中波廣播發射系統的防雷措施

趙體辰

（濟寧市廣播電視傳輸保障中心，山東 濟寧 272100）

0 引 言

由于城市建設的快速發展，原本位于空曠地帶的廣播發射天線現在基本是處在城市中心位置。居民小區的建設，使原有的天線地網遭到嚴重破壞，廣播發射效果和防雷效果受到嚴重影響。夏季氣候異常，雷雨較多，對于中波廣播發射系統，若沒有采取任何防雷措施或者防雷措施不當，當雷擊天線、機房等建筑物時，會產生強大的雷擊電流，其對地電壓將增加到數萬伏甚至數十萬伏，并通過供電系統和信號電纜的接地點反饋到其他地方，影響連接到電網和線路上的廣播設備。室外廣播發射天線、衛星接收天線等突出建筑物是雷擊的主要目標，強大的雷電流還可能通過天饋線端傳導至發射機房的發射機及其播出配套設備，對整個前端播出系統可能造成毀滅性的損壞。

為了使廣播發射系統免遭雷電損壞，應采取的防雷保護措施主要有：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射信號線傳輸線路引入的雷電壓波，限制受保護設備上的浪涌過電壓振幅，即過電壓保護。現從廣播信號源的接收系統、電源系統、發射機及天饋線系統等四個方面對整個廣播發射系統的防雷措施加以說明。

1 廣播信號源接收系統的防雷措施

衛星接收天線一般架設在發射臺的相對高處。由于雷電電壓極高，衛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。如果未采取防雷措施或者采取的防雷措施無效，雷擊會損壞設備的一些元器組件，如衛星天線、廣播信號接收器和調制解調器等設備，使設備停止工作，影響安全播出，造成一定的經濟損失，重則造成人員傷亡事故。因而，采取技術措施避免雷擊，是必須考慮的十分重要的環節。

廣播信號衛星接收系統的所有組成部分，包括室內的和室外的電源線纜以及信號傳輸線纜，其屏蔽層都應當可靠地與地良好連接。通常，應將線纜的屏蔽層與室內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。要仔細檢查建筑物的原接地線是否合理可靠，否則，接地裝置應重新焊接和埋設[1]。澆注衛星天線底座時，底座和天線應可靠接地，接地電阻應小于4 Ω，然后根據接收天線附近的環境條件安裝避雷針。

安裝避雷針時，必須將避雷針埋入與避雷針連接的接地體中。避雷針的接地應單獨布線，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小于4 Ω。避雷針的保護區域位是避雷針下面45°至60°的傘形區域，衛星接收天線必須安裝在保護范圍內。天線接收時在這個傘形保護區，將受到防雷保護。高度越高，傘形區域覆蓋越廣，保護區的有效避雷范圍就越大。還必須注意，安裝時，避雷針本身與受保護的衛星天線之間的線性距離應大于5 m[1]，因為避雷針及其雷電電流引下線在受到雷電感應時可以穿透2～3 m的空氣。

2 天饋線系統的防雷措施

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

廣播發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，雨水沿塔底絕緣瓷座表面流向地面。當發射天線鐵塔遭受到雷擊，如果天線的防雷措施采取不當，瓷座表面很容易產生雷電過電壓電弧，導致鐵質塔基瓷損壞，絕緣度大大降低，甚至整體開裂、徹底報廢。

為了使發射天線產生最佳的高頻能量輻射效果，在天線連接到發射機輸出饋線之前設置有阻抗匹配網絡。它是由高頻電容、電感線圈等元器件按照特定的技術參數設計聯結組成的。在遇到雷擊時，雷電流沿天線鐵塔引流至此匹配網絡，會對電容、電感等元器件構成極大威脅，可能造成該匹配網絡的參數發生變化，致使所傳輸的高頻信號無法通過天線向空中輻射。

發射機房距發射天線一般有30～300 m距離。雷擊期間，高壓雷電波也可能通過天線、匹配網絡和饋線引入發射機房，可能因雷擊而損壞室內的天調網絡、發射機等系統設備，導致廣播中斷的重大事故。

2.1 發射天線塔體防雷

發射天線塔體的防雷措施，首先是科學合理地鋪設安全可靠的天線地網，與調配網絡相連的高頻地線、傳輸饋線地線、調配室周圍的屏蔽層、接地地井等應與天線接地網牢固地焊接。這樣，不但為雷電流提供了可靠的入地通路，同時還能減少高頻能量的損耗，有效地衰減入射雜波，提高發射機的穩定工作狀態。

其次，利用金屬放電球泄放掉塔體引入的高壓雷電。當雷電擊到天線塔時，天線塔底座會產生極高的雷電電壓，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，根據鐵塔發射高頻信號的總功率和其垂直高度，合理地調整好放電球的兩半球間距，當雷雨天氣天線遭到雷擊時，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的影響。放電球之間的距離應根據傳輸功率和天線輸入阻抗等因素進行調整，從理論上計算出發射頻率的疊加總功率、調配網絡參數結果以及平均的雷電強度估值等數據，再通過綜合分析，可以較準確地計算出放電球之間的距離，科學合理地調整到最佳狀態，使其具有最佳的防雷性能。考慮到雨雪天氣的影響，通常設計金屬放電球球間的距離按照1.0～1.5 mm/kV的標準進行調整。

在每次雷雨或大雪天氣后，應及時檢查放電球。放電球的定期檢查和維護應包括在巡檢和維修計劃中。當發現放電球表面有附著物、火花或嚴重腐蝕痕跡時，應及時處理，以保持其清潔、光滑和良好的導電狀態。

2.2 天調網絡的防雷

發射機天線輸入部分和發射機輸出饋線部分之間的匹配網絡構成傳輸系統的天調網絡。穩定完善的天調網絡由阻抗匹配網絡、阻塞網絡和防雷系統等組成[2]，主要完成發射機輸出端通過饋管與天線的特性阻抗良好匹配，同時還對發射臺內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傳輸饋管串至發射機端損壞發射機及附屬設備，天調網絡的避雷系統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置方式。

2.2.1 在天饋線調配室內加裝石墨放電裝置

除了在發射天線底部安裝金屬放電球外，天線與天線調諧網絡之間還應并聯一對圓柱形石墨放電球，并在接地線上套上30～40個磁環。當天線受到雷擊時，石墨放電球放電，石墨本身具有一定的阻尼放電效應[4]。如果發射機正常工作時天線被雷電擊中，放電球放電，大量電流通過接地線流入大地，接地線上的磁環產生反電動勢，作為阻尼放電，使發射機的高頻能量不會完全短路。這樣，變送器控制電路在保護動作之前就起到了保護作用[3]。石墨放電球具有良好的放電特性。科學合理地調整石墨放電球間距，可以優化防雷效果。石墨放電球間距的調整標準一般為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，即在發射鐵塔和調配網絡之間并聯一只微亨級的電感線圈到地，約50～100 μH，可以為天調網絡提供一個對地傳導通道，以泄放雷電流的直流分量，而對高頻傳輸信號表現出較高的阻抗。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，應盡可能選擇線徑較大的銅管[4]。

2.2.3 串接隔直電容

在發射天線通過銅管硬饋電連接到配電網之前，連接一個直流隔離電容器，即串聯一個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網絡和發射機房，造成天調網絡與發射機遭受雷擊損壞。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入天調網絡及高頻信號輸出回路。

在設計天線調配網絡時，應該首先選擇具有二階帶通濾波器功能的匹配網絡，它可以在泄放和阻塞各種雜波的串擾方面發揮良好的作用。

3 中波發射機的防雷措施

傳統電子管發射機由于綜合指標差、輸出效率低、故障率高的原因，目前已逐漸被綜合指標好、工作效率高、維護量少且壽命長的全固態中波發射機所取代。然而，所有固態機器都使用大量高度集成的微處理器和半導體器件，功放部分所應用的場效應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[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射機，對發射機及附屬技術設備和工作人員造成嚴重安全威脅。因此，周密考慮串擾防護、多通道防雷設施的設計，是確保所有固態發射機正常運行的關鍵。

首先，發射機房內的所有電氣設備應通過工作接地進行保護。該保護接地措施是利用接地裝置將電氣設備的金屬外殼、機架和信號電纜屏蔽層可靠接地。工作接地應確保室內工作電位為零。通過工作接地，設備泄漏、高頻感應電壓和各種摩擦產生的靜電都可以排入地面，機房內電纜引起的雷電也可以通過工作接地泄放。因此，工作接地在保護設備和員工人身安全方面發揮著重要作用。

其次，對于全固態數字中波發射機的避雷防雷還可以采用如下措施：由于高頻發射信號通路中的輸出網絡、傳輸線路都會產生相移，當天線遭遇雷擊時，放電球瞬間高壓放電呈現短路狀態時，發射機的輸出負載阻抗會突然變化，這很容易在發射機輸出端造成過壓，大電流會瞬間損壞功率放大管[3]。

因此，還需要在發射機輸出網絡的后端設計和安裝由一組電感線圈和電容器組成的相移網絡。通過相移網絡，放電球短路引起的變送器負載阻抗的變化仍能在允許范圍內，充分保證發射機運行的穩定性和安全性。

4 電源系統的防雷措施

雷電在輸入電源線路上感應產生的瞬間高壓沖浪沿著架空線路侵入供電線路，進入設備，主要損壞衛星接收機、解碼器和發射機的電源部分，如變壓器、整流器和濾波電路中的部件，導致安全播出事故發生。因此，首先在高壓配電室的進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線處安裝一套真空放電裝置，這樣可以對雷電產生的脈沖高電壓電流多次對地泄放。其次，供電系統的所有設備應正確接地。由于使用的交流電源一般由中性線未接地的低壓供電網絡提供，因此，使用該交流電源的電氣設備應有效接地進行保護，即可靠地實施工作接地措施。同時，應在供電系統主要設備的電源進線端安裝電源線避雷器，它能將內部傳輸線感應雷擊產生的大量脈沖電能釋放到安全地線，并在最短的時間內將其放電到地面，更有利于防止雷電危害設備安全。

5 結 語

本文詳細介紹了發射臺站廣播發射系統采取的防雷措施。經過多年的考驗，這些措施達到了理想的效果，沒有出現過由于雷擊而導致廣播發射設備損壞的的現象，保證了安全優質播出。

對廣播發射系統的設備實施安全有效的防雷措施，是一項非常重要的系統工程。每一位廣電工程技術人員都要從思想上高度重視，深化對廣播發射系統設備特殊性的認識，不斷提高專業技術水平，使安全播出的維護管理工作達到一個新的高度，從而使廣播發射設備始終運行在安全、可靠、穩定、良好的工作狀態，各項指標都達到甲級狀態，確保落實“不間斷、高質量、既經濟、又安全”的技術維護總方針。