中波廣播發(fā)射系統(tǒng)的防雷措施

趙體辰

（濟(jì)寧市廣播電視傳輸保障中心，山東 濟(jì)寧 272100）

0 引 言

由于城市建設(shè)的快速發(fā)展，原本位于空曠地帶的廣播發(fā)射天線現(xiàn)在基本是處在城市中心位置。居民小區(qū)的建設(shè)，使原有的天線地網(wǎng)遭到嚴(yán)重破壞，廣播發(fā)射效果和防雷效果受到嚴(yán)重影響。夏季氣候異常，雷雨較多，對于中波廣播發(fā)射系統(tǒng)，若沒有采取任何防雷措施或者防雷措施不當(dāng)，當(dāng)雷擊天線、機(jī)房等建筑物時(shí)，會產(chǎn)生強(qiáng)大的雷擊電流，其對地電壓將增加到數(shù)萬伏甚至數(shù)十萬伏，并通過供電系統(tǒng)和信號電纜的接地點(diǎn)反饋到其他地方，影響連接到電網(wǎng)和線路上的廣播設(shè)備。室外廣播發(fā)射天線、衛(wèi)星接收天線等突出建筑物是雷擊的主要目標(biāo)，強(qiáng)大的雷電流還可能通過天饋線端傳導(dǎo)至發(fā)射機(jī)房的發(fā)射機(jī)及其播出配套設(shè)備，對整個(gè)前端播出系統(tǒng)可能造成毀滅性的損壞。

為了使廣播發(fā)射系統(tǒng)免遭雷電損壞，應(yīng)采取的防雷保護(hù)措施主要有：將絕大部分的雷擊電流利用良好的接地裝置直接泄放入地，阻塞沿供電線路和發(fā)射信號線傳輸線路引入的雷電壓波，限制受保護(hù)設(shè)備上的浪涌過電壓振幅，即過電壓保護(hù)?，F(xiàn)從廣播信號源的接收系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、發(fā)射機(jī)及天饋線系統(tǒng)等四個(gè)方面對整個(gè)廣播發(fā)射系統(tǒng)的防雷措施加以說明。

1 廣播信號源接收系統(tǒng)的防雷措施

衛(wèi)星接收天線一般架設(shè)在發(fā)射臺的相對高處。由于雷電電壓極高，衛(wèi)星接收天線一旦遭受到雷擊，雷電電流將通過電纜引入室內(nèi)。如果未采取防雷措施或者采取的防雷措施無效，雷擊會損壞設(shè)備的一些元器組件，如衛(wèi)星天線、廣播信號接收器和調(diào)制解調(diào)器等設(shè)備，使設(shè)備停止工作，影響安全播出，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，重則造成人員傷亡事故。因而，采取技術(shù)措施避免雷擊，是必須考慮的十分重要的環(huán)節(jié)。

廣播信號衛(wèi)星接收系統(tǒng)的所有組成部分，包括室內(nèi)的和室外的電源線纜以及信號傳輸線纜，其屏蔽層都應(yīng)當(dāng)可靠地與地良好連接。通常，應(yīng)將線纜的屏蔽層與室內(nèi)和室外單元的金屬外殼連接起來，將接收天線的金屬支架、架座一起與建筑物的接地線相連。要仔細(xì)檢查建筑物的原接地線是否合理可靠，否則，接地裝置應(yīng)重新焊接和埋設(shè)[1]。澆注衛(wèi)星天線底座時(shí)，底座和天線應(yīng)可靠接地，接地電阻應(yīng)小于4 Ω，然后根據(jù)接收天線附近的環(huán)境條件安裝避雷針。

安裝避雷針時(shí)，必須將避雷針埋入與避雷針連接的接地體中。避雷針的接地應(yīng)單獨(dú)布線，不得與天線的接地線連接。使用接地線接地后，避雷針接地端子的接地電阻也應(yīng)小于4 Ω。避雷針的保護(hù)區(qū)域位是避雷針下面45°至60°的傘形區(qū)域，衛(wèi)星接收天線必須安裝在保護(hù)范圍內(nèi)。天線接收時(shí)在這個(gè)傘形保護(hù)區(qū)，將受到防雷保護(hù)。高度越高，傘形區(qū)域覆蓋越廣，保護(hù)區(qū)的有效避雷范圍就越大。還必須注意，安裝時(shí)，避雷針本身與受保護(hù)的衛(wèi)星天線之間的線性距離應(yīng)大于5 m[1]，因?yàn)楸芾揍樇捌淅纂婋娏饕戮€在受到雷電感應(yīng)時(shí)可以穿透2～3 m的空氣。

2 天饋線系統(tǒng)的防雷措施

廣播發(fā)射臺的天饋線系統(tǒng)是廣播信號傳輸過程一個(gè)重要組成部分，主要包括從發(fā)射機(jī)的射頻輸出端口到發(fā)射天線之間的傳輸饋線、天調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)和發(fā)射鐵塔天線。天饋線系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)的變化決定著廣播信號的播出質(zhì)量效果和覆蓋范圍。由于發(fā)射臺周圍的地形通常平坦開闊，附近的高層建筑不多，系統(tǒng)中具有絕對高度的發(fā)射天線鐵塔在雷雨季節(jié)極易遭受雷擊。

廣播發(fā)射天線塔體底部安裝有一定高度的支撐絕緣底座。雷雨天氣時(shí)，雨水沿塔底絕緣瓷座表面流向地面。當(dāng)發(fā)射天線鐵塔遭受到雷擊，如果天線的防雷措施采取不當(dāng)，瓷座表面很容易產(chǎn)生雷電過電壓電弧，導(dǎo)致鐵質(zhì)塔基瓷損壞，絕緣度大大降低，甚至整體開裂、徹底報(bào)廢。

為了使發(fā)射天線產(chǎn)生最佳的高頻能量輻射效果，在天線連接到發(fā)射機(jī)輸出饋線之前設(shè)置有阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。它是由高頻電容、電感線圈等元器件按照特定的技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)聯(lián)結(jié)組成的。在遇到雷擊時(shí)，雷電流沿天線鐵塔引流至此匹配網(wǎng)絡(luò)，會對電容、電感等元器件構(gòu)成極大威脅，可能造成該匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)發(fā)生變化，致使所傳輸?shù)母哳l信號無法通過天線向空中輻射。

發(fā)射機(jī)房距發(fā)射天線一般有30～300 m距離。雷擊期間，高壓雷電波也可能通過天線、匹配網(wǎng)絡(luò)和饋線引入發(fā)射機(jī)房，可能因雷擊而損壞室內(nèi)的天調(diào)網(wǎng)絡(luò)、發(fā)射機(jī)等系統(tǒng)設(shè)備，導(dǎo)致廣播中斷的重大事故。

2.1 發(fā)射天線塔體防雷

發(fā)射天線塔體的防雷措施，首先是科學(xué)合理地鋪設(shè)安全可靠的天線地網(wǎng)，與調(diào)配網(wǎng)絡(luò)相連的高頻地線、傳輸饋線地線、調(diào)配室周圍的屏蔽層、接地地井等應(yīng)與天線接地網(wǎng)牢固地焊接。這樣，不但為雷電流提供了可靠的入地通路，同時(shí)還能減少高頻能量的損耗，有效地衰減入射雜波，提高發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定工作狀態(tài)。

其次，利用金屬放電球泄放掉塔體引入的高壓雷電。當(dāng)雷電擊到天線塔時(shí)，天線塔底座會產(chǎn)生極高的雷電電壓，利用尖端放電原理，在天線座上安裝一對半球形金屬避雷器，半球體的一端牢固焊接在塔座上，另一端半球體良好接地。放電球半徑約為10 cm，根據(jù)鐵塔發(fā)射高頻信號的總功率和其垂直高度，合理地調(diào)整好放電球的兩半球間距，當(dāng)雷雨天氣天線遭到雷擊時(shí)，能起到瞬間泄放高壓雷電電荷能量的作用，降低甚至消除雷擊對天饋線系統(tǒng)的影響。放電球之間的距離應(yīng)根據(jù)傳輸功率和天線輸入阻抗等因素進(jìn)行調(diào)整，從理論上計(jì)算出發(fā)射頻率的疊加總功率、調(diào)配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)結(jié)果以及平均的雷電強(qiáng)度估值等數(shù)據(jù)，再通過綜合分析，可以較準(zhǔn)確地計(jì)算出放電球之間的距離，科學(xué)合理地調(diào)整到最佳狀態(tài)，使其具有最佳的防雷性能。考慮到雨雪天氣的影響，通常設(shè)計(jì)金屬放電球球間的距離按照1.0～1.5 mm/kV的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整。

在每次雷雨或大雪天氣后，應(yīng)及時(shí)檢查放電球。放電球的定期檢查和維護(hù)應(yīng)包括在巡檢和維修計(jì)劃中。當(dāng)發(fā)現(xiàn)放電球表面有附著物、火花或嚴(yán)重腐蝕痕跡時(shí)，應(yīng)及時(shí)處理，以保持其清潔、光滑和良好的導(dǎo)電狀態(tài)。

2.2 天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的防雷

發(fā)射機(jī)天線輸入部分和發(fā)射機(jī)輸出饋線部分之間的匹配網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成傳輸系統(tǒng)的天調(diào)網(wǎng)絡(luò)。穩(wěn)定完善的天調(diào)網(wǎng)絡(luò)由阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、阻塞網(wǎng)絡(luò)和防雷系統(tǒng)等組成[2]，主要完成發(fā)射機(jī)輸出端通過饋管與天線的特性阻抗良好匹配，同時(shí)還對發(fā)射臺內(nèi)的其他大功率高頻信號具有阻塞的作用。為防止雷電由天線經(jīng)傳輸饋管串至發(fā)射機(jī)端損壞發(fā)射機(jī)及附屬設(shè)備，天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的避雷系統(tǒng)主要采取加裝石墨放電裝置、串接隔直電容和并接泄放線圈等設(shè)置方式。

2.2.1 在天饋線調(diào)配室內(nèi)加裝石墨放電裝置

除了在發(fā)射天線底部安裝金屬放電球外，天線與天線調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)之間還應(yīng)并聯(lián)一對圓柱形石墨放電球，并在接地線上套上30～40個(gè)磁環(huán)。當(dāng)天線受到雷擊時(shí)，石墨放電球放電，石墨本身具有一定的阻尼放電效應(yīng)[4]。如果發(fā)射機(jī)正常工作時(shí)天線被雷電擊中，放電球放電，大量電流通過接地線流入大地，接地線上的磁環(huán)產(chǎn)生反電動(dòng)勢，作為阻尼放電，使發(fā)射機(jī)的高頻能量不會完全短路。這樣，變送器控制電路在保護(hù)動(dòng)作之前就起到了保護(hù)作用[3]。石墨放電球具有良好的放電特性?？茖W(xué)合理地調(diào)整石墨放電球間距，可以優(yōu)化防雷效果。石墨放電球間距的調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)一般為1 mm/kV。

2.2.2 連接泄放電感線圈

由于雷電波的能量主要是低頻分量和直流分量，在天線輸入端，即在發(fā)射鐵塔和調(diào)配網(wǎng)絡(luò)之間并聯(lián)一只微亨級的電感線圈到地，約50～100 μH，可以為天調(diào)網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)對地傳導(dǎo)通道，以泄放雷電流的直流分量，而對高頻傳輸信號表現(xiàn)出較高的阻抗。為了更有效地將雷電能量釋放到地面，在制作放電電感線圈時(shí)，應(yīng)盡可能選擇線徑較大的銅管[4]。

2.2.3 串接隔直電容

在發(fā)射天線通過銅管硬饋電連接到配電網(wǎng)之前，連接一個(gè)直流隔離電容器，即串聯(lián)一個(gè)具有良好伏安特性和高耐壓的大容量電容器，能有效地防止雷擊電流沿信號傳輸路線侵入到天調(diào)網(wǎng)絡(luò)和發(fā)射機(jī)房，造成天調(diào)網(wǎng)絡(luò)與發(fā)射機(jī)遭受雷擊損壞。隔直電容容量約為1 000～2 200 pF，利用電容的隔直流、通交流特性，高頻調(diào)制信號可以暢通無阻地通過，但它能很好地隔離和阻斷直流雷電電流，這樣就有效地防止了雷電的直流分量進(jìn)入天調(diào)網(wǎng)絡(luò)及高頻信號輸出回路。

在設(shè)計(jì)天線調(diào)配網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)該首先選擇具有二階帶通濾波器功能的匹配網(wǎng)絡(luò)，它可以在泄放和阻塞各種雜波的串?dāng)_方面發(fā)揮良好的作用。

3 中波發(fā)射機(jī)的防雷措施

傳統(tǒng)電子管發(fā)射機(jī)由于綜合指標(biāo)差、輸出效率低、故障率高的原因，目前已逐漸被綜合指標(biāo)好、工作效率高、維護(hù)量少且壽命長的全固態(tài)中波發(fā)射機(jī)所取代。然而，所有固態(tài)機(jī)器都使用大量高度集成的微處理器和半導(dǎo)體器件，功放部分所應(yīng)用的場效應(yīng)管與電子功率放大管相比，具有耐壓低、抗干擾性能差、脆性高、易擊穿和損壞等致命弱點(diǎn)[5]，所以雷擊電流可以通過供電線路、高頻信號輸入、輸出線纜以及電纜的金屬屏蔽層串入發(fā)射機(jī)，對發(fā)射機(jī)及附屬技術(shù)設(shè)備和工作人員造成嚴(yán)重安全威脅。因此，周密考慮串?dāng)_防護(hù)、多通道防雷設(shè)施的設(shè)計(jì)，是確保所有固態(tài)發(fā)射機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

首先，發(fā)射機(jī)房內(nèi)的所有電氣設(shè)備應(yīng)通過工作接地進(jìn)行保護(hù)。該保護(hù)接地措施是利用接地裝置將電氣設(shè)備的金屬外殼、機(jī)架和信號電纜屏蔽層可靠接地。工作接地應(yīng)確保室內(nèi)工作電位為零。通過工作接地，設(shè)備泄漏、高頻感應(yīng)電壓和各種摩擦產(chǎn)生的靜電都可以排入地面，機(jī)房內(nèi)電纜引起的雷電也可以通過工作接地泄放。因此，工作接地在保護(hù)設(shè)備和員工人身安全方面發(fā)揮著重要作用。

其次，對于全固態(tài)數(shù)字中波發(fā)射機(jī)的避雷防雷還可以采用如下措施：由于高頻發(fā)射信號通路中的輸出網(wǎng)絡(luò)、傳輸線路都會產(chǎn)生相移，當(dāng)天線遭遇雷擊時(shí)，放電球瞬間高壓放電呈現(xiàn)短路狀態(tài)時(shí)，發(fā)射機(jī)的輸出負(fù)載阻抗會突然變化，這很容易在發(fā)射機(jī)輸出端造成過壓，大電流會瞬間損壞功率放大管[3]。

因此，還需要在發(fā)射機(jī)輸出網(wǎng)絡(luò)的后端設(shè)計(jì)和安裝由一組電感線圈和電容器組成的相移網(wǎng)絡(luò)。通過相移網(wǎng)絡(luò)，放電球短路引起的變送器負(fù)載阻抗的變化仍能在允許范圍內(nèi)，充分保證發(fā)射機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

4 電源系統(tǒng)的防雷措施

雷電在輸入電源線路上感應(yīng)產(chǎn)生的瞬間高壓沖浪沿著架空線路侵入供電線路，進(jìn)入設(shè)備，主要損壞衛(wèi)星接收機(jī)、解碼器和發(fā)射機(jī)的電源部分，如變壓器、整流器和濾波電路中的部件，導(dǎo)致安全播出事故發(fā)生。因此，首先在高壓配電室的進(jìn)線處安裝一套閥式避雷器，然后在變送器室低壓配電盤的進(jìn)線處安裝一套真空放電裝置，這樣可以對雷電產(chǎn)生的脈沖高電壓電流多次對地泄放。其次，供電系統(tǒng)的所有設(shè)備應(yīng)正確接地。由于使用的交流電源一般由中性線未接地的低壓供電網(wǎng)絡(luò)提供，因此，使用該交流電源的電氣設(shè)備應(yīng)有效接地進(jìn)行保護(hù)，即可靠地實(shí)施工作接地措施。同時(shí)，應(yīng)在供電系統(tǒng)主要設(shè)備的電源進(jìn)線端安裝電源線避雷器，它能將內(nèi)部傳輸線感應(yīng)雷擊產(chǎn)生的大量脈沖電能釋放到安全地線，并在最短的時(shí)間內(nèi)將其放電到地面，更有利于防止雷電危害設(shè)備安全。

5 結(jié) 語

本文詳細(xì)介紹了發(fā)射臺站廣播發(fā)射系統(tǒng)采取的防雷措施。經(jīng)過多年的考驗(yàn)，這些措施達(dá)到了理想的效果，沒有出現(xiàn)過由于雷擊而導(dǎo)致廣播發(fā)射設(shè)備損壞的的現(xiàn)象，保證了安全優(yōu)質(zhì)播出。

對廣播發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)備實(shí)施安全有效的防雷措施，是一項(xiàng)非常重要的系統(tǒng)工程。每一位廣電工程技術(shù)人員都要從思想上高度重視，深化對廣播發(fā)射系統(tǒng)設(shè)備特殊性的認(rèn)識，不斷提高專業(yè)技術(shù)水平，使安全播出的維護(hù)管理工作達(dá)到一個(gè)新的高度，從而使廣播發(fā)射設(shè)備始終運(yùn)行在安全、可靠、穩(wěn)定、良好的工作狀態(tài)，各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到甲級狀態(tài)，確保落實(shí)“不間斷、高質(zhì)量、既經(jīng)濟(jì)、又安全”的技術(shù)維護(hù)總方針。