高山轉播臺衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)防雷措施探討

吳廷昊

（廣西廣播電視技術中心南寧分中心，廣西 南寧 530000）

0 引 言

廣播電視轉播臺大多建設在地勢較高的山頂。隨著科技不斷發(fā)展，如今的高山臺站電子設備配比密度日益增大，以電子信息系統(tǒng)為主的電子設備數(shù)量也越來越多，使其遭受雷擊的概率隨之增加。通常，廣播電視轉播高山臺占地面積較小，加上建設在臺站不遠處高聳的鐵塔，如果這些設備對雷擊的防御能力差，無疑會給臺站的雷電防護工作帶來更大的挑戰(zhàn)。特別是衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)極易遭雷擊損壞，會嚴重影響臺站的安全播出工作[1]。

1 廣播電視高山臺站雷電防護的特殊性

廣播電視高山臺站一般位于山頂，其海拔高度以及垂直高度直接決定著臺站被雷擊的概率、次數(shù)和強度。簡而言之，高山臺站容易被雷電襲擊。

沿山而建的架空供電線路隨著高度的攀升，非常容易受到直擊雷以及感應雷的襲擊。雷電電涌隨著電力線纜進入臺站的電源系統(tǒng)，使部分耐壓能力低的弱電設備容易遭受雷電損壞。

一些臺站發(fā)射塔距離機房和衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)比較近，當鐵塔受到雷擊后，將雷擊引入地面，瞬間產(chǎn)生的電位差足以產(chǎn)生對機房和衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)的二次雷擊現(xiàn)象[2]。

對于廣播電視發(fā)射臺的衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)而言，雖然其已經(jīng)處于鐵塔的直擊雷保護范圍之內(nèi)，且衛(wèi)星接收天線以及高頻頭的射頻線也接入鐵塔地網(wǎng)，但在實際的工作中，衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)中的各種設備（如高頻頭、衛(wèi)星接收機等）卻也經(jīng)常因雷電襲擊而損壞[3]。

2 衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)遭受雷擊損壞的原因

2.1 選址不夠合理

現(xiàn)有的衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)中，衛(wèi)星接收天線的安裝因受地域限制，選址不夠合理。由于高山臺站所處地坪狹小，整個臺站占地面積不大，各建筑物間距有限，不同建筑物之間很難實現(xiàn)具備足夠安全距離的獨立地網(wǎng)。特別是衛(wèi)星接收天線一般安裝在機房樓頂或是在發(fā)射鐵塔腳不遠處。如果地處巖石山頂，由于多數(shù)接地線無法埋地只能裸露，接地網(wǎng)或等電位接地裝置很有可能促使其變成引雷線。

2.2 安裝衛(wèi)星接收天線時未能結合所在地的自然環(huán)境特點

因廣播電視轉播臺所處的自然環(huán)境不同，雷電防護措施也不同。在安裝衛(wèi)星接收天線時，施工人員未能結合所在環(huán)境的地質、地理、氣候等自然環(huán)境特點，對衛(wèi)星接收天線只做了天線基座接地處理，導致防雷裝置起不到很好的防護作用。

2.3 雷電的電磁感應

雷電帶來的電磁感應是造成衛(wèi)星高頻頭損壞的最主要因素[4]。當臺站附近空域發(fā)生較大雷電時，發(fā)射鐵塔雖可作為直擊雷接閃裝置，對近距離的衛(wèi)星接收天線能起到一定的防護作用，但是雷電引起的靜電感應和電磁感應也會給導電物體或電子線路帶來較高的過電壓。即使是在鐵塔的保護范圍內(nèi)，衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)仍然無法抵御較高的電壓，特別是高頻的頭耐壓能力較低，其射頻線因雷擊產(chǎn)生的超高電壓仍然會沿著導線傳入高頻頭內(nèi)，造成高頻頭損壞。

2.4 地電位反擊

地電位反擊也是造成衛(wèi)星高頻頭損壞的重要原因[5]。雷擊發(fā)生時，雷電產(chǎn)生的電流將沿天線鐵塔的接地裝置泄放入地。因為地網(wǎng)本身存在阻抗，大電流泄放必定使其電位突然被抬升，此時的接地網(wǎng)呈現(xiàn)暫時的高壓狀態(tài)。如果此時接地體與附近的導電線纜、金屬外殼、用電設備等絕緣有效距離不夠，且衛(wèi)星接收天線與鐵塔接地系統(tǒng)并未做地下等電位連接，則在兩者之間將出現(xiàn)很高的電壓差，即發(fā)生地電位反擊等現(xiàn)象。也就是說，發(fā)射鐵塔接地裝置和衛(wèi)星接收天線接地裝置兩者若處于獨立狀態(tài)，兩個地網(wǎng)之間由于沒有足夠的安全距離（20 m），發(fā)射鐵塔地網(wǎng)泄放雷電流，產(chǎn)生高電位，就會向沒有直接泄放雷電流的衛(wèi)星接收天線地網(wǎng)產(chǎn)生反擊，使得衛(wèi)星接收天線接地系統(tǒng)產(chǎn)生過高的電壓，從而損壞衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)的各種設備。

2.5 衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)并未達到完全等電位狀態(tài)

為了提前泄放過電流，通常需要在高頻頭接線端安裝饋線信號浪涌保護器（Surge Protection Device，SPD）。盡管SPD 對雷電產(chǎn)生的過電壓和過電流能起到一定的分壓泄流作用，但由于SPD 接地線從高頻頭引至衛(wèi)星接收天線底座才做接地處理，且其接地線過長（約2 ～3 m），饋線SPD 與接收天線底座的接地點存在電位差，當發(fā)生雷電襲擊時，SPD 接地線由于本身存在阻抗，就會產(chǎn)生較高的殘壓，加上接地導線并未做屏蔽措施，感應電壓就會從天線底座向上傳到高頻頭，導致高頻頭損壞。

2.6 市面上性能良好的饋線防雷設備較少

目前，廣播電視高山臺站使用的衛(wèi)星接收天線類型大多是前饋式衛(wèi)星天線，主要用于接收衛(wèi)星轉發(fā)的C 波段信號。C 波段信號屬于超寬頻波段，滿足該波段的饋線信號浪涌保護器技術要求較高，既要滿足饋線本身的寬頻波段要求，又要滿足浪涌保護器本質的雷電泄放功能，而這兩方面原本存在沖突。如果滿足饋線帶寬的要求，就會影響?zhàn)伨€浪涌保護器對雷電壓泄放的大小。也就是說，若信號浪涌保護器防雷效果更好，對衛(wèi)星天線接收信號的衰減就會越大。這就給整個衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)的雷電防御帶來難題。對此，只能綜合考慮，選擇對信號衰減不太大、而泄放功能也相對良好的饋線浪涌保護產(chǎn)品。

3 廣西廣播電視104 臺衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)防雷整改實踐

廣西廣播電視104 臺為廣西廣播電視技術中心南寧分中心所轄的一級臺站，位于南寧市望仙坡頂。該地區(qū)地勢較高，經(jīng)常有雷電現(xiàn)象。臺站之前做有簡易的防雷系統(tǒng)，但仍時常有設備因雷擊而損壞。2020 年6 月，104 臺聘請了專業(yè)的防雷檢測公司對該臺進行了防雷檢測，檢測報告指出該臺的衛(wèi)星接收天線、發(fā)射鐵塔等設備存在接地電阻不達標的問題，并提出了整改意見，主要以降低接地電阻以及等電位接地為思路，對衛(wèi)星接收天線和發(fā)射鐵塔分類進行整改。具體措施如下。

3.1 直擊雷防護

如果衛(wèi)星接收天線安裝在天線鐵塔作為接閃器裝置的有效保護范圍內(nèi)，可不另外裝設獨立接閃桿防護。若不在鐵塔接閃器裝置有效保護范圍內(nèi)，應在距衛(wèi)星接收天線不小于3 m 處設置一支按滾球法計算能完全保護衛(wèi)星接收天線的接閃桿，并做好接地連接。接地電阻應符合國家現(xiàn)行有關防雷技術規(guī)范要求。

3.2 靜電感應和電磁感應防護

針對靜電感應和電磁感應防護，主要采取以下措施。

（1）制作不銹鋼金屬桶，屏蔽大部分感應雷電流。將衛(wèi)星高頻頭完全放在護罩內(nèi)，既可防護衛(wèi)星接收天線高頻頭遭受直接雷閃擊，又能起到對靜電感應和電磁感應的屏蔽作用。

（2）制作整個衛(wèi)星接收天線的屏蔽網(wǎng)，以避免衛(wèi)星天線自身作為導體泄放雷電，能更好地作等電位處理。采用30 mm×3 mm 熱鍍鋅扁鋼接地引線與不銹鋼護罩桶接線耳進行連接，并分別沿衛(wèi)星天線高頻頭的3 根固定支撐桿敷設引至衛(wèi)星接收天線基座與接地排連接；三條放射狀接地引線與衛(wèi)星接收天線（鍋蓋）絕緣敷設，目的是將扁鋼接地引線與天線鍋蓋電氣絕緣，并延伸至不銹鋼金屬桶內(nèi)，與采用20 mm×1.0 mm 扁銅帶制作的等電位接地環(huán)可靠連接。整體實現(xiàn)不銹鋼護罩桶、接地引下線、銅帶接地環(huán)形成等電位連接。不銹鋼護罩桶與接地引下線的電氣連通如圖1 所示。

圖1 不銹鋼護罩桶與三條接地引下線電氣連通

（3）縮短各接地連接線，實現(xiàn)等電位接地方案。在室外高頻頭接線端和室內(nèi)衛(wèi)星信號分配器接線端分別安裝一個信號浪涌保護器（SPD）。室外SPD安裝在不銹鋼護罩桶內(nèi)，SPD 接地線就近與不銹鋼護罩桶內(nèi)的銅帶等電位接地環(huán)可靠連接，室內(nèi)SPD接地線與信號源機柜接地排連接。高頻頭饋線敷設在φ25 mm 不銹鋼軟管內(nèi)，且全線貫穿至機房信號源柜，形成環(huán)路金屬管（槽）屏蔽形式，并在衛(wèi)星接收天線高頻頭端和入戶端將金屬管（槽）做好接地，室外高頻頭饋線屏蔽管接地線應近與不銹鋼護罩桶內(nèi)的銅帶等電位接地環(huán)連接。最終實現(xiàn)不銹鋼護罩桶、饋線信號SPD、饋線屏蔽金屬管以及高頻頭不帶電金屬外殼等電位接地連接。

（4）整個屏蔽網(wǎng)內(nèi)實現(xiàn)均壓狀態(tài)。將衛(wèi)星接收天線高頻頭不銹鋼護罩桶、高頻頭、饋線浪涌保護器、接收天線鋼構架（包括金屬鍋蓋）以及饋線金屬屏蔽管（或槽）等作等電位連接。均壓等電位連接是解決地電位反擊的最理想辦法，也是消除由于雷電造成各種導體產(chǎn)生有害電壓損壞電子設備的最好措施。不銹鋼護罩桶、高頻頭、饋線浪涌保護器、接收天線鋼構架、饋線金屬屏蔽管等電位接地連接如圖2 所示。

圖2 等電位接地連接

3.3 接地裝置及地電位反擊防護

3.3.1 接地裝置

接地裝置是接地體和接地線的總稱。衛(wèi)星接收天線架構、電氣設備、電力設施等必須通過引下線與接地裝置連接。接地裝置的主要作用是讓雷電帶來的閃電電流順暢地進入大地，從而使雷擊過程中產(chǎn)生的能量無法聚集在防雷體系中的某一處，以此避免雷電導致被防護物體的損壞，同時也起到平衡電位等作用，減少雷電造成的損失。一個防雷系統(tǒng)是否能真正起到防雷作用，其接地裝置的接地電阻值是關鍵。該數(shù)值越小，防雷效果越好。良好的接地方能有效地釋放雷擊帶來的能量，減少引下線上的電壓。

3.3.2 地電位反擊防護

一般而言，若衛(wèi)星接收天線接地體和發(fā)射鐵塔接地體未共網(wǎng)聯(lián)結，就會存在很大的電位差，形成地電位反擊衛(wèi)星接收天線的高頻頭。因此，根據(jù)現(xiàn)行防雷規(guī)范要求，需把兩者共網(wǎng)聯(lián)結。但若兩者接地體近距離連接，也可能由于發(fā)射鐵塔接收到的雷電流太大，瞬間泄放不完的雷電就會朝衛(wèi)星接收天線反擊，造成高頻頭無法承受暫態(tài)高電壓的沖擊而損壞。為避免發(fā)射鐵塔和衛(wèi)星接收天線接地體地電位反擊，還應采用地下共用接地裝置的方式，且發(fā)射鐵塔腳接地體入地點與衛(wèi)星接收天線地網(wǎng)有足夠的安全距離（不小于20 m）是最理想的辦法。若受現(xiàn)場環(huán)境條件限制，連接線難以實現(xiàn)足夠的安全距離，可將衛(wèi)星天線接地線往遠離鐵塔的方向延伸出至少20 m 的安全距離，在地下通過等電位連接器和鐵塔接地網(wǎng)進行等電位連接以平衡地電位，最終達到共用地網(wǎng)的目的。

等電位連接器的工作原理為：正常工作情況下兩端為開路狀態(tài)，當?shù)入娢贿B接器兩端的電位差大于擊穿電壓時，就會使連接器導通，從而使連接器兩端不同接地體間的電位值基本相等，消除接地體間互相放電現(xiàn)象，從而避免由于電位差帶來的放電危及人身安全及設備安全。等電位連接器可根據(jù)現(xiàn)場地網(wǎng)布置情況以及雷電強度選用50 ～800 V 不同等級擊穿電壓的連接器，以保障設備安全正常運行為準。衛(wèi)星接收天線接地網(wǎng)與發(fā)射鐵塔接地裝置地電位反擊防護連接如圖3 所示。

圖3 地電位反擊防護連接

3.4 防雷改造后衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)工作情況

2021 年2 月，廣西廣播電視104 臺衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)防雷整治的工程試點工作完成，主要針對衛(wèi)星接收天線高頻頭、分配器以及接地系統(tǒng)進行了防雷改造。截至2022 年3 月，該臺站未再出現(xiàn)雷擊損壞臺站設備的現(xiàn)象，而且衛(wèi)星接收機的信號強度不受影響，輸入的射頻信號質量穩(wěn)定在70 dB 以上，完全滿足對衛(wèi)星射頻信號解碼的要求。

4 結 語

衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)的雷電防護至關重要。一個好的防雷系統(tǒng)可以有效防止雷電給信號源帶來的影響，提高安全播出的保障能力。衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)的防雷實施須根據(jù)設備自身特點以及周邊環(huán)境情況，深入思考，才能真正建立一個科學縝密的防雷系統(tǒng)。