淺析廣電機房防雷保護系統

摘 要 雷電災害是被國際電工委員會（IEC）稱為“電子化時代的一大公害”。因為，隨著現代科學技術的迅速發展，各種高、精、尖的設備來到我們的身邊，其中廣電網絡和電子網絡正以驚人的速度延伸至世界的每一個角落，置身于網絡時代，使我們與世界的聯系變得更加的緊密，在享受著網絡帶來的新感覺的同時，也品嘗了許多早已遺忘的煩惱，雷電開始“照顧”這些“嬌嫩”的設備。因雷電導致的系統癱瘓以及設備損壞比比皆是，造成不計其數的人力和物力損失。雷電災害和防雷又成為社會各界關注的焦點。

關鍵詞 雷電 防雷保護

一、廣電設備屢遭雷害的原因

1、隨著科學技術的日新月異，各類電子產品在廣電系統中得到了廣泛的應用，廣播電視傳輸網絡、電子和通信設備日益增多，音視頻信號傳輸暴露在室外的線路越來越長，遭受雷擊的概率大大增多，廣電網絡龐大， 有源器件又多，遭雷擊的機會就多， 雷電對廣電設施及傳輸系統危害甚大，嚴重危害到廣播電視系統的安全。

2、隨著廣電增值業務的開展和競爭加劇， 對廣電網絡安全優質傳輸提出了更高的要求。但廣電設備系統越是先進，芯片的集成度就越高，印刷電路板的線間距離越來越小，電路越復雜，工作電壓越低，對環境穩定性的要求也越高。使得設備抗雷擊能力越來越弱。

3、抗干擾和耐沖擊始終是廣電設備系統在惡劣電磁環境下應用中的兩大薄弱環節。而雷擊事件由于其極高的電壓幅值和不可預測性更是廣電設備系統的“天敵”。在廣電系統中，對各類電子設備（包括計算機、通信設備、控制系統、儀表等）中，對抗電磁干擾考慮的比較周全。但對于使用弱電的電子設備（如：保護設備、通訊設備、自動化設備、計算機設備、網絡設備、傳真機、UPS電源設備等）的防雷顯得相對薄弱。尤其對雷電電磁脈沖的防護相對薄弱，而雷電電磁脈沖的侵襲是在瞬間造成電子設備永久損壞的第一殺手。

4、由于電子設備門類繁多，系統結構不盡相同，設備性能、功能各異等等，但都有共同特點，即：全都使用了微電子器件。這類器件的耐雷電及抗過電壓能力很弱，僅僅幾伏到幾十伏，極為敏感，易于受損。正如IEC-1312-1中所指出：“雷電作為干擾源是一個能量極高的大氣物理現象。多次雷擊釋放許多個數百兆焦耳能量，這一能量與足可影響敏感電子設備的毫焦耳量級能量差別懸殊，所以需要有一種合理的工程保護辦法”。

5、雷電的破環因素不是單一的，有直擊雷、雷電感應高電壓和雷電入侵波等，而且雷電的破壞渠道也不是單一的，可能來自設備的信號線路通道、電源線路通道、或者是天饋線路通道、接地線路通道等等。 每年各種電子設備因雷擊而遭受破壞的事例屢見不鮮，因此如何保護機房及其電子設備等免遭雷擊損壞也越來越引起了各方面的高度重視。 因此，從整體、綜合、系統、全方位、多層次上有效地防止雷擊對機房及其廣電設備所產生的危害，是保證廣電系統安全、穩定運行的重要保證。

二、發生雷擊現象的分析

一方面，由于廣電設備的種類多、數量龐大、工作環境復雜、雷電侵入的通道多；另一方面，以微電子技術為基礎的電子信息設備因其集成度高、工作電壓低、其耐過電壓、過電流和抗雷電電磁脈沖的能力差，極易遭受雷電的危害，特別是雷電電磁脈沖造成的損害更為嚴重。從衛星、通信、導航、計算機網絡系統、廣播電視系統、通信指揮系統和有室外天饋設備的系統更是雷電的重災區。從某種意義上說，科技越發達，雷擊對人類的危害就越大。 因此，國際電工委員會（IEC）將雷電災害稱為“信息時代的公害”。

雷電對廣電設備造成危害，主要有三種形式：

1、直擊雷：直擊雷是帶電云層和大地之間放電造成的。直擊雷蘊含極大的能量，放電電流可達到幾百千安，具有極大的破壞力。如建筑物直接被雷電擊中，巨大的雷電流沿引下線入地，使地電位迅速抬高，造成反擊事故， 危害人身和設備安全。 雷電流產生強大的電磁波，在電源線和信號線上感應極高的脈沖電壓。 雷電流流經電氣設備產生極高的熱量，造成火災或爆炸事故。

2、 傳導雷（雷電波侵入）：遠處的雷電擊中線路或因電磁感應產生的極高電壓，由室外電源線路和通信線路傳至建筑物內；雷電擊中附近建筑物或附近其他物體、地面，導致地電壓升高，并在周圍形成巨大的跨步電壓，通過接地系統或建筑物間的線路入侵建筑物內部設備形成地電位反擊，損壞電氣設備。

3、感應雷（雷電波感應）：

雷擊后巨大的雷電流在周圍空間產生交變磁場，由于電磁感應使設備感應出高電壓，在所有的導體上產生足夠強度的感應浪涌。因此分布于建筑物內外的各種電力、信息線路將會感應雷電而對設備造成危害，從而使設備損壞。

隨著現代高科技的發展，精密儀器，通訊設備，數據網絡的應用越來越廣泛，因而感應雷造成的雷擊事故也越來越多，除直接造成了巨大的經濟損失外，因重要設備損壞使系統網絡陷入癱瘓后造成間接的損失更是驚人。“感應雷”占雷擊率近90％，危害范圍甚廣，廣電系統的電子設備受雷擊損壞，主要是感應雷造成的。

三、綜合防雷保護系統

雷電災害與高科技的發展相伴，要將雷電災害減至最低，就必須全面實施信息時代的綜合防雷治理。早時期單一的、片面的防雷措施已不能保證廣電設備的安全和暢通， 因此，廣電設備系統雷電防護應采取的措施也就不能是單一的，千篇一律的。而應從整體、綜合、系統、全方位、多層次上去考慮防護措施。

綜合防護措施和技術可概括為：兩個部分（外部防護、內部防護）和五項技術（分流、接地、屏蔽、等電位連接、安裝SPD（防雷器））。不同部分和各項技術都有其重要作用，相互之間緊密聯系，不能將它們割裂開來，也不存在替代性。雷擊的防護是一項系統的工作，需要根據不同的特性給予相應而全面的保護。

1、外部防雷：外部防雷包括避雷針、避雷帶、引下線、接地極等等。避雷針安裝于信號發射鐵塔的頂端，起到接閃的作用，將雷電發生時的雷電流引導到自身，并通過與大地中接地裝置連接的引下線、避雷帶，將雷電大部分能量泄放入地。其主要的功能是為了確保建筑物本體免受直擊雷的侵襲。

2、內部防雷： 是為保護建筑物內部的設備以及人員的安全而設置的。概括地說，當今電子設備的防雷手段，主要采用分流、接地、屏蔽、等電位和過電壓保護五種方法。使設備、線路與大地形成一個有條件的等電位體。將進入內部設施的感應雷電流通過SPD（防雷器）安全泄放入大地，確保設備的安全。

分流、接地、屏蔽、等電位和過電壓保護五種方法：

分流： 利用避雷針、避雷帶和避雷網等將雷電流能量沿引下線安全地流入大地，盡可能 將多余能量在引入信息系統之前泄放入地。 防止雷電直接擊在建筑物和設備上。

屏蔽： 屏蔽是防止任何形式電磁干擾的基本手段之一。屏蔽的目的，一是限制某一區域內部的電磁能量向外傳播，二是防止或降低外界電磁輻射能量向被保護的空間傳播。設備系統所有的金屬導線， 包括電力電纜、通信電纜和信號線均采用屏蔽線或穿金屬管屏蔽，利用建筑物鋼筋網和其他金屬材料，使機房形成一個屏蔽籠。用以防止外來電磁波（含雷電的電磁波和靜電感應）干擾機房內設備。

等電位連接： 將機房內所有金屬物體，包括電纜屏蔽層、金屬管道、金屬門窗、設備外殼等金屬構件進行電氣連接，并與接地系統連通，使所有導電部件之間不能存在顯著的電位差，以均衡電位。從而達到保護設備和人身安全的目的。

接地： 接地是分流和瀉放直擊雷和雷電電磁干擾能量的最有效的手段之一，也是電位均衡補償系統基礎。目的是使雷電流通過低阻抗接地系統向大地泄放，從而保護建筑物、人員和設備的安全。

過電壓保護： 在電子設備的信號線、電源線上安裝相應的過電壓保護器，利用其非線性效應，將線路上過高的脈沖電壓濾除，保護設備不被過電壓破壞。

四、防雷保護系統的整體概念：

防雷是在閃電通道和避雷針泄流通道及其周圍整個三維空間內對雷電的全面防護，這是一個全新的思維。即，不但要防直擊雷，更重要的是防感應雷（雷電電磁脈沖）；不但要進行“路”的防護，更重要的是對“場”的防護。

全面的信息防雷原則和行之有效的工程技術方法應為“整體設計、綜合治理、系統實施”原則和“有效攔截、良好屏蔽、均衡連接、合理接地、堵截通道、全面防御”的工程技術方法。

（一）整體設計、綜合治理、系統實施

防雷是一個系統工程，任何單一措施的防護作用都是不全面的。正確的方法應首先對需要防雷保護的系統進行詳細勘察，制訂技術方案，并依據國家和有關行業的技術標準、規范，進行正規的工程設計。在此過程中，應從宏觀到微觀、從內部防雷到外部防雷、從天線到地線、從強電到弱電統籌考慮、系統設計。即對避雷針、地線、屏蔽、均壓接地網絡，以及雷電過電壓容易侵入的通道，如電源系統、天饋系統、信號傳輸系統等有針對性地采取相應的技術措施，進行綜合治理。

（二）有效攔截、良好屏蔽

1、有效攔截

其思路是：改善直擊雷措施是根據技術規范完善避雷針、避雷帶等設施。必要時采用各種經過實踐檢驗的、對雷電流某一物理效應有明顯效果的新型避雷針和優化避雷針，以降低雷電流陡度（di/dt），從而減小二次雷擊的感應電壓。或在條件允許、經濟可承受的前提下，盡量降低接地電阻等。

2、良好屏蔽

（1）信號電纜的屏蔽，要點是：敷設、排流防雷、穿管（槽）走線、可靠接地。電纜的屏蔽性能與電纜外導體或屏蔽體是否接地以及它的敷設形式有關。電纜不同的敷設形式，其屏蔽效果也大不相同，架空電纜比埋地電纜更易受雷電損壞。（2）設備的屏蔽，主要依賴其外殼。對于屏蔽要求很高的設備，應設置專用的屏蔽室。設備外殼和屏蔽室的屏蔽體都應良好接地。

（三）均衡連接、合理接地

1、均衡連接

即完善均壓網絡。對保護范圍內的所有不帶電金屬導體應進行嚴密的等電位連接，并與符合要求的地線可靠連接。從而形成一個統一的、適應不同負載特性和頻率的低阻攔接地網絡。該網絡由總等電位連接箱（MEXT）、局部等電位連接箱（MEXT）和等電位連接導線組成。該網絡內各部分之間只能由等電位連接點（公共接地點）與接地裝置連接，彼此間沒有閉合回路。應注意處理好幾個方面的等電位連接問題：（1）建筑物內不帶電金屬物的等電位連接：包括各種金屬管道、建筑鋼筋、電纜屏蔽層、供電系統中的中性線或保護接地線、各種金屬機械設備的外殼和它們間的金屬管路等。（2）建筑物頂不帶電金屬物的等電位連接：如電梯、通風、空調、旗桿、廣告牌、鐵欄桿等。（3）建筑物外帶電金屬物的等電位連接：如上述設施的電源線、信號線、控制線等。

2、合理接地

（1）改造地線，依據規范和不同的信息系統對接地的要求，對不符合要求的地線進行適當改造。必要時采用低阻、高效、非金屬接地模塊和高效降阻劑，以減小地線電阻，從而為降低反擊電位和“共地”提供前提條件。（2）合理接地，最好將設備系統的接地和防雷接地實行共地。即由公共接地點提供保護接地、工作接地和防雷接地等所需的基準零電位，避免出現因各系統分別接地在個各地線間產生毀壞性電位差。上述措施運用得當，可在一定程度上抑制建筑避雷系統對信息系統的負作用，即為感應雷的防護提供了良好的前提。

（四）堵截通道、全面防御

對雷電電磁脈沖容易入侵的所有通道，如電源線、天饋線和各種信號傳輸線等帶電金屬通道，除要求合理布線、嚴密屏蔽外，最簡便、最經濟的措施是分別加裝避雷裝置，以堵截雷電過電壓。加裝避雷裝置的實質是使帶電金屬導體實現等電位均壓連接。

1、電源通道

根據相關技術規范，實行合理的避雷器防護方案。在此過程中，嚴格遵從以下原則：（1）多級防護原則；（2）能量配合原則；（3） 絕緣配合原則； （4）區別不同接地制式原則。

2、天饋通道

對不同設備的天饋線系統，根據其工作頻率、功率、阻抗等參數的不同，選擇加裝不同的天饋線避雷裝置。一般在室外端和室內與設備的接口端分兩級設置。

3、信號傳輸通道

信息系統是一個廣義概念，包括的專業領域很多。他們的系統結構、設備配置、工作電壓、工作頻率、傳輸速率及阻抗等均有很大差別。因此，它們所要求的防雷技術方案和防雷器件也不同。好在現代科技的發展，已有針對不同信息系統防雷要求的、標準化的防雷器件與它們相適應。這就為防雷工程的應用提供了很大的方便。 信號傳輸系統同樣應根據不同的系統類型、系統結構、設備配置、工作電壓、工作頻率、傳輸速率及阻抗等，選擇加裝不同的信號避雷裝置。

以上是廣電系統防雷工程的基本環節和主要措施，它們之間也是既相互獨立又相互聯系的。面對無孔不入的雷電電磁脈沖，所有有源或無源通道都是其入侵的途徑。任何單方面的措施，其防雷效果都將大打折扣，因此，系統防雷工程必須從全面考慮，做到層層防護，不留一絲隱患。

（作者單位：內蒙古包頭市微波站）

參考文獻：

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