中波广播发射系统的防雷措施

赵体辰

（济宁市广播电视传输保障中心，山东 济宁 272100）

0 引 言

由于城市建设的快速发展，原本位于空旷地带的广播发射天线现在基本是处在城市中心位置。居民小区的建设，使原有的天线地网遭到严重破坏，广播发射效果和防雷效果受到严重影响。夏季气候异常，雷雨较多，对于中波广播发射系统，若没有采取任何防雷措施或者防雷措施不当，当雷击天线、机房等建筑物时，会产生强大的雷击电流，其对地电压将增加到数万伏甚至数十万伏，并通过供电系统和信号电缆的接地点反馈到其他地方，影响连接到电网和线路上的广播设备。室外广播发射天线、卫星接收天线等突出建筑物是雷击的主要目标，强大的雷电流还可能通过天馈线端传导至发射机房的发射机及其播出配套设备，对整个前端播出系统可能造成毁灭性的损坏。

为了使广播发射系统免遭雷电损坏，应采取的防雷保护措施主要有：将绝大部分的雷击电流利用良好的接地装置直接泄放入地，阻塞沿供电线路和发射信号线传输线路引入的雷电压波，限制受保护设备上的浪涌过电压振幅，即过电压保护。现从广播信号源的接收系统、电源系统、发射机及天馈线系统等四个方面对整个广播发射系统的防雷措施加以说明。

1 广播信号源接收系统的防雷措施

卫星接收天线一般架设在发射台的相对高处。由于雷电电压极高，卫星接收天线一旦遭受到雷击，雷电电流将通过电缆引入室内。如果未采取防雷措施或者采取的防雷措施无效，雷击会损坏设备的一些元器组件，如卫星天线、广播信号接收器和调制解调器等设备，使设备停止工作，影响安全播出，造成一定的经济损失，重则造成人员伤亡事故。因而，采取技术措施避免雷击，是必须考虑的十分重要的环节。

广播信号卫星接收系统的所有组成部分，包括室内的和室外的电源线缆以及信号传输线缆，其屏蔽层都应当可靠地与地良好连接。通常，应将线缆的屏蔽层与室内和室外单元的金属外壳连接起来，将接收天线的金属支架、架座一起与建筑物的接地线相连。要仔细检查建筑物的原接地线是否合理可靠，否则，接地装置应重新焊接和埋设[1]。浇注卫星天线底座时，底座和天线应可靠接地，接地电阻应小于4 Ω，然后根据接收天线附近的环境条件安装避雷针。

安装避雷针时，必须将避雷针埋入与避雷针连接的接地体中。避雷针的接地应单独布线，不得与天线的接地线连接。使用接地线接地后，避雷针接地端子的接地电阻也应小于4 Ω。避雷针的保护区域位是避雷针下面45°至60°的伞形区域，卫星接收天线必须安装在保护范围内。天线接收时在这个伞形保护区，将受到防雷保护。高度越高，伞形区域覆盖越广，保护区的有效避雷范围就越大。还必须注意，安装时，避雷针本身与受保护的卫星天线之间的线性距离应大于5 m[1]，因为避雷针及其雷电电流引下线在受到雷电感应时可以穿透2～3 m的空气。

2 天馈线系统的防雷措施

广播发射台的天馈线系统是广播信号传输过程一个重要组成部分，主要包括从发射机的射频输出端口到发射天线之间的传输馈线、天调匹配网络和发射铁塔天线。天馈线系统的技术参数的变化决定着广播信号的播出质量效果和覆盖范围。由于发射台周围的地形通常平坦开阔，附近的高层建筑不多，系统中具有绝对高度的发射天线铁塔在雷雨季节极易遭受雷击。

广播发射天线塔体底部安装有一定高度的支撑绝缘底座。雷雨天气时，雨水沿塔底绝缘瓷座表面流向地面。当发射天线铁塔遭受到雷击，如果天线的防雷措施采取不当，瓷座表面很容易产生雷电过电压电弧，导致铁质塔基瓷损坏，绝缘度大大降低，甚至整体开裂、彻底报废。

为了使发射天线产生最佳的高频能量辐射效果，在天线连接到发射机输出馈线之前设置有阻抗匹配网络。它是由高频电容、电感线圈等元器件按照特定的技术参数设计联结组成的。在遇到雷击时，雷电流沿天线铁塔引流至此匹配网络，会对电容、电感等元器件构成极大威胁，可能造成该匹配网络的参数发生变化，致使所传输的高频信号无法通过天线向空中辐射。

发射机房距发射天线一般有30～300 m距离。雷击期间，高压雷电波也可能通过天线、匹配网络和馈线引入发射机房，可能因雷击而损坏室内的天调网络、发射机等系统设备，导致广播中断的重大事故。

2.1 发射天线塔体防雷

发射天线塔体的防雷措施，首先是科学合理地铺设安全可靠的天线地网，与调配网络相连的高频地线、传输馈线地线、调配室周围的屏蔽层、接地地井等应与天线接地网牢固地焊接。这样，不但为雷电流提供了可靠的入地通路，同时还能减少高频能量的损耗，有效地衰减入射杂波，提高发射机的稳定工作状态。

其次，利用金属放电球泄放掉塔体引入的高压雷电。当雷电击到天线塔时，天线塔底座会产生极高的雷电电压，利用尖端放电原理，在天线座上安装一对半球形金属避雷器，半球体的一端牢固焊接在塔座上，另一端半球体良好接地。放电球半径约为10 cm，根据铁塔发射高频信号的总功率和其垂直高度，合理地调整好放电球的两半球间距，当雷雨天气天线遭到雷击时，能起到瞬间泄放高压雷电电荷能量的作用，降低甚至消除雷击对天馈线系统的影响。放电球之间的距离应根据传输功率和天线输入阻抗等因素进行调整，从理论上计算出发射频率的叠加总功率、调配网络参数结果以及平均的雷电强度估值等数据，再通过综合分析，可以较准确地计算出放电球之间的距离，科学合理地调整到最佳状态，使其具有最佳的防雷性能。考虑到雨雪天气的影响，通常设计金属放电球球间的距离按照1.0～1.5 mm/kV的标准进行调整。

在每次雷雨或大雪天气后，应及时检查放电球。放电球的定期检查和维护应包括在巡检和维修计划中。当发现放电球表面有附着物、火花或严重腐蚀痕迹时，应及时处理，以保持其清洁、光滑和良好的导电状态。

2.2 天调网络的防雷

发射机天线输入部分和发射机输出馈线部分之间的匹配网络构成传输系统的天调网络。稳定完善的天调网络由阻抗匹配网络、阻塞网络和防雷系统等组成[2]，主要完成发射机输出端通过馈管与天线的特性阻抗良好匹配，同时还对发射台内的其他大功率高频信号具有阻塞的作用。为防止雷电由天线经传输馈管串至发射机端损坏发射机及附属设备，天调网络的避雷系统主要采取加装石墨放电装置、串接隔直电容和并接泄放线圈等设置方式。

2.2.1 在天馈线调配室内加装石墨放电装置

除了在发射天线底部安装金属放电球外，天线与天线调谐网络之间还应并联一对圆柱形石墨放电球，并在接地线上套上30～40个磁环。当天线受到雷击时，石墨放电球放电，石墨本身具有一定的阻尼放电效应[4]。如果发射机正常工作时天线被雷电击中，放电球放电，大量电流通过接地线流入大地，接地线上的磁环产生反电动势，作为阻尼放电，使发射机的高频能量不会完全短路。这样，变送器控制电路在保护动作之前就起到了保护作用[3]。石墨放电球具有良好的放电特性。科学合理地调整石墨放电球间距，可以优化防雷效果。石墨放电球间距的调整标准一般为1 mm/kV。

2.2.2 连接泄放电感线圈

由于雷电波的能量主要是低频分量和直流分量，在天线输入端，即在发射铁塔和调配网络之间并联一只微亨级的电感线圈到地，约50～100 μH，可以为天调网络提供一个对地传导通道，以泄放雷电流的直流分量，而对高频传输信号表现出较高的阻抗。为了更有效地将雷电能量释放到地面，在制作放电电感线圈时，应尽可能选择线径较大的铜管[4]。

2.2.3 串接隔直电容

在发射天线通过铜管硬馈电连接到配电网之前，连接一个直流隔离电容器，即串联一个具有良好伏安特性和高耐压的大容量电容器，能有效地防止雷击电流沿信号传输路线侵入到天调网络和发射机房，造成天调网络与发射机遭受雷击损坏。隔直电容容量约为1 000～2 200 pF，利用电容的隔直流、通交流特性，高频调制信号可以畅通无阻地通过，但它能很好地隔离和阻断直流雷电电流，这样就有效地防止了雷电的直流分量进入天调网络及高频信号输出回路。

在设计天线调配网络时，应该首先选择具有二阶带通滤波器功能的匹配网络，它可以在泄放和阻塞各种杂波的串扰方面发挥良好的作用。

3 中波发射机的防雷措施

传统电子管发射机由于综合指标差、输出效率低、故障率高的原因，目前已逐渐被综合指标好、工作效率高、维护量少且寿命长的全固态中波发射机所取代。然而，所有固态机器都使用大量高度集成的微处理器和半导体器件，功放部分所应用的场效应管与电子功率放大管相比，具有耐压低、抗干扰性能差、脆性高、易击穿和损坏等致命弱点[5]，所以雷击电流可以通过供电线路、高频信号输入、输出线缆以及电缆的金属屏蔽层串入发射机，对发射机及附属技术设备和工作人员造成严重安全威胁。因此，周密考虑串扰防护、多通道防雷设施的设计，是确保所有固态发射机正常运行的关键。

首先，发射机房内的所有电气设备应通过工作接地进行保护。该保护接地措施是利用接地装置将电气设备的金属外壳、机架和信号电缆屏蔽层可靠接地。工作接地应确保室内工作电位为零。通过工作接地，设备泄漏、高频感应电压和各种摩擦产生的静电都可以排入地面，机房内电缆引起的雷电也可以通过工作接地泄放。因此，工作接地在保护设备和员工人身安全方面发挥着重要作用。

其次，对于全固态数字中波发射机的避雷防雷还可以采用如下措施：由于高频发射信号通路中的输出网络、传输线路都会产生相移，当天线遭遇雷击时，放电球瞬间高压放电呈现短路状态时，发射机的输出负载阻抗会突然变化，这很容易在发射机输出端造成过压，大电流会瞬间损坏功率放大管[3]。

因此，还需要在发射机输出网络的后端设计和安装由一组电感线圈和电容器组成的相移网络。通过相移网络，放电球短路引起的变送器负载阻抗的变化仍能在允许范围内，充分保证发射机运行的稳定性和安全性。

4 电源系统的防雷措施

雷电在输入电源线路上感应产生的瞬间高压冲浪沿着架空线路侵入供电线路，进入设备，主要损坏卫星接收机、解码器和发射机的电源部分，如变压器、整流器和滤波电路中的部件，导致安全播出事故发生。因此，首先在高压配电室的进线处安装一套阀式避雷器，然后在变送器室低压配电盘的进线处安装一套真空放电装置，这样可以对雷电产生的脉冲高电压电流多次对地泄放。其次，供电系统的所有设备应正确接地。由于使用的交流电源一般由中性线未接地的低压供电网络提供，因此，使用该交流电源的电气设备应有效接地进行保护，即可靠地实施工作接地措施。同时，应在供电系统主要设备的电源进线端安装电源线避雷器，它能将内部传输线感应雷击产生的大量脉冲电能释放到安全地线，并在最短的时间内将其放电到地面，更有利于防止雷电危害设备安全。

5 结 语

本文详细介绍了发射台站广播发射系统采取的防雷措施。经过多年的考验，这些措施达到了理想的效果，没有出现过由于雷击而导致广播发射设备损坏的的现象，保证了安全优质播出。

对广播发射系统的设备实施安全有效的防雷措施，是一项非常重要的系统工程。每一位广电工程技术人员都要从思想上高度重视，深化对广播发射系统设备特殊性的认识，不断提高专业技术水平，使安全播出的维护管理工作达到一个新的高度，从而使广播发射设备始终运行在安全、可靠、稳定、良好的工作状态，各项指标都达到甲级状态，确保落实“不间断、高质量、既经济、又安全”的技术维护总方针。