[转帖]发射台计算机控制系统的防雷措施

本文作者黄光先生，深圳市广播电视传输中心发射传输部助理工程师；江文庭先生，技术开发部助理工程师。<br>
<br>关键词：雷电反击　法拉第笼　二次感应雷　电源　内阻<br>
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　　随着科学技术的发展，广播电视发射设备由电子管向全固态发展，操作越来越智能化；与此同时，基于计算机的发射机遥控遥测系统在发射台站得到了广泛的应用，监控手段日趋完善。但是，由于发射机遥控遥测系统的抗雷电和强电磁脉冲的能力十分薄弱，在雷电或强电干扰下，控制系统会出现瘫痪，从而造成发射设备停机，导致停播事故的发生。因此，如何提高高山发射台站设备的防雷和抗干扰能力，使设备稳定可靠地工作，是一个值得研究的课题。在这里，我们仅就梧桐山发射台计算机控制系统的防雷措施进行剖析。<br>
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系统防雷存在的问题<br>
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　　我中心的Harris PT-10 FM调频发射系统是由4台主机和一台备机组成的4+1系统，配有N+1控制器和DC-128遥控遥测系统，具备手动和自动控制功能。其中DC-128是遥控遥测的心脏，通过和其相连接的计算机终端，对发射机运行参数进行监测和控制，能实现发射机和机房空调的定时开/关机、查看和自动打印发射机运行参数、温度检测和超限告警、故障监测等功能。<br>
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　　如图1所示，我中心的调频发射机和DC-128同处于调频发射机房，通过RS-232接头和总控制室的计算机终端相连，DC-128和计算机控制终端之间的数据线约有40m。数据线用音频线代替。强雷电时，计算机控制终端接口容易遭雷击而损坏。一开始我们认为雷击电流是从连线的两个端口进入的，为此在两端加了RS-232数据端口防雷器，但效果不佳，说明雷击信号还有另外的进入途径。通过检查和分析，发现计算机控制系统的信号线和电源线路是布在一起的，一旦有雷击，感应信号就会首先进入电源线路，然后耦合或感应至计算机控制系统的信号线，结果对计算机系统造成损害。以前，为防止雷击造成设备损坏，值班人员不得不将DC-128遥控遥测系统关闭，而采用N+1控制器对发射机进行手动控制，这样增加了劳动强度，给工作带来了不便。因此，必须解决系统防雷问题。<br>
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　　从理论上讲，雷电给电子设备造成的危害很多，不可能用一种方法就可以全部防止。现代防雷技术理论认为：闪电是电流源，防雷的基本途径就是要提供一条雷电流(包括雷电电磁脉冲辐射)对地泄放的合理的阻抗路径，或者说尽可能快地把雷电流泄放到大地，而不能让其随机地选择放电通道而导致各种设备损坏。<br>
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　　设备防雷的主要方法是切断雷电损害的途径。德国的防雷专家西曼斯提出了现代防雷保护的三道防线：(1)外部保护，将绝大部分雷电流直接引入大地泄放；(2)内部保护，阻塞沿电源线或数据线、信号线的雷电波危害设备；(3)过电压保护，限制被保护设备上的雷电过电压幅值。三道防线相互配合，综合应用。<br>
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雷电防护的主要原则和方法<br>
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　　雷电可分为直击雷和感应雷。<br>
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　　直击雷防护<br>
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　　主要采用避雷针、避雷带、避雷网作为闪接器，通过良好的接地装置，迅速而安全地把雷电流传导入大地。<br>
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　　感应雷的防护<br>
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　　要避免感应雷造成危害,可采取如下措施：<br>
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　　(1)电源防雷。通常采取三级防护，第一级保护将避雷器安装在建筑物中输入电源总配电室内进线配电柜上或楼内单元输入电源的主配电盘上，主要用于保护整栋建筑物或主要用电设备；第二级保护主要安装在设备配电柜上；第三级保护主要安装在各个用电设备的电源端，用于保护最终的用电设备。<br>
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　　(2)信号系统防雷。与电源防雷一样，信号系统的防雷主要采用信号避雷器。<br>
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　　(3)等电位连接。一个完整的防雷系统中必须实施等电位连接，目的是减小防雷的空间内各金属部件和各系统之间的电位差，防止雷电反击。电源线和信号线都要通过过压保护器进行等电位连接，设备的金属外壳、电源线和信号线的屏蔽体、建筑物的金属构件、金属管线与接地系统进行等电位连接，防止这些物件上感应雷电高电压或接地装置上雷电入地高电位的传递对设备绝缘、电缆芯线造成反击。等电位连接为雷电流提供低阻抗通道，使雷电流迅速地泄流入地。<br>
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　　(4)金属屏蔽和多点接地。除以上措施外，还应采用有效的屏蔽、多点接地等办法，避免架空线路直接进入建筑物内配电系统和信号系统；尽可能采用埋地电缆引入方式，并采用金属管屏蔽，屏蔽金属管进入建筑物或机房前多点接地，最大限度地衰减有可能感应到线缆上的雷电压。这样就大大减小了通过线缆感应雷电损坏设备的可能性。<br>
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雷电对计算机的破坏机理<br>
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　　我们知道，在计算机通信设备中，接口电路芯片的抗脉冲能力是很差的。因为这些芯片都是由CMOS电路构成的，CMOS电路的耐压极限电压均在几十伏，因而极易遭受强感应雷袭击而损坏。另外，CMOS半导体集成模块的工作电压较低，一般在5～10V，因而耐压也比较低，很难承受±5V的电压波动，过压、过流保护能力极其脆弱。美国的研究表明，当磁场强度超过0.07高斯时，无屏蔽的计算机会出现暂时性失效或误动作；当磁场强度超过2.4高斯时，会致使集成电路永久性损坏。那么雷电等过电压是通过哪些渠道侵入计算机及其弱电系统呢？下面做一分析：<br>
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　　(1)直击雷经闪接器(如避雷针/带)直接入地，导致地网电位上升，该高电压由设备接地线引入电子设备而造成电子设备地电位反击；<br>
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　　(2)雷电流沿引下线入地时，在引下线周围产生磁场，引下线周围各种金属管(线)感应而产生过电压，该过电压由接地线侵入电子设备； <br>
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　　(3)进出大楼或机房的电源线或通信线楼外部分，受直击雷而加载的雷电压及过电流经线路窜入，入侵电子设备。<br>
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梧桐山发射基地避雷系统<br>
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　　在梧桐山整个发射基地都建有地网，主机房大楼主钢筋的上端与发射塔上的接闪器连通，下端与地网连接，中间与各层均压网或环形均压带连接，对进入建筑物的各种金属管线实施均压等电位连接，具有特殊要求的各种不同地线进行等电位处理。这样就形成了一个法拉第笼式接地系统。通过测试，接地电阻小于0.4W，完全符合避雷要求。但为什么每次雷击的时候计算机监控系统仍然会受到侵害呢？由于弱电监控系统处于室内，根据以上分析，显然不是直击雷而是感应雷造成的，由于地网电压瞬间升高而导致雷电压反击。一般情况下，最容易引雷电的就是电源系统，因为它的内阻极低，而电源系统又承担对各种电子设备供电的工作，因而就有很多电源布线。由于梧桐山发射基地计算机控制系统的信号线是与电源线路布在一起的，由此形成了二次雷电感应，致使弱电设备受损(图2)。<br>
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　　针对这一问题，我们提出了以下解决方案：<br>
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　　(1)电源线防雷。根据电源防雷的三级防护原则，在电源线路原有浪涌抑制器的基础上，在计算机终端的电源上增加电源防雷器，防止雷电通过电源线路对计算机造成破坏。<br>
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　　(2)信号线防雷。有三个方面：(a)信号线和电源线分开布线并加套金属屏蔽管，金属屏蔽管尽可能多点接地；(b)信号线采用带有屏蔽层的线缆；(c)信号接口使用抗雷击能力强的接头。<br>
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　　我们目前采用的是RS-232接口。为提高端口的抗雷击能力，可以将RS-232接口串接RS-232至RS-485的转换器。由于多了一层转换隔离，提高了抗雷击能力。如图3所示。<br>
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　　另外，还可以采用RS-232至RS-485接口的无源多模光纤转换器。由于线路距离不是太长，重新布放光缆也较容易。由于采用了光纤技术，可以避免由于不同节点地电位不同而引起设备烧毁和强电磁感应、高电压引起的干扰。<br>
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　　如图4所示，它不但解决了电磁干扰、地环干扰和雷电破坏的难题，避免了回路电压、浪涌、感应雷电、静电、热拔插损伤设备，而且大大提高了数据通信的可靠性和稳定性。<br>
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　　除此以外,我们还在RS-232接口的两端加上信号防雷器,对通信接口进行多重保护。信号防雷器可以将侵入信号线路上的雷电脉冲泄放掉，防止了雷电波的侵入，保护了设备和人身安全。<br>
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　　综上所述,雷电对计算机等电子设备造成的损害途径是多方面的，采取有效的防雷措施，是保证电子设备稳定可靠运行的重要前提<br>