电流阻断防雷技术

苏宠盛卢卫东（ 、广西广播电视技术中心玉林分中心；、广西广播电视技术中心百色分中心）



电流阻断防雷技术

苏宠盛1卢卫东2
（ 1、广西广播电视技术中心玉林分中心；2、广西广播电视技术中心百色分中心）

［摘 要］介绍一种可以在理论上进行证明，在实际应用中得到验证的新型防雷技术。

［关键词］阻断；绝缘；接闪器；接地；零电位点

一、电流阻断防雷的基本原理

1传统的设备防雷技术

传统的设备防雷技术如图1a所示，图1b是其等效电路图，Z1、Z2是等效接地阻抗。从图1b分析得知：

图1a

图1b　等效电路

在与接闪器有连接（包括绝缘击穿）的设备线路中，接闪器有雷击时雷电电荷会向设备移动，设备接大地D就可能会有强大的电流流过设备，电流I在设备电阻R上产生电功，电功率I2R过大就损坏设备。通常为保证人身安全，传统防雷一般是按图1a的接法，使用这种接法时，如果接地电阻过大（如石山区）就成为一种常见的雷电损坏设备的原因，而电流阻断防雷就是消除这一隐患的防雷技术。

图2a

2电流阻断防雷技术基本原理

与传统的防雷方法不同，电流阻断防雷技术设备不接地，但与接闪器有联接，如图2a所示，图2b是其等效电路。

图2b　等效电路

从图2b分析得知，当接闪器I有雷电通过时：

（1）在设备对大地D绝缘不会击穿的条件下，设备不会流过雷电流，电功率I2R=0, 落在接闪器上的雷电不会对设备造成损坏。

（2）接地阻抗Z2大小在保证设备对地绝缘不会击穿的条件下，设备流过的雷电流I=0, 电功率I2R=0, 防雷效果与接地阻抗Z2大小无关。

这两个结论是电流阻断防雷法的依据，接闪器有雷击时，雷电会造成设备电位升高，但没有雷电流流过设备，I2R=0，不会损坏设备。从这两个结论可以得出一种新的设备防雷方法: 即电流阻断防雷法，就是让设备不接地，阻断雷电电流通过设备的防雷方法。

在这个电路中，接闪器只有一个点T与设备相接，这是连接的技术要求，在这个要求下，不管设备到T有多少导线联接，都不影响防雷效果。

防雷设计中可将导体TC 看成接闪器的一部分，从TC中间任一点P接到接闪器都只有一个点。

二、电流阻断防雷技术对保护人身安全的作用

在防雷设计中人身安全是我们首先要考虑的，设备接大地是人身安全的一种设计习惯，若设备放置在与大地绝缘的金属空间H中，人也工作在这个空间内，在雷电到达设备的必经之路上选一点P，用良导体将P与工作环境导体相连，如图3，对接闪器I的雷电流而言，人在金属环境H上工作是安全的，这就避免了安全需要上的设备与大地的导体联接。

图3　

考虑工作环境导体H对大地有阻抗的情况，图4是其等效电路，Z3是良导线阻抗，Z4是工作环境导体对大地的阻抗，通常Z3是很小的, 当Z4/Z3大到一定程度时就可使设备与工作环境导体的电位差在安全电压36V以下。

图4　

将图4中P点用良导线接地以降低设备的电位，在人身安全上与传统接地并无差别，但P点仍是一个具有接闪器电位性质的点，不是真正的地，不影响设备通过一个点接到接闪器的电结构；为了确保安全，在工作环境导体外还可增加一圈埋土围线M，并连接到P点，如图5a所示。图5a是比较完整的电流阻断防雷的原理框图，图5b是要分析阻抗的等效电路，P点接地就相当于设备接地，与传统接地一样保证人身安全，但在接闪器I接闪雷电时，P处于与雷电性质相同的电位上，而不是地电位。

图5a

图5b　等效电路

Z2是接闪器接地阻抗， Z3是良导线阻抗，Z4是环境对地阻抗，Z5 是良导线接地阻抗

三、电流阻断防雷技术在电视、调频发射台站（主要是高山台站）中的应用及可行性分析

（1）设备不接地是否能正常工作：将电视调频发射设备不接地进行试验，设备能正常工作，这说明电视调频发射设备不接地也是可以正常工作的。

（2）能否做到只有一点接地：在电流阻断防雷技术中，接闪器只有一个点与设备连接是一个技术要求，而发射台机房内有多台设备馈管与铁塔相接，在铁塔（接闪器）上有多个接点，这不符合接闪器只有一个点与设备连接的要求，为此可将馈管看成是接闪器的一部分，馈管可以随意移动，在馈管进入机房处将馈管尽量靠近，靠近处的馈管屏蔽层用良导体接在一起，由于接点间的电位差很小，所有接点在电位上就相当于接闪器上的一个点，这样机房设备就只有一点接到接闪器上，符合电流阻断防雷技术的要求。

（3）电流阻断防雷技术应用的必要性

发射设备是必须与铁塔连接的设备，而铁塔是经常遭受雷击的，铁塔其实就是接闪器。在传统的防雷技术中设备都是接地的，设备连接在铁塔与大地之间，受雷击时会有雷电流流过设备，雷电流大时就会损坏设备。传统的防雷方法让设备接地后，再通过减小接地电阻及采用一些接地技术（如接地环、接地网等）可减小从铁塔流经设备的雷电流，效果好的能够避免设备的损坏。但在山地环境中要得到理想的防雷效果是很困难的。据统计，每年都有不少使用传统防雷技术的高山台站因遭遇雷击而损坏设备，造成停播的事故也不少，这说明开辟新思路采用新的防雷技术势在必行。

四、电流阻断防雷技术在发射台的实际应用实例

1以玉林分中心平南转播台机房采用阻断防雷技术改造的实例来说明

图6　

如图6所示。在图6中， K是电源直通/隔离开关，P是关键的馈管联接点，由此引出多条良导线。Z1、 Z2 、Z6 是接地阻抗，Z5是导线阻抗。在机房内机房电源与高压变压电源是隔开的，若取消接点P机房设备对地绝缘，针对平南机房的实际情况，按照电流阻断防雷技术的电容要求，主要做了以下几点的技术改造：

（1） 在设备工作环境中人身安全的设计

工作环境是机房，机房建在石质地面上，是钢筋水泥的框架结构，实测钢筋水泥框架结构对大地的电阻为2K欧姆，从钢筋结构中引出的接点用良体连接向接点P，结构钢筋不连接任何的接地点，机房外加一圈镀锌铁围线，镀锌铁也用良导线接向P点，镀锌铁埋在土壤中，测得接地电阻为500 欧姆，这样设备与环境（包括地面）之间的电位差是很小的，这就保证了机房工作人员的人身安全。

（2） 阻断机房内设备流向大地的雷电流

所有设备都没有接地的接线，设备的地线接到P点，设备与环境之间用绝缘隔开，保证阻断机房内设备的雷电流。

（3） 阻断卫星信号接收高频头流向大地的电流

用绝缘杆支撑卫星信号的高频头，并保证信号线与信号反射面、地面的绝缘不被击穿。

（4） 阻断数字微波高频头流向大地的电流

① 用绝缘杆支撑数字微波的高频头；

② 用塑料王将数字微波馈管与接地的金属反射面隔开；

③ 将室外单元ODU安放在绝缘板上；

④ 馈管用绝缘杆固定，一直到机房保证不接地；

⑤ 用良导体将微波反射面与P 相接，减小塑料王上的电位差，以防止塑料王绝缘击穿。

（5） 阻断流经电源线路的接地电流

雷电有多种途经从电源线路流向大地，阻断经电源线路流向大地的电流是难度较大的技术问题。

① 流经电源线路接地电流对设备的影响

为保护电源变压器及人身安全的需要，高压避雷器与中性线要在高压变压器处联接并就近接地，会引起雷电的馈管也需要与机房的设备连接。铁塔遭遇雷电时设备与中性线、三相电间会产生很大的电位差，若电位差击穿设备的绝缘，大的雷电流就会流过设备到地。开关绝缘、插座绝缘、导线绝缘、设备绝缘都可能会被击穿，绝缘层击穿后相当于接地。

雷电流过设备到地（包括屏蔽线接地 ）引起的地电位差是损害设备的主要原因。

雷电流流过中性线（一定会有阻抗）是产生单相电源大浪涌电压的原因，浪涌电压过大就会从电源损坏到设备。

② 阻断从电源流向大地的雷电流

如图6, 用隔离变压器B2来阻断从电源流向大地的雷电流。要求隔离变压器初级端的接线距离设备地、离次级接线在10CM 以上，保证绝缘。电源直通/隔离开关的直通与隔离接点距离要大于3 CM，防止空气绝缘击穿，因直通与初级是相接的，直通接点也要离机箱 3CM 以上。

③ 减小隔离变压器B2初次级的电位差

可在机房外用10条25MM2 铝线把电源变压器的接地A与接点P连接，导线阻抗为 Z5，在这样的线路中，遭遇雷电时测得A、P 间电位差还有5000---10000伏，这个电位差在隔离变压器绝缘不击穿时就是初次级中性线间的电位差。

2电流阻断防雷技术的优势及实际效果

通过以上的技术改进，平南机房采用电流阻断技术进行防雷，2011年、2012年 、2013年和2015年均没有发生设备被雷电损坏的事故。

3电流阻断防雷技术的推广价值

电流阻断防雷法在理论上推论可行，在实践上与地网的接地电阻关系不大，对接地电阻的要求不高，无需投入大量资金减小接地电阻。而传统的防雷方法，在高山台站为了减少接地电阻需要投入大量的资金，而且防雷的可靠性难以保证。2014年平南发射台因重建机房施工而损坏了防雷接线，数字微波系统、卫星信号接收系统、部分远程监控设备、总电源稳压器等多次遭受雷电击中损坏，造成了很大的损失，这些都从反面证明了阻断电流防雷技术的优点及应用价值。