论广播电视发射系统的雷电损害成因及综合防雷保护技术

朱凤华

（枣庄市枣庄转播台，山东 枣庄 277100）

0 引 言

雷电灾害是联合国公布的10种最严重的自然灾害之一，被国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）视为“信息时代的公害”。随着自然环境的变化，全球雷电灾害呈逐年增加的趋势。近年来，广播电视技术及发射系统设备不断更新换代，各类规模化集成电路、微电子及计算机等精密设备应用广泛，发射设备内置大量半导体集成模块，具有集成度高、工作电压低、抗雷电电磁脉冲能力差及过压、过流脆弱等典型特征，这种特征决定了广播电视发射系统极易遭受雷击损害。一旦遭遇雷电，轻者将影响发射台设备正常运行及广播电视节目的安全播出，重者会严重危害人们生命安全，引发严重的经济及社会危害。因此，如何加强广播电视发射系统的综合防雷保护，成为广播电视台安全防护的重要课题之一。广播电视发射系统相关的雷电危害种类众多，涉及地电位的反击危害、雷电直击危害、击中后的电感应危害以及雷电波侵入危害等；发射系统的接地危害也很多，如直流、交流、安全保护与防雷接地等。为了保障广播电视发射系统的安全运行，有必要深入探讨广电发射系统的雷电损害成因及综合防雷保护技术。

1 广播电视发射系统的雷电损害成因

雷电是因空气的对流运动形成的。积雨云中雷电的产生往往伴随着强大的电流与冲击力，具有极强的破坏力。雷击涉及多种类型，如直击雷、感应雷、球形雷等。就广播电视发射系统而言，雷电损害主要体现在如下几个方面。

1.1 直接雷击损害

直接雷击损害是指建筑物、动植物、人等受雷电直击，在热效应、电效应及机械效应等因素的影响下而引发的人畜伤亡或建筑物损坏等问题。雷电蕴含着巨大的能量，直接雷击会造成巨大的破坏。对于广播电视发射系统而言，雷电直击将释放出上千安的电流与百万伏的电压，并在短时间内迅速放电，可能对广播电视发射系统的设备及设施带来严重的热效应损伤，或形成电效应、电动力效应，引发电路故障，严重时甚至能导致设备烧毁[1]。

1.2 感应雷击损害

感应雷击指的是雷云放电时在金属导体处所形成的静电感应或电磁感应。雷云对地放电往往会引发地面通信线路、电力线路或设备连接处出现电磁感应。该电磁感应还会侵入线路设备，产生进一步破坏。相对于直接雷击损害，感应雷击损害虽危害程度较轻，但发生率较高，且在电力线路的作用下，感应高压的影响范围会持续扩大。由于电子电气设备是感应雷击的主要对象，因此，此类雷击对于广播电视发射系统的危害不容忽视。广播电视发射系统感应雷击损害主要包括两种，一种是雷云放电时引发的强雷电流脉冲与地面物体产生近距离雷电感应，继而引发高压电流，对发射系统设备造成严重损害，甚至造成发射台设备被击穿或烧毁；二是雷电区域内的地面设备与雷云中的静电产生感应，尤其是发射架等较高金属设施，更易遭遇 损害[2]。

1.3 地电位反击损害

地电位反击损害是当直接雷击发生于外部防雷装置时，接地电阻两端产生过电压，受接闪物影响，设备接地线与其他设备连通，导致设备遭到进一步损害的现象。对于广播电视发射系统而言，当设备遭遇雷电直击，电流将沿着避雷设备进入地面，形成地电位反击损害，此时无论是接地体还是引下线亦或避雷装置等，电位均会急剧上升至数十万伏，继而导致发射设备严重受损。地电位反击损害并非直接危害，发生率较低，对于发射系统及其相关设备的危害度较低[3]。

1.4 雷电电磁脉冲侵入损害

广播电视发射系统遭遇雷电击中后，发射台本体、相关设备、金属管道及架空线路间往往会因雷电效应而产生雷电电磁脉冲。雷电电磁脉冲会沿着设备金属管线、架设线路等侵入发射系统，并对发射线路及关联设备造成严重危害。从发生率层面而言，雷电电磁脉冲侵入损害相对频繁[4]。

2 广播电视发射系统的综合防雷保护技术

2.1 雷电直击损害的防护技术

为了有效防止广播电视发射系统遭受雷电直击损害，一方面，需要利用接地体的散流作用，将其埋入地下，利用相互连接的方式形成网络，继而达到疏导和扩散雷电流的作用，通常需要选择壁厚的钢管或扁钢等接地体材料，并将其构建成环形网络，该结构能够在引下线和环形地网组合的情况下均匀分散内部电位，有效弱化雷电直击的危害；另一方面，针对易受雷电直击的发射塔及相关设备，需要科学安装接闪器即避雷针、避雷网等，通过选择与发射设备相匹配的避雷器，将其安装在发射台顶部，达到避雷的效果。为了提高防雷效果，还需要对接闪器及防雷保护区域面积进行校准[5]。此外，还可设置引下线提高防雷效果。应注意的是，引下线设置时数量必须大于2根，并在发射台周围以对称方式布设，如此方可确保下泄电流磁场均衡抵消。设置引下线时，间距不得超过18 m，否则将失去防雷效果。若引下线长度有限，可通过焊接适度延长。对于框架结构的建筑物，需要利用发射台内部钢筋形成引下线，如此方可确保侵入的雷电流均匀入地[6]。

2.2 感应雷击损害的防护技术

针对感应雷击损害的防护技术又被称为内部防护技术，主要是通过均衡系统电位、限制过电压幅值而达到防雷保护的作用。感应雷击防护主要由均等电位连接、过电压保护器等构成，针对感应雷击侵入途径的多元化，可分别从电源防雷、信号系统防雷、等电位连接、屏蔽接地等方面出发，有效保护设备和电源，使雷电感应通过设备外机壳时受到屏蔽。

针对电源防雷，可依循多级防护的原则，采用避雷器防护方案，结合接线、接地、接熔兹等要求，采用三级SPD保护模式，借助SPD瞬时将设备接入等电位系统中，成功将雷击脉冲能量泄放到大地，从而防止设备因过电压冲击而遭受破坏；针对信号系统防雷，需要结合信号线种类、接口类型、通信方式等科学选择避雷口，并利用避雷口串联或并联等方式限制过电压，保护相连的电子设备；等电位连接是利用导体将各自独立的接地系统相连接，从而减小雷电流在系统间所产生的电位差，实现雷电能量的有效释放；屏蔽接地是利用连续的金属槽两端接地形成屏蔽，以此规避雷电电磁脉冲对槽内线路的损害[7]。

2.3 地电位反击损害的防护技术

针对地电位反击损害，需要采取对应的地电位反击防护技术，避免发射机内引入瞬间高压破坏设备。通常，地电位反击损害的防护是借助共同连接保护接地、防雷接地、工作接地等方式，建立起一个性能稳定的等电位接地网络。这样，当广播电视发射系统的接地装置中的导体处于同等电位状态时，将有效避免高压电位反击的危害。值得注意的是，如果等电位连接过程中各接地独立时相互距离达不到规范要求，极易引发地电位反击损害。针对此类雷电损害，需要尽可能将供电系统接地网、发射铁塔接地网、建筑物接地网、发射设备保护接地网等连接在一起，若实际情况不允许直接连接，则需要借助等电位连接器的帮助[8]。

2.4 雷电电磁脉冲侵入损害的防护技术

对于雷电电磁脉冲侵入损害而言，最有效的防护技术是采用接地方式进行分流和泄放，这也是电位均衡补偿的基础，旨在使雷电流通过低阻抗接地系统向大地泄放。为了达到合理接地的目的，一方面需要依循规范及发射系统的差异对地线进行改造，必要时利用低阻、高效、非金属接地模块与降阻剂减小地线电阻，达到降低反击电位之效；另一方面，需要将系统接地与防雷接地实行“共地”，即利用公共接地点提供基准零电位，以防各系统独立接地继而产生毁坏性电位差。接地体多采用网状接地体、板状接地体等方式，其中，网状接地体是利用扁钢做成长方形或方形网状，面积在12～16 m2，水平埋入地下1～2 m深，并以扁钢焊接引出地面；板状接地体则是由厚度为3～4 mm的铜板或铁板埋入地下1～2 m处，以铜带引出地面[9]。

3 结 语

随着广播电视节目收视率的逐步提高，广播电视发射系统所承担的任务愈加重要。广播电视发射系统面临的最大问题即雷电损害，加上信息电子设备数量的不断增加及其精密度的持续提升，发射系统面临的雷击概率也逐步提高。因此，必须根据雷电的产生机理及其危害性，结合发射台遭受雷击全过程，分别从直接雷击、感应雷击、地电位反击、雷电电磁脉冲等多方面出发，持续深入地探索广播电视发射系统雷电损害的形成原因，并从广播电视发射系统安全运行的角度出发，通过宏观到微观、内部防雷到外部防雷、天线到地线、强电到弱电各方面统筹考量，制定系统、完善的综合防雷保护技术方案，配合防雷系统的日常维护、接地电阻的定期测量，切实提升广播电视发射系统的抗雷击水平，保障广播电视节目的正常播出。