浅谈广播电视系统的防雷技术
摘 要:本文介绍了雷电的成因,分析了雷电对广播电视系统的危害,并介绍了广播电视系统防止雷害的技术和措施。
关键词:雷电过电压避雷装置广播电视系统
中图分类号:TM7 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2011)03-0137－03
雷电危害是较为严重的自然灾害之一,广播电视系统因其设施、结构和建筑物等原因,很容易遭受到雷害,为了保证广播电视系统安全运行,必须做好防雷害工作。中南地区是我国雷电活动最频繁的地区,在这些地区做好防雷害工作,是各级广播电视部门的一项极其重要的任务。
1、雷电及其危害
雷电是大气中的放电现象。雷电对电力、建筑、杆塔等设施经常造成危害的就是云团与大地之间放电形成的雷电。在我国中南地区,雷电活动极为频繁,海南省年平均雷电日高达130多个,广东省、广西自治区约为100个,湖南省、湖北省为60－80个,河南省为40多个。
雷电危害是过电压危害形式之一。过电压是指系统的电磁能量发生瞬间剧增,使系统设施及设备不能承受因此出现的电压升高而遭受损坏。雷电是高危险的过电压,其值可高达一百多千伏,它可以在系统设备的普通保险装置还未起作用时就将其击坏甚至烧毁,这种危害无论是形式还是后果都是非常严重的。
雷电过电压又分为直击雷过电压和感应雷过电压两种形式。当雷电放电不是击中地面,而是击中输电线路的导线、信号网络的电缆、杆塔或其它建筑物时,大量的雷电流流过被击物体,在被击物体的阻抗上产生电压降,被击点出现很高的电位,这种现象称为直击雷过电压。在先导放电阶段,先导通道上积聚着大量的雷云电荷,处于先导通道附近的架空输电线路的导线或信号网络的未连地电缆上就会感应上大量的异性束缚电荷,当雷击大地主放电时,雷云电荷自下而上被迅速中和,这时线缆上的束缚电荷因失去约束而成为自由电荷,它以电压波的形式沿线缆两端流动,因速度很快而感应电压波的幅值很高,这种电压波就是感应雷过电压。直击雷与感应雷过电压形成的情况如图1所示。
雷击危害对社会生产和社会生活的威胁是很严重的。以雷击目标为中心,半径为2000m范围内都可能产生危险过电压。建筑物、事业设施、线缆电器或树木古迹等,在没有防雷装置或防雷装置不完备的情况下,一旦遭受雷击,都会不同程度地遭到破坏。据国际电工委员会IEC统计雷击的能量最大可达350kA。当强大的雷电流通过这些物体入地时,瞬间能产生很大的振动力、高温与高电压,从而造成电击损坏、着火、崩塌甚至爆炸。
2、雷电对广播电视系统的危害
根据雷电的成因及其活动的规律,我们知道,广播电视系统的建筑物、设施和器材,因其特殊性,几乎全都成为雷害的主要目标。电视中心大楼一般都是所在城市的超高层建筑,而且屋顶都无一例外地带有尖顶塔、天线等金属器械,处在高山地带且建有铁塔或天线支架的发射台、微波站、卫星上行站以及各种卫星接收装置,输电线路和信号网络的高空架设,与各种线缆相连的系统器材等等,时刻都处于雷害的严重威胁之中。
广播电视系统防止雷击危害的中心任务,就在于切实采取各种技术防护措施,将雷击危害降到最低程度,从而保证广播电视系统的安全运行。
3、防雷技术
防雷技术是根据雷电的性质,分析雷击危害的特点,采取有效的措施,设立相应装置对保护对象进行防雷保护。
对于一个防雷保护区域,从电磁兼容的观点来看,从外到内可分为几级保护区。最外面是直接雷击区域,危险性最高,我们可以将其定义为一级区,由此越往内,危险程度越低,我们可以分别定义为:建筑物楼内为二级区,楼内房间为三级区,房内的金属屏蔽柜架为四级区等,各级保护区的界面由外部防雷系统、钢筋混凝土、金属管道及金属柜架等构成的屏蔽层形成,其示意图如图2所示。
根据相关理论,雷电流约有一半直接流入大地,另一半则将会平均流入由电源线、信号线和金属管道等构成的电气通道。从一级保护区到最内层保护区,必须实行分级保护。
对于电源系统,可按保护需要分为对应的三级或四级;对于信号、信息系统,可分为粗保护和精保护两级,粗保护量级根据所属保护区的级别确定,精保护则要根据电子设备的敏感程度来进行选择。
作为保护一级区的外部防雷系统,由避雷针(避雷线或避雷带)、引下线、接地体组成,主要是为了保护建筑物免遭雷击引起火灾事故和人身安全事故。而内部防雷系统则是防止雷电流侵入设备和电磁感应而造成损坏,这是外部防雷系统根本无法保证的。为了实现内部避雷,有效消除雷电引起的毁坏性电位差,进出各保护区的线缆都必须通过过压保护器进行等电位连接,各层保护区的金属管道、金属门窗、金属构架物件都 必须与相关的局部等电位连接棒连接,并最后都与主等电位连接棒相连。其示意图如图三所示。
等电位连接的目的在于减小需要防雷的空间内各金属物与各系统之间的电位差。穿过各防雷区界面的金属物和系统以及在一个防雷物内部的金属物和系统均应在界面处做符合下列要求的等电位连接。
环形接地体和内部环形导体应连接到钢筋或其它屏蔽件上,最好每隔5m连接一次。建筑物内有信息系统时,在要求雷击电磁脉冲影响最小之处,等电位连接带宜采用金属板,并与钢筋或其屏蔽构件作多点连接。
等电位连接很重要。雷击时瞬时引下线是带电的。地坪线上每隔一定长度引下线与建筑物的金属部分作等电位连接。因为长度达一定值时,其电击和雷电流产生的高电压又可以引起雷反击。等电位连接可消除这一危险。
电气设备和电子设备的电源线路和信号线路上可感应雷电瞬态对地电压,此过电压可能击坏设备的绝缘,为此应作等电位连接来防范。但电源线路中的带电导体和信号线路的芯线是不允许用导线直接和保护地线相连接的,为此必须采用浪涌保护器来实现等电位连接。平时保护器不导通,当线路感应瞬态过电压时,保护器被击穿导通而实现瞬间的等电位连接,它泄放雷电流并将瞬态过电压钳制在低水平上。使设备各端口的电压将大致相同,即近似于等电位,从而保护设备免遭损坏。
引下线是避雷针与接地体的连接线。建筑物的结构钢筋因其数量多,经过绑扎、焊接会形成一个良好的导体,是建筑物很好的自然避雷引下线。作等电位连接中的基础钢筋、地下水管和金属外皮也都是很好的自然接地极,其使用寿命和建筑物相当。高层建筑物的基础一般有几十米深,用基础钢筋作接地体,是符合要求的,如在单独作接地体,为满足小于1Ω的要求,须大量的人工接地极,由于土壤腐蚀,这种人工接地极使用寿命是有限的。这种作法在经济上是不可取的。对于低层建筑基础较浅,根据系统设备要求,也可单独作接地体。
直击雷的保护装置主要有避雷针、避雷线、避雷带和避雷网等,雷电侵入波的保护装置主要有阀型避雷器、保护间隙、管型避雷器、同轴电缆信息保护器、双绞线信息线路保护器、天馈线保护器、串并口保护器和网络浪涌保护器等。
避雷针竖立在保护区最高处的针形金属导体，与大地良好接触，雷电先导电路向地面延伸时，受到其畸变电场的影响，会逐渐转向并击中避雷针，然后向大地泄放雷电流，从而避免了雷电导向保护对象。避雷针其实是引雷针，它是将雷电引向自己而起到保护对象免遭雷击的作用。它主要用来保护电站、输电线路和高层建筑物。
避雷线也叫架空地线,它是沿输电线路架设于杆塔顶端,并连接良好的接地金属导线。它用于保护输电线路,其保护原理与避雷针相似,除了能屏蔽输电线免遭直接雷击外,不能分散雷击自身的雷电流,增大耦合系数,从而降低雷击电压的幅值。
避雷带是在保护对象的顶部和周围设置与大地可靠连接的金属保护带。避雷网是在保护对象的周围设置与大地可靠连接的网状金属保护装置。这两者的保护原理均与避雷针相似,从其结构我们却可以知道,它们比避雷针显得更加可靠。
阀型避雷器主要由放电间隙和非线性电阻构成,当高幅值的雷电流侵入时,放电间隙先行放电,因此限制了保护对象上的过电压,在泄放雷电流时,非线性电阻又使避雷器的残压限制在保护对象的耐压水平之下,雷电流过去后,它还能自动将工频续流切断,从而达到保护的目的。保护间隙是一种简单有效的过压保护器件,它由带电与接地两个中间间隔一定数值间隙距离的电极构成,当雷电波到来时,间隙先行击穿,雷电流被引入大地,避免保护对象因高幅值的过电压而击毁。它的缺点是不具备熄弧能力,即使配备自动合闸装置,也会出现几百毫秒的中断时间。管型避雷器是具有熄弧能力的保护间隙,不须靠断路器动作断弧,可以保证保护对象工作连续性。这三种保护器主要都是用于输电系统的防雷保护。
信号、信息技术系统和设备的防雷保护,使用同轴电缆信息保护器、双绞线信息线路保护器、天馈线保护器、串口保护器和网络浪涌保护器等。这些保护器件的工作原理均是利用间隙快速放电方式,从而保证保护对象上电压降处在其耐压范围内以达到保护的目的。
4、广播电视系统的防雷措施
4.1建筑物与天线塔的防雷
广播电视中心大楼楼顶一般都建有天线铁塔,塔体必须与楼体钢筋可靠焊接,楼体钢筋与接地体可靠连接,而且大楼在设计时已经考虑了楼体的防雷问题,因而带有楼顶铁塔的中心大楼与建于地面的铁塔十分相似,它们的防雷问题就一并讨论。
预防直击雷的避雷针可固定在天线塔上,利用塔体或楼体钢筋作接闪器和引下线,塔基或楼基的四角埋设垂直接地体,水平接地体应围绕塔基或楼基做成闭合环形,并与垂直接地体相连,接地电阻应小于4Ω。
天线塔上的所有金属物件,如天线的支杆或框架、反射器的框架、甚至航空障碍信号灯具等,都必须与塔体可靠连接。波导管或同轴传输在线的金属外皮及敷设电缆的金属管,应在塔体的上下两端和每约10m处与塔体作金属连接,并与机房内的接地网相连。塔上照明灯的电源线,采用金属外皮电缆穿管敷设,电缆外皮和金属套管两端与塔体连接。
4.2机房的防雷
广播电视系统的机房,如微波机房、发射机房甚至播出中心机房、编辑制作机房和演播机房,一般都处于天线塔避雷针的保护范围之内,机房防雷问题就简单得多了。
如果机房不处于天线塔保护范围内,如一些卫星地面站机房等,必须沿房顶四周装设如图3所示的闭合环形避雷带,利用墙柱中的钢筋或专设引下线接地。
机房外应围绕机房埋设地下环形水平接地体,机房内用截面大于120×0.35mm2 的铜带沿墙体敷设环形接地母线,室内各种设备外壳、电缆的金属外皮、金属管道和铝合金门窗等不带电的金属部分,均应就近与室内环形接地母线连接。室内接地母线、室外环形接地体和屋顶环形避雷带间,至少应有四个对称分布的连接线互相连接,相邻连接线间的距离应小于18m。机房的接地网与塔体的接地网间,至少应连接有两根水平接地体,总电阻应小于1Ω。
进出 机房内的输电线、信号电缆,应有金属外皮或敷设在金属管内,金属外皮和金属套管必须良好接地。这些线缆还必须加装避雷器,具体要求将在下面谈及。
4.3卫星地面站装置的防雷
卫星地面站由于可能既没有天线塔,也没有高层建筑物,因此卫星地面站的发送或接收装置的防雷间题,与其它台站具有不同的情况。
卫星地面站装的防雷,可以设置专用的独立避雷针,也可以在天线反射体抛物面骨架顶端或在调整器顶端预留的专用位置上安装避雷针,避雷针的接地可以专设接地引下线,也可以利用钢筋混凝土构件内的钢筋代替。防雷接地、电子接地和保护接地共用一个接地装置,接地体沿建筑物四周敷设成闭合环形,接地电阻小于1Ω。
4.4电源系统的防雷
广播电视系统使用的电源系统为三相五线制和单相三线制,从外到内应采用三级保护方式,其结构如图四所示。
电源系统三级保护的基本要求分别是:第一级就采用高能量防雷器,防雷击电流不小于100kA,响应时间不大于100ns;第二级采用过压保护器,可随最大放电电流40kA,响应时间不大于25ns;第三级采用浪涌吸收精细过压保护器,可承受放电电流5kA,响应时间不大于25ns。
4.5信号、信息电缆的防雷
对信号、信息电缆加以防雷保护是内部防雷的重要措施。在雷电流通过外部防雷系统泄放时,强大的雷电流除了在防雷装置上产生高电位外,还会在其周围产生一定的电磁场,并在电气环路中产生危险的高电压,屏蔽不好、耐压能力低、脆弱敏感的电子设备很可能被击坏。另外,从室外系统相连的电源线和通信线缆、卫星信号电缆都可能引入附近其它建筑物或架空线缆遭受雷击时的雷电波。海南电视台在内部防雷系统建立之前,就经历过两次因外部雷击而引起感应雷电波击坏内部重要设备的惨痛教训。
信号、信息电缆的防雷以独立机房为单元,对进出单元的电缆一律加装信息线路保护器,选择保护器类型时要根据信号性质满足其相应的要求。
用于传输模拟视频信号或数字视音频信号的同轴电缆,应加装同轴电缆信息保护器,其参考参数为可承受最大放电电流20kA,带宽为SDI数字视频信号不小于150MHz,模拟视频信号或数字音频信号不小于8MHz。用于传输的有线电视网信号和卫星传送、接收信号的天线馈线电缆,应加装可承受最大放电电流20kA的天馈线防雷保护器,其带宽要求不低于所传输信号频率的120%。所有不平衡传输的信号使用的保护器,要求其在所适应的最大传输频率下反射损耗不小于20dB,插入损耗不大于3dB。
模拟音频信号和电话线属同一类信号,应加装双绞线信息线路保护器,可承受10kA放电电流,响应时间不大于1ns。
计算机系统出入机房的电缆应加装串并口信号保护器和网络浪涌保护模块。可承受最大放电电流400A,响应时间不大于1ns,同时应考虑插入损耗因素。
5、结语
防雷工作在广播电视系统的安全播出和设备维护工作中起着至关重要的作用,做好防雷工作,是广播电视事业的领导者和技术工作者的重要任务。由于作者知识的局限性,文中错漏在所难免,恳请各位同行、导师批评指正。防雷技术是不断发展的技术,就现在而言,雷击危害的不定性和偶然性因素,使人们所采取的防雷措施也存在一定的估算性质,我们不可能完全免除雷害,防雷工作要在经济成本和防范效果两个方面综合考虑。因此,如何提高我们的技术能力和手段,以尽可能低的成本把雷害减少到最小程度,更好地为广播电视事业服务,是我们永远追求的目标。