中波廣播發(fā)射天饋線系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)

傅王潔

（浙江省中波發(fā)射管理中心，浙江 杭州 310000）

0 引言

中波廣播發(fā)射系統(tǒng)的天饋線是重要的發(fā)射陣列，極易受到雷電的損壞和干擾，因此科學(xué)合理的防雷設(shè)計(jì)至關(guān)重要。目前該領(lǐng)域存在相關(guān)研究不足、防雷措施簡(jiǎn)單等問(wèn)題[1]。為此，本文對(duì)應(yīng)用最廣泛的中波天饋線系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)進(jìn)行深入探討，通過(guò)分析防雷效果的影響因素，從器件選擇、接地條件和線路防護(hù)等方面提出了系統(tǒng)性的防雷設(shè)計(jì)優(yōu)化策略。

1 中波廣播發(fā)射天饋線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

1.1 系統(tǒng)組成

中波廣播發(fā)射天饋線系統(tǒng)主要由阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、同軸饋線及輻射器等組成。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)輸出端與天饋線特征阻抗的匹配，采用π型匹配電路或T型匹配電路，通過(guò)調(diào)節(jié)電容電感參數(shù)，最大限度地傳遞發(fā)射機(jī)輸出的高頻電能，防止因阻抗失配產(chǎn)生站波現(xiàn)象。同軸饋線是中波天饋線系統(tǒng)的主體部分，長(zhǎng)度一般為整數(shù)倍半波長(zhǎng)，采用低損耗且具有相當(dāng)機(jī)械強(qiáng)度的發(fā)射級(jí)硬銅管無(wú)縫制成，作為有效且穩(wěn)定傳輸高頻電能的通道。輻射器安裝在同軸饋線盡頭，通過(guò)改變電、磁場(chǎng)分布，將同軸線路內(nèi)傳輸?shù)碾娔苡行л椛浒l(fā)射到空間[2]。此外，天饋線系統(tǒng)還包括機(jī)械支撐設(shè)備、防雷設(shè)施等組成。支撐系統(tǒng)保證線路安裝的可靠性，防雷裝置防護(hù)線路免受雷擊或雷電侵蝕。各組成部分的電氣性能和機(jī)械性能直接關(guān)系著天饋線發(fā)射效果。

1.2 工作特點(diǎn)

由于中波信號(hào)波長(zhǎng)較長(zhǎng)，中波天饋線的電長(zhǎng)較短，其分布參數(shù)效應(yīng)顯著，等效為電氣上較短的線路。這會(huì)引起明顯的端反射波、諧波等問(wèn)題，給信號(hào)質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)較大挑戰(zhàn)。中波天饋線架空設(shè)置于室外，需要面對(duì)各類惡劣氣候環(huán)境的影響侵蝕，主要包括雷雨天氣、臺(tái)風(fēng)大風(fēng)等極端條件。強(qiáng)降雨會(huì)淋濕線路，影響電氣性能；大風(fēng)可能對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和線路產(chǎn)生破壞，雷雨天氣則會(huì)對(duì)天饋線及設(shè)備產(chǎn)生雷擊、雷電過(guò)壓和雷波干擾。對(duì)此，要求中波天饋線系統(tǒng)有較強(qiáng)的抗干擾能力和防雷能力，還需要重點(diǎn)考慮線路的防雷等級(jí)要求、防雷保護(hù)器件配置以及防雷接地等關(guān)鍵問(wèn)題，確保系統(tǒng)在惡劣氣候下可靠工作[3]。

1.3 易遭雷擊部位

中波天饋線高度可達(dá)幾十米至上百米，基本懸空于云層附近，是極易受到雷云直擊的區(qū)域。當(dāng)雷云下垂或發(fā)展至一定高度時(shí)，容易觸發(fā)正向雷擊或自然釋放。雷放電同時(shí)伴有強(qiáng)烈電流沖擊效應(yīng)，必將對(duì)天饋線系統(tǒng)造成損壞。作為天饋線電能輻射的部件，頂端的輻射器、線路末端的匹配電路更易首當(dāng)其沖成為直擊目標(biāo)。而系統(tǒng)中的同軸饋線和金屬塔架作為空中大面積的導(dǎo)體，也很可能引起放電或使雷擊形成回路，引起二次災(zāi)害[4]。一旦中波天饋線遭到雷擊或雷電侵襲，后果可能十分嚴(yán)重，包括信號(hào)中斷、放大器損壞、饋線短路等故障；甚至?xí)?duì)人員造成電擊危險(xiǎn)。對(duì)此，必須采取科學(xué)嚴(yán)密的防雷設(shè)計(jì)從多角度進(jìn)行防護(hù)，針對(duì)饋線、金屬骨架、連接節(jié)點(diǎn)等關(guān)鍵部位提高防雷等級(jí)，增強(qiáng)抵御雷電流沖擊的能力，保障系統(tǒng)安全。

2 影響天饋線防雷效果的因素

2.1 外部環(huán)境因素

中波天饋線系統(tǒng)長(zhǎng)期置于室外，需要面對(duì)多變復(fù)雜的外部環(huán)境影響。不同地理區(qū)域的氣候條件存在差異，某些地區(qū)雷暴天氣更加頻繁，雷擊出現(xiàn)的概率和強(qiáng)度均較大，這將加劇天饋線所受雷擊的威脅，使防雷設(shè)計(jì)難度加大。此外，位于城市區(qū)域的天饋線，由于周圍有高樓大廈等建筑物，這些建筑可能影響當(dāng)?shù)氐碾妶?chǎng)分布，在一定條件下“引雷”概率增大，間接增加天饋線遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)。若天饋線系統(tǒng)設(shè)置于山頂?shù)认鄬?duì)突出的高處，更容易影響電荷分布并引起放電，也會(huì)提高受雷擊的可能性。綜上，復(fù)雜多樣的外部環(huán)境會(huì)對(duì)天饋線的防雷設(shè)計(jì)帶來(lái)較大挑戰(zhàn)[5]。為確保防雷效果，必須充分考慮各類環(huán)境差異，采取針對(duì)性防護(hù)與優(yōu)化措施，比如加大防雷等級(jí)、合理布置防雷設(shè)備以及選取適宜的接地方式等。

2.2 設(shè)備抗雷能力因素

中波天饋線系統(tǒng)自身所選用的材料和設(shè)備，其抗雷性能優(yōu)劣會(huì)直接影響整體防雷效果。例如，構(gòu)成天饋線主體的金屬材料，抵抗強(qiáng)雷電流沖擊的能力存在差異。選擇抗雷電流大的金屬材料制作天饋線，系統(tǒng)抵御雷擊的可靠性就更高。連接部件方面，多采用絕緣連接方式，減少金屬導(dǎo)體之間的直接接觸，也有助于提升抗雷水平。此外，系統(tǒng)中所包含的發(fā)射機(jī)、測(cè)量設(shè)備等電氣設(shè)備也存在一定的抗雷要求。若這些設(shè)備的抗雷等級(jí)過(guò)低，同樣會(huì)成為容易被雷電流損壞的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對(duì)此，必須全面考量系統(tǒng)各組成部分的抗雷性能，使之都能夠滿足一定的抗雷標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能使系統(tǒng)整體形成合理的防雷體系，獲得較強(qiáng)的抗雷能力。毫無(wú)疑問(wèn)，設(shè)備本身的防雷能力是影響中波天饋線防雷水平的重要因素[6]。

2.3 接地條件因素

中波天饋線系統(tǒng)的接地條件直接影響防雷效果。接地系統(tǒng)電阻小，發(fā)生雷擊時(shí)，大部分雷流可以通過(guò)接地系統(tǒng)迅速引入地下，達(dá)到保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備的目的。反之，電阻過(guò)大，則無(wú)法提供理想的回路路徑，設(shè)備遭受的沖擊更嚴(yán)重。接地系統(tǒng)的接地體材質(zhì)與埋深、接地體數(shù)量、接地導(dǎo)線的截面積等都會(huì)影響防雷效果。選擇優(yōu)良的接地體材料，增加接地體數(shù)量，使用大截面接地導(dǎo)線，并適當(dāng)降低埋深，可以有效減小接地電阻。這是防雷設(shè)計(jì)中需要優(yōu)化的關(guān)鍵部分。

3 天饋線系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)策略

3.1 防雷器件的選擇與布置

合理選擇和科學(xué)布置防雷器件，是確保天饋線系統(tǒng)獲得良好防雷效果的重要環(huán)節(jié)。常用的避雷針、隔離開(kāi)關(guān)、避雷器和限壓器等都有特定的防雷功能和最佳的布置位置。例如，在天饋線頂端設(shè)置避雷針，可以提前引發(fā)放電，減少直擊雷擊概率；將隔離開(kāi)關(guān)、避雷器設(shè)置在饋線入口和關(guān)鍵設(shè)備前端，一旦發(fā)生雷擊可以快速斷電，防止故障擴(kuò)散；在測(cè)量區(qū)兩端并聯(lián)限壓器，可以抑制和消耗部分雷涌功率，防止過(guò)壓損壞設(shè)備[7]。針對(duì)系統(tǒng)實(shí)際需求，選擇合規(guī)格防雷設(shè)備，重點(diǎn)布置于輸入端和測(cè)量區(qū)等關(guān)鍵部位，既可以充分發(fā)揮防雷效用，也符合經(jīng)濟(jì)與合理配置的原則，是系統(tǒng)防雷的關(guān)鍵。

3.2 防雷接地系統(tǒng)的優(yōu)化

高效的防雷接地系統(tǒng)能提供優(yōu)質(zhì)的回路路徑，使大部分雷流快速消散入地，是保護(hù)天饋線的重要手段。接地體要選用優(yōu)良導(dǎo)電的材料，增大截面積；接地體數(shù)量要經(jīng)濟(jì)與功效兼顧，多點(diǎn)接地可降低接地電阻；接地導(dǎo)線采用大截面高質(zhì)量銅線，直連接地體，有利快速引入地下。此外，接地監(jiān)測(cè)與定期檢查也很重要，可確保接地可靠性。這些針對(duì)性改善措施可顯著增強(qiáng)整體的抗雷能力，保護(hù)系統(tǒng)與設(shè)備安全。

3.3 線路的防護(hù)措施

中波天饋線與支撐的金屬塔架也需要重點(diǎn)加強(qiáng)線路本身的防護(hù)，主要從增強(qiáng)絕緣電壓強(qiáng)度、阻斷回路環(huán)路等方面入手。天饋線可在內(nèi)外導(dǎo)體間設(shè)置一定厚度的絕緣層，提高其抗雷擊電壓的強(qiáng)度，避免在雷電的高壓沖擊下發(fā)生外殼與內(nèi)芯間的故障。金屬塔架則可以采用避雷裝置或在適當(dāng)位置安裝長(zhǎng)絕緣子，將金屬骨架隔斷為幾段，防止雷電流依托塔架的金屬部件形成大面積的回路，使系統(tǒng)設(shè)備免受損壞[8]。此外，天饋線連接部位需要增強(qiáng)防水和絕緣處理，減少出現(xiàn)漏雨或淋濕而造成的短路概率；線路布置也要注意合理配置，盡可能避免形成大面積封閉的電流回路。這些防護(hù)手段可以共同發(fā)揮作用，有效降低雷電流形成回路的概率，增強(qiáng)線路的防雷性能。

4 結(jié)語(yǔ)

天饋線系統(tǒng)的防雷效果受多方面因素影響。為提高抗雷水平，需要從合理選擇防雷器件入手，重點(diǎn)加強(qiáng)饋線入口、測(cè)量區(qū)等關(guān)鍵部位的防護(hù)；同時(shí)，要優(yōu)化防雷接地系統(tǒng)，采用多點(diǎn)接地方式降低接地電阻，提供充足的回路路徑；還需對(duì)天饋線和金屬塔架實(shí)施線路防護(hù)，提高絕緣電壓耐受度，避免形成大面積的回路環(huán)路。通過(guò)這些防雷設(shè)計(jì)與布置措施的綜合應(yīng)用，可以有效保護(hù)天饋線系統(tǒng)的安全運(yùn)行。