关于广播电视高山台站防雷减灾措施与应用技术实践

关于广播电视高山台站防雷减灾措施与应用技术实践

作者：闫旭东姚天明

来源：《电子世界》2012年第03期

【摘要】广播电视高山台站的防雷工作，历来是各高山广播电视台站的一项重要工作内容。本文对不同雷电灾害的形成及造成的危害进行了较为详细的概述，说明了防雷工作的重要性，分析了高山台站雷击灾害的特点及防雷工作的注重点。并结合稷王山发射中心的防雷实践，介绍了高山防雷应采取的具体方案。

【关键词】高山；雷电；特点；减灾；防雷措施

1.引言

随着国家广电总局对广播电视节目无线覆盖工程的重视，各高山发射台站已有设备得到了更新，增添了一批全固态或数字发射传输设备。就拿我们稷王山广播电视发射中心而言，2007年之前仅承担着省市两套广播电视节目的无线发射任务，而目前承担着中央、山西省及运城市共8套各级广播电视节目的无线发射和微波信号传输任务。这些新的发射设备和数字微波传输设备，大多采用CMOS集成电路和大功率模块，它们普遍对电网电压的质量要求较高，对浪涌电压承受能力较弱，因此成为雷电浪涌电压侵入的薄弱环节。加之高山台站的特殊地理环境，决定了高山台站遭受雷击的概率、强度均大于平原地区，同时高山台站高电阻地网及耐雷水平极低的各类发射、接收设备，决定了高山台站雷击事故居高不下。所以，如何防雷减灾，保障高山台站的设备安全，确保广播电视节目的安全播出，日益成为我们各级广播电视工程技术人员迫切需要关注与研究的重要课题。

2.雷击的形成与危害

雷电是因强对流气候而形成的雷雨云层间和云层与大地间强烈瞬间放电现象。当雷电发生时，产生强大的雷击电流，炽热的高温，猛烈的冲击波，瞬变的电磁场和强烈的电磁辐射等综合物理效应，对建筑物、电子电气设备和人、畜造成危害，是一种严重的气象自然灾害。

2.1 直击雷的形成与危害

直击雷是带电的云层与大地某一点之间发生迅猛放电现象。雷电流也是电流，它具有电流所具有的一切效应，不同的只是它在短时间以脉冲的形式通过强大的电流，尤其是直击雷，它的峰值可达几十KA，甚至几百KA。它的峰值时间（从雷电流上升至1/2峰值算起，直至下降到1/2峰值至的时间间隔），通常负闪击只有几微妙到十几微妙，正闪击较长些，正是这种特

殊情况，使雷电流具有它特殊的破坏作用。它以强大的冲击电流、炽热的高温、猛烈的冲击波、强烈的电磁辐射和静电感应，损坏放电通道上的建筑物、输电线、电子设备等。

2.2 感应雷的形成与危害

感应雷是带电的云层由于静电感应和电磁感应作用，使地面某一范围带上相反的电荷，当直击雷发生后，云层所带的电荷迅速消失，而地面某些范围由于散流电阻大，散流速度相对较慢，以致出现局部高电位，或者由于直击雷放电过程中，产生强大的电磁脉冲电流对周围的导线或金属物产生电磁感应发生高电位以致发生闪击的现象，感应雷又叫“二次雷”。

雷电感应是由于雷雨云之间和雷雨云与大地之间放电时，放电通道周围产生的电磁感应及雷云电场的静电感应，使建筑物上的金属部件，如管道、钢筋、电源线、信号传输线、天馈线等感应出雷电高电压，通过电源线、信号线、天馈线以及进入室内的管道、电缆、走线桥架等引入室内造成放电，从而破坏电子设备。一般来说，感应雷没有直击雷那么猛烈，但它发生的几率比直击雷高的多。因为直击雷只发生在雷云对地闪击时才会对地面造成灾害，而感应雷则不论雷云对地闪击，或者雷云之间闪击（据观测资料介绍，雷云对雷云闪击比雷云对地闪击几率高得多），都可能发生并造成灾害。此外，直击雷一次只能袭击一两个小范围的目标，而一次雷闪击可以在比较大的范围内多个小局部同时发生感应雷过电压现象，并且这种感应高电压可以通过电力线、电话线等金属导线传输到很远，致使雷害范围扩大。雷电感应的破坏作用悄然发生，不易察觉，后果远比直击雷严重得多。

2.3 球型雷的形成与危害

球型雷是一种橙色或红色的类似火焰的发光球体，偶尔也有黄色、蓝色或绿色的。大多数火球的直径在10～100㎝左右。球雷多在强雷暴时空中普通闪电最频繁的时候出现。球雷通常沿水平方向以1～2m/s的速度上下滚动，有时距地面0.5～1m，有时升起2～3m，它在空中漂游的时间可由几秒至几分钟。球雷常由建筑物的空洞、烟囱或开着的门窗进入室内，有时也通过不接地的门窗铁丝网进入室内。最常见的是沿大树滚下进入建筑物并伴有嘶嘶声。球雷有时自然爆炸，有时遇到金属管线而爆炸。球雷遇到易燃物质（如木材、纸张、衣物、被褥等）则造成燃烧，遇到可爆炸的气体或液体则造成更大的爆炸。有的球雷会不留痕迹地无声消失，但大多数均伴有爆炸声且响声震耳。爆炸后偶尔有硫磺、臭氧或二氧化碳气味。球雷火球可辐射出大量的热能，因此它的烧伤力比破坏力要大。

2.4 雷电电磁脉冲的形成与危害

雷电电磁脉冲（Lightning Elec

-tromagnetic Pulse）简称LEMP，是天空打雷时产生的作为干扰源的强大闪电流及其电磁场。它的感应范围很大，对建筑物、人身和各种电气设备及管线都会有不同程度的危害。这种危害就是雷电电磁脉冲所产生的干扰。

建筑物内的雷电电磁脉冲干扰指以下三种情况：

（1）天空中雷电波的电磁辐射对建筑物内电力线路和电子设备的电磁干扰；

（2）建筑物的防雷装置接闪时，强大的瞬间雷电流对建筑物内电力线路和电子设备的干扰；

（3）由外部各种强、弱电架空线路或电缆线路传来的电磁波对建筑物内电子设备的干扰。

在各种干扰中，电磁干扰对广播电视发射系统的危害尤为严重，而雷电是常见的大气层中强电磁干扰源，云地放电的峰值电流高达几百千安，而电流上升仅几个μs，持续时间为ms～s 的数量级。因此，雷电放电时，可以产生强烈的电磁辐射，通过空间来耦合或金属导体侵入设备，轻者造成工作失常，重者可使设备局部损坏或整机报废，造成巨大的损失。据统计，因雷电电磁脉冲（LEMP）造成的电子设备直接损失约占雷电灾害的80%以上。

3.广播电视高山台站雷击灾害的特点

雷电袭击广播电视高山台站的途径如图1所示。

稷王山广播电视发射台经多年统计雷电事故，发现雷击造成的故障和损坏的器材大多为供电高压变压器、发射机电源系统及通信系统等。根据我们的研究，雷击造成电源系统损坏的原因有以下几种情况：

（1）电力线感应雷造成设备损坏。尽管供电线路上安装了高、低压避雷器，但高山台站的地网电阻一般在10Ω以上，有的高达30Ω（这是由地质情况所决定的），所以由电力线侵入的雷电波在线路上的残压仍会很高。例如：220V低压氧化锌避雷器在1.5KA时残压为

1.3KV，若考虑10Ω的地网电阻上的压降，电源线上总残压为

Uz=1.3KV+1.5KA×10Ω=16.3KV，大大超过设备耐压水平，从而导致烧毁设备的事故发生。

（2）地网反击造成发射机电源系统损坏。当雷电流为100KA（出现概率为20%）时，若地网电阻为10Ω，地网电位可达100万伏。而电源变压器一般在远离发射机房数百米处，且采用独立接地网，不随铁塔地网浮动，在设备窄小空间内会发生设备外壳向电源放电的反击现象。此时若安装避雷器，会出现雷电能量由地网通过避雷器向电源线“倒灌”。

（3）直击雷经馈线入机房对发送设备造成损坏。一般各台站机房内的所以发送设备的接地线均与电缆沟中铜排接地，当直击雷击中铁塔后，雷电流沿同轴电缆外导体进入机房，并流过电缆沟中的铜排。

实验表明，若雷电流为100KA，每根波导管流过的雷电流占总雷流的1/6，高山台站一般有多（n）根同轴电缆（稷王山目前有9根馈线）从塔上天线接至发射机、微波机，故流入机