廣播電視發(fā)射系統(tǒng)防雷技術(shù)探究

周 娟

（江西七〇六電視調(diào)頻臺，江西 吉安 343000）

0 引 言

廣播電視發(fā)射系統(tǒng)的主要功能就是將各種廣播電視節(jié)目通過無線的方式傳送到千家萬戶。廣播電視發(fā)射基站一般建設(shè)在遠(yuǎn)離城市的區(qū)域，有些位于高山上，因此或多或少會(huì)受各種自然因素如天氣、雷電等的影響[1]。每年，全國因?yàn)槔纂姸斐傻耐２ナ鹿蕦乙姴货r，嚴(yán)重影響著廣播電視節(jié)目的安全播出工作。為此，在構(gòu)建廣播電視發(fā)射系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)人員會(huì)將雷電因素考慮進(jìn)去，將防雷技術(shù)應(yīng)用在廣播電視發(fā)射系統(tǒng)的建設(shè)中。本文從雷電的危害、雷擊類型、入侵途徑以及防雷措施等方面進(jìn)行深入探究，對于保障廣播電視安全播出具有非常重要的意義。

1 雷電對廣播電視發(fā)射系統(tǒng)的危害

天空中帶正、負(fù)電荷的云朵碰撞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生雷電。雷電的瞬間電壓可達(dá)幾千上萬伏，電流非常大，作用的時(shí)間比較短[2]。廣播電視發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)部是由衛(wèi)星鍋、衛(wèi)星接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、天調(diào)系統(tǒng)以及鐵塔天線等構(gòu)成。發(fā)射機(jī)、衛(wèi)星接收機(jī)以及衛(wèi)星鍋上的高頻頭內(nèi)部都是由集成電路構(gòu)成，一旦廣播電視發(fā)射系統(tǒng)沒有做好防雷工作，雷電就會(huì)進(jìn)入發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)部，作用在各集成電路中。如此高電壓、大電流的雷電，會(huì)瞬間燒壞集成電路中的元件，從而導(dǎo)致停播事故。而且，這種由雷電所造成的損壞是不可逆的，也是隨機(jī)的，這無疑增加了搶修難度。因此，做好廣播電視發(fā)射系統(tǒng)的雷電防護(hù)，對于保障安全播出工作具有非常重要的意義。

2 雷電的類型以及雷擊途徑

雷電通常可分為直擊雷、球形雷、感應(yīng)雷三種[3]。其中，直擊雷和球形雷電壓高、電流大，爆發(fā)力特別強(qiáng)，一旦擊中設(shè)備，嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接將設(shè)備劈斷、劈翻。通常情況下，直擊雷對建筑物和行走在室外的人具有很高的危害性。感應(yīng)雷可以分成電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)兩種。雷云與地面很近時(shí)，地面上有凸起的物體如鐵塔、建筑物等，其凸起的頂端會(huì)感應(yīng)到雷云，從而使鐵塔或建筑物頂端產(chǎn)生大量的異性電荷，雷云放完電后，建筑物上的電荷會(huì)立即釋放，從而產(chǎn)生雷波，對與之連接或者與之靠近的電子設(shè)備造成影響[4]，此為靜電感應(yīng)。而電磁感應(yīng)則是因雷電在放電瞬間會(huì)產(chǎn)生很大的電流，大電流產(chǎn)生大的電磁場，電磁場使附近金屬設(shè)備產(chǎn)生很高的電壓，然后進(jìn)行放電，便會(huì)對電子設(shè)備產(chǎn)生二次損壞。

3 防雷措施

盡管雷擊作用的時(shí)間在一瞬間，但是在這一瞬間，電壓和電流都十分巨大，其蘊(yùn)含的巨大能量需要在一瞬間釋放，具有很強(qiáng)的破壞力。如果廣播電視發(fā)射系統(tǒng)沒有做相關(guān)的防雷措施，雷電瞬間就可以將廣播電視發(fā)射系統(tǒng)擊壞，使其癱瘓。雷擊是由外向內(nèi)入侵廣播發(fā)射系統(tǒng)的。廣播發(fā)射系統(tǒng)由鐵塔、調(diào)配網(wǎng)絡(luò)、饋線、衛(wèi)星鍋、衛(wèi)星接收機(jī)、發(fā)射機(jī)及電源線等各個(gè)部件組成[5]。一旦雷電產(chǎn)生，其最先入侵的是發(fā)射系統(tǒng)的鐵塔、調(diào)配網(wǎng)絡(luò)、饋線及衛(wèi)星鍋等室外設(shè)備，其次是室內(nèi)的衛(wèi)星接收機(jī)、發(fā)射機(jī)電源、激勵(lì)器及功放板等等。因此，在對廣播發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行防雷時(shí)，需由外而內(nèi)層層設(shè)計(jì)防雷，從而有效地將雷電的影響降為最低。通常采用如下幾種防雷措施。

3.1 鐵塔天線防雷

發(fā)射機(jī)鐵塔一般都有幾十米的高度，發(fā)射系統(tǒng)就是利用鐵塔將無線電磁波信號輻射出去，使得信號的覆蓋面積廣，這樣才有更多的人可以收聽到相應(yīng)的節(jié)目。也正是這一原因，使得雷電產(chǎn)生時(shí)，鐵塔最先遭受雷擊。如果能在鐵塔遭受雷擊時(shí)，瞬間將雷電流通過防雷設(shè)備引入地面，那么就不會(huì)對發(fā)射系統(tǒng)后級設(shè)備造成干擾。因此，可以在鐵塔的底部設(shè)計(jì)兩個(gè)半球，一個(gè)半球連接到鐵塔，另外一個(gè)半球則連接到地面，兩個(gè)鐵半球靠得比較近。這樣，一旦發(fā)生雷擊，兩個(gè)半球之間就會(huì)擊穿，大量電荷就會(huì)從鐵塔流到地面，從而將雷電瞬間釋放，避免對后級饋線與電路造成影響，從而有效地保障發(fā)射系統(tǒng)的安全。鐵塔天線防雷如圖1所示。

圖1 鐵塔球形放電圖

3.2 匹配網(wǎng)絡(luò)防雷

如果雷電的能量比較大，通過鐵塔放電球仍無法快速泄放，剩余的雷電能量將會(huì)進(jìn)入與鐵塔連接的饋線中，進(jìn)入調(diào)配亭網(wǎng)絡(luò)。調(diào)配亭網(wǎng)絡(luò)由電感線圈與電容組成，如果電壓過大，能量過強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致調(diào)頻網(wǎng)絡(luò)的電容炸裂，同樣也會(huì)影響后級的發(fā)射機(jī)。因此，在調(diào)配亭網(wǎng)絡(luò)中，可以加入2個(gè)放電半球或者放電元件進(jìn)行二次放電，將雷電進(jìn)一步泄放干凈。除此之外，還可以在調(diào)配網(wǎng)絡(luò)中加入一個(gè)電感線圈接地，可以濾除廣播信號頻率之外的干擾，具體防雷實(shí)物如圖2所示。

圖2 調(diào)配網(wǎng)絡(luò)防雷電路與實(shí)物圖

3.3 發(fā)射機(jī)防雷

發(fā)射機(jī)防雷一般分為兩部分，一部分用于射頻輸出網(wǎng)絡(luò)，另一部分則作用在與發(fā)射機(jī)信號連接的線上面。下面具體闡述這兩部分防雷的相關(guān)措施與原理。

3.3.1 發(fā)射機(jī)射頻輸出網(wǎng)絡(luò)防雷

發(fā)射機(jī)射頻輸出網(wǎng)絡(luò)通過饋線連接到調(diào)配網(wǎng)絡(luò)，再通過調(diào)配網(wǎng)絡(luò)連接到天線鐵塔。發(fā)射機(jī)射頻輸出網(wǎng)絡(luò)受到雷擊的概率非常大且所承受的雷電能量比較大，因此，需要使用大功率的防雷設(shè)施。一般情況下，為了節(jié)省成本，發(fā)射機(jī)輸出網(wǎng)絡(luò)上會(huì)設(shè)計(jì)兩個(gè)半球的防雷鐵球，可瞬間將大部分雷電泄露到地面。一些較好的發(fā)射機(jī)上會(huì)安裝一個(gè)防雷盒。該防雷盒具有非常好的防雷效果，可保證發(fā)射機(jī)射頻網(wǎng)絡(luò)端的安全，具體如圖3所示。還可以在發(fā)射機(jī)射頻輸出網(wǎng)絡(luò)電路中加入一個(gè)電感線圈，將其與地銅皮連接，可進(jìn)一步泄放雷電，確保發(fā)射機(jī)的安全。

圖3 發(fā)射機(jī)防雷盒實(shí)物圖

3.3.2 發(fā)射機(jī)電路板信號防雷

發(fā)射機(jī)的音頻信號、電源等輸入信號有時(shí)候也會(huì)受到雷電的影響，使信號產(chǎn)生一定的電壓波動(dòng)或者干擾。此時(shí)，需要在發(fā)射機(jī)的信號輸入口加入靜電阻抗器（Electro-Static Discharge，ESD）防護(hù)器件，可有效地將靜電、浪涌等信號泄放到地，可以防止后級電路元件損壞，保證發(fā)射機(jī)正常工作。

3.3.3 發(fā)射機(jī)電源防雷

發(fā)射機(jī)系統(tǒng)要正常工作，必須由外界提供穩(wěn)定的電源，而外界電源主要是由市電網(wǎng)經(jīng)過變壓器后輸出至發(fā)射機(jī)。變壓器及其電源輸出線通常在室外，因此，也很容易遭受雷電攻擊，一旦有雷擊，可能會(huì)耦合到電源線上，通過電源線進(jìn)入穩(wěn)壓器，再經(jīng)過穩(wěn)壓器傳送到發(fā)射機(jī)等電子設(shè)備當(dāng)中，雷擊所產(chǎn)生的高壓電便會(huì)損壞廣播電視發(fā)射機(jī)內(nèi)部的電子元件。因此，為了將雷電瞬間泄放 ，避免影響到發(fā)射機(jī)，在電源上需要采取多種防雷措施。通常需要設(shè)計(jì)三級電源防雷。第一級電源防雷主要目的是將外界雷電作用在電源上的電壓限制在2.5~4 kV；第二級電源防雷需將雷電作用在電源上的電壓限制在1.8～2.5 kV，而最后一級電源防雷需將雷電作用在電源上的電壓限制在0.8～1.2 kV之間。有了三道防雷后，電氣設(shè)備就基本不會(huì)損壞。在電氣設(shè)備出廠時(shí)，一般都需要做浪涌測試，保證浪涌電壓在1 670 V時(shí)不會(huì)被損壞。而1.2 kV比1 670 V電壓小，因此，電氣設(shè)備產(chǎn)生影響。如果上述三級防雷有一級有問題，那么都可能使電源浪涌過高而將電氣設(shè)備燒壞。因此，發(fā)射機(jī)電源系統(tǒng)做防雷設(shè)計(jì)對于發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義。

4 結(jié) 語

雷電是造成發(fā)射系統(tǒng)出現(xiàn)故障的主要原因，它可損壞發(fā)射系統(tǒng)中的任何電氣設(shè)備。因此，為了保證安全播出，降低雷電對廣播發(fā)射系統(tǒng)的損害，廣播發(fā)射臺站需要做好相關(guān)的防雷措施，從發(fā)射系統(tǒng)外部到內(nèi)部采用多級防雷措施，利用鐵塔防雷、調(diào)配亭網(wǎng)絡(luò)防雷、發(fā)射機(jī)射頻網(wǎng)絡(luò)防雷、發(fā)射機(jī)電路板信號接口防雷等多種防雷措施，有效地保障廣播電視發(fā)射系統(tǒng)正常工作，保障安全播出。