过高电压下烧毁，以此解决原有架空线路绝缘不配合问题。过电压保护间隙和线路绝缘装置并联安装，合理设置保护间隙冲击放电电压动作值，还可以部署多级保护间隙，逐级泄放、削弱雷电过电压，避免大幅值雷电波传播到配电变压器位置。此外，如果架空线路上早期配置线路避雷针，必须去除避雷针，切除尖端齐横档位置，保留接地引下线作为保护间隙接地引下线，避免避雷针成为架空线路引导雷电的途径[2]。

第二，低压侧电缆避雷接地改造。以低压电缆和变压器低压侧连接位置、低压电缆和发射站配电柜接入点作为避雷位置，在低压侧电缆两端分别部署低压避雷器，避免所形成的感应雷过电压在无限制情况下直接侵入变压器与发射机房。随后，向低压电缆提供屏蔽保护，可采取串接钢管方式，在埋地暗敷低压电缆沿途串入多根钢管，经过接地体把钢管两端接入变压室或发射站周边接地网内。

第三，变压器避雷接地改造。更换防雷性能更加显著的特种变压器，如配备双曲折防雷变压器，此类变压器采取绕组相互交叉接线方式，具有消除各相电压电流不平衡度、改善匝间过电压情况、降低中性点过电压、阻止正变换与逆变换过电压传递、降低高低压绕组电磁耦合形成过电压的优势，侵入雷电流时基本不会出现变压器烧毁问题。同时，特种变压器必须采取四点共地接地方式，以高压侧与低压侧避雷器接地引下线、金属外壳、低压侧中性点作为接地点位[3]。随后，改进接地网形式，铺设环形接地网，一般情况下，把接地网半径设定为5m，选用镀锌扁钢作为接地材料，额外设置多根放射形水平接地极，每隔一段距离打入角钢作为垂直接地极，接地网整体埋深设定在1.0m左右，利用环形接地网来发挥雷电流散流、均压功效。

2.2 低压设备避雷

早期建成的广播电视项目普遍存在低压设备杂乱接线、信号馈线与控制线路等重要线缆缺乏屏蔽保护功能、站内接地等电位连接有误等问题，实际防雷效果不理想。因此，在避雷接地改造期间，以整理发射站内线路布置、完善等电位连接作为改造重点，技术措施如下。

第一，整理发射站内线路布置。收集项目资料信息，前往现场实地检查发射站内部接线状况。整理低压设备接线，防止出现线路交错布置问题，配备配电装置向站内低压设备稳定供电，整理后的低压设备接线状况要整洁有序。

第二，完善等电位连接。等电位连接是低压设备与外部金属等导电部位加以电气连接，保持二者电位相等状态，确保侵入雷电波时可以顺利流入地网，中途不会出现地位分布不均、二次设备线路形成感应电动势的问题。为保持等电位一致状态，要将站内电源系统进线配电箱母排、金属结构、接地极内引出接地线进行汇集处理，共同接入进线箱接地母排当中。随后，相互连接发射站周边主地网和机房内部等电位连接铜排，采取等电位多点连接方式，确保不会出现接地点间距超标、形成明显的电位差的问题。最后，在控制室各层室外部署接地环母，经过接地引下线来连接周边主地网[4]。此外，对于小型广播电视项目，考虑到控制室面积有限，可以采取S型等电位连接方式，通过接地基准点接入接地环母，并在连接位置部署电涌保护器来控制过电压，要求站内低压设备、金属装置具备良好绝缘性能。还可以在电气设备外壳、电缆屏蔽层上串加钢管，钢管两端和等电位接地环母进行就近连接。

2.3 加装浪涌保护器

浪涌保护器简称为SPD装置，作为一款防雷保护装置，在广播电视系统中，主要用于实现过电压保护功能，或是将其作为一类避雷器，雷电侵入系统期间，依托浪涌保护器把电力线与信号线内窜入的顺势过电压控制在可承受范围内，避免设备与系统遭受剧烈冲击。一般情况下，在电力线缆和发射站机房电源接入位置部署避雷器，在变压器低压侧部署避雷器，以机房内部低压设备配电柜作为浪涌保护器部署位置，并在各类控制线缆、信号线缆接入设备输入端部位部署浪涌保护器。在广播电视系统运行期间，部署的防雷器、浪涌保护器等装置构成多道防雷保护防线，主要形成三级防雷保护体系或四级防雷保护体系，雷电流连续经过多次泄放、削弱后，基本不会对站内电力设备与配套线路造成实质性的影响。

2.4 优化发射系统主地网

早期建成广播电视项目，发射塔部分的防雷效果不理想，主要存在发射塔接入高频馈线缺乏防雷保护和屏蔽措施、发射塔接地电阻超标、塔下局部接地体裸露在外等问题。因此，在避雷接地改造期间，必须重点优化发射系统主地网结构。在广播电视项目中，发射站存在诸多可利用的接地网，必须明确各类接地网的使用用途，选用接地扁钢材料，将各处接地网外围和相邻位置进行多点连接处理，使其形成完整的接地网体系，通过并联接地网来实现屏蔽保护目标。一般情况下，主地网由电信接地网、附近废弃接地网、控制室接地网、原有变压器地网以及发射塔接地网组成，电信接地网以提供电信低压设备接地为用途，附近废弃接地网以向原有发射塔提供接地为用途，控制室接地网以发射站主接地网为用途，原有变压器地网以向原有变压器提供接地为用途，发射塔接地网则以向发射塔避雷装置提供接地为用途。最后，全部接地网经过并联处理后，检查总接地电阻值是否满足标准要求，例如，将低压设备接地电阻值控制在4Ω以内[5]。

2.5 机房接地

在广播电视系统机房接地改造环节，可以采取直流工作接地、交流工作接地、屏蔽接地、过压保护接地、安全保护接地等多种接地方式，这需根据项目情况进行选择。

（1）直流工作接地。也被称为信号接地技术，适用于信号幅度有限、地电位差十分强烈、外界磁场严重干扰的广播电视项目，具体采取汇集法、网格法或是串接法进行接地处理，通过消除电位差来降低外界磁场给机房内部设备造成的负面影响，这有利于维持发射台电路的电位稳定状态。

（2）交流工作接地。考虑到发射台内部设备普遍以交流电作为能源，发射台工作期间如果出现设备短路、漏电故障，都会给系统运行工况造成影响，还可能出现人员触电等安全事故。为此，要采取交流工作接地技术，具体采取中性点接地方式或是中性线重复接地方式，把变压器各级电压导入接地，此项技术多用于机房内部结构复杂、电力设备种类繁多与台数众多的广播电视项目。

（3）屏蔽接地。机房内部设备运行期间会形成电磁干扰，削弱了机房整体防雷性能，还会干扰系统运行工况。因此，必须对机房进行屏蔽接地处理，对屏蔽体和大地进行电气接地处理，或是对屏蔽体与干扰源的金属外壳等导电部位进行电气接地处理，以此来解决电磁干扰问题。同时，多数广播电视项目采取屏蔽接地与防静电接地技术结合的方式，以导电物体等存在静电问题的电子设备作为接地对象，设置、连接防静电接地线，使发射机房与大地形成闭合回路，持续将电子设备、电缆线路形成的静电电流泄入大地[6]。

（4）过压保护接地。本质上属于一项防雷接地技术，适用于发射台与机房内部设备可能遭受直击雷与感应雷侵入的广播电视项目，雷电流侵入期间，以接地线为泄流途径，引导雷击形成的过压电流顺利泄入大地，不会给广播系统造成实质性影响。在过压保护接地期间，提前将广播机房内部不带电的金属门、避雷器、金属线等部位进行连接，部署浪涌保护器，通过SPD装置把雷电流泄入大地。同时，重点掌握机房电位情况，必须保持线路电位均衡状态，禁止电位相互影响。

（5）安全保护接地。以防止设备金属外壳带电荷作为接地目标，避免因电气绝缘损坏失效而引发设备电路故障等连锁问题发生。安全保护接地系统由接零、接地两部分组成，接零是在三相四线供电体制内利用中性线进行接地处理，经由接地母线来连接零线与设备金属外壳，可以消除电磁辐射干扰；接地是把室外金属壳以及架空输电线路作为接地对象，地下埋设电力设备电线等线路，以此取得防护效果。

2.6 天线避雷

在广播电视系统，由于天线部分长期处于室外露天环境，雷击概率远超系统其他组成部分，雷电流经过天线侵入发射台站，致使整体系统都处在危险状态。对此，必须对天线部分进行避雷改造，在大范围地网位置部署接地点，对接地体进行埋地处理，天线顶部设置避雷针，要求避雷针高度略超过天线顶端高度。采取尖端放电技术，以减轻直击雷危害程度为应用目标，在天线地段安装放电器，以半球状作为放电器形状，金属材质作为放电器残值。结合项目情况来计算最佳安装位置与间隔距离，分散部署多台放电器，放电器两端分别连接天线底部和塔基边缘接地体，也可选择在接地体处部署放电器，连接馈线接地铜带与天线。后续在广播电视系统运行期间，如果出现地闪现象，放电器瞬间释放雷电流内多数电荷，剩余少量电荷未超出天线和相连设备线路的极限承受能力，基本不会出现设备烧毁、信号收发中断问题。

2.7 防雷仿真实验

在广播电视系统，避雷接地改造是一项专业性活动，如果技术形式选择有误，或是出现其他技术问题，都会削弱实际防雷性能，形成雷击安全隐患。因此，在系统避雷接地改造结束后，必须开展仿真实验，根据实验结果来判断改造效果是否达到预期要求。例如，使用ATP软件开展仿真实验，模拟1.2/50μs标准雷电波侵入广播电视系统，分析避雷接地改造前后的最大过电压幅值变化情况，判断各项避雷接地技术是否向发射站低压设备、天线等系统组成部分提供有效防雷保护，必要时改进防雷技术、配备更高规格防雷保护装置。

3. 结束語

为改善广播电视系统运行条件，防止雷电侵入给系统运行造成的影响，高效完成无线广播电视节目安全播出任务。本文分析了雷电侵入方式和危害，并对电源系统避雷接地、低压设备避雷、浪涌保护、优化发射系统主地网等多项技术手段进行了阐述，技术人员需结合项目情况科学制定避雷接地改造方案，提高广播电视节目安全播出水平。

参考文献：

[1]杨文旭.广播电视发射机房的接地与避雷[J].数字传媒研究，2021，38（09）：68-70，73.

[2]雷丰瑞.某广播电视发射站防雷技术研究[D].长沙：长沙理工大学，2012.

[3]吴霄.广播电视避雷与接地技术应用探析[J].数字传媒研究，2021，38（12）：56-59.

[4]沈晓，宾正恒，黄贵德等.避雷与接地技术在广播电视中的应用[J].广播电视网络，2021，28（06）：77-78.

[5]梁玉文.广播电视工程中接地技术的应用[J].电视技术，2022，46（08）：81-83.

[6]蒋志祥.广播电视发射台防雷接地系统改造[J].电视技术，2023，47（04）：101-103.