中波發(fā)射天線的防雷措施

李昂+范行健

摘 要：盡管天調(diào)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)設(shè)有多重安全防雷措施，但每年還是有因雷電造成發(fā)射機(jī)保護(hù)和功放管擊穿的現(xiàn)象。特別是就近些年來(lái)，隨著極端惡劣天氣的增加，這種情況更為突出，為了更好地完成安全播出任務(wù)，我臺(tái)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，分別在多個(gè)方面進(jìn)行了防雷方面嘗試，通過(guò)綜合避雷措施，較好地解決了我臺(tái)發(fā)射天線的雷擊問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：防雷；泄放；接地；天調(diào)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TN934.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）24-0063-02

如今的中波發(fā)射臺(tái)，都已經(jīng)全面由電子管發(fā)射機(jī)更換為先進(jìn)的全固態(tài)發(fā)射機(jī)。與過(guò)去的電子管發(fā)射機(jī)相比，全固態(tài)發(fā)射機(jī)具有壽命長(zhǎng)，工作設(shè)備更加穩(wěn)定，效率高，技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良等特點(diǎn)。但反之，全固態(tài)發(fā)射機(jī)也有器件耐壓低，承受雷電浪涌電流差，極易過(guò)荷保護(hù)和損壞的特點(diǎn)。

1 現(xiàn)狀分析

河南省鄭州八零四中波轉(zhuǎn)播臺(tái)共有發(fā)射天線3座，每一座發(fā)射天線均為雙頻共塔，高度分別為120m，88m，76m。發(fā)射天線是周圍最高的建筑物。每當(dāng)遇到雷電季節(jié)，發(fā)射機(jī)頻繁遇到雷電的干擾，特別是最高的120m發(fā)射天線，遇到雷電天氣時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)感應(yīng)放電和遭雷擊情況，除造成大面積功放模塊損壞和降功率停機(jī)外，還嚴(yán)重影響人身安全。分析原因，是因?yàn)楫?dāng)發(fā)射天線在建設(shè)時(shí)，只安裝有初步防雷設(shè)備，遇到雷電電流以后，由于雷電有極大的能量，雖經(jīng)防雷設(shè)備泄放，但還是有很大的瞬間高壓倒送至發(fā)射機(jī)，導(dǎo)致發(fā)射機(jī)損壞，因此如何有效防雷是我臺(tái)面臨的一個(gè)迫切問(wèn)題。

2 雷擊造成損壞原因和防雷原理

一般而言，雷常分為直擊雷和感應(yīng)雷。通常講的雷擊是指一部分帶電的云層與另一部分帶異種電荷的云層，或者是帶電的云層對(duì)大地之間迅猛的放電。當(dāng)發(fā)射天線遭雷擊時(shí)，各個(gè)防雷放電回路放電，造成瞬間天線阻抗被短路。發(fā)射機(jī)功放合成回路則會(huì)產(chǎn)生高壓大電流，從而燒毀功放模塊和相關(guān)器件。防雷的主要思路就是在雷電電流進(jìn)入發(fā)射機(jī)以前，就以各種方式將雷電電流旁路入地或者盡可能將其阻止在發(fā)射機(jī)外部，從而起到保護(hù)設(shè)備的效果。

3 中波天線防雷措施的改進(jìn)

3.1 發(fā)射鐵塔防雷

現(xiàn)有的發(fā)射鐵塔天線底部是通過(guò)絕緣體與大地相連的，在底座上安裝有第一道防雷設(shè)備，金屬放電球。其原理是利用放電球的兩個(gè)碗面形成放電間隙，當(dāng)鐵塔遭雷擊時(shí)，高壓擊穿兩碗面之間的空氣，從而使雷電電流通過(guò)放電間隙泄放到大地。此放電電流極大，因此要求放電球接地端的接地電阻要很小，而且還要有足夠的接地面積，這樣才有利于迅速將雷擊電流泄放。放電球參考間隙一般以塔底最高電壓計(jì)算，每毫米耐壓1kV，常為40mm～80mm，此間隙還要根據(jù)發(fā)射機(jī)功率大小和本地實(shí)際雷電強(qiáng)度而調(diào)整。我臺(tái)在調(diào)整此間隙時(shí)，一般調(diào)整到足以滿足發(fā)射機(jī)最大功率工作時(shí)不放電并留有余量即可。日常維護(hù)時(shí)，還要經(jīng)常檢查放電面是否有污濁和燒蝕，如有異常必須及時(shí)修復(fù)。

3.2 發(fā)射塔底部泄放線圈

在天調(diào)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，發(fā)射天線底部對(duì)地有一個(gè)微亨級(jí)（uh）的泄放電感，這個(gè)泄放電感平時(shí)是主要用來(lái)泄放感應(yīng)靜電的，它的工作原理和普通的扼流線圈有些類似，可簡(jiǎn)單的理解為隔高頻，通低頻，也就是對(duì)中波廣播發(fā)射頻率呈現(xiàn)很高的阻抗，高頻能耗極小，而對(duì)感應(yīng)靜電則構(gòu)成良好的入地通路。通過(guò)對(duì)雷電的了解，我們知道雷電的主要能量多集中在低頻和直流部分，這樣一來(lái)，在發(fā)射天線遭雷擊時(shí)，還可提供一個(gè)最直接的泄放回路，所以，這個(gè)電感是非常重要的，因此在選材時(shí)，線圈線徑要盡可能粗一些，接頭也一定要牢固。泄放線圈的缺點(diǎn)是這個(gè)電感會(huì)影響到天線阻抗。

3.3 氧化鋅避雷器

氧化鋅避雷器是近些年來(lái)電力防雷系統(tǒng)中常用的一種元器件，其核心元件電阻片采用氧化鋅及多種金屬氧化物制作，與傳統(tǒng)碳化硅避雷器相比大大改善了電阻片伏安特性。氧化鋅具有優(yōu)異的非線性伏安特性，即在正常工作電壓時(shí)，器件對(duì)網(wǎng)絡(luò)呈高阻狀態(tài)，流過(guò)避雷器的電流極?。ㄎ不蚝涟布?jí)），對(duì)網(wǎng)絡(luò)特性的干擾已經(jīng)可以忽略；而當(dāng)達(dá)到其工作電壓時(shí)，電阻急劇下降，流過(guò)避雷器的電流瞬間增大到數(shù)千安培，泄放掉過(guò)電壓的能量，當(dāng)過(guò)電壓結(jié)束時(shí)，阻值再次恢復(fù)到高阻狀態(tài)，從而達(dá)到保護(hù)發(fā)射網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的效果。這種避雷器和傳統(tǒng)的避雷器的差異是它沒(méi)有放電間隙，整個(gè)過(guò)程不存在電弧燃燒與熄滅的問(wèn)題。整個(gè)壽命期間內(nèi)，幾乎不用維護(hù)。

3.4 石墨放電球

石墨放電球也是利用空氣間隙放電從而保護(hù)元件的。它在放電系統(tǒng)中是一個(gè)很有特色的器件。之所以在已有金屬放電球的前提下依然使用它，是因?yàn)樽鳛榉烹娀芈?，一個(gè)重要前提條件是放電速度要快，必須在雷電電流通過(guò)前就完全泄放掉，反之如放電速度不夠，那么就會(huì)有一部分雷電電流流入下一級(jí)系統(tǒng)，從而造成器件損壞。而石墨的導(dǎo)電性能非常優(yōu)異，幾乎可以達(dá)到銅的3-5倍，也就是說(shuō)可以以極快的速度將雷電電流泄放掉從而保護(hù)系統(tǒng)。石墨還不會(huì)氧化，可以長(zhǎng)期暴露使用。還有如采用柱狀石墨放電球，就算相對(duì)應(yīng)的石墨放電面因放電產(chǎn)生燒蝕，也只用將石墨柱轉(zhuǎn)一個(gè)角度即可繼續(xù)使用。通常，在成品的石墨放電系統(tǒng)中，還在接地端加入了幾十只磁環(huán)，總電感量可達(dá)幾十微亨，這樣一來(lái)，當(dāng)石墨放電球放電時(shí)，低頻的雷電電流可以直接入地，而穿于接地引線上的磁環(huán)則對(duì)發(fā)射機(jī)高頻信號(hào)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，對(duì)射頻起到阻抗作用，不至于使天線阻抗為零從而引起發(fā)射機(jī)故障。石墨放電球缺點(diǎn)是，如果雷擊強(qiáng)度過(guò)大，后面串接的磁環(huán)就會(huì)損壞。

3.5 隔直電容器

在天線和天調(diào)調(diào)配網(wǎng)絡(luò)之間，串入一只隔直電容器，利用電容器本身的隔直流功能，有效防止雷電的低頻和直流成分通過(guò)天調(diào)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入發(fā)射機(jī)，隔直電容器的取值多在1000p～3000p之間。需要注意的是由于是起防雷作用的，因此它的伏安量，耐壓值一定要足夠。

3.6 移相網(wǎng)絡(luò)

中波發(fā)射機(jī)功率合成器的輸出口阻抗等效到發(fā)射機(jī)輸出的負(fù)載阻抗通常不會(huì)正好等于饋線阻抗，移相匹配網(wǎng)絡(luò)就是把饋線阻抗調(diào)整為輸出器的輸出阻抗。天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是多種多樣的，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)此網(wǎng)絡(luò)，就可以控制當(dāng)防雷器件放電產(chǎn)生負(fù)載阻抗短路時(shí)，等效到功率合成輸出端的等效負(fù)載阻抗仍在允許控制范圍內(nèi)，就可以有效地保護(hù)功放模塊。一般做法是在發(fā)射機(jī)的輸出網(wǎng)絡(luò)中把阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成相移-45°網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)負(fù)載短路時(shí)功放側(cè)的等效阻抗呈感性。實(shí)際上，負(fù)載短路通常是由鐵塔基部放電球放電引起的，因此，為了有效防止雷擊對(duì)功放模塊的損壞，在塔基短路時(shí)，必須保證發(fā)射機(jī)輸出口處也是短路狀態(tài)。這樣在天調(diào)網(wǎng)絡(luò)中附加相移網(wǎng)絡(luò)后，這兩點(diǎn)的相位差為180°的整數(shù)倍，從而達(dá)到防雷的效果。endprint

3.7 饋管避雷器

饋管避雷器也是常運(yùn)用在天調(diào)網(wǎng)絡(luò)和天線饋管之間的防雷器件常用于較細(xì)的饋線。饋管避雷器一般由氣體放電管和隔直流電容器組成。工作原理也很簡(jiǎn)單，就是所承受電壓不足以使氣體放電管導(dǎo)通時(shí)，放電管對(duì)射頻信號(hào)起直通作用，一旦前方網(wǎng)絡(luò)有雷電的高壓躥入，放電管立刻擊穿放電，將雷電釋放入大地，同時(shí)隔直電容器還是起阻隔雷電的低頻能量，而讓發(fā)射機(jī)射頻信號(hào)通過(guò)，以避免發(fā)射機(jī)射頻對(duì)地短路而損壞發(fā)射機(jī)器件的作用。加入它的主要目的是因?yàn)樵谡麄€(gè)天饋線系統(tǒng)中，鐵塔和天調(diào)網(wǎng)絡(luò)都多道保護(hù)措施，可是一旦雷電高壓經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)到達(dá)饋線，由于饋線的芯線距離外層絕緣層距離很近，所以雷電高壓很容易就將饋管擊穿，一旦饋管擊穿損壞，那么維修時(shí)間和維護(hù)費(fèi)用都是非常高昂的。

3.8 采取互感式天調(diào)網(wǎng)絡(luò)

無(wú)論天調(diào)網(wǎng)絡(luò)怎么優(yōu)化，最終，如果遭受雷擊，巨大的能量還是要流經(jīng)饋線到達(dá)發(fā)射機(jī)，如今，一些廠家，開始研發(fā)互感式的天調(diào)網(wǎng)絡(luò)，也就是利用自耦的方式，將發(fā)射機(jī)信號(hào)耦合到天調(diào)網(wǎng)絡(luò)，兩者之間實(shí)現(xiàn)物理絕緣，這樣，當(dāng)發(fā)射鐵塔再遇到雷擊時(shí)，雷電就不會(huì)流入饋線，從而徹底解決了雷擊問(wèn)題。

3.9 降低接地電阻

在防雷系統(tǒng)中，大部分還是利用泄放的原理來(lái)將雷電的能量導(dǎo)入大地的。在普通的防雷規(guī)則里面，一般要求防雷接地電阻為4Ω，而針對(duì)中波發(fā)射網(wǎng)絡(luò)的防雷，要求有很高的電流密度以降低放電時(shí)間，因此需要盡可能地降低接地電阻。一般都是采用增大接地面積，降低接地土壤電阻來(lái)解決。為此我臺(tái)還專門為天調(diào)室接地系統(tǒng)和發(fā)射機(jī)接地系統(tǒng)分別打了幾十米深的接地井。

4 結(jié)束語(yǔ)

中波發(fā)射天線的防雷是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，每一種方案都有自身的優(yōu)點(diǎn)和缺陷。放電球放電保護(hù)時(shí)，對(duì)發(fā)射機(jī)相當(dāng)于負(fù)載對(duì)地短路，很容易燒毀功放管。泄放線圈影響到了發(fā)射天線自身的阻抗，而且在泄放電流同時(shí)，根據(jù)電感的特性，它還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，對(duì)功放管也不利。石墨放電球性能同上述兩部分原理基本一樣。隔直電容器雖可以很好地隔離雷電的低頻和直流分量，但雷電也是含有高頻分量的，這個(gè)高頻分量是可以通過(guò)電容器的。移相網(wǎng)絡(luò)和阻塞網(wǎng)絡(luò)雖可以再次阻隔雷電，但是出于器件參數(shù)選擇，會(huì)讓網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)變得復(fù)雜且調(diào)試復(fù)雜。隔直電容器和饋管避雷器也帶入了插入損耗和分布參數(shù)，綜合上述所述，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況，合理地選配調(diào)整避雷系統(tǒng)，才能達(dá)到即運(yùn)行安全可靠，又有設(shè)計(jì)安裝維護(hù)方便、價(jià)格低廉的綜合優(yōu)勢(shì)。

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