中波臺感應消雷技術應用實踐

熊晨輝

撫州八三一臺 江西撫州 344000

1 現場情況

中波臺的發展歷史較長,在新一輪的廣電無線覆蓋數字化基礎改造中,中波臺的基礎配套得到進一步提升,改造提升后的中波臺環境安全配套系統節點越來越多,節點系統設備集成度越來越高,不間斷播出的監控質量手段和技術要求越來越嚴格。盡管中波臺的工作環境大多為空曠平地,但每次雷擊后,配套設備都有不同程度的損壞,需要及時修復,花費很大的人力和物力。對于年雷暴日多于40 d的中波臺而言,雷擊損壞累計的投入很大,會影響中波臺維護經費的計劃支出。由此可見,中波臺需要有更可靠、更有效的雷擊自然災害應對措施。

江西撫州中波臺為中波和調頻發射混合臺,位于低海拔的撫州郊區,周圍無其它高層建筑覆蓋。中波臺機房西側有高90 m的調頻發射鐵塔T1,機房東側有高30 m的中波小天線鐵塔T2。中波臺系統如圖1所示。

圖1 中波臺系統

撫州雷暴日多于50 d,因此中波臺屬于雷擊損壞嚴重的中波臺,已經采用傳統防雷技術進行多次改造,但沒有從根本上解決雷擊損壞問題。防雷工作非常重要,在本輪中波臺基礎改造中,針對特殊情況,重視對防雷技術選型的問題,進行多次研討。實踐證明,在中波臺,雷擊最容易損壞環境監控弱電子信息系統,只要中波臺解決了環境監控的雷害問題,其它機房系統設備一定可以在安全保障范圍內。結合撫州麻姑山708高山發射臺感應消雷技術的應用效果,最終選定能夠對癥解決中波臺雷害的感應消雷技術進行改造。通過雷雨季節的實際使用,驗證了選用技術的保護效果。

2 中波臺弱電子信息系統雷擊損壞分析

傳統防雷理論認為,弱電子信息系統雷擊損壞的原因是感應雷擊。做好接地工程,檢測電阻符合要求,可以預防感應雷擊。還可以通過線纜屏蔽和安裝監控端口浪涌保護器加以保護。

在中波臺的監控系統工程中,基本采用上述防雷措施。但在雷擊嚴重場合,有些部位的監控系統設備遭到雷擊必然損壞。一般中波臺將監控系統設備作為雷擊易損品處理,采用多庫存更換。

從技術層面來說,重復出現的損壞事故,屬于技術方法不當,必須從技術層面找出原因,對癥解決。

對于中波臺監控系統而言,如果隔空傳輸的感應雷擊能夠引起設備損壞,那么監控系統的雷擊損壞很難做到可靠保護。根據防雷技術交流學習,筆者認識到傳統防雷機理可能有誤,監控系統雷擊的損壞原因也許不是感應雷擊,而是直接雷擊地閃電流引起的地電勢疊加損壞。

雷電流是超高壓有害電流,引流泄放的防雷方法是花最大成本將雷電流的能量消耗在接地系統后,即在雷電流途徑的后端,在接地系統中產生超高壓地電勢。這個超高壓地電勢具有正、負極性,具體和雷云電荷的極性相同。在某一時刻,機房電氣系統設備三相電源相線、中性線的端口電位也具有瞬間正、負極性,電勢和電位都是標量,具有正、負疊加的物理特性。

在直接雷擊發生的瞬間,雷擊地電勢和三相電源通過接地系統產生疊加反擊,疊加的結果是三相電源一相升高、一相降低,從而引起相關的電氣系統設備損壞。這一地電勢疊加損壞具有隨機概率。

監控系統設備都是低壓小功率開關電源設備。在工程實施時,采用的開關電源功率冗余不足,單遇電源電壓偏高時,開關電源就會發生過壓擊穿損壞。單遇電源電壓偏低時,開關電源就會發生欠壓過流損壞。在實際工作中,電源電壓偏低更容易導致監控系統設備損壞。

具體而言,監控系統供電電源電壓偏低有兩種情況。第一,中波臺內直接雷擊地電勢疊加反擊,引起某相電壓瞬間偏低。第二,中波臺外供電線路引起某相電壓偏低。

具體針對上述兩種情況采用綜合保護,才能保證監控系統的雷擊安全。

3 中波臺內電源地電勢疊加反擊應對

雷電是有害電,高電壓是危險的,低電壓才是安全的。針對有害雷擊高電壓,在技術上唯一可靠的保護措施是采用在前端,即鐵塔頂端消耗的方式,用小電流、高電勢方法主動消耗雷電的有害能量,從而消除接地系統雷擊地電勢的疊加隱患。

中波臺感應消雷針安裝如圖2所示。

圖2 中波臺感應消雷針安裝

在鐵塔T1處安裝相應型號的感應消雷針Z1。因中波臺采用小天線鐵塔T2,塔頂結構比較單薄,因此采用在周邊安裝感應消雷副針的方法。在鐵塔T2周邊較高的建筑上安裝感應消雷副針Z2、Z3,主動感應消耗中波臺上方空間雷云電場的有害能量,消除中波臺的雷擊地電勢疊加隱患,保證中波臺內電源電壓穩定。

4 中波臺外電源地電勢疊加反擊應對

中波臺機房電源系統采用交流配電模式。一般為保護電源系統的安全性,會在配電前端配置大功率交流隔離變壓器和交流穩壓電源,這些裝置在供電線路瞬間雷擊電壓偏低的情況下,無法跟隨提升,使監控電源發生欠壓過流損壞。要保證監控的安全性,必須確保監控電源穩定。在一些臺站,為減小監控系統雷擊損壞的影響范圍,監控電源一般取自主機房外圍,而這些外圍電源雷擊瞬間變化的幅度很大,因此監控系統很容易損壞。

作為應對,中波臺采用感應消雷技術,監控電源直接在主機房系統不間斷電源后端取電,由此完全消除外界電網雷擊引起的電源電壓變化意外損壞監控系統的情況,從而確保中波臺弱電子信息系統的安全性。

5 中波臺防雷工程實施前置評估

5.1 防雷安全性評估要素

雷電是有害電,可以借助安全用電的基本常識,確定防雷安全性評估的基本要求。

雷擊產生過程中,有害的超高電壓會在接地系統中產生高壓地電勢。這個地電勢具有正、負極性,通過鐵塔到地的幅度越強,危害隱患越大。

雷擊在鐵塔上產生的有害高壓電勢不會突變,只有通過阻性元件的消耗才會變小。

評估的基本方法是從防雷措施降低雷電流幅度或消除雷電流入手進行評定。在此,可以簡單評定一下傳統富蘭克林避雷針引雷泄放防雷措施存在的技術問題。引雷泄放措施要求引下線和接地系統電阻越小越好。雷電流不是工作電流,接地系統電阻小,損耗就小,有害電危害程度就高。雷電流途徑是串聯途徑,接地系統電阻小,表示雷電能量消耗小,其余能量全部消耗在途徑后的大地部分,這個高電勢會疊加到途徑前,可見引雷泄放也許不是減小地電勢的正面措施。

5.2 使用期成本評估要素

使用期成本一般包括使用成本和維護成本。使用成本有電費等,維護成本有接地檢測成本、接地電阻值保持投入的成本等。

感應消雷針為無源器件,使用期沒有電費成本,保護可靠性和接地電阻值無關,因此也沒有地線維護和接地電阻檢測成本。