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高山廣播電視發射臺防雷電技術的實踐

文章來源:五年飛飏之創新之源(上) 發布于:2012-09-13 閱讀:7870次

  千百年來,雷電所造成的破壞可渭不計其數。隨著現代電子技術的發展和廣泛應用,雷電災害還呈現受災面擴大,容易侵入高新技術領域的新特點。在廣播電視發射領域,近幾年來大規模的固態化改造和新技術設備的應用,使高山廣播電視發射臺設備的抗雷擊、抗浪涌能力相對減弱,雷電造成設備損壞的現象時有發生。如何有效防范雷擊,保護高山廣播電視發射臺的設備安全,確保廣播電視節目的安全播出,已成為廣播電視系統技術人員面臨的重要課題。
  本文結合臺州楓山電視發射臺防雷技術的實踐,就高山廣播電視發射臺的防雷電技術作一淺析。
  一、雷電防護概述
  人類防雷的歷史是從建筑物的防雷開始的,隨著時代的變遷,逐步又有了供電系統的防雷,電氣和電子設備的防雷,現在已進入到現代微電子設備防雷的階段。防雷技術手段和產品也在不斷的發展,從傳統的避雷針引雷攔截技術,到消散削減、屏蔽隔離、抑制分流、疏導均衡等電位、優化接地泄放和雷電測控定位預警等技術;伴隨著科學技術的進步,防雷新設備和新產品也不斷涌現,如高科技的雷電隔離裝置、各種浪涌保護器、高效接地降阻劑以及人工探測影響雷電的設備等;這些新技術、新產品的發明和應用,有效地減小了雷電災害對人類活動的影響和破壞。
  1.雷電侵入的途徑
  (1)直接雷擊
  直接雷擊是指雷電直擊在建筑物、人或動植物上,因電效應、熱效應和機械效應等造成建筑物等損壞和人、畜傷亡。由于雷電能量巨大,直接雷擊的破壞性很大。
  (2)感應雷擊
  雷云放電時,在附近金屬導體上產生的靜電感應和電磁感應等現象稱之為感應雷擊。雷云之間或雷云對大地的放電過程中,會在附近的電力線路、通信線路、設備連接線路上產生電磁感應并侵入連接在上述線路上的設備,從而造成設備損壞。感應雷雖沒有直擊雷猛烈,但其發生的概率比直擊雷高得多,且其產生的感應高壓可以通過電力線等傳得很遠,致使受害范圍擴大。感應雷擊破壞的主要是電子電氣設備。
  (3)雷電電磁脈沖
  雷電有極大峰值和陡度的電流,它所產生的瞬變電磁場會使附近的金屬導體感應出較大的電動勢,從而形成雷電電磁脈沖,因其脈沖瞬變時間極短或其感應能量很大,以致產生電火花而損害設備。
  (4)地電位反擊
  建筑物避雷針等外部防雷裝置在遭受直接雷擊時,在接地電阻兩端會產生危險的過電壓,此電壓在設備接地線等接閃物的作用下引入設備,從而造成設備的損壞。
  2.雷擊防護的原理
  從雷電侵入的途徑得知雷電損害電子電氣設備的幾種形式,一套完整的防雷系統應包括直接雷擊和感應雷擊的防護,兩者缺一不可。一般我們將防雷系統分為外部避雷和內部避雷兩部分,外部避雷由避雷針(網)、引下線和接地體構成,主要是保護建筑物和人身遭受傷害;內部避雷系統則是安裝一定的防雷設施防止雷電侵入而損壞電子電氣等設備。
  雷擊防護應根據設備的功能、受保護的要點以及雷擊的可能途徑實行分類保護和多級層保護。
  (1)外部避雷防護
  外部避雷防護主要采用避雷針(避雷網、避雷線、避雷帶等)及接地裝置;其原理是:當雷云放電接近地面時,它使地面電場發生畸變,在避雷針頂部,形成局部電場強度發生變化,以影響雷電先導放電的發展方向,引導雷電向避雷針放電,再通過引下線和接地裝置將雷電流引入大地,從而使被保護物免受雷擊。
  (2)內部避雷防護
  雷電侵害電子電氣等設備主要是通過線路侵入,內部避雷防護一般有二種方式:一種是采用避雷保護器來減少雷電侵入的能量,其原理是:采用分流(限幅)技術即高吸收能量的分流設備將雷電過電壓(脈沖)的能量分流泄入大地,達到保護設備的目的。另一種是采用大功率隔離變壓器削減隔離雷電的侵入,其原理是:在380V電源進線端加裝大功率隔離變壓器,在雷電侵入時,利用隔離變壓器對瞬時電磁脈沖產生高阻抗和變壓器初次級線圈隔離的原理削減和隔離雷電的能量,并把其引入大地,從而削弱雷電對設備的侵害。內部避雷防護應采用多級層保護。
  (3)接地處理
  不管是外部避雷防護還是內部避雷防護,都是把雷電流引入大地,所以一個良好的接地系統是不可缺小的,一般高山發射臺的接地均采用樹枝狀的地網系統,以降低接地電阻。地網系統的接地電阻一般應控制在4歐姆以內。
  二、高山廣播電視發射臺防雷措施的要點
  1.良好的接地系統
  廣播電視發射臺的發射鐵塔和機房大多建在土層淺薄、電阻率高的山頂上,這對謀求一個良好的接地系統帶來難度。如何有效降低地網的接地電阻,根據相關的理論和實驗可采用以下措施:(1)延伸地網,擴大接地網的有效接地面積;(2)選用防腐防銹性能好的非再生、熱度鋅的實心優質鋼材(角鋼或扁鐵)或銅材作為地網接地體,減少接地體與土壤的接觸電阻,保證地網間的有效連接和可持久性;(3)選用長效和與當地地表環境相適宜的降阻劑來降低接地電阻。
  值得注意的是,無限度延伸地網的長度會增加地網材料本身的電阻,可能會影響防雷的效果。
  2.地網間的等電位連接
  大家知道雷電的能量是巨大的,雷電放電時其電壓高達數萬伏至數千萬伏,電流則達數十萬安培,放電過程極為短暫。假設某發射臺的兩個接地網間的接地電阻為4歐姆,雷擊感應電流為2萬安培,可知兩個地網的瞬間感應電位差將高達80千伏,連接在兩個地網間的設備就很可能被擊壞。當雷擊發生時,如果發射臺各接地網成為統一的帶電體,各接地體間的電位差將趨于零,因此就不易發生閃擊放電或損壞設備事故。
  廣播電視發射臺的接地系統有供電系統接地網、發射鐵塔接地網、建筑物接地網、發射設備保護接地網等。等電位連接就是將防雷有效空間內的各個接地網連接起來,盡可能地減少各接地網之間的電位差。
  值得注意的是:當各接地必須獨立時,如果相互距離達不到規范要求時,則容易出現地電位反擊而損壞設備;因此,當各接地相互距離達不到規范要求時,應盡可能連接在一起,如實際情況不允許直接連接,可通過等電位連接器實現等電位連接。
  3.多級層避雷措施
  建好防雷地網后,如何把雷電泄入大地,就成為高山廣播電視發射臺防雷的重要環節。多年的經驗表明,供電系統的防雷是高山廣播電視發射臺防雷的重中之重,十有八九的雷電損毀設備事故都是由電力線路侵入的;高山廣播電視發射臺供電系統的防雷措施有簡易防雷、避雷保護器防雷和專用設備防雷等方法。由于雷電的能量過于巨大,要想一次性消散完雷電的能量目前還難于做到,采取多級層避雷是迫不得已的選擇。
  (1)高壓電力線防雷
  高壓電力線的防雷,電力部門有專用的高壓避雷裝置,電力高壓傳輸線的對地電壓已限制到小于6000伏。
  (2)380伏總配電柜前的防雷
  由于對電力線線與線之間的雷電感應電壓目前還難以控制,所以需在高壓變壓器出線端到總配電柜進線端加裝避雷保護設施,作為高山發射臺的一級防護。
  (3)機房配電箱前的防雷
  在總配電柜出線端到各分配電箱進線端加裝避雷保護器,作為二級防護。
  (4)重要設備防雷
  在所有重要的、精密的設備前端加裝電源浪涌保護器,作為三級防護。
  此外,高壓變壓器后的供電線路應盡量采用鉛包地埋電纜線,避免走明線也是高山發射臺防范雷擊行之有效的手段。
  高山廣播電視發射臺除重點做好供電系統的防雷外,發射臺的天饋系統、衛星接收系統、網絡專線系統、監控系統等的防雷也不應勿視,所有空置的電纜線均應有效的接地,以防雷電的侵入。
  三、臺州楓山電視發射臺防雷技術的實踐
  1.臺州楓山電視發射臺概況
  臺州楓山電視發射臺位于臺州市中心的楓山頂上,海拔162米,東徑121度26分17秒、北緯28度40分11秒,發射塔高68米。擔負著浙江之聲102.1MHZ1KW、浙江交通之聲93MHZ3KW、浙江城市之聲101.7MHZ3KW、臺州新聞廣播98.7MHZ3KW、臺州交通廣播102.7MHZ3KW、臺州音樂廣播100.1MHZ3KW等六套調頻廣播節目,中央一套29CH1KW、中央七套47CH1KW、浙江衛視9CH100W、CMMB44CH1KW、臺州電視公共頻道17CH1KW等五套電視節目的無線覆蓋任務,是臺州市較為重要的發射臺。
  2.臺州楓山電視發射臺采取的防雷措施
  臺州楓山電視發射臺所處海拔雖然不高,但它是臺州主城區雷擊較為頻繁的地區,加上山頂土層較淺,原有防雷設施陳舊等因素,每年總有一、二次設備遭雷擊損壞的事件發生,嚴重影響了廣播電視節目的安全播出。
  2007年國家廣電總局下達了農村中央廣播電視節目無線覆蓋工程的建設任務,臺州楓山電視發射臺的防雷系統得以全面的改造。
  (1)地網改造
  臺州楓山電視發射臺的鐵塔、機房已有20多年的歷史,其地網腐蝕較為嚴重,接地電阻較大(達12歐姆),在改造中,我們采取把樹枝狀接地網的六根主枝向外延伸至500多米處土層較厚并相對潮濕的地方,并挖掘1米左右見方的降阻坑,坑內打入若干根50MM×50MM×5MM的角鋼并加入高分子降阻劑,從而大大降低了地網的接地電阻(經多點測試其接地電阻均小于2歐姆)。同時,我們根據楓山臺的實際情況,把臺內的各個地網進行了有機的等電位連接,盡可能降低地網間的電位差,以減小地電位反擊損壞設備事故的發生。
  (2)多級層的防雷措施
  良好的接地網是防雷避雷的基礎,多級層的防護措施是防雷避雷的關鍵。
  (2.1)在電源擴容的同時把總配電柜移入室內,減小直擊雷的影響。
  (2.2)所有高壓變壓器后的電力線均采用包鉛電纜線并地埋。
  (2.3)一級防護措施:投資4萬多元,在高壓變壓器與總配電柜之間增設一臺100KVA的干式隔離變壓器(與高壓電力變壓器容量相同),并加裝采用MOV(壓敏電阻)矩陣式設計和填砂滅弧結構的JOSLYN雷電浪涌防護器,作為一級防護。
  (2.4)二級防護措施:使用帶有多級雷電浪涌防護器的GD型廣電機房專用大功率穩壓電源,作為二級防護。
  (2.5)輔助防護措施:一是通過將總配電柜的三相總閘刀設計為三刀雙擲的開關;二是在每套設備的電源進線端加裝一個與該設備同規格的空氣開關,在這個開關的出線端的每一相對地并聯一只壓敏電阻,所有設備的接地線都用銅線連接到與地網相通的地線上;采用以上簡易防雷措施作為輔助防護。
  (2.6)所有配電、發射及信源設備都與地網有良好的連接。
  3.臺州楓山電視發射臺雷電防護系統的成效
  臺州楓山電視發射臺雷電防護系統投入使用后,首次取得了連續900天無雷擊事故的成效,期間經受了2008年7月21日、9月26日和2009年8月4日三次直擊雷嚴重打擊的考驗,每次雷擊時間近半個小時,雷擊次數均超過20次;特別是7月21日那次,楓山發射臺的電話線被打斷(事后據電信機房的技術人員講,楓山臺這門電話的模塊也被回傳的雷電擊壞),有線電視信號線打冒煙,所有開機的發射機均被打告警,但雷電過后,所有設備均能正常運行。
  雷電千變萬化、防不勝防,各地防范措施也不盡相同,本文僅供同行參考。
  〔發表于《視聽縱橫》(技術版)2010年第1期(總第108期)〕
  

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