中波發射天線的防雷措施

李昂+范行健

摘 要：盡管天調網絡已經設有多重安全防雷措施，但每年還是有因雷電造成發射機保護和功放管擊穿的現象。特別是就近些年來，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，我臺在現有基礎上，分別在多個方面進行了防雷方面嘗試，通過綜合避雷措施，較好地解決了我臺發射天線的雷擊問題。

關鍵詞：防雷；泄放；接地；天調網絡

中圖分類號：TN934.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）24-0063-02

如今的中波發射臺，都已經全面由電子管發射機更換為先進的全固態發射機。與過去的電子管發射機相比，全固態發射機具有壽命長，工作設備更加穩定，效率高，技術指標優良等特點。但反之，全固態發射機也有器件耐壓低，承受雷電浪涌電流差，極易過荷保護和損壞的特點。

1 現狀分析

河南省鄭州八零四中波轉播臺共有發射天線3座，每一座發射天線均為雙頻共塔，高度分別為120m，88m，76m。發射天線是周圍最高的建筑物。每當遇到雷電季節，發射機頻繁遇到雷電的干擾，特別是最高的120m發射天線，遇到雷電天氣時，經常出現感應放電和遭雷擊情況，除造成大面積功放模塊損壞和降功率停機外，還嚴重影響人身安全。分析原因，是因為當發射天線在建設時，只安裝有初步防雷設備，遇到雷電電流以后，由于雷電有極大的能量，雖經防雷設備泄放，但還是有很大的瞬間高壓倒送至發射機，導致發射機損壞，因此如何有效防雷是我臺面臨的一個迫切問題。

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大地之間迅猛的放電。當發射天線遭雷擊時，各個防雷放電回路放電，造成瞬間天線阻抗被短路。發射機功放合成回路則會產生高壓大電流，從而燒毀功放模塊和相關器件。防雷的主要思路就是在雷電電流進入發射機以前，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射機外部，從而起到保護設備的效果。

3 中波天線防雷措施的改進

3.1 發射鐵塔防雷

現有的發射鐵塔天線底部是通過絕緣體與大地相連的，在底座上安裝有第一道防雷設備，金屬放電球。其原理是利用放電球的兩個碗面形成放電間隙，當鐵塔遭雷擊時，高壓擊穿兩碗面之間的空氣，從而使雷電電流通過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算，每毫米耐壓1kV，常為40mm～80mm，此間隙還要根據發射機功率大小和本地實際雷電強度而調整。我臺在調整此間隙時，一般調整到足以滿足發射機最大功率工作時不放電并留有余量即可。日常維護時，還要經常檢查放電面是否有污濁和燒蝕，如有異常必須及時修復。

3.2 發射塔底部泄放線圈

在天調網絡設計時，發射天線底部對地有一個微亨級（uh）的泄放電感，這個泄放電感平時是主要用來泄放感應靜電的，它的工作原理和普通的扼流線圈有些類似，可簡單的理解為隔高頻，通低頻，也就是對中波廣播發射頻率呈現很高的阻抗，高頻能耗極小，而對感應靜電則構成良好的入地通路。通過對雷電的了解，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，在發射天線遭雷擊時，還可提供一個最直接的泄放回路，所以，這個電感是非常重要的，因此在選材時，線圈線徑要盡可能粗一些，接頭也一定要牢固。泄放線圈的缺點是這個電感會影響到天線阻抗。

3.3 氧化鋅避雷器

氧化鋅避雷器是近些年來電力防雷系統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。氧化鋅具有優異的非線性伏安特性，即在正常工作電壓時，器件對網絡呈高阻狀態，流過避雷器的電流極小（微安或毫安級），對網絡特性的干擾已經可以忽略；而當達到其工作電壓時，電阻急劇下降，流過避雷器的電流瞬間增大到數千安培，泄放掉過電壓的能量，當過電壓結束時，阻值再次恢復到高阻狀態，從而達到保護發射網絡系統的效果。這種避雷器和傳統的避雷器的差異是它沒有放電間隙，整個過程不存在電弧燃燒與熄滅的問題。整個壽命期間內，幾乎不用維護。

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元件的。它在放電系統中是一個很有特色的器件。之所以在已有金屬放電球的前提下依然使用它，是因為作為放電回路，一個重要前提條件是放電速度要快，必須在雷電電流通過前就完全泄放掉，反之如放電速度不夠，那么就會有一部分雷電電流流入下一級系統，從而造成器件損壞。而石墨的導電性能非常優異，幾乎可以達到銅的3-5倍，也就是說可以以極快的速度將雷電電流泄放掉從而保護系統。石墨還不會氧化，可以長期暴露使用。還有如采用柱狀石墨放電球，就算相對應的石墨放電面因放電產生燒蝕，也只用將石墨柱轉一個角度即可繼續使用。通常，在成品的石墨放電系統中，還在接地端加入了幾十只磁環，總電感量可達幾十微亨，這樣一來，當石墨放電球放電時，低頻的雷電電流可以直接入地，而穿于接地引線上的磁環則對發射機高頻信號產生反向電動勢，對射頻起到阻抗作用，不至于使天線阻抗為零從而引起發射機故障。石墨放電球缺點是，如果雷擊強度過大，后面串接的磁環就會損壞。

3.5 隔直電容器

在天線和天調調配網絡之間，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天調網絡進入發射機，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 移相網絡

中波發射機功率合成器的輸出口阻抗等效到發射機輸出的負載阻抗通常不會正好等于饋線阻抗，移相匹配網絡就是把饋線阻抗調整為輸出器的輸出阻抗。天調網絡的設計是多種多樣的，通過合理的設計此網絡，就可以控制當防雷器件放電產生負載阻抗短路時，等效到功率合成輸出端的等效負載阻抗仍在允許控制范圍內，就可以有效地保護功放模塊。一般做法是在發射機的輸出網絡中把阻抗匹配網絡設計成相移-45°網絡，當負載短路時功放側的等效阻抗呈感性。實際上，負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功放模塊的損壞，在塔基短路時，必須保證發射機輸出口處也是短路狀態。這樣在天調網絡中附加相移網絡后，這兩點的相位差為180°的整數倍，從而達到防雷的效果。endprint

3.7 饋管避雷器

饋管避雷器也是常運用在天調網絡和天線饋管之間的防雷器件常用于較細的饋線。饋管避雷器一般由氣體放電管和隔直流電容器組成。工作原理也很簡單，就是所承受電壓不足以使氣體放電管導通時，放電管對射頻信號起直通作用，一旦前方網絡有雷電的高壓躥入，放電管立刻擊穿放電，將雷電釋放入大地，同時隔直電容器還是起阻隔雷電的低頻能量，而讓發射機射頻信號通過，以避免發射機射頻對地短路而損壞發射機器件的作用。加入它的主要目的是因為在整個天饋線系統中，鐵塔和天調網絡都多道保護措施，可是一旦雷電高壓經過網絡到達饋線，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，那么維修時間和維護費用都是非常高昂的。

3.8 采取互感式天調網絡

無論天調網絡怎么優化，最終，如果遭受雷擊，巨大的能量還是要流經饋線到達發射機，如今，一些廠家，開始研發互感式的天調網絡，也就是利用自耦的方式，將發射機信號耦合到天調網絡，兩者之間實現物理絕緣，這樣，當發射鐵塔再遇到雷擊時，雷電就不會流入饋線，從而徹底解決了雷擊問題。

3.9 降低接地電阻

在防雷系統中，大部分還是利用泄放的原理來將雷電的能量導入大地的。在普通的防雷規則里面，一般要求防雷接地電阻為4Ω，而針對中波發射網絡的防雷，要求有很高的電流密度以降低放電時間，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解決。為此我臺還專門為天調室接地系統和發射機接地系統分別打了幾十米深的接地井。

4 結束語

中波發射天線的防雷是一個復雜的系統，每一種方案都有自身的優點和缺陷。放電球放電保護時，對發射機相當于負載對地短路，很容易燒毀功放管。泄放線圈影響到了發射天線自身的阻抗，而且在泄放電流同時，根據電感的特性，它還會產生一個很高的感應電動勢，對功放管也不利。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，這個高頻分量是可以通過電容器的。移相網絡和阻塞網絡雖可以再次阻隔雷電，但是出于器件參數選擇，會讓網絡設計變得復雜且調試復雜。隔直電容器和饋管避雷器也帶入了插入損耗和分布參數，綜合上述所述，應根據現實情況，合理地選配調整避雷系統，才能達到即運行安全可靠，又有設計安裝維護方便、價格低廉的綜合優勢。

參考文獻：

[1]劉吉坤.數字調幅中波廣播發射機的原理與維護[Z].湖北省荊州中波臺，2001.

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