关于广播电视高山台站防雷减灾措施与应用技术实践
【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，故流入机房内电缆沟中铜排的雷电流占雷电流总值的n/6，即16.7nKA。此雷电流在电缆沟中其它电源线信号线上的感应电压按下式计算：
Um=0.2(I×1000a-0.5)（V/m）
（1）
其中：I——雷电流，为16.7nKA
a——导线距铜排的距离，取0.02m
设n=4，为雷电流陡度，取=0.67KA/μs
代入（1）式
求出感应电压 Um=179KV/m
由计算结果，可看出直击雷产生的感应电压远远超过机器设备的耐压，故导致对发送设备的损坏。
（4）电磁感应对发射台站内设备的损坏。雷电每次释放数百兆焦耳的能量，与微电子设备的毫焦耳能量相比相差悬殊，在其产生移动放电过程中，伴随着电磁辐射、静电感应、光辐射、热效应及冲击波等物理过程，其中电磁辐射、静电感应可对台站内的电子设备造成直接危害。
1）静电感应对设备的危害
雷雨云的云底分布着大量的电荷，产生较强的静电场。在雷云所覆盖的地面上的各种物体特别是金属导体上会产生大量的异性电荷，当雷云在移动或产生云际、云地闪击后，云中的电荷突然消失，但地面上的物体特别是金属导体，因电荷的积聚产生了很高的静电电压，必然要放电。这种电荷在释放过程中会产生很高的脉冲电流，沿着各种金属导线侵入机房等，造成设备的损坏。
2）磁感应对设备的危害
美国通用研究公司的研究，得到了电磁感应对微电子设备损害的定量结果，闪电回击电流产生的最大磁场强度为：
B=I/2πkr
式中：I为闪电回击峰值电流（KA）；
K为单位换算系数；
r为机房到雷击的水平距离（km）
当磁场强度大于2.4高斯的时候，就会造成微电子设备的损坏，雷击点离台站越近，由于闪电而引起设备损坏的概率就越大。
4.广播电视高山台站的防雷要点
4.1 接地系统要良好
高山上的广播电视发射台站，它的发射铁塔和机房大多建在土层浅薄、电阻率高的山顶上，这对谋求一个良好的接地系统造成困难。根据相关理论和具体时间可采用以下措施：（1）延伸地网，扩大接地网的有效接地面积；（2）选用防腐防锈性能良好的非再生、热镀锌的实心优质钢材（角钢或扁钢）或铜材作为地网接地体，减少接地体与土壤的接触电阻，保证地网间的有效连接和可持久性；（3）选用长效和与当地地表环境相适宜的降阻剂来降低接地电阻。
需要注意的是，接地网的长度尽量要短，因为无限度延伸地网的长度会增加地网材料本身的电阻，从而影响防雷效果。
4.2 地网间要作等电位连接
等电位连接就是将防雷有效空间的各个接地网连接起来，尽可能的减少各接地网之间的电位差。
前面我们已介绍了雷电的巨大能量，它瞬间放电电流峰值可达几百KA，电压高达数万伏至数千万伏。假设某发射台的两个接地网间的接地电阻为4欧姆，雷击感应电流为二百KA，可知两个地网的瞬间感应电位差将高达80KV，连接在两个地网间的设备就很可能被击坏。如果发射台各接地网（如供电系统接地网、发射铁塔接地网、建筑物接地网、传输与发射设备保护接地网等）成为统一的带电体，那么当雷击发生时，各接地体间的电位差将趋于零，因此就不容易发生闪击放电或损坏设备事故。如实际情况不允许各接地网直接连接，亦可通过等电位连接器实现等电位连接。
4.3 防雷措施要多层级
防雷地网建好以后，如何把雷电泄入大地，就成为高山广播电视发射台站防雷减灾的重要环节。多年的经验表明，供电系统的防雷是高山广播电视发射台站防雷的重中之重，十有八九的雷电损毁设备事故都是由电力线路侵入的。高山广播电视发射台站的防雷措施有简易防雷、避雷保护器防雷和专用设备防雷等方法。由于雷电的能量过于巨大，要想一次性消散完雷电的能量目前还难于做到，采取多级层避雷是迫不得已的选择。
（1）高压输电线路和变压器的防雷
高压输电线路末端可安装两组高压避雷器（阀型避雷器），变压器由野外移至工作室内，这样可极大降低变压器雷击事故的发生。
（2）380伏总配电柜前的防雷
由于对电力线线与线之间的雷电感应电压目前还难以控制，所以需在高压变压器出线端到总配电柜进线端加装避雷保护器，作为高山发射台站的一级防护。
（3）机房配电箱前的防雷
在总配电柜出线端到各分配电箱进线端加装具有避雷保护器功能的大功率稳压器，作为二级防护。
（4）重要设备防雷
在所有重要的、精密的设备前端加装电源浪涌保护器，作为三级保护。
高山广播电视发射台站，除重点做好供电系统的防雷外，天馈系统、卫星接收系统、微波传输系统、网络及监控系统等防雷也不应忽视，所有的室外空置电缆线均应有效接地，以防雷电的侵入。
5.稷王山广播电视发射中心防雷实践
5.1 稷王山广播电视发射中心概况
稷王山广播电视发射中心，位于山西省西南部海拔1279米的稷王山顶，该中心承担着中央电视一套18CH 3KW、七套20CH 10KW、山西卫视26CH 5KW、运城一套14CH 5KW等四套电视节目及中国之声105.7MHz 3KW、山西新闻广播104.2 MHz 3KW、运城新闻综合广播93.2MHz 5KW及运城交通文艺广播101.9MH 5KW等四套调频广播节目的无线覆盖任务和中央、省、市等多套广播电视节目的微波传输任务，是山西省南部十分重要的无线发射和微波信号传输台站。
5.2 稷王山广播电视发射中心防雷措施
稷王山广播电视发射中心位于稷王山之巅，山顶土层十分浅薄，山石大多为碳酸钙石灰岩，为雷电自然灾害频发地区之一，原有的防雷设施不全及陈旧等原因，每年总有一两次主要设备遭到雷电侵害而无法正常使用或停播的困扰，严重影响了广播电视节目的正常播放和信号传输。
2007年，在国家广电总局无线覆盖工程和山西省广播电视微波线路数字化改造工程的推动下，稷王山电视发射中心的防雷及接地系统得以全面升级改造。
5.2.1 地网建设
稷王山发射中心始建于上世纪八十年代中期，机房及铁塔至今使用达27年之久，地网腐蚀较为严重，接地电阻较大。在改造中，我们采取除原接地点之外，另在一相邻10米处方便施工的地方，捣开一4ⅹ8平方米、深1.5米的碎石坑，在坑内填充降阻剂，坑内打入若干根宽为4厘米的扁钢，并将碎石置换成导电性好的湿土。同时，我们根据本台的实际情况，将台内各个地网进行了等电位连接，尽可能降低地网间的电位差，以减少地电位反击损坏设备事故的发生。
5.2.2 多层级的防雷措施
针对稷王山雷电灾害事故的特点，电源线应突出多级防护。多级防护是以各防雷区为层次，对雷电能量的逐级减弱，最终使过电压值限制在设备绝缘强度之内。
（1）对10KV高压架空线近端安装避雷线并加装氧化锌避雷器，大量的雷电由供电系统引入，特别是由感应雷产生很高的浪涌电压对设备破坏比较常见。稷王山发射中心所用高压线路跨过多个山头，容易遭受雷击，当雷电落到电力线路附近时，就会产生一个强电磁场，高压线上会感应到一个非常高的感应电压，因此，在变压器前两根电线上安装避雷线，每杆做一次接地，在变压器前第二杆上增装一组氧化锌避雷器，可有效降低感应电压对设备侵害的风险。
（2）2007年5月，我们将高压电源变压器由野外放置于专门供变压器用的工作室内，引入线更换为高压电缆线，这样做后极大地降低雷电对变压器直接侵害的风险，几年来再未发生变压器遭雷击的事故。
（3）在总配电柜上加装采用MOV（压敏电阻）矩阵式设计和填砂灭弧结构的JOSLYN雷电浪涌防护器，可将雷电电波残压抑制在千伏以下。
（4）在进入敏感设备前，使用带有多级雷电浪涌防护器的ＧＤ型广电机房专用大功率稳压电源，以便对设备做进一步保护。
（5）辅助防护措施，一是将总配电柜的三项总闸刀设计为三刀双掷的开关，二是在每套设备的电源进线端加装一个与该设备同规格的空气开关，在这个开关出线端的每一相对地并联一只压敏电阻，所有设备的接地线都用铜线连接到与地网相通的地线上，采用以上简易防雷措施作为辅助防护。
（6）所有配电、发射、微波及信源设备都与地网有良好的连接。
5.2.3 加强对防雷设施的定期检测和不定期维护
由于防雷装置有可能因雨水等发生氧化、腐朽以及因机械损坏等原因造成损坏、接地线断裂、不同的接地系统之间的等电位连接失效等，当发生雷电后电流不能顺利的泄流入地从而易发生雷击事故。所以每年雷雨季节前，我们组织技术人员对防雷装置进行安全检测，对接地系统进行保养和维护工作，对各接地装置浇一次盐水，力争使台站工作区域所有检测点接地电阻值达到防雷技术要求。
5.3 稷王山广播电视发射中心防雷减灾的成效
稷王山广播电视发射中心防雷系统改造至今，已连续使用将近1000天无重要设备遭雷击的事故发生，期间经历了2008年8月24日，2009年11月8日和2010年7月13日三次严重打击的考验，每次雷击时间将近一个小时，雷击次数均超过20余次，特别是2009年11月8日初冬那次30年不遇的雷电灾害，我台通信光缆多处被击断，所有工作的固态发射机和数字微波通信机均被打告警，但雷电过后，所有设备均能正常运行。
6.结束语
随着广播电视数字设备的不断投入和设备更新，防雷工作的复杂性和重要性大大增加，目前仍没有任何一种产品可以全面防止雷电的危害，所以我们必须提高对防雷减灾工作的认识。一方面要对已有防雷设施加强日常维护与保养工作，另一方要积极研究和探讨现代防雷技术。只有这样，才能应对千变万化的雷电灾害，确保广播电视节目的安全播出与传输。
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