微博

QQ

防雷保护

2003-03-21 简群智 湖南省长沙市广电局岳麓山发射台主任 依马狮网


    在实际操作中,广播发射站的环境状况往往不尽人意,周期性闪电和暴风雨的来临可能导致天线和电源线路一定程度上的损坏。实际的损坏程度受地理位置影响很大。另外地形、发射机铁塔高度和电源输入线路也对其有一定影响。除非采取有效的预防措施,否则此类电击可能导致发射机受到损害,尤其对末级射频放大器和交流整流器危害更大。

雷电的特点和发生
    这里所关心的问题是雷电的类型,即从带电云到地面之间的能量释放。大多数此类雷电风暴都有地域性,时间短,由局部空气的热对流引起。另一种较为少见但更麻烦的类型是正面型,它由暖湿气流和冷空气相遇引起(可以扩展到几百英里)。正面型雷电的每平方英里的雷击次数要远多于热流型雷击次数。
    另一个要点是雷击的实际电力参数。闪电雷击的特点是快速增加以及由高阻抗源中产生的电流近指数的衰减,此高阻抗由长电离层带组成。这是在假定气流路径感应决定电流上升率,阻抗决定电流峰值和衰减率的情况下。典型的雷击脉冲的上升时间距振幅峰值有5祍。因此,一个中等强度的雷击脉冲可以被认为是一个20000A峰值幅度的单向邻近指数脉冲。持续40祍后,其幅度为峰值幅度的一半。

保护原理
    一次闪电是从一充电云中放电至巨大的存储系统—“地”。实际终端与地的连接之间的阻抗仅为几Ω到几百Ω,在地的表面,理想终端与理想地进行相连接几乎是不可能的。
    无论雷电直接或通过避雷器击中一个接有本地地的广播发射塔,此时巨大的电流脉冲流入本地地电阻,相对理想地而言产生一个非常高的电压。例如,有一个20000A的中等电流脉冲和一个50Ω相对于理想地的阻抗,此时产生的电压的峰值可高达100万伏。如果现在天线本地地通过表面电缆连接到远处的地,那么大部分释放电流将通过它连接到远处的地。与理想地的连接变为所有可能接地路径的串联,本地的天线地在传输中仅为天线的一个终端,而且需要驱动连接—通常是同轴电缆的外部屏蔽。
    从以上讨论中可推断,最重要的一个原理就是要在天线端提供最好本地地(最低的阻抗)。在传导较差或冰冻土壤条件下,将会作为较好的均衡形地网,对地有很高的电阻。
    在有实际可行的天线地之后,仍然会有部份阻抗产生到理想地,雷击电流的部份元素会通过同轴电缆外部屏蔽线到远方地。这部分电流将会在发射机端的同轴电缆的内、外之间产生高压(电缆必须保护以避免)。但首先应该肯定的是电流找到远方地所要通过的实际路径;第二个原则,就是该电流不能通过发射机本身。如果要做到这些,必须要了解所有可能到达远方地的途径,此外还要仔细安排发射机房内部的地线。图1以一典型的发射站为例阐明此原理。天线遭遇雷击,电流将通过天线雷电地系统以及连接发射机的由AC电源线、控制/监视电缆组成的远方地系统连接入地。
    要想这些电流通过理想路径流向远方地,就要确保连接天线和发射机房的接地路径,包括:接地母线、所有AC线缆的屏蔽线等等都直接地、牢固地与机房内的一个点相连接,作为发射站的参考接地点。此点依次通过短粗的导体连接到浪涌捕集器地端,此浪涌捕集器直接连接所有的输入电缆,包括AC电源以及控制/监视电缆。此外,所有达到发射机的连接物均要穿过铁氧圆筒的中心,此铁氧圆筒为扼流圈,用于阻碍闪电电流通过发射机机箱。

推荐安装配置

防雷保护
图1 建议安装结构


    图1中所示的预防措施是与下列文字相对应的,提供了更多的安装配置推荐。
    输入电缆的浪涌保护器①:连接发射房和远接地点的所有电缆的每个导体必须通过一合适的浪涌保护器接到发射房的参考接地点上。这些浪涌保护器对于起源于远端发射机端的旁路浪涌有双重功能;但更为重要的是为雷电直接打击发射天线而产生的电流提供一条安全路径。如上所述,浪涌电流预计超过20000A,因而浪涌保护装置应为额定的。由于每条路径的相对阻抗,总的浪涌电流将在天线的接地避雷针及各种连接发射机房至远端地的线缆间进行消耗。通常情况下,由于AC电源有较粗的线径以及广泛地分配至其它接地物,因而提供非常低的阻抗。因此NAUTEL推荐的交流线路浪涌捕集器应该有能力负荷多倍20000A的浪涌而不会损坏。抑制器也必须保证浪涌电压在安全限度内穿过并返回到非传导状态下而不改变浪涌条件下的正常工作电压。由于相对较小的电缆尺寸和相应的高阻抗,较低的浪涌电流额定适用于其它远端电缆线路。
    因为其持久性和自动恢复等特点,压敏电阻类元件被认为是可达到上述所有目的的最令人满意的器件。背向连接的稳压二极管也可以应用于与压敏电阻同类型的无源分路式限幅元件。对于工作电压来说,他们表现出较低的限幅率,但是不会立刻应用于相对应的额定浪涌电流。
    发射站参考地②:机房参考地应按图1所示进行配置,所有接地点都汇聚在同一点上。这一点必须临近于AC电源远端线缆的浪涌保护器,并通过一些短的粗母线与它们相连。例如,机房内距离参考地有一段距离时,天线系统至安全地总线间的与地充份互相连接。同样,所有设备的安全地连接应该如图所示进行放射状连接。机房的参考地应通过粗母线至少与两个地杆相连,杆与杆间距离应为杆本身长度的2~3倍,并钉入冰冻层以下尽可能地至地下水位。
    铁氧扼流圈③:铁圈(铁环)穿过连到发射机上的电缆来增加通过发射机箱的不受欢迎的电流的阻抗。应保证所有AC电源的导体以及同轴电缆的内芯及外部屏蔽分别通过铁圈,以便要求的信号可穿透,但是又能够为非要求的不平衡电流提供阻抗。对于同轴电缆直径超过两英寸的高功率发射机,很难有足够大的铁环适合于馈线电缆。在这种情况下,可忽略馈线电缆的铁环,同时增加用于剩下发射机连接的铁环数量,并且保证AC电源的地线同样通过铁环。
    发射机输出浪涌保护④:在天线遭受直接雷击的情况下,一些能量不可避免地穿过外部保护设备并通过同轴馈线电缆进入发射机。这将引起,例如,从同轴电缆的屏蔽线内的闪电电流中的部份能量进入中心的导体。为提供额外的防护,空气球隙及空气管保护器并联穿过发射机输出电路。空气球隙提供稳定的高电流分离元素。空气管有一个更贴切的定义—击穿电压,但是不耐用且因浪涌放电数量有限而使寿命有限。这种期限表现为库仑(安培—秒)能力。根据雷击频率和密度,空气管设备需要周期性的更换。
    天线与发射机房间的接地母线⑤:前面有关雷电问题中NAUTEL已经建议不要在天线地面和发射房之间用母线进行连接。在之前的讨论中,谈到在天线到远方地之间为雷电电流提供一条通路的同时建议要尽可能地与发射机进行隔离,那么接地母线可以用于实现这一目的。与同轴馈电电缆外屏蔽线中的雷电电流不同,接地母线中的电流不会引发瞬间进入同轴电缆线的内部传导线,可将母线接到发射机末级功放线路上。如果要使用接地母线,就必须按照如图1所示那样,直接连接到发射机房参考接地点上。可在发射机房与调谐室之间的同轴馈线上加多一个铁圈。
    天线调谐单元避雷器⑥:建议在天线调谐单元安装空气避雷器用以分流RF信号通路。该设备的尺寸及耐用性可被认为小于天线底部的火花球隙。因为小避雷器的击穿电压是由隙间距离以及电极的尺寸来决定的,因此不可能有非常精确的避雷器设置信息。避雷器必须要设置,因此对于正常的工作电压而言永远不会有击穿发生。由于调谐线路从天线馈线到地之间不会提供一个DC通路,因此一个要有一个静电放电扼流圈与避雷器相并联。
    天线馈线⑦:可以减少天线馈线中雷电电流的一种较为普遍且便宜的方法是做成一个或多个直径为1英寸或2英寸的线圈,以形成低限度的串联电感。
    托脚绝缘子的球体隙⑧:对于托脚绝缘塔而言,这是非常重要的保护设备。它由一对钨球组成避雷器,在球与球之间充满绝缘气。此设备非常耐用,容易检测和维修,可广泛应用于天线塔的底部,通常作为简单、有效的第一道雷电保护。安装此球体避雷器一定要严格,必须保证在恶劣的天气条件下球间隙始终分开。它的装置也能足够有效地保持槽体的分离度。两个球体应该水平排列,这样就可以避免垂直放置时水滴坠落影响球体间隙分离的效果。
 

视听科技视频号 广告
发表评论