广电行业

CATV系统防雷技术综述

2016/03/04

雷是一种大气中的放电现象,常常使有线电视设备严重损坏,在CATV系统中,防雷设计是一项十分重要的工作,而在实际工程当中,防雷并没有引起技术人员的足够重视,一旦遭到雷击,没有良好防雷措施的系统就会遭到严重破坏,甚至瘫痪。对于干线较长的大系统,防雷设计更是刻不容缓的大事,本文从雷击的产生机理以及雷电的分布规律阐述雷电,以期读者对雷击有一个整体的认识,进而阐述防雷的措施以及CATV器材的抗雷击性能。
  雷击主要有两种:“直击雷”和“感应雷”。直击雷只有雷击率的 10%左右,危害范围一般较小,可使用避雷针、避雷线和避雷网来防避,危害大得多的“感应雷”占雷击率近90%,危害范围甚广,CATV系统的电子设备受雷击损坏,主要是感应雷造成的。直击雷是带电云层和大地之间放电造成的,在形成雷云的过程中某些云积累起正电荷的雳云接近到一定程度时,发生讯猛的放电。出现耀眼的闪光。当雷云很低,周围又没有异性电荷的雷云时,就会在地面或者建筑物上感应出异性电荷,形成带电云层向地面或者建筑物放电;放电电流可达到几十甚至几百千安,放电时间为50-100µ S,这种放电就是直击雷,直击雷对建筑物和人、畜安全危害甚大。安装于避雷针后, CATV系统的电子设备即使在其保护范围之内,仍然可能遭雷击而受损,大多数都是烧保险丝,电源变压器,整流元件,三端稳压器,严重的还可能损坏集成电路等元件,这说明雷击不是从天线引入的,而是从电源线引入的,可见避雷针虽保护了建筑物,却保护不了置于其内的CATV电子设备,这是感应雷造成的。
      感应雷电静电感应和雷电流产生的电磁感应两种原因所引起的,当带电的云层(雷云)靠近输电线路时,会在它们上面感应出异性电荷,这些异性电荷被雷云电荷束缚着。当雷云对附近的目标或接闪器(避雷针是最早、最常用的接闪器)放电时,其电荷迅速中和,而输电线路上束缚的电荷便为自由电荷,形成局部感应高电位。这种感应高电位发生在低压架空线路时亦可达100KV;在电信线路上可达40-60KV。而且它可以沿着线路传入电子设备,造成损害。雷击后巨大的雷电流在周围空间产生交变磁场,由于电磁感应使附近设备感应出高电压,从而使设备损坏。
       我国雷电的分布规律是:通常热而潮湿的地区比冷而干燥的地区雷电多,同时雷电的频数是随着地理纬度的减小而增加,即越接近赤道频数越高,具体说来有华南>西南>长江流域>华北>东北>西北,除此之外,雷电的频数随地域而变,即:山区>平原>沙漠,陆地>湖海,每年雷电的高峰都在7、8月份,活动的时间大都在14-22时之间。一个地区有无雷电是由气象条件所决定的,但具体的落雷点则受当地条件的影响较大。①地形的影响,通常山的东坡、南坡落雷的几率多于山的西北坡,山中平地的落雷几率大于峡谷,湖海边落雷的几率很小,但湖海如有山岳则靠水的一面山坡落雷几率较多;风口或顺风的河谷容易落雷。②地面物的影响,空旷地中的孤立建筑物和建筑物群中高耸的建筑物易受雷击,金属结构的屋顶、塔架易受雷击,屋旁大树、接收天线、山区输电线等易受雷击,这是因为这些地面物极利于雷云与大地建立良好的放电通道。③地质的影响,土壤、电阻率相对值小而电荷相对积聚快的地方容易落雷,有大片土壤电阻较大时,局部土壤电阻率小的地方易落雷;土壤电阻率小的山坡或土山易落雷;土里有导电矿藏的地区易落雷;地下水位高或有矿泉的地区易落雷。
  对于系统的防雷最有利的措施是系统有良好的接地,良好接地不仅能及早的泄掉感应雷产生的电压,同时也可泄掉由于设备漏电而产生的对地电压,达到保护设备和人身安全的目的,具体的系统防雷也是从接地开始的。与此同时,在需要的地方按装避雷外、避雷器,但是选用器材的抗雷击性能也不忽视,在选用器材时,考查器材的抗雷击性能也是重要的一环。目前,我国大量生产和使用避雷器,有以电工碳化硅阀片为基本元件的各种阀式避雷器;有以氧化锌阀片为基本元件的氧化锌避雷器,氧化锌避雷器较之阀式避雷器具有动作迅速、通流容量大、残压低、无续流、结构简单、可靠性高、寿命长、维护简便等优点。下面重点讲述氧化锌避雷器,氧化锌压敏避雷器对感应雷及雷电波入侵的防止是有效的。其工作原理是其伏安特性的非线性。正常电压时,避雷器呈高阻状态,只有很小的泄漏电流(µA数量级),功率损耗很小,当线路中出现过压时,避雷器呈低阻状态(时间效应为10-9数量级)过电压以放电电流的形式通过避雷器流入大地,过电压被抑制下来,浪涌电压过后,线路电压恢复正常时,避雷器又呈高阻绝缘状态,因此避雷器必须有良好的接地装置与之配合。
  雷电过电压的电流是一种很快上升到峰值,然后较慢下降的脉冲,其时间量值为10-6S数量级,国家的通用标准是8/20µS,即用8µS的时间上升到峰值,然后用20µS的时间下降到半峰值,而氧化锌避雷器的响应时间为10-9数量级,因而响应时间是来得及的,其次是幅值问题,有线电视的供电电源经过电力系统的多级避雷,因而雷电脉冲电流大于 5 KA的概率不会大干15%,只要选择通流容量为 5 KA的避雷器,其残压也是设备能够承受的,加上合乎要求的接地就会达到避雷的效果。
1.无线的防雷接地。有线电视的接收天线和竖杆一般架设在建筑物的顶端,应把所有的接收天线,包括卫星接收无线的接地焊在一起,接天线的竖杆(架)上应装设避雷针,避雷针的高度应能满足对天线设施的保护,安装独立的避雷钟时,由于单根避雷针的保护范围呈帐篷状,边界线呈双曲线,所以避雷外高于天线顶端的长度应大于天线的最大尺寸,避雷针与天线之间的最小水平间距应大于3M,建筑物已有防雷接地系统时避雷针和天线竖杆的接地应与建筑物的防雷接地系统共地连接;建筑物无专门的防雷接地可利用时,应设置专门的接地装置,从接闪器至接地装置采用两根引下线,从不同的方位以最短的距离沿建筑物引下,其接地电阻应小于4欧姆,无论是新制作的接地统还是原建筑的接地线,接地电阻都应小于4欧姆,除天线应有良好的避雷的接地外,还应采取如下措施:①无线输出端应安装专用CATV保安器;②天线输出电缆按接地要求接地;③使用装有气体放电管及快速反应保护二级管的天线放大器或频道放大器。
2.前端设备的防雷接地。如果在前端附近发生雷击,则会在机房内的金属机箱和外壳上感应出高电压,危及设备及人身安全。前端设备的电源漏电也会危及人员的安全,因此,对机房内的所有设备,输入、输出电缆的屏蔽层,金属管道等都需要接地,不能与层顶天线的接地接在一起,设备接地与房屋避雷针接地及工频交流供电系统的接地应在总接地处连接在一起。系统内的电气设备接地装置和埋地金属管道应与防雷接地装置相连,不相连时两者的距离应大于3米,机房内接地母线表面应完整,并无明显锤痕以及残余焊剂渣;铜带母线应光滑无毛刺。绝缘线的老化层不应有老化龟裂现象。一些前端设备如调制器,接收机等没有过压保护,而只有过流保护,一旦有雷击物往会出现电源烧坏而保险不断的情况,针对此种情况应在总电源处加装避雷器,以更好的保护前端设备。
3.干线和分配系统的防雷接地。①敷设于空旷地区的地下电缆,当所在地区年雷暴天数大于20天及土壤电阻率大于100欧姆时,电缆的屏蔽层或金属护套应每隔2KM左右接地一次。②架空电缆的屏蔽层及金属护套、钢纹吊线每隔250M左右接地一次,在电缆分线箱处的架空电缆金属护套,屏蔽层及钢绞线应与电缆分线精会用接地装置。埋设于空旷地区地下电缆,其屏蔽层和护套,应每隔2KM左右接地一次,以防止感应电的影响。③电缆进入建筑物时,在靠近建筑物的地方,应将电缆的外导电屏蔽层接地,架空电缆直接引入时,在入户处应增设避雷器,并将电缆外导体接到电气设备的接地装置上,电缆直接埋地引入时,应在入户端将电缆金属外皮与接地装置相连。④不要直接在两建筑物屋顶之间敷设电缆,可将电缆沿墙降至防雷保护区以内,并不得防碍车辆的运行,吊线应作接地处理。⑤系统中设备的输入输出端应有气体放电保护管,220V供电的放大器的电源端应有过压保护装置,目前市面上的放大器鱼龙混杂,为了降低成本,甚至省去了防过压措施,如输入输出瑞元气体过压放电管,220V供电的放大器电源端只有过流保护,而无过压保护,在选用干线器材时,应把防过压保护作为一个重要的前提条件来考虑。⑤CATV系统中的同轴电缆屏蔽网和架空支撑电缆用的镀锌铁线都有良好的接地。
4.CATV系统中的同轴电缆屏蔽网和架空支承电缆用的镀锌铁线都有良好的接地,受感应雷的机会较小,雷电最容易从电源线进入电子设备,把供电线进户瓷瓶铁脚接地,对保护电力设备和人身安全可以起到一定的作用,但由于CATV等电子设备的耐受过电压的能力比电力设备差得多,因此除必须在进户线上安装低压避雷器外,可把光屏蔽的电线、电缆等在埋地金属管中,使雷电波通入地中。电源线在进入电子设备前可绕几个圈以形成小电感,对50HZ电流没有什么影响,对阻挡雷电波侵入设备却有一定作用。
  在系统接地时,一定注意接地电阻的最小化,接地电阻大防雷效果就差,尽量的减小接地电阻、控制在8欧姆以下为最好。
  有线电视系统的防雷是一项综合的技术工程,任何一个环节出了漏洞,都会影响整个系统的防雷效果。在做系统的防雷设计时一定要本着科学严谨的态度,切实做好系统的防护设计。