浅析雷电与安全

申翔

摘 要：河南省部分中波发射台地处偏远山区，海拔高、地貌突兀，容易遭受雷电的侵袭和灾难性侵害，文章结合实际经历，结合理论及技改成果，对雷电与安全的关系进行了分析。

关键词：防雷避雷；接地器；屏蔽；电流电压；安全播出

中图分类号：TM86 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）11-0054-02

随着社会的进步，广播电视已完全融入群众的生活，把优质动听的广播信号发送给每个听众，确保广播设备稳定工作是每个中波广播技术工作者职责。山区或者旷野地貌的中波发射台，容易遭到雷电的袭击。掌握科学新技术、排除广播发送设备的疑难问题，保障设备安全工作，防范突发灾害性侵害。

雷电是高速运动的云团在相互摩擦过程中形成带电荷的云，当两团带有异性电荷的云相遇时，将击穿两者之间绝缘空气，正负电荷进行中和放电，产生雷电，其实雷电是大气中带电的云对地放电的自然现象，雷电分为直击雷和感应雷。

1 雷电的特点

1.1 极宽的频谱

雷电包括直流和交流成份，交流部份，频率从几赫兹到几百千兆赫兹，甚至几千兆赫兹。

1.2 高电压大电流

雷电云团的电压数千伏，有的云团上万伏甚至更高，在中和放电时，产生数千安培的电流，导致同时产生雷声和闪电。

1.3 可预测性

雷电自然现象有别于风、雨、雪等，现代科技还难以预测其具体的落地点和强度。

2 雷电防御分析

雷电危分为直接雷击和间接雷击。直接雷击是雷电直接作用在物体上，产生电效应、热效应和机械力，它的高电压和强电流对被击物体造成致命的破坏；间接雷击主要是雷电感应和雷电波的侵害。雷电感应是当雷电放电时，在附近的物体上产生静电感应和电磁感应，从而使金属物体部件之间产生电火花；雷电侵入指雷电放电时产生雷电反击、雷电过电压、电磁脉冲等会沿着架空的金属导管、导线、信号线等进入屋内或设备，危及人体、设备。雷电的破坏力主要来源于雷电本身强大的电流、高温、冲击波、剧变的电磁场、强烈的电磁辐射。感应雷击是直接雷击引起的强大电磁场在导体中感应起的电磁脉冲，感应雷击的破坏没有直接雷击大，但破坏面和概率强于直接雷击。

①直击雷防护采用避雷针、避雷带、避雷线、避雷网等作为接入器，将雷电引入自身，然后再由下引线（接地线/接地体）迅速将雷电流泄放到大地，极大降低雷击强度。

普遍使用的避雷器由接闪器、支杆、下引线和接地体四部分组成。简易避雷针的接闪器一般采用粗铜丝或铁丝，用粗些的铁棍更好；支杆最好用金属杆；下引线可用粗铁丝、铜丝或者带状金属条，上端与接闪器相连，下端与接地体相连，连接必须牢固焊接；接地线必须整根线，以最短路径接到地体上，尽量不弯折接地线；接地体埋于地下不小于200 cm的深度，材质为扁钢/角钢等焊接，单根材料100～200 cm，接地体的几何面积越大效果越好。一个避雷针单独一个接地体，不能共用一个接地体。

避雷针的有效保护范围是避雷针下面450～600的伞形区域。避雷针越高，受保护的区域越大，避雷针与被保护对象之间的距离应大于500 cm，避雷针及下引线受雷电感应时能击穿200～300 cm的空气层。

②传统的防雷技术是引雷机理，难以解决有效保护范围、感应雷、跨步电压、接触电压、二次雷击等问题。当雷电击中避雷针，雷电流经避雷针、引下线和接地网的接地电阻入地，地电位有的高达几千甚至上万伏，远高于电器设备耐压值，造成设备损坏。接地电阻为4 ？赘、电流为3 000 A时，接地电阻上产生4×3 000=12 000 伏的电位差，必将损坏一批电子设备。AR避雷针，依据“滚球法”机理进行防护，能有效地限制急剧上升的雷电流，减少雷电击中避雷针后造成的二次效应，可靠性高、落雷记数和免维护功能。

③感应雷的防护，分为静电感应和电磁感应两种方式而进行。供电电缆应有金属屏蔽层，尽可能地下铺设，高低压输电线逐级、分类安装与供电电压相匹配的避雷器。10 kV的高壓供电安装的避雷器，同时380/220 V也应加装低压避雷器。中波台的电脑控制系统还应加装交流和直流避雷器，以保护电脑控制系统。

④巧用闲置发射天线防雷电。可将闲置天线改造成为高大避雷针，其保护区域有时可覆盖一个中小型的中波发射台。

⑤防雷接地分为接地体和接地线，能将直击雷电流或感应雷电流及时泄放到大地。

其一，接地体一般分为自然接地体和人工接地体，凡埋在土壤中的金属管道物、基础内的钢筋、其地下金属结构等，都可作为自然接地体。人工接地体，普遍采用扁钢，圆钢、钢板或角钢制成网状。

一般地网面积15 m2左右，接地体水平埋入地下或采用水平放射式埋设，接地体横截面积应不小于下表值。见表1：

其二，接地线尽量用钢材，地下不得用裸铝线作为接地线。

其三，接地电阻是衡量接地装置好坏的重要参数。接地电阻的大小主要取决于接地体周围土壤的电阻率和接地体与土壤的接触面积。选择潮湿的沼泽地、黑土、田园土等电阻率低的土壤，电阻率高的土壤，用电阻率低的土壤置换、土壤进行降阻处理（撒木炭、石灰、食盐、化学降阻剂等），使接地体保持良好导电性能。

由于中波传输的特点，中波发射台地理位置偏僻、边远、空旷。发射天线必然是当地最高建筑物，遭受雷击的概率要比低矮的周边建筑物大得多。显然，中波台的防雷系统应当是一个全面立体的防护系统，发射天线、机房、天馈线、高低压供电线路，室内外都必须切采取相应的防雷措施。重点部位为：发射机房的防雷；高、低压供电线路及变电、配电设备；接收天线、传输线、发射塔、天馈线。

3 鹤壁地区防雷电实例分析

3.1 发射机房的防避雷

实际结合发射机房建筑物结构性质、机房内各全固态发射机及其附属设备的特性、功率采取防避雷措施。

若新建机房，依据电气安全要求，地面上的水泥桩破桩头与建筑物的地梁钢筋焊接在一起，分别留6或8个接地点（根据需要可增减）。发射机房通过3或4根200 mm宽，厚

1 mm铜皮与4或6个接地点可靠连接，控制室通过一条200 mm宽1mm厚铜皮与一个接地点可靠连接，配电房通过一条32 m2铜线与1个接地点可靠相连。

对于砖木结构的老式机房：可以采取在机房两端对角设立两付避雷针，对机房进行有效保护。避雷针（器）有效保护半径R=h，（h为避雷塔高度，R为有效保护半径）。

机房的全固态中波发射机，防雷性能较差。发射机输出功率经馈管输送到天线，雷电也可经馈管侵入发射机，损坏功放模块或合成磁环。

发射机三相电电源也是雷电侵入的途径。可采取：①馈管和调配网络之间串联一个电涌保护器，对经馈管侵入发射机的雷电进行泄放，电涌保护器经过雷击考验，防雷效果显著。②发射机三相电电源进线处加装避雷器。每部发射机配置独立的防雷接地点，切忌发射机共用一个接地点。

音频系统的防雷避雷直接影响安全播出，虽然采取了光纤传输信号，光纤信号抗雷性好，但备用卫星信号源和控制系统，仍有可能因感应雷的侵害而损毁。首先将音频系统和控制系统各设备的良好接地，音频系统和控制系统总电源进线处装避雷器，以达到从雷电的侵入和泄放两个途径进行有效的防避雷。

3.2 天线系统的防避雷

中波台发射塔多是76 m斜拉桅杆式天線和120 m、76 m自立塔天线，发射塔成为所处地域的最高金属建筑物，易引雷并遭受雷击。发射机功率放大的场效应管，极易过压、过流、过荷损坏，因此介绍以下多重防避雷措施：

①科学利用天线底部的半球式放电球，根据尖端放电原理，雷击的瞬时，天线底部产生极高的电压，经由放电球对地泄放雷电压，若天线的输入阻抗为ZA=R+JX，那么：

天线输入端电压U=I×ZA

放电球间的间隙d=u×1.2 mm/kV（或1.5 mm/kV）

846 kHz/1 107 kHz，10 kW双频共塔天线，天线底部最大电压为2 366 V，则放电球间隙约30 mm（考虑天气潮湿等）。②安装石墨放电球。石墨放电球的放电电压随面积的增加而降低，石墨放电球的间隙可调，一般为1 mm/kV。石墨放电球的接地铜棒良好接地，接地铜棒上再串接50个磁环，遭遇雷击时，可有效地提高发射机短路射频阻抗，保护发射机。③隔直流电容器。当雷电击中天线，部分雷电能量经馈线侵入发射机，在天线和天调网络之间加一个

1 000～3 000 PF的隔直电容器，该隔直流电容器的伏安量、耐压值越大越好。④天线对地串接一只微亨级（几十或十几微亨）的电感线圈，其电阻量极小，雷电中的一部分能量可经该电感线圈对地泄放。⑤在天调网络中，设计带通匹配和移相网络，移相对雷电进行防避。⑥天线地网同样也可以为雷电提供泄放点，接地电阻越小则雷电压越小，将发射天线底座的钢筋笼与天线地网可靠地连接，提高泄放面积，确保良好接地，有效快速泄放雷电。

3.3 高低压供电线路的防避雷

鹤壁中波台专用高压供电线路绵延丘陵达7～8 km，极易遭受雷电侵害，防避雷工作量大，困难多。以下是历年来各台在高低压供配电防雷中的措施方案：

①在高压变压器输入端安装规格相当的高压避雷器，高压避雷器的下引线不得≥35 mm，接地器埋深应>1.0 m且接地器水平有效面积≥6 m2。②鹤壁中波台的高压电是企业的自发电，输电线是裸露的铝质线，线路分布在山顶或丘陵最高处，经常遭到雷电侵害，采取多点避雷的方法，在经常遭雷击的高压供电线路处安装高压避雷器，雷击严重的地点安装高压避雷塔（注意：供电高压避雷塔的安装与高压供电线间应确保电气安全间距，供电部门安装，定期安全试验。）③高压变压器输出端为380 V安装相应规格的低压避雷器，各主要设备的配电端也应当安装相应规格的避雷器，并且低压避雷器的泄放点接地良好，下引线≥25 mm，接地点应与其它系统泄放点区别开来，独立设置一个低压避雷泄放点，且接地器埋深≥80 cm，水平有效面积≥4 m2。④关键设备的专用三相电，在设备供电进线端安装相应规格的避雷器，安装设计要符合电气安装规范。

总之，中波发射的防雷问题因各发射台的发射机功率大小，地理位置，地质状况，塔体实况等客观条件不同而各有特点，工作中多想多查多防范，才能有效保障安全播出工作万无一失。

参考文献：

[1] 王晓芳.浅谈防雷电安全措施[J].科技传播，2010，（16）.