基于主動(dòng)防雷系統(tǒng)在電臺(tái)中的應(yīng)用

周厚福

摘要：廣播電臺(tái)是整個(gè)廣播電視系統(tǒng)當(dāng)中的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，每年因?yàn)槔讚粼斐傻耐２ナ鹿识嘤邪l(fā)生，該文介紹了雷電的形成以及其危害性，對(duì)主動(dòng)防雷系統(tǒng)從信號(hào)探測(cè)、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警信息、多級(jí)防御在電臺(tái)中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，從探測(cè)系統(tǒng)和干擾問題兩方面深入探討了主動(dòng)防雷系統(tǒng)在電臺(tái)中的實(shí)際應(yīng)用，期望能及時(shí)采取措施避免雷擊傷害和減少雷擊造成的損失。

關(guān)鍵詞：雷電檢測(cè)；雷電主動(dòng)防御；浪涌多級(jí)防護(hù)

中圖分類號(hào)：P338 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）01（a）-0000-00

前言

隨著技術(shù)的發(fā)展，我局發(fā)射機(jī)、發(fā)射機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)、天線控制系統(tǒng)、電站控制系統(tǒng)、信息化支持平臺(tái)等設(shè)備均實(shí)現(xiàn)板卡化、數(shù)字化、微電子化，由于這些設(shè)備的高度集成化和微電子化，使其易受雷電的侵害。

我臺(tái)處于雷暴頻發(fā)地區(qū)，雷閃持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)（最多1天可發(fā)生十幾次雷閃），單次雷閃電流大等特點(diǎn)。近年來(lái)，每年都發(fā)生多起雷擊事件，造成設(shè)備的損壞、發(fā)射機(jī)的停播等。

通過安裝避雷器、浪涌保護(hù)器、強(qiáng)化機(jī)房設(shè)備屏蔽等的防雷措施，這些手段都是被動(dòng)防雷措施，對(duì)雷暴頻發(fā)地區(qū)的電臺(tái)臺(tái)站所起到的效果并不理想。

1雷電的形成

由于大氣的劇烈運(yùn)動(dòng)，引起靜電摩擦和其他電離作用，使云團(tuán)內(nèi)部產(chǎn)生了大量的帶正、負(fù)電荷的帶電離子，又因空間電場(chǎng)力的作用，這些帶電離子定向垂直移動(dòng)，使云團(tuán)上部積累正電荷，下部積累負(fù)電荷（情況也可以相反），云團(tuán)內(nèi)產(chǎn)生分層電荷，形成產(chǎn)生雷電的雷云。雷云的成因主要來(lái)自于大氣的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)雷云在天空移動(dòng)時(shí)，在其下方的地面上會(huì)靜電感應(yīng)出一個(gè)帶相反電荷的地面陰影。

正常情況下地面電場(chǎng)強(qiáng)度約為250—300V/m，而當(dāng)?shù)孛骐妶?chǎng)強(qiáng)度達(dá)到2KV/m以上時(shí)，表明該地的上方雷云已經(jīng)產(chǎn)生，當(dāng)?shù)孛骐妶?chǎng)強(qiáng)度持續(xù)增大到4KV/m以上時(shí)，該地發(fā)生雷閃的可能性超過90%，雷閃發(fā)生時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度增大到14KV/m以上。

基于上述原理設(shè)計(jì)的雷電探測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)所在地的電場(chǎng)變化；為了達(dá)到更好的效果，在所在地周圍選定多個(gè)點(diǎn)，用來(lái)排除修正其他非雷云的電場(chǎng)干擾信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)雷電的準(zhǔn)確報(bào)警；同時(shí)可設(shè)置三個(gè)報(bào)警閾值等級(jí)，第一級(jí)閾值：通報(bào)出現(xiàn)了一個(gè)微弱的電場(chǎng)（預(yù)先通知）；第二級(jí)閾值：通報(bào)一個(gè)活動(dòng)的雷雨正在靠近，在當(dāng)前預(yù)知時(shí)間10到20分鐘內(nèi)將抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)；第三級(jí)閾值：通報(bào)雷擊將在3-5分鐘到來(lái)。

連接各個(gè)等級(jí)閾值的控制系統(tǒng)用來(lái)啟動(dòng)報(bào)警和開啟防御設(shè)備，同時(shí)通過報(bào)警可以提醒我們采取有效的防御措施，如關(guān)閉電腦、斷開辦公設(shè)備電源等。

2主動(dòng)防雷預(yù)警系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)的組成

主動(dòng)防雷預(yù)警系統(tǒng)是一種通過檢測(cè)大氣靜電場(chǎng)的變化預(yù)報(bào)雷電的設(shè)備。可以預(yù)報(bào)10km范圍內(nèi)產(chǎn)生了雷電，具有提前預(yù)警、提前保護(hù)用電設(shè)備免受雷電災(zāi)害的功能。整個(gè)系統(tǒng)由雷電探測(cè)裝置、通訊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)組成。

2.2系統(tǒng)簡(jiǎn)介

探測(cè)裝置是一個(gè)高集成度極其靈敏的靜電探測(cè)器，對(duì)地表附近的大氣電場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，將探測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，傳給遠(yuǎn)程通信模塊；控制系統(tǒng)的通信模塊將收到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到遠(yuǎn)程終端進(jìn)行顯示；電源部分采用太陽(yáng)能電源，主要完成對(duì)探頭進(jìn)行供電；

探測(cè)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)我們選用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式，負(fù)責(zé)將探測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到有固定IP地址的終端進(jìn)行顯示；控制系統(tǒng)與主動(dòng)防御系統(tǒng)及報(bào)警系統(tǒng)均采用PC機(jī)串口RS232輸出轉(zhuǎn)RS485通訊方式，控制聲光報(bào)警及主動(dòng)防御的啟動(dòng)。

控制系統(tǒng)是基于C++編寫的雷電預(yù)警控制軟件，負(fù)責(zé)將探測(cè)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，設(shè)置預(yù)警等級(jí)，主動(dòng)防御設(shè)置，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送預(yù)警信息等。

設(shè)置預(yù)警等級(jí)是根據(jù)探測(cè)到的電場(chǎng)強(qiáng)度變化，而判斷是否產(chǎn)生雷電的可能，一級(jí)預(yù)警，場(chǎng)強(qiáng)設(shè)為2.0KV/m，表示當(dāng)?shù)乩自飘a(chǎn)生；二級(jí)預(yù)警，場(chǎng)強(qiáng)設(shè)為4.0KV/m，表示當(dāng)?shù)乩自朴锌赡墚a(chǎn)生雷閃；三級(jí)預(yù)警，場(chǎng)強(qiáng)設(shè)為10.0KV/m，表示當(dāng)?shù)乩组W在3-5分鐘內(nèi)到來(lái)；

一級(jí)防御：當(dāng)一級(jí)預(yù)警發(fā)出時(shí)，在電網(wǎng)中投入第二級(jí)防浪涌設(shè)備；

二級(jí)防御：當(dāng)二級(jí)預(yù)警發(fā)出時(shí)，在電網(wǎng)中投入第三級(jí)防浪涌設(shè)備；

三級(jí)防御：當(dāng)三級(jí)預(yù)警發(fā)出時(shí)，對(duì)UPS供電的設(shè)備進(jìn)行外電隔離；同時(shí)當(dāng)預(yù)警信號(hào)解除后，能自動(dòng)恢復(fù)到正常狀態(tài)。

報(bào)警信息均可勾選，不選時(shí)，不會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，報(bào)警是根據(jù)探測(cè)到的電場(chǎng)強(qiáng)度變化而觸發(fā)報(bào)警信息。圖1是主動(dòng)防雷系統(tǒng)界面和一次雷暴發(fā)生時(shí)探測(cè)到的電場(chǎng)變化圖。

報(bào)警信息均可勾選，不選時(shí)，不會(huì)發(fā)出報(bào)警觸發(fā)信號(hào)，有三種報(bào)警方式組成：聲光報(bào)警、網(wǎng)絡(luò)報(bào)警、短信報(bào)警。

聲光報(bào)警是根據(jù)探測(cè)到的電場(chǎng)強(qiáng)度變化而在控制室發(fā)出聲音告警信息，聲光報(bào)警是一級(jí)報(bào)警，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到2.0KV/m時(shí)觸發(fā)報(bào)警信號(hào)，提醒值班人員當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)雷云，有可能會(huì)出現(xiàn)雷閃，根據(jù)雷雨預(yù)案做好準(zhǔn)備工作。

網(wǎng)絡(luò)報(bào)警是根據(jù)探測(cè)到的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到4.0KV/m時(shí)觸發(fā)報(bào)警信號(hào)，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，在全臺(tái)OA辦公系統(tǒng)中發(fā)出雷電來(lái)臨的預(yù)警信號(hào)，提醒各部門有關(guān)人員做好準(zhǔn)備。

短信報(bào)警是通過手機(jī)平臺(tái)發(fā)送信號(hào)，根據(jù)探測(cè)到的電場(chǎng)強(qiáng)度變化，達(dá)到三級(jí)預(yù)警時(shí)，通過短信向各科室人員發(fā)出雷閃將在3-5分鐘后到來(lái)的信息，提醒大家采取有關(guān)措施，關(guān)閉辦公設(shè)備等。

2.3主動(dòng)防御簡(jiǎn)介

由于雷擊的能量是非常巨大的，需要通過分級(jí)泄放的方法，將雷擊能量逐步泄放到大地。第一級(jí)防雷器可以對(duì)于直接雷擊電流進(jìn)行泄放，或者當(dāng)電源傳輸線路遭受直接雷擊時(shí)傳導(dǎo)的巨大能量進(jìn)行泄放。

第二級(jí)防護(hù)是針對(duì)經(jīng)過第一級(jí)防雷器后的殘余電壓進(jìn)一步吸收，對(duì)于前級(jí)發(fā)生較大雷擊時(shí)，經(jīng)過第一級(jí)的防雷器能量吸收仍有一部分能量（對(duì)設(shè)備而言是相當(dāng)巨大的）會(huì)傳導(dǎo)過來(lái)，需要第二級(jí)防雷器進(jìn)一步對(duì)雷擊能量實(shí)施泄放。

第三級(jí)防雷器是對(duì)LEMP（雷電電磁脈沖）和通過第二級(jí)防雷器的殘余雷擊能量進(jìn)行保護(hù)。

由于防雷設(shè)備的投入運(yùn)行，會(huì)產(chǎn)生能量消耗，為了節(jié)約資源及保證防浪涌設(shè)備的使用壽命，平時(shí)二級(jí)、三級(jí)防雷設(shè)備并不投入運(yùn)行，當(dāng)探測(cè)裝置檢測(cè)到電場(chǎng)強(qiáng)度增大，達(dá)到4KV/m時(shí)，該地發(fā)生雷閃的可能性超過90%，而且可能在10分鐘左右到達(dá)，這時(shí)通過主動(dòng)防雷預(yù)警系統(tǒng)開啟二級(jí)、三級(jí)防雷保護(hù)，通過二、三級(jí)的防雷保護(hù)，進(jìn)一步將通過第一級(jí)防雷器的殘余浪涌電壓的值進(jìn)行限制，大大的提高了設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性。

圖2為三級(jí)防雷示意圖，正常情況下K1在常閉狀態(tài)，只接入一級(jí)防雷設(shè)備，當(dāng)檢測(cè)到雷電到來(lái)時(shí)，通過控制觸發(fā)主動(dòng)防雷系統(tǒng)，使K2閉合，延時(shí)5秒后K1斷開，供電電路通過二、三級(jí)防雷系統(tǒng)，進(jìn)一步抑制了雷電的殘余浪涌電壓。當(dāng)預(yù)警信息解除后，K1接通，延時(shí)5秒后K2斷開，恢復(fù)到常態(tài)。

3實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)考慮的問題

3.1探測(cè)系統(tǒng)問題

雷電探測(cè)系統(tǒng)一般安裝在戶外，因此對(duì)其也要采取必要的防雷措施，確保設(shè)備本身不受雷電傷害。

雷電探測(cè)系統(tǒng)，安裝在遠(yuǎn)離機(jī)房的室外，電源線、及信號(hào)傳輸線安裝不方便，整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)功耗小，所以我們采用太陽(yáng)能供電、無(wú)線傳輸方式。

3.2干擾問題

為了防止非雷電信號(hào)干擾，而產(chǎn)生誤報(bào)警，我們采用多點(diǎn)式數(shù)據(jù)采集，每點(diǎn)相隔一定的距離，信號(hào)采用“與”輸入，只有在多個(gè)采集點(diǎn)都發(fā)出雷電預(yù)警信號(hào)時(shí)候，才發(fā)出雷電預(yù)警信號(hào)，從而排除了誤報(bào)警情況。

為了預(yù)報(bào)的更加準(zhǔn)確，可以考慮加入氣象預(yù)報(bào)信息，通過訪問當(dāng)?shù)氐臍庀箢A(yù)報(bào)網(wǎng)，采集氣象信息作為我們報(bào)警的一個(gè)條件。

4結(jié)束語(yǔ)

雷電預(yù)警系統(tǒng)是根據(jù)環(huán)境靜電場(chǎng)變化的原理對(duì)雷云進(jìn)行偵測(cè)的電子安全系統(tǒng)，能夠?qū)妆┻M(jìn)行預(yù)防性偵測(cè)，能在雷電電磁釋放前提供有效的實(shí)時(shí)的報(bào)警及安全信息，能夠及時(shí)地在雷電產(chǎn)生之前發(fā)出雷電警報(bào)，讓我們及時(shí)采取措施避免雷擊傷害和減少雷擊造成的損失，促使雷電造成的損害從很大程度上得到降低。

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