中波广播发射台雷电侵扰因素分析及综合防护措施

中波广播发射台雷电侵扰因素分析及综合防护措施

田伟利

新疆广播电视局6501台     830000

摘要：中波发射系统由发射机、天馈线、供配电及信号源设备组成。系统设备工作的稳定与否决定了发射质量，在诸多播出事故中，最严重的莫过于系统设备遭遇雷电侵扰事故，一次性雷电侵扰可造成发射机功放部分大量器件损害。本文对中波发射台遭遇雷电侵扰的因素进行分析，并对中波发射台各系统设备的雷电防护措施进行详细的论述。

关键词：中波发射台；雷电侵扰；因素分析；防护措施

0 引言

中波发射台雷电侵扰问题是一个普遍存在的问题，也是一代代中波人极力应对的问题。究其原因，一方面是因为中波发射天线比较高，容易遭遇雷电侵扰；另一方面，新型全固态发射机使用的半导体和集成电路器件耐压低、输入输出阻抗低、高压冲击性能差，容易受雷电侵扰而损坏；再就是中波发射台信号线路和供配电线路与外界有交叉，雷电波会沿着线路传入到发射系统，造成弱电设备损坏。分析雷电侵扰的方式，研究系统设备遭遇雷侵袭的原因，精心设计有针对性的防护措施，虽然不能完全杜绝雷电侵扰，但可以将雷电侵扰程度减至最低。[1]

1 雷电的侵扰方式

雷电主要有直击雷电、雷电波侵入、雷电感应几种侵扰形式。

1.1 直击雷电

直击雷电是指带电的云层与地上建筑物或电气设备直接放电现象。直击雷可产生热电效应，形成破坏力。中波发射天线在当地算是比较高的设施，因而容易遭遇直击雷侵袭。雷暴天气时，时不时会看到雷电击中发射天线恐怖现象，雷电会顺着拉线向下放电，在多根拉线绝缘子处产生放电火花，并伴随着噼噼啪啪的放电声。

1.2 雷电波侵入

雷电波侵入是直击雷发生后产生的侵扰效应。直击雷发生后，雷电能量会沿着架空线路或金属管道传播到电气设备，高量雷电电压损坏电气设备。当直击雷击中发射天线后，雷电波会沿着传输馈线达到发射机，如果发射机处于开机状态，就有可能造成大批量的功放器件或网络器件损坏。

1.3 雷电感应

雷电感应分为静电感应和电磁感应。

当带电的积云靠近金属导体时，金属导体会产生与带电积云同极性电荷，从而产生出很高的静电感应电压，这种静电会在导体与导体之间或导体与设备之间产生放电，引起电击、火灾事故。雷电放电时，巨大的雷电电流会在一定的空间内产电磁感应，这种电磁感会在金属设施上产生感应电流，从而造成设备损坏。中波发射台的供配电设备、信号源设备和其他弱电设备容易遭遇雷电感应侵扰。

2 雷电的综合防护措施

2.1 机房防雷

机房的雷电防护措施主要是接地问题。一是信号源接地，信号源设备要单独接地，不要与发射设备共用一个接地，避免发射机的交调信号串入信号源系统。信号源设备包括卫星信号接收设备、网络信号接收设备、自动化监听监控设备以及其他弱电设备；二是发射设备接地，发射设备主要是发射机，为了防止高频外泄，发射机在设计时都充分考虑了这一点，发射机的信号处理电路、控制系统、电源系统和输出系统都采用独立的屏蔽箱，避免相互干扰。图1 为机房接地系统示意图。[2]

2.2 配电系统防雷  

中波发射台的电力能源来自于外部，供电线路上任何设备遭遇雷电侵袭，都有可能对发射台供配电系统造成破坏。供配电系统的雷电侵扰主要是雷电波侵扰和电磁感应侵扰，这两种侵扰都会在供配电系统内产生浪涌电压。供配电系统主要由供电线路和开关组成，对较弱的浪涌电压有一定的抵抗能力，而用电设备大都是微电子设备，容易因浪涌电压而损坏，间接雷电感应造成的设备损坏事故占设备事故的80%以上，因此，做好电源的浪涌防护是一个不容忽视的环节。

根据VDE0110（德国国际电气认证标准）第一电气使用规范要求，低压配电网宜采用三级防雷保护，才能更好地释放大气中雷电或操作中产生的脉冲能量。按照标准要求，发射台配电系统宜采用三级防雷结构。在发射台总配电前端安装CAN-BP4-60浪涌防雷器，称之为CIASS（I）级防浪涌保护，能够最大程度的承受和吸收浪涌能量；在低压开关柜之前安装CAN-BP4-40浪涌防雷器，称之为CIASS（II）级防浪涌保护；在每个需要雷电防护的设备供电线路上安CAN-BP4-20浪涌防雷保护器，称之为CIASS（III）级防浪涌保护。如图2为发射台SPD三级浪涌保护安装示意图。

SPD浪涌保护器内含一组特别的压敏电阻，正常情况下呈现较高的阻值，当SPD两端电压过高时，内部电阻大幅度降低而形成传导电流，消除多余的电压，随着电压的减弱，电流也就逐渐消失，这对于雷电造成的尖峰脉冲电压有一定的吸收作用。

3 天馈线系统防雷

众所周知，中波发射天线一般都比较高，遭遇雷击的几率比较大，假如雷电电压为1万伏，接地电阻按0.5Ω算，那么雷电对大地的冲击电流理论上为2万安，如果接地电阻降低到0.1Ω，雷电对大地的冲击电流理论上为10万安，强大的雷电通过大地泄放，那么天馈线匹配网络上的雷电能量就会成倍减小，发射机遭遇雷击损坏的概率也会大大减小。另外，调配网络是中波天馈线系统的“枢纽地带”，即便地网、和地井都有良好的接地，但如果采用的接地方式不正确，整个天馈线系统的防雷和抗干扰性能也达不到最佳状态。天馈线系统的防雷措施包括天线防雷、馈线防雷和调配网络防雷。

[3]

3.1 天线防雷

在天线底部增加半球形放电器，可以泄放掉一部分雷电能量。半球形放电器的工作原理是：将其中一个金属半球焊接发射天线下端的塔体上，另一个金属半球焊接在接地装置上，两个半球的间距根据发射功率进行调整，发射功率为10kW时，两个半球间距应调整在3～4cm之间；发射功率为1kW时，两个半球间距应调整在1～2cm之间。间距太大起不到防雷作用，间距太小可能造成发射机工作不稳定。

3.2 馈线防雷

馈管的作用是将发射机输出的高频信号传送给天线。目前大多数中波台都用射频电缆（馈管）传输高频功率信号。馈管本身有外层绝缘，具有一定的防雷和抗干扰作用。馈线的防雷措施包括：馈线两头金属裸露部分可靠接地，馈线杆上方架设避雷线；经常检查馈管内的压力情况，当压力不足时及时补压，定期测量馈线绝缘程度。对于直径37mm以下的馈管，为了防止雷电通过馈管传送到发射机，最好在馈管两端的接头处（最好是在天线侧）串接馈管防雷器。如图3从左至右分别是是馈管防雷器实物图和原理图。此类防雷器具有防护电流大，性能稳定，传输指标优异，响应快的特点。[4]

馈管防雷器的工作原理：正常情况下，气体放电管GT对地呈开路，发射机高频能量经隔直流电容到调配网络；当雷电发生时，超高电压会通过气体放电管GT到地端，将雷电能量释放到地。雷电能量消失，气体放电管对地呈开路状态。由于雷电能量低频成分多，电容C可以阻止一部分雷电能量向发射机释放。

3.3 调配网络防雷

中波天馈线调配网络的作用是实现天线与馈线的阻抗匹配。如果说雷电对发射系统产生破坏的话，那么雷电波的必经之路就是调配网络，因此，调配网络的防雷措施非常重要。调配网络防雷措施包括：在调配网络输出端增加石墨放电柱；增加防雷线圈和防雷电容；增加相移网络。图4为调配网络防雷示意图。

在调配网络向发射天线输出端口上，增加一对石墨放电柱，放电柱的一端连接到调配网络输出口，另一端通过一根串有几十个磁环的铜管与调配网络接地端相连，石墨放电柱间隙按照1000V/1mm的原则调整。当强雷电侵袭天馈线系统时，石墨放电柱可以释放掉一部分雷电能量。[5]

在图4中，电感线圈L0和电容C0也具有一定的防雷作用。由于雷电能量主要是低频成分，利用电感具有阻高频、通低频的特性，L0可以吸收一部分雷电能量到地端，而不会影响正常的高频信号传送；由于电容具有阻低频通高频的特性，因此电容C0可以阻止一部分雷电能量通过调配网络，而不会影响正常的高频信号通过。

移相网络安装在馈线和调配网络之间。其作用是将发射机输出的射频信号偏移一定的角度，当放电球因雷电侵袭放电短路时，发射机输出端也被迫处于短路状态，瞬间短路有可能造成大批量功放器件损坏，由于移相网络的加入，可一定程度的延缓发射机输出的短路时间，这就给发射机驻波故障保护电路的启动赢得时间，从而达到防雷目的。相移网络只起移相作用，不改变网络的阻抗。因此不影响整个调配网络的阻抗特性。[6]

4 结束语

中波发射台雷电防护措施关乎到设备安全和人身安全。设计良好的防护措施能提高抗干扰能力和防雷性能。值得注意的是，由于防雷防护设施一旦完工，即成了隐蔽工程或永久性工程，后期故障处理工作难度较大，因此，在施工过程中应高标准严要求，把雷电防护工作做扎实。

参考文献

[1] 田军.中短波广播发射台的电磁干扰及其应对措施[J].硅谷，2015(2).

[2] 边飞.中波发射台的雷电防护技术探究.[J]无线互联科技,2019.

[3] 金明.DX发射机与天馈网络.[J]北京：中国广播电视出版社

[4] 李明.中波发射台天线防雷措施系统的改进探究[J].通讯世界，2015,(21)：34-35.

[5] 李建华.探讨中波发射台天线防雷技术措施[J].电子技术与软件工程，2012,(10)：165.

[6] 董天佑.中波发射台天线防雷技术措施分析[J].中国新通信，2012,(14)：82-83.