智能电涌保护器在广播发射台无人值守发射站的应用

张升表，吴晓春，万美芳

（1.浙江省浦江县融媒体中心，浙江 金华 322200；2.杭州尚普电气科技有限公司，浙江 杭州 330011）

0 引 言

浦江县融媒体中心发射台八角尖无人值守发射站设立在海拔806 m的山顶，任何交通工具都无法通行，人员需徒步近2 h才能到达站点。为此，发射站采用远程监控播发方案，实现无人值守，减少通行次数，提高了管理效率。但防雷系统仍采用传统的防雷器和安装形式，无法实现远程监控，对防雷安全管理带来不利影响。当发生雷击，远端不能及时了解防雷系统的安全可靠性。例如，过长的低压架空线在雷击时将雷电能量引入发射机房的低压总配箱；空气潮湿或者连接螺栓松动，电气连接不良，接地地位抬高；雷电冲击时导致浪涌保护器（Surge Protection Device，SPD）的芯片发热熔穿起火等，这些都会影响发射站设备的正常运行[1-2]。而传统的电涌保护器和安装形式因没有远程监测功能，不能实时监测SPD的工作状态，给发射站的防雷安全管理工作带来隐患。因此，台站需要采用SPD智能监测技术，实现SPD的远程监测管理，在实现实时监测SPD工作状态的同时，提高管理效率，也提高发射站的防雷安全管理水平。

1 电涌的产生和对发射站的影响

随着广播电视发射设备器件的集成度提高和大量应用，雷电对其的危害和破坏力也日趋增强。提高和加强发射站的防雷技术和安全管理水平非常重要。

1.1 电涌的产生

电涌是电路中出现的一种短暂的电流、电压波动，一种在电路中持续时间较短的剧烈脉冲，一般是由雷击或外部瞬态过电压引发的，如电网切换以及发射天馈工作的大负载设备等产生电涌影响[3]。对于某个设施来说，这些电涌仅占所有电涌事件的50%。另外的50%电涌事件则是由于内部切换造成的瞬态过电压，如发射机房内空调变频器等的接线、接地错误和电涌（也称为瞬态过电压），是当今设施中常见的电源质量问题，极易导致设备安全隐患、设备损坏及代价高昂的宕机故障。

1.2 发射站电涌产生的影响

浦江县融媒体中心发射台八角尖无人值守发射站为尽可能提高安全性和工作效率，降低成本，采用了远程监控播发解决方案，实现了无人值守效果。在发射站中，防雷系统仍采用传统的电涌保护器和安装形式，无法实现远程监控。过长的低压供电线路通过架空引入发射机房的低压总配箱，虽然在低压总配箱进线端做了重复接地，也安装了阻燃材料模块式T1级电涌保护器，但对于高山架空线缆受到直接雷击感应而产生的过电压，瞬时强大的脉冲电流会在线缆周围空间产生交变磁场，处于磁场中的导体会因此而感应出高电压，沿线路产生的过电压窜入设备造成损坏。当空气潮湿或者连接螺栓松动、电气连接不良、接地地位抬高，都会引起中性点电位升高，总配电柜中电涌保护器的N相因此承受高电压而极易损坏。N相如发生故障，过电压可导致MOV芯片发热熔穿起火，热量及时传导至脱扣装置，焊锡熔断，铜片弹开，但该过程仍有一定几率形成拉弧现象[4]。电弧一旦产生，维持其稳定燃烧的要求条件很低，产生的热量却很高（电弧中心温度可达5 000～10 000 ℃），能轻易将阻燃外壳燃烧起来，最终致使N相和临近模块彻底烧毁。

1.3 宕机的成本

发射站配电系统和连接的负载设备始终处于各种电源干扰的影响下，瞬态过电压对敏感的电气和电子设备具有最常见、最严重和最直接的损害。瞬态过电压的累积效应会导致半导体性能下降、设备损坏、控制过程中断以及电路板损坏[5]。瞬态过电压通常会造成设备过早损坏，导致代价高昂的宕机故障，严重影响广播电视台发射系统正常运行。

2 安装SPD监测系统的必要性及其特点

在发射站中，防雷系统仍采用传统的电涌器和安装形式，无法实现远程监控，对防雷安全管理带来不利影响。当发生雷击，远端不能及时了解防雷系统的安全可靠性。

2.1 安装SPD监测系统的必要性

设置在海拔806 m山顶上的发射站通过未设防雷线保护的架空电缆取电。在每年的雷雨季节，架空线会遭受不同程度的雷击。当电网遭雷击发生瞬态过电压时，电涌保护器呈低阻抗，泄放雷电流，以限制过电压。如果雷电强度超预期，泄放电流大于其额定值（Iimp、Imax），电涌保护器被击穿或炸裂，导致电网短路。电网故障时，将出现超过其最高持续运行电压的暂态工频过电压，泄漏电流产生热效应加速电涌保护器老化（劣化） 。当出现大于1 A的泄漏电流，电涌保护器会严重发热，引起塑料底座熔化或燃烧，从而发生安全事故。

因此，安装实时SPD监测系统，监测电涌保护器的运行状态、雷电入侵次数、SPD接地状态、SPD泄漏电流、SPD工作温度、防雷箱环境温度、防雷箱环境湿度、SPD寿命预估以及SCB（后备保护器装置）状态，缺一不可。通过引入物联网技术，可以监测SPD的电压、电流、温度、SPD状态以及SCB状态等相关数据，及时传送至统一的管理平台。客户端只需要通过浏览器访问，即可实时监测SPD的运行状态、运行数据，展示报警信息，统计报警信息。该方案为广播发射台站的安全发展提供了新方向。

为提高供配电系统运行的安全性，使得发射机设备不因电涌损坏、停顿，控制系统不因电涌失灵，需要安装不燃材料、高容量、紧凑型的T1+T2级电磁抗干扰电涌保护器。

2.2 设备特点

T1+T2复合型谐波抑制电源一体式防雷箱具有如下特点。

（1）采用阵列设计，具备完整的电流分布和散流能力、长期可靠的瞬态过电压防护能力以及更低的限制电压保护水平。

（2）利用计算机进行造型和电路仿真设计，使所有元件完美协同运作，出色地限制电压指标，确保性能平衡。

（3）能够抑制高能量型瞬态过电压和振荡型瞬态过电压，为关键敏感设备提供最高级别的保护及符合标准的EMI/RFI滤波功能，确保敏感设备不会受到频繁过电压的不利损害。

（4）针对电涌至负载设备的所有可能路径，为负载提供最高级别的保护。对于三相五线制系统，可提供L-L，L-N，L-PE和N-PE模式的全模式保护。

（5）采用混合电路设计，通过组合不同的元件防护不同的电涌，发挥每个器件的最佳特性，克服各自的缺陷。

（6）门限抑制网络和多级并行网络设计，能够抑制大功率脉冲波和内部产生的振荡波。

（7）采用电路封装技术，在元件损坏前把电涌发生时造成的热量快速转移；绝缘强度高，能够保护元器件，减少振动和恶劣环境的影响，在延长器件寿命同时也规避了起火烧毁的隐患。

（8）每相LED式诊断和干式触点设置持续监控瞬态浪涌抑制器（Transient Voltage Surge Suppressor，TVSS）。TVSS具有现场快速诊断评估功能。

（9）采用放电间隙技术，无漏流，高通流Iimp为25 kA（10/350 μs），保护水平Up≤1.5 kV。

（10）具有多点位安装孔，适用于任何环境的安装要求。

3 电涌保护器的正确安装方法

电涌保护器的正确安装，除了能够保证安全性以外，最重要的是会直接影响电涌保护器的工作效能。实际应用证明，连接线的长度、数量及其连接方法，直接影响电涌保护器的有效保护水平（即线路上叠加的电压降和电涌保护器自身的残压相加值）。这是由于连接线上的电压值主要决定于它的电感值，而线路的电感值则受到它的长度及其连接方法影响[6]。因此，为了减少并联安装电涌保护器后的电感性电压，连接线越短其电感值越小。电涌保护器的连接线总长度应＜0.5 m。有效保护水平Up/f应小于设备耐压冲击电压额定值Uw，参考《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB 50343—2012）中的图5.4.3-2，如图1所示。

图1 相关规范参数要求

电涌保护器的连接线总长度＞0.5 m时，需多使用一组连接线。由于多了一组线，因此电感电流平分在两组线上，所产生的磁场强度就减低了一半，感应电压可降至一个可接受的水平。这样，可采用两条地线，一条连接接地排，另一条连接配电箱的金属外壳。在下列情况下，接地线长度大于1 m时，如2 m、3 m或4 m，则可采用多条线缆，但线缆之间必须相隔最少0.5 m。

电涌保护器的安装固定，应注意电涌保护器和后备保护器装置的正反方向，需遵守上进下出的规则。按照防雷技术规范要求，电涌保护器接线①的线缆规格如下：电源线截面积不小于16 mm2，接地线截面积不小于16 mm2。

安装后，应检查接线处是否碰触在一起，如有碰触则应立即进行处理，以免造成设备短路等情况发生。电涌保护器安装完成后，应用万能表测试电涌保护器和后备保护器装置上的各接线端是否都完全接通，确定后再将空开合闸。所有安装工作完成后，需定期检查其连接是否松动，工作状态是否正常，若出现损坏等现象时应及时更换。

4 安装SPD监测系统的有益效果预期

采用上述SPD智能监测技术和智能电涌保护器，通过引入物联网技术，可实现SPD电压、电流、温度、SPD劣化状态及SCB状态等相关数据的实时监测，并将数据及时传送至统一的管理平台。管理工作人员只需通过浏览器访问平台，即可实时监测SPD的运行状态、运行数据，展示报警信息，统计报警信息。在实现实时监测SPD工作状态的同时，提高了管理效率，节省了人工和维护成本，提高了发射站的防雷安全管理水平，可取得有益的经济效益和社会效益。

5 结 语

在对现有广播发射台无人值守发射站电涌产生的影响和传统电涌保护器存在的问题进行分析后，本文提出了SPD智能监测技术和安装智能型电涌保护器的应用思路。通过正确安装电涌保护器并接入物联网进行实时SPD状态监测，可达到预期有益的效果。在条件许可的情况下，建议按本文内容进行改造。本文方案也可为新建高山广播发射台无人值守发射站防雷系统设计提供有益的参考。