CN112003126B - 中波铁塔消雷装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中波铁塔消雷装置，包括锥形的空间雷电场能感应体和雷电能量消耗单元，所述雷电能量消耗单元包括上金属安装板、下金属安装板和多个上下叠置且相互间电气串联的耗雷体组件，最上一个所述耗雷体组件与所述上金属安装板相对固定并保持电气连接，最下一个所述耗雷体组件与所述下金属安装板相对固定并保持电气连接，相邻两个所述耗雷体组件之间相对固定且相互间保持空气间隙，所述空间雷电场能感应体安装在所述上金属安装板的顶面上的边角位置，并与所述上金属安装板保持电气连接。本发明能消除中波铁塔的直接雷击地闪发生可能，消除中波发射台系统的雷击隐患，又能满足中波系统连续不间断正常工作的要求。

Description

中波铁塔消雷装置

技术领域

本发明涉及一种用于中波广播发射系统的直接雷击隐患消除装置。

背景技术

中波广播是远距离语音新闻信息传播的一种重要手段，更是一种现代公共应急广播的传播方式。由于中波广播是通过无线发射系统利用电磁波的方式来实现远距离的信号传输的，为提高中波的覆盖和发射效率，因此中波场地多在空旷环境中，而且很多中波铁塔采用半波长的发射铁塔，铁塔垂直高度在70-200米之间。为满足承载要求，铁塔体积较大，引雷能力较强，而且铁塔和大地绝缘，使得中波广播发射系统不可避免的会遭受到雷击的破坏与干扰。

中波系统的恶劣工作环境因素是影响中波系统正常工作的隐患来源，除雷电外，沙尘暴、雾霾等静电产生的隐患也会影响中波系统的安全。

中波系统雷击的损坏表现主要有以下几种：

(1)天线铁塔直接遭到雷击使铁塔拉线绝缘子(或加装的绝缘子保护避雷器)损坏；

(2)从塔底馈电口侵入的雷击过电势直接至阻抗匹配单元，引起发射机内部电路器件损坏；

(3)严重的直接雷击会带来供电系统的地电势反击，使中波发射机的电源系统损坏；

(4)严重的直接雷击电弧内含的X射线、雷声对工作人员身心健康存在危害隐患。

现有的中波系统防雷措施依据的是传统引雷泄放的防雷理论，传统理论认为雷击的危害有两个途径：直接雷击和雷击产生的电磁脉冲破坏，并针对这两种途径分别采取相应的保护措施。

关于直接雷击，传统的直接雷击保护的公认机理为“雷电能量通过避雷针的击闪，通过接地线泄放到大地”。避雷针的良好接地为这一直接雷击保护措施的首要条件。然而，半波长中波铁塔是绝缘于大地的，铁塔本身禁用接地，而且铁塔很高，无法在中波铁塔上采用直接雷击保护措施，而如果另设独立避雷针保护成本很高，且在发射场地内设置避雷针会影响天线的发射性能，因此无法采用富兰克林避雷针进行直接雷击保护，因此只有寄希望于“引雷接地”的方式进行直接雷击保护，即改善接地系统。改善接地系统的最直接方式是降低地网电阻，但直接效果是增加雷击的概率和强度，并不能阻止中波铁塔直接雷击地闪的发生，即使接地电阻为零，也改变不了中波系统设备处在高入地电势的隐患情况。

关于雷击产生的电磁脉冲，是指雷击产生的电磁冲击波，强大的冲击波在破坏电子和电气设备的同时还会对播出环节设备产生电磁干扰，导致播出效果下降甚至停播。

为此在很多中波系统，会在中波铁塔底部设置一对金属放电球。传统理论认为：在云层对天线铁塔放电时，天线底部会产生很高的电势，利用尖端放电原理，在天线底部金属放电球放电，用于防止来自天线的过量高电压。放电球的直径为10cm，一端接地，放电球间隙结合发射功率进行调整，一般在功率为10kW时放电球间隙调整为2cm。另外，在天线调配网络上也要增加一对直径1.5cm的石墨放电球，在石墨放电球接地一端的引线上套入30～40只阻尼磁环，发射机正常工作时，阻尼磁环不起作用；当天线遭到雷击瞬间短路时，电流经过引线流入大地，引线上的磁环产生反向感应电动势，增加了发射机系统的短路电阻，减弱了电流强度。石墨放电球的间隙一般取1mm/1kV，10kW发射机通常取1cm。由于雷电的主要能量集中于低频和直流部分，所以还在天线底部设计了对地并联的微亨级电感线圈(约60～100/μH)作为静电泄放线圈，它为雷击电流入地提供了良好通路，可以把雷电的巨大能量迅速泄放。然而实践证明金属放电球的作用效果很小。

发明内容

本发明旨在提供一种中波铁塔消雷装置，既能消除中波系统直接雷击地闪发生的可能，又能满足中波系统连续不间断正常工作的要求。

本发明的主要技术方案有：

一种中波铁塔消雷装置，包括锥形的空间雷电场能感应体和雷电能量消耗单元，所述雷电能量消耗单元包括上金属安装板、下金属安装板和多个上下叠置且相互间电气串联的耗雷体组件，最上一个所述耗雷体组件与所述上金属安装板相对固定并保持电气连接，最下一个所述耗雷体组件与所述下金属安装板相对固定并保持电气连接，相邻两个所述耗雷体组件之间相对固定且相互间保持空气间隙，所述空间雷电场能感应体安装在所述上金属安装板的顶面上的边角位置，并与所述上金属安装板保持电气连接。

所述上金属安装板和下金属安装板均为双层三角形板状结构，双层三角形板之间存在间隔且二者相互绝缘。

所述耗雷体组件可以包括雷电能量消耗电阻以及上固定金属板和下固定金属板，所述雷电能量消耗电阻有多个，相互间电气并联，每个所述雷电能量消耗电阻均安装在所述上固定金属板和下固定金属板之间，并与所述上固定金属板和下固定金属板保持电气连接。

每个所述雷电能量消耗电阻的外面包裹有外壳，所述外壳由耐腐树脂压注而成，所述外壳的外侧面沿所述雷电能量消耗电阻的长度方向呈锯齿形。

所述上金属安装板、下金属安装板、上固定金属板和下固定金属板均优选为中部镂空结构，同时所述雷电能量消耗电阻分布在靠近上、下固定金属板外边缘的位置，使所述中波铁塔消雷装置成为中空的柱状。

所述耗雷体组件的上固定金属板和下固定金属板之间还固定支撑有多根绝缘材料棒，所述绝缘材料棒分布在所述上固定金属板和下固定金属板的角点的位置上，与所述上固定金属板和下固定金属板一起形成中空框架。

相邻两个所述耗雷体组件之间的空气间隙距离为10-100mm，所述雷电能量消耗单元的内空高度在一米以上。

单个的所述耗雷体组件的电压等级优选在20KV以上，所述雷电能量消耗单元的电压等级优选在250KV以上。

所述空间雷电场能感应体的高度应在0.5米以上，底面的当量直径优选为50-200mm。

所述空气间隙优选由绝缘介质板充垫，所述绝缘介质板为中部镂空结构。

本发明的有益效果是：

在中波铁塔的最高处安装所述中波铁塔消雷装置，能够把空间电场通过空间雷电场能感应体在感应阶段主动感应转化，通过设置在空间雷电场能感应体下部的耗雷体组件，同步地以间隙电场和电能方式组合消耗转化的雷电作用能量，主动感应然后主动消耗掉，使雷击高电势通过感应消耗掉，其后面的中波铁塔就是安全的低电势区域，这种消耗方式没有直接雷击地闪发生的大地闪电流的产生条件，全部的雷电作用能量全部消耗在耗雷体组件上，不产生直接雷击地闪电流，不会把雷电作用能量转移到塔底的发射机系统中。利用中波铁塔的高度，起到很好的雷电高电压的安全消耗隔离作用，从而保证中波全系统设备的安全。

利用多支边角设置的金属接闪体，在不影响天波反射的前提下，扩大了接闪体的感应面积，使中波铁塔上部空间雷云电场的转化能力最大化，从而使周边区域的雷电场强减小，消除侧绕击的隐患。

所述耗雷体组件为独立的单元结构，可根据使用环境的需要多单元串联使用，方便生产、安装和维护，消耗电阻采用压注成型为瓦棱形状，提高产品的使用寿命，消除侧面污圾爬电可能。

由于所述耗雷体组件具有高阻抗、大功率和大体积特点(优选的，高阻抗要求是电压等级20千伏，通过电流小于1毫安；大功率要求是消耗瞬间功率等级在3×20千安×250千伏以上；大体积要求是单个消耗电阻基本尺寸为20×50×200mm)，因此能够很好地承受消耗过程中的热量，辅以空气或介质间隙的场能消耗，具有抗雷击能量大、本身电气消耗隔离能力强的优点。

中波铁塔是塔体直接做为天线使用的，具有固定的阻抗要求，在铁塔材料固定的情况下，铁塔的阻抗决定于铁塔的尺寸，在铁塔上安装金属装置，相应的会改变铁塔的物理尺寸，引起阻抗的变化，由于设空气间隙隔离，隔断了安装消雷针的物理尺寸的影响，解决了装置对中波铁塔阻抗的影响难题。

本发明与中波系统的地网没有关系，也没有接地电阻的数值要求，因此方便维护，使用期限的防雷保护可靠性更高。

附图说明

图1是本发明的一个实施例(用于三角半波长中波铁塔的消雷装置)的结构示意图；

图2是所述下金属安装板的一个实施例的立体结构示意图；

图3是所述耗雷体组件的一个实施例的立体结构示意图；

图4是所述绝缘介质板的一个实施例的立体结构示意图。

附图说明：1.下金属安装板；2.耗雷体组件；2-1.雷电能量消耗电阻；2-2.上固定金属板和下固定金属板；4.上金属安装板；6.绝缘介质板；7.空间雷电场能感应体。

具体实施方式

本发明公开了一种中波铁塔消雷装置，图1-4所示为其一个实施例，包括锥形的空间雷电场能感应体7和雷电能量消耗单元，所述雷电能量消耗单元包括上金属安装板4、下金属安装板1和多个上下叠置且相互间电气串联的耗雷体组件2。最上一个所述耗雷体组件与所述上金属安装板相对固定并保持电气连接，最下一个所述耗雷体组件与所述下金属安装板相对固定并保持电气连接，相邻两个所述耗雷体组件之间相对固定且相互间保持空气间隙。所述空间雷电场能感应体安装在所述上金属安装板的顶面上的边角位置，并与所述上金属安装板保持电气连接。

本发明可直接安装在三角自立中波铁塔的顶部，铁塔上方周边为雷云电场E，所述空间雷电场能感应体进行主动感应吸引，用感应的方式持续转换空间电场的能量，并把转换输出的雷电作用能量全部消耗在其下的所述耗雷体组件上，这种耗雷体组件消耗方式是采用高电势差、小位移电流的方式消耗全部的作用能量，把中波铁塔雷击的高电压直接消减为安全的低电压，从而消除中波铁塔的直接雷击地闪发生的可能。没有了中波铁塔的直接雷击地闪发生，就没有中波系统的雷击危害隐患，因此本发明能彻底解决中波系统雷患。

本发明的发明人研究发现，对中波系统最严重的危害其实是中波铁塔地闪引起的塔身电势(内反射)和入地电势的反击隐患。地电势反击涉及塔身顶部电势ε1、塔身底部电势ε2和接地系统地电势ε3反击三部分。

直接雷击地闪发生瞬间，直接雷击电流i在塔身顶部产生塔身顶部电势ε1，其幅度可简单表示为ε1＝塔身电势差ε12+间隙保护球电弧电势差ε23+地电势ε3。一般的塔身电势差ε12和塔身电阻成正比。间隙保护球电弧电势差ε23和间隙球距离成正比，一般强度为500KV/米，发生放电时为60KV/米。在拉线底部和塔底良好连接的情况下，塔身电势幅度和直接雷击地闪电流成正比，当间隙放电电压幅度过大时，会使塔身拉线产生拉弧放电故障。

塔身底部电势ε2的幅度可简单表示为ε2＝间隙保护球电弧电势差ε23+地电势ε3。在系统良好等电位连接的情况下，反击的危害和垂直接地体的接地电阻的数值没有关系。传统的在间隙球接地引下线串电感的做法会加重谐波成分的反射隐患。

一般地电势ε3的幅度和接地网的面积有关，也和雷电的作用强度有关且通常是正相关的。在发射天线、调配网络、发射设备机房接地和配电系统良好等电位连接的情况下，且在一个水平面上，地电势ε3的反击和接地体的电阻数值无关。其中在塔底、拉线底部做垂直接地井，或抬高配电系统、发射机房设备摆放位置，都可以起到一定的有效作用，但这种方法不是一种从源头对直接雷击高电压的最好消减的可靠方法。

对中波系统电源系统的损坏，其危害来源主要是配电系统杆路本身直接雷击地闪产生的地电势反击事故。在配电系统变压器为隔离变压器的情况下，这种故障主要是供电系统末一级杆塔的直接雷击地闪造成的，超过配电变压器100米以外距离的供电线路雷击都不会引起中波系统的设备电源部分的损坏。

它处直接雷击产生的空间传输的感应雷击和电磁辐射，不足以引起发射系统电源部分的损坏，其中电磁辐射的影响也仅是干扰，而不会引发高压跳闸的故障。对中波系统产生危害的是天线铁塔发生直接雷击地闪电流的谐波成分通过馈线系统的直接反射，它会引起高压系统跳闸，严重的会损坏发射单元电路器件。这个危害程度直接和地闪电流成正比，而现在中波防雷措施多是一种增大雷击地闪电流的做法，因此不仅不能在技术上根本解决防雷问题，甚至于可能使雷击危害更为严重。

基于上述研究结果，本发明将高电压提前消耗掉，能从源头上有效避免传统的防雷措施中带有正、负极性的高电压通过接地的等电位连接系统与电源系统电位极性相反的端口产生地电势叠加反击，也就避免了因此造成的电子线路和元器件的损坏，使防雷可靠性显著提高，并且，本发明不再依赖于接地的状况如何，甚至于与地网、接地电阻大小都没有关系，因此安装、维护都更加方便。

本实施例中，所述中波铁塔为三角拉线中波塔，相应地，所述中波铁塔消雷装置的上金属安装板、下金属安装板均为双层三角形板状结构，双层三角形板之间存在间隔且二者相互绝缘。

所述空间雷电场能感应体是金属接闪体，通常应设置多支，以提高接闪体感应雷云空间电场的表面积，以便能够把更多的空间电场通过感应的方式转化为感应电势能，消除中波铁塔侧击的发生可能。所述空间雷电场能感应体通过金属螺丝固定在上金属安装板上。

所述下金属安装板上设有用于向中波铁塔安装的紧固件孔。所述中波铁塔消雷装置通过所述下金属安装板与中波铁塔顶部平面间的紧固件连接实现与中波铁塔的直接固定安装。

由于所述下金属安装板的上层板以上各部分与中波铁塔之间绝缘，使得所述中波铁塔和所述中波铁塔消雷装置的绝大部分金属件物理连接为非直接连接，因此不会产生明显加高中波铁塔的机械金属尺寸的效果。由于所述中波铁塔消雷装置安装后几乎不改变中波铁塔的结构尺寸，因此不影响中波系统的天线阻抗的作用，同时还可以利用所述空气间隙以介质电场能的方式消耗雷电作用的能量。

所述雷电能量消耗单元采用多个所述耗雷体组件串联，并主动利用串联间的物理距离形成均匀的空气间隙，利用所述空气间隙转换传导消耗雷电作用的一部分有害能量，可以间接降低所述雷电能量消耗单元的成本。

所述耗雷体组件包括雷电能量消耗电阻2-1以及形状尺寸均相同的上固定金属板和下固定金属板2-2，所述雷电能量消耗电阻有多个，相互间电气并联。每个所述雷电能量消耗电阻都安装在所述上固定金属板和下固定金属板之间，并与所述上固定金属板和下固定金属板保持电气连接。所述上固定金属板和下固定金属板为均匀金属平板。结构上，每个所述耗雷体组件都是一个消耗雷电能量的独立单元，可根据使用环境的需要叠加安装不同数量的耗雷体组件，多单元串联使用，方便生产、安装和维护。

每个所述雷电能量消耗电阻的外面包裹有外壳，所述外壳优选由耐腐树脂压注而成，且所述外壳的外侧面沿所述雷电能量消耗电阻的长度方向(即上下方向)呈锯齿形。

所述上金属安装板、下金属安装板、上固定金属板和下固定金属板均为中部镂空结构，即相应板为封闭的环状平板。所述雷电能量消耗电阻优选分布在靠近上、下固定金属板外边缘的位置，即所述雷电能量消耗电阻围成一个中部上下相通的结构，使本实施例中的所述中波铁塔消雷装置成为中空的三棱柱形状。中波铁塔天波能够直接从中空位置通过，不会造成天波信号的屏蔽反射的二次干扰影响。本实施例中，上固定金属板和下固定金属板的外边缘同上、下金属安装板一样为三角形。

所述耗雷体组件的上固定金属板和下固定金属板之间还可以固定支撑多根绝缘材料棒，所述绝缘材料棒分布在所述上固定金属板和下固定金属板的角点的位置上，与所述上固定金属板和下固定金属板一起形成中空框架。以本实施例的中空三角形平板为例，一个所述耗雷体组件有三根绝缘材料棒，每相邻两根绝缘材料棒与上、下固定金属板围成一个安装框口，用于安装雷电能量消耗电阻，因此一个所述耗雷体组件有三个这样的安装框口。所述雷电能量消耗电阻的上下两端可直接与上、下固定金属板固定连接，也可以套设在绝缘材料棒上并限位于上、下固定金属板之间。

所述耗雷体组件具有大功率、大阻抗、大体积的特点，所谓大功率要求消耗瞬间功率等级在3×20千安×250千伏以上，所谓大阻抗要求单个的所述耗雷体组件的电压等级优选在20KV以上，通过电流小于1毫安，所谓大体积要求单个消耗电阻的基本尺寸为20×50×200mm以上。

串联且相邻的两个所述耗雷体组件之间的所述空气间隙距离优选为10-100mm，所组成的所述雷电能量消耗单元的内空高度优选控制在一米以上。

单个的所述耗雷体组件的电压等级优选在20KV以上，所述雷电能量消耗单元的整体电压等级优选在250KV以上。所述耗雷体组件越大等级越高，效果越好，当然成本也越高。

本实施例中，所述空间雷电场能感应体有三支，分布在所述上金属安装板的三个角上，且优选为三支所述空间雷电场能感应体各自相对其所在角的位置均相同。所述空间雷电场能感应体的高度在0.5米以上，底面的当量直径为50-200mm。附图1所示实施例中，所述空间雷电场能感应体的高度在500-2000mm之间，底面的当量直径在50-100mm之间。

中波铁塔消雷装置中的所述耗雷体组件体的个数以及一个所述耗雷体组件中所述雷电能量消耗电阻的个数根据中波铁塔的高度和具体使用环境雷暴日要求确定。例如，当中波铁塔的高度越高、雷击强度越强时，所选用的所述中波铁塔消雷装置中的所述耗雷体组件的个数可以更多一些。而一个所述耗雷体组件中所述雷电能量消耗电阻的个数通常根据雷暴日多少确定，例如雷暴日越多，应选用并联的雷电能量消耗电阻个数越多的耗雷体组件。并联电阻数增加，会相应降低耗雷体组件的阻抗，因此需要通过增加串联的耗雷体组件的个数以增加阻抗，具体可以在实际使用中合理安排，以满足不同场合的需要。

所述空气间隙优选由绝缘介质板6充垫。本实施例就是这种情况，所述绝缘介质板与相邻的所述上固定金属板和下固定金属板的形状和规格相同，三者通过紧固件固定连接。对于中部镂空的上、下固定金属，所述绝缘介质板也为中部镂空结构。所述绝缘介质板是不同于空气的另一种绝缘介质，同样可以消耗雷电作用的有害能量。

本发明能满足中波铁塔不接地、不影响阻抗、不影响天波传输的基本技术要求，能够保证中波系统正常安全播出的前提下，在中波铁塔顶部安装直接雷击消除装置，在雷击的源头上串联大功率、大阻抗、大体积的雷电能量消耗体组件，以小电流、高电势方法消耗。根据中波系统发射场地的要求，只要在每个中波铁塔的顶部安装合适型号的所述消雷装置，就能直接把雷电高电压消减为安全的低电压，直至消除中波发射台系统的直接雷击发生的可能，从根本上解决中波系统雷击保护可靠性的技术难题。对新建系统，本发明的消雷装置可直接和中波铁塔组合在一起生产，对老系统可用独立产品进行改造。

Claims (13)

1.一种中波铁塔消雷装置，其特征在于：包括锥形的空间雷电场能感应体和雷电能量消耗单元，所述雷电能量消耗单元包括上金属安装板、下金属安装板和多个上下叠置且相互间电气串联的耗雷体组件，最上一个所述耗雷体组件与所述上金属安装板相对固定并保持电气连接，最下一个所述耗雷体组件与所述下金属安装板相对固定并保持电气连接，相邻两个所述耗雷体组件之间相对固定且相互间保持空气间隙，所述空间雷电场能感应体安装在所述上金属安装板的顶面上的边角位置，并与所述上金属安装板保持电气连接，所述耗雷体组件包括雷电能量消耗电阻以及上固定金属板和下固定金属板，所述雷电能量消耗电阻有多个，相互间电气并联，每个所述雷电能量消耗电阻均安装在所述上固定金属板和下固定金属板之间，并与所述上固定金属板和下固定金属板保持电气连接，所述上金属安装板、下金属安装板、上固定金属板和下固定金属板均为中部镂空结构，所述雷电能量消耗电阻分布在靠近上、下固定金属板边缘的位置，使所述中波铁塔消雷装置成为中空的柱状。

2.如权利要求1所述的中波铁塔消雷装置，其特征在于：所述上金属安装板和下金属安装板均为双层三角形板状结构，双层三角形板之间存在空气间隔且二者相互绝缘。

3.如权利要求2所述的中波铁塔消雷装置，其特征在于：每个所述雷电能量消耗电阻的外面包裹有外壳，所述外壳由耐腐树脂压注而成，所述外壳的外侧面沿所述雷电能量消耗电阻的长度方向呈锯齿形。

4.如权利要求3所述的中波铁塔消雷装置，其特征在于：所述耗雷体组件的上固定金属板和下固定金属板之间还固定支撑有多根绝缘材料棒，所述绝缘材料棒分布在所述上固定金属板和下固定金属板的角点的位置上，与所述上固定金属板和下固定金属板一起形成中空框架。

5.如权利要求1、2、3或4所述的中波铁塔消雷装置，其特征在于：相邻两个所述耗雷体组件之间的所述空气间隙为10-100mm，所述雷电能量消耗单元的内空高度在一米以上。

6.如权利要求5所述的中波铁塔消雷装置，其特征在于：单个的所述耗雷体组件的电压等级在20KV以上，所述雷电能量消耗单元的电压等级在250KV以上。

7.如权利要求1、2、3或4所述的中波铁塔消雷装置，其特征在于：所述空间雷电场能感应体的高度在0.5米以上，底面的当量直径为50-200mm。

8.如权利要求5所述的中波铁塔消雷装置，其特征在于：所述空间雷电场能感应体的高度在0.5米以上，底面的当量直径为50-200mm。

9.如权利要求6所述的中波铁塔消雷装置，其特征在于：所述空间雷电场能感应体的高度在0.5米以上，底面的当量直径为50-200mm。

10.如权利要求1、2、3或4所述的中波铁塔消雷装置，其特征在于：所述空气间隙由绝缘介质板充垫，所述绝缘介质板为中部镂空结构。

11.如权利要求5所述的中波铁塔消雷装置，其特征在于：所述空气间隙由绝缘介质板充垫，所述绝缘介质板为中部镂空结构。

12.如权利要求6所述的中波铁塔消雷装置，其特征在于：所述空气间隙由绝缘介质板充垫，所述绝缘介质板为中部镂空结构。

13.如权利要求7所述的中波铁塔消雷装置，其特征在于：所述空气间隙由绝缘介质板充垫，所述绝缘介质板为中部镂空结构。

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