雷电在广播电视发射台的综合防治

■榆树市融媒体中心（榆树广播电视台）：曲振军

1. 雷电的种类及对广播电视设备的危害

雷电是一种常见的自然现象，通常形成于雷雨云中，云层正负电荷在云层不同位置聚集时产生一定的电压差，电压差积累到一定程度就会导致放电产生而出现雷电。雷电产生的能量巨大且具有随机性，对人类的生产生活设施具有非常大的危害。基于雷电产生的条件和表现，我们可以将雷电分为直击雷、感应雷、雷电侵入波和球雷四个大类。

一般来讲，直击雷是由雷云之间或雷云对地面物体直接放电的现象，其放电电流大（可高达数十万安培），持续时间短，可产生重复放电，在地面上会留下明显的烧灼及坑洞等破坏痕迹。感应雷，则是雷击发生后，带电云层中的电荷迅速消失，在地面的一些区域产生超高散流电阻，形成局部高压或者是在直击雷放电过程中产生的脉冲电流对周围的线缆及金属导电物体产生电磁感应进而发生的闪击。依据放电形式的不同，感应雷一般分为静电感应雷和电磁感应雷。静电感应雷是指雷云中携带着大量的负电荷，在地面和云层之间形成一个由带电粒子组成的电场，电场会在户外线路上形成大量的正电荷，在雷云对地或对地放电过程中，负电荷减弱正电荷瞬间增强，产生极大的电流冲击，造成电气设备损坏。电磁感应雷就是指在输电线路周围或者击中避雷针时，会形成一种交流电磁场，电磁场的能量会作用在电气设备上，导致设备发生过载进而发生不可逆的损坏。相比以上两种雷击形式，还有一种形式的雷电也会对线路及金属结构装置产生非常大的损害，即雷电侵入波。雷电侵入波主要是沿架空线路及金属外管线传导并迅速扩散，导致线路瞬间电压过载，极易造成电气设备及供电系统的损害。最后一种，是并不常见的球雷，这种雷电形式比较特殊，具有移动性，可以伴随空气运动进入室内，导致接触性爆炸，造成物体破坏和人身安全伤害，也需要进行针对性的防范[1]。

雷电对广播电视发射台的危害主要有两种，即直击雷和感应雷。直击雷是影响电台发射台安全运行的重要因素之一，其威力巨大，对建筑物、电视广播发射机及工作人员造成极大的伤害。相比直击雷，感应雷影响区域较广，发生概率比直接雷要高得多，因此对广播电视传输和发射设备的危害更为严重。更值得关注的一点是，在当今的广播、电视传输装置中，随着IC的大量使用，其工作电压不断降低，印制电路板之间的线路间距也在不断缩短，这就导致了其对雷电的抵抗能力不断下降。因此，强化广播电视发射台的防雷工作成为重中之重，而相应防雷、避雷设施也必须要进行科学、合理的设计，将雷电的危害降到最低。

2. 接地系统问题对防雷工作的影响

电视广播系统的接地系统问题对于系统的整体运行与安全至关重要。首先，接地系统的设计与配置在许多情况下并未达到最佳。例如，共用接地系统虽然考虑到了直击雷与感应雷接地的整合，但与直击雷的引下线直接连接，容易导致地电位反击。当雷电事件发生时，这样的配置可能对机房内的设备造成威胁，因为地电位反击有可能破坏设备，导致广播系统的中断。其次，接地系统的工频接地电阻问题也值得关注。当前的接地系统电阻过高，没有满足机房内直流设备要求的标准。高的接地电阻将减弱接地系统的性能，使其在雷击时不能为电气设备提供足够的保护。另外，现场等电位连接系统虽然已确保机房内部设备外壳与接地网排进行了可靠连接，但仍需确保这种连接在整个系统中都是一致的，并在所有必要的区域都得到正确的布设和实施[2]。如图1所示。

图1 接地模块布置示意图

3. 电视台广播电视系统雷电的综合防治

要做好防雷工作，首先要提高对雷击灾害及次生灾害的认识，做到“意识在前，行动同步”。针对常规地理位置和高海拔、气候变化剧烈地区的广播电视台站采取全方位、多层次、定制化的防护策略。同时，根据我国及工业防雷的相关规范，并根据发射站的地理环境、建筑设施及设备布局等因素，制定出科学实用的防雷设计方案。依据GB50343－2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》的规定和《建筑物防雷设计规范》GB50057－2010等相关规制，我们台站内部电子信息系统的雷电防护等级被确定为B级，广播系统需要进行多级防护。第一级防护主要泄放大部分雷击电流，而后续级别则配合第一级，消除残余的雷电流和过电压。通过这种分级防护，我台站广播系统的设备能够被有效地保护，确保其在雷击发生时能继续正常工作。

3.1 天线塔防雷

电台、电视发射台均配有天线塔及发射天线，铺设位置皆位于电台大楼的最高处。基于设计理念和工作原理，天线塔自身可以是避雷塔，也可以是“引雷器”，所以对电台天线塔的雷电防护工作至关重要。

3.1.1 天线塔避雷针的防雷应用

防雷工作在具体开展应严格按照国家《建筑物防雷设计规范》相关标准，结合广电台站所处的地理位置、地形、现有的防雷水平，还有天线塔的类型，更合理地进行天线塔避雷针的布置。依照常规的技术规范，一般的电视和微波枢纽，其地面电阻都要控制在4欧姆以内。为了给接地安全提供保证，接地电阻测试工作必须要在雷暴来临之前开展。若条件允许，电台或者是电视台站还可以进行防雷限制电流的避雷针的设置[3]。一般来讲，AR型避雷针能够有效实现对快速升高雷电功率的合理抑制，减少雷电冲击脉冲强度的同时，也会显著减少感应雷的发生。具体来讲，是将高电阻材料视为限制电流的主要设置。高电阻实现降压之后，通过降低高阻抗材料的阻值来抑制反击，同时也实现了对上行先导传播的抑制。即使上行先导接近或抵达雷云，由于相应设备具备抑制雷云电荷的放电作用，所以，所有的雷电不能在瞬间中和，更不会发生强力的放电现象。进一步来讲，“先导”向其他雷云的发展也是一样受到限制。这样，在AR限流避雷针中，受约束的雷击电流会持续更久，降低了雷击风险。

3.1.2 避雷针与消雷器联合防雷应用

在进行避雷针安装时，需要对天线塔避雷针的实际保护范围做出精确计算，且还要留有余地。若发射机房的建筑物不处于保护范围当中的时候，可以进行多支等高、又或是不等高避雷针保护方案的设计，避雷针引下线要和建筑物或是电气设备保持至少5 m的距离。要考虑到地形相对突出的高山发射台，且带电雷云层较低的时候，天线塔避雷针的防雷效果是非常有限的。可通过避雷针、消雷器的有机整合来增强防雷效果。消雷器主要分为离子化装置、接地装置、连接线装置这几部分，简要工作原理为：①拥有相对均匀的顶端空间电场，这样向上的引发光导也难以产生；②空间电荷屏蔽作用的发挥，可以有效的制约雷云向下的光导持续向下继续发展；③雷云向下的光导深入距消雷器顶360～300 m的时候，该装置上空的空间电荷会向光导端部快速转移，从而有效的抑制向下光导的发展方向。除此之外，光导通道会有空间电荷进入，其中的一些异性电荷会被中和；④光导端部到消雷器顶端距离缩小到一定数值后，其距离产生的间隙上的场强也从每米几十伏逐渐上升到数百伏。基于此，消雷器可以通过光导通道来将大量的电荷粒子流发送到雷云，电流强度可达到安级，最大值可以达到100 A左右，这样雷云电荷会大幅度降低，最初可能出现的kA/s的主放电过程也可以向A/s的放电过程转化。在此背景下，消雷器附近便不会存在反击与感应电压了[4]。导体消雷器若不能消雷，还可以在建筑物房顶女儿墙、房角，或利用围墙、栅栏装置闭合避雷带、均压网等辅助防雷设施。不论是避雷带还是均压网都要进行多根引流线的连接，在建房屋可以结合具体情况，在施工时与建筑结构内的钢筋连接，保障更好的防雷效果，也提升了引流线的使用年限和线缆的防护度。

3.2 供电系统防雷措施

经过一系列实践可以明确，广播电视发射台站的大量雷击引入都来自供电系统，尤其是基于感应雷产生的浪涌电压，峰值很高，会给设备带来不同程度的破坏，所以，针对供电系统，可引用分层设防设计方案。

3.2.1 安装架空避雷线

可以将架空避雷线安装在发射台站自备的架空高压线路上，长度合理控制在300～500 m。除了终端杆，避雷线每杆做一次接地，终端杆则要增加一组避雷器装置。已建线路的避雷线加装若存在很大难度，可以将避雷器增设在高压电力线路终端杆、终端杆前第1、3或第2、4杆上，第3或第4杆可以进行一组高压保险丝的增设，以此来更好的泄放架空高压线路引入的直击雷或感应雷。

3.2.2 变压器两侧安装避雷器

对于变压器的高压侧、低压侧应结合需求，进行容量较大、动作灵敏的避雷器的安装。在此过程中应注意，变压器中性点一定做到就近直接接地，接地电阻要控制得比允许值低。确保通过高、低压避雷器，雷电流可以更顺畅地向大地泄放。比如，建设中的线路，一般都会选择土壤电阻率相对较低的地方来设置变压器。而对于低压入户线一般都是铠装电缆直接埋地引入，两端金属外皮也要做到就近良好接地。

3.2.3 等电位连接技术多级防雷

作为一种比较重要的防雷措施，等电位连接技术的应用主要是确保广播系统中的设备、结构的电位水平可以处于相同状态。其原理是：若各部分所处电位相同，雷电的感应电流在电视台设备或是电缆间的流动便不太可能，可以防止因为电位上的差异而使得设备受到损害，或者被电磁干扰。

结合GB50343－2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》和GB50057－2010《建筑物防雷设计规范》等相关技术规范，广播电视发射系统要进行多级防护的设置。第一级防护主要是为了进行大部分雷击电流的泄放，后续级别则是为了与第一级相配合，从而将残余的雷电流、过电压消除。通过分级防护，广播系统的设备可以获得更好的保护，即使有雷击产生，也可以继续正常工作。

这种等电位连接要想实现，广播电视发射系统中的所有设备都应和一个公共接地点链接，一般都是一个接地条或接地母线。这样即使雷击直击系统的某一部分，或出现感应，其他部分也可以防止受到损害，主要是因为电流会流向接地点而不是其他的设备。同时，低压供电系统、信号线路也要结合具体情况，引用与之相适应的浪涌保护器，从而取得理想的保护效果。比如，可以将电涌保护器和后备保护器合理安装在发射楼的低压配电室和机房分配电上，以确保供电系统即使受到雷击，也可以保持稳定运行状态。

3.2.4 合理布线技术

在电视台广播系统当中，为了尽可能减少雷电带来的干扰，更好的保护电子设备，要注重布线技术的科学使用。布线中，所用缆线的敷设要防止长期暴露在自然及露天环境中，又或是其他可能受到雷电影响的区域进行敷设。线缆布置尽量减少交叉、重叠的产生，以此来减少因为感应雷而受到的干扰。同时，布线的时候，电气设备、信号设备的相对位置也要考虑到，避免将高功率设备、低功率设备设置在相邻的区域，从而减少过电压和相互干扰等潜在风险[5]。

电源线、信号线的布设要进行专门的规划，依据GA267－2000《计算机信息系统雷电电磁脉冲安全防护规范》，还要增设专门通道、槽道的设置来加强保护。布设信号线的时候，不能和电源线离得太近，尽量避免相互干扰。线路线缆在进入建筑物、关键设备之前，所有线缆都要进行专用防雷器的配备，以免外部雷电的干扰会向内部系统侵入。

线缆接地也是布线技术中不可忽视的一部分，所有线缆都要依照DL/T621－1997《交流电气装置的接地》贵伐，并结合实际情况做好接地处理，这样不论是哪种形式的雷电干扰都可以做到向地面的快速泄漏，为电视台广播系统的稳定运行提供保证。

3.2.5 共用接地技术

在电视台广播系统的综合防雷措施当中，共同接地技术的应用也是非常重要的。如，发射塔的四周进行环形放射接地网的设置，引用ZY-FJM-GD型高导接地模块来用作垂直接地极，同时以40*4 mm热镀锌扁钢来用作水平接地极，使得系统的连续性、完整性可以得到保证。地沟的开挖深度、宽度都要给予合理控制，安装高导接地模块的位置也要特别注意，对地下的电阻和土壤的导电性能做出充分考虑。兆宇等离子接地极ZY-LJBLT5020具有良好的垂直接地性能，各项设计应允许垂直埋在地下深井当中，以确保可以发挥出理想的导电性。

要确保接地系统有效性的充分发挥，除了焊接接地极，还要引用降阻剂、泥土混合物来进行回填，这样不仅增加接地极的接触面积，提升接触性，接地电阻也会有效降低。除此之外，为了避免腐蚀接地系统，减少环境因素带来的影响，焊接部位还要做好防腐处理。同时，结合电视台广播系统地理位置、建筑结构以及特定区域引入放射接地网，促使接地系统性能的显著增强。如图2所示。

图2 深井接地施工平面图

3.3 室外引入线防雷措施

室外引入线指的是台站内各种吊馈管的钢绞线及固定架、铁塔过桥和塔灯电源线以及各类管道、各种视音频信号线等等。若遇到雷电天气，引线的外皮很容易引入感应雷或者是感应电压到机房，所以，还需要联系实际采取相应措施来进行电气阻塞，降低或规避潜在的风险。

3.3.1 保证馈管两端良好接地

进入机房之前，馈管的外皮要就近连接地网，还有吊馈管的钢绞线、固定架、过桥，每隔一段距离都要进行逐点接地，不能有遗漏或随意地延长接地点间距，以免降低接地效果。

3.3.2 线缆就近连接地网

不同类型的引线要注重屏蔽电缆的使用，进入机房之前，屏蔽层应做到和地网就近连接。若引线较长，又或是条件允许，进入机房之前，可水平埋入地下，长度可以控制在10 cm以上。若没有屏蔽电缆，可将铁管置于线缆外部，而后按照各项要求来埋入地下。电缆引入机房后，若有闲置的芯线，也不能不作处理，要在两端做好接地，防止空置线缆意外引入雷电。

3.4 室内设施的防雷措施

3.4.1 多点连接室外地网

机房内要结合设备的摆放情况，以铜皮来进行地网的铺设，通过多点和室外地网的连接来营造理想的等电位环境，杜绝电位差。

3.4.2 防雷保护元件应用

结合实际需求，通过对防雷保护元件的科学、合理引用来更好的保护电子设备。如，应用同轴电缆保护器(CSP)、数据线保护器(DLP)等。

3.4.3 建立可靠接地连接

机房中，不论是屏蔽接地、机壳接地，还是工作电路接地、保安接地等方面都要做到协调统一，就近和机房共同地网可靠的电气连接。高山台站也要实现将机房铝制门窗、水管，以及走线架等各类导体和地网就近连接。

4. 实施防雷措施中注意的问题

4.1 依照防雷分区进行等电位连接

IEC10-24、IEC-1312《关于防雷分区和等电位连接的概念》明确说明防雷区域的划分可以围绕雷击在不同区域的电磁脉冲强度来实现，在不同防雷区域界面上做好等电位连接或与金属物直接连接，无法直接连接的，可以针对不同防雷区域的划分来引用等级不同的防雷设备来防护。经过一系列实践可以证明，分区等电位均压连接，是有效的防雷方法。在进行地网铺设的时候，发射台站要注重避雷针接地、铁塔接地，以及机房和设备保护接地的协调统一，以此来实现等电位连接。为此，接地系统的接地体、接地线截面要符合要求，接地线要控制在16 cm以上[6]。在这里，还需注意一点，如天线塔、变电室等相互之间距离超过40 m，则应铺设分区地网并分别接地。

4.2 严格控制接地质量

要想取得理想的防雷效果，还应保证接地质量，不论是哪种接地线还是地网，都要有十分可靠的电气连接，焊接点的防锈处理也非常重要。岩石多的高山台站接地点可以结合具体情况，实现盐、木碳、铁屑的合理填埋，或应用GDSZ系列高效降阻剂以及DDT系列导电混凝土等新材料，以此来尽可能地降低接地电阻。地网维护工作要到位落实，需要对各点接地电阻进行定期测试，以确保接地电阻可做到与设计要求相符合。

4.3 定期调整防雷元件放电间隙

维护工作具体开展中，相关工作人员要对防雷元件放电间隙的定期调整，对各类保安器件，以及接触点、避雷器是否良好、是否有效进行细致检查，以此来减少设备元件出现老化风险的可能，将潜在故障有效排除，为防雷设备的稳定运行提供保证。

5. 结束语

防雷工作的有效落实，能够为广播电视发射台站稳定运行提供有力保障，同时也是安全播出的首要防范措施。对此，应在明确雷击危害类型的基础上，设计一个科学且与广播电视发射台工作环境相符合的一体化防雷方案，使得天线塔、供电系统等能够有效地抵御雷击。而相关防雷设施维护工作的严格落实也是重点，要不断优化维护制度，相关故障与隐患一定要及时检测排除，做到有备无患。