中波轉(zhuǎn)播臺防雷工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馬金輝

（遼寧省朝陽市北票三三0轉(zhuǎn)播臺，遼寧朝陽，122000）

1 雷電對中波轉(zhuǎn)播臺的危害

1.1 直接雷擊

雷云放電的過程中會產(chǎn)生超強(qiáng)的雷電流，電流值最高能達(dá)幾百千安，如果對中波轉(zhuǎn)播臺的建筑物直接放電，會造成嚴(yán)重的損壞事故。雷電流擊中建筑物，并在其中傳播時(shí)，會產(chǎn)生一定的熱量，引起建筑物的燃燒，建筑物的水分會因這大量的熱量而受熱急劇膨脹，很容易發(fā)生劈裂現(xiàn)象。因此，在雷云放電的過程中，很有可能會引起房屋起火、倒塌，甚至危及人們的生命安全。

1.2 雷電感應(yīng)

雷云放電時(shí)，附近的物體，尤其是導(dǎo)體，會產(chǎn)生靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)。雷云接近地面，產(chǎn)生電場，地面上的建筑物會感應(yīng)大量與雷云電荷相反的電荷，稱為靜電感應(yīng)現(xiàn)象。當(dāng)雷云擊中其他地方并放電后，云和地面的電場會瞬間消失，建筑物頂端的電荷會失去束縛，因電荷無法快速傳播至地面，建筑物頂端會有大量的電荷留存，這些電荷相互排斥產(chǎn)生的能量具有較大危害力度，可能引發(fā)火災(zāi)或者導(dǎo)致建筑物震裂。發(fā)生雷擊之后，一定區(qū)域空間內(nèi)雷電流迅速變化形成強(qiáng)大磁場，就會產(chǎn)生電磁感應(yīng)，附近的導(dǎo)體、線路會感應(yīng)出很高的電壓，具有較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 反擊破壞

如果中波轉(zhuǎn)播臺中發(fā)射鐵塔被雷電擊中，則發(fā)射塔周邊地網(wǎng)的電位會迅速飆升，導(dǎo)致轉(zhuǎn)播臺內(nèi)各設(shè)備電源和設(shè)備外殼間的產(chǎn)生巨大的電位差值，電位差值通過發(fā)射塔經(jīng)設(shè)備外殼持續(xù)作用到地電源，很有可能造成轉(zhuǎn)播臺設(shè)備電源的損壞。

1.4 電磁脈沖破壞

建筑物中敷設(shè)的信號線、電源線和金屬管道等，會在建筑物空間中形成環(huán)路，當(dāng)中波轉(zhuǎn)播臺的信號桿、建筑物被雷電擊中時(shí)，建筑物內(nèi)部空間會產(chǎn)生暫態(tài)脈沖電磁場，形成電磁脈沖，造成中波轉(zhuǎn)播臺信號系統(tǒng)和建筑物中導(dǎo)體回路感應(yīng)過電流和過電壓，對建筑物以及其中的電氣設(shè)備、管線造成危害，中波轉(zhuǎn)播臺的天饋線系統(tǒng)遭到電磁脈沖破壞后會發(fā)生電路停電。

1.5 雷電浪涌破壞

中波轉(zhuǎn)播臺的信號設(shè)備中包含了多種微電子零部件，在中波轉(zhuǎn)播臺的日常運(yùn)轉(zhuǎn)中，如果雷電作用于微電子部件，就會造成雷電浪涌，使得通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)失真、丟失，甚至造成電子設(shè)備、通信電路和電源被破壞，不僅會導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還嚴(yán)重威脅到了工作人員的人身安全。

1.6 沖擊波破壞

雷電沖擊波是一種高壓沖擊波，會在空中金屬管道或架空線路上沿著管道或線路以遠(yuǎn)大于聲波的傳播速度迅速傳播。中波轉(zhuǎn)播臺的供電系統(tǒng)、高壓線或其他設(shè)備如果遭到?jīng)_擊波入侵，會因無法承受超高的電壓，遭到嚴(yán)重破壞，影響中波轉(zhuǎn)播臺信號發(fā)射工作。

2 中波轉(zhuǎn)播臺防雷工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 高低壓供電系統(tǒng)的防雷

為避免電源吸引雷電，使得雷電進(jìn)入高低壓供電系統(tǒng)，影響中波轉(zhuǎn)播臺正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需要對供電系統(tǒng)進(jìn)行電壓保護(hù)，可在建筑高壓架空線路上方敷設(shè)避雷線，在中波轉(zhuǎn)播臺的電力變壓器處安裝高壓避雷器，電力輸出端口安裝低壓避雷器等，與變壓器相連的電源線應(yīng)采用金屬材質(zhì)制作，中波轉(zhuǎn)播臺建筑物部分的電源線要足夠長，不能少于50m。

TN-S是中波轉(zhuǎn)播臺中常見的低壓配電系統(tǒng)，為將雷電流快速引導(dǎo)入地，實(shí)現(xiàn)多級泄流的目標(biāo)，就要對建筑電源進(jìn)行多級涌浪防護(hù)措施，具體可分三個(gè)等級進(jìn)行防護(hù)，一級防護(hù)是針對中波轉(zhuǎn)播臺的總配電箱，為其加裝三相電源防雷箱；二級防護(hù)是針對建筑配電箱，對其設(shè)置電箱開關(guān)，并安裝高容量涌浪保器；三級防護(hù)是針對中波轉(zhuǎn)播臺的常用配電箱，對其安裝高反應(yīng)速率的涌浪保護(hù)器。

2.2 信號源系統(tǒng)的防雷

防雷措施會依據(jù)信號源的不同而具有差異性，通常，中波轉(zhuǎn)播臺的信號源有衛(wèi)星信號、調(diào)頻FM信號、光線信號。衛(wèi)星接收機(jī)利用衛(wèi)星天線可接收、解碼衛(wèi)星信號，供電電源系統(tǒng)經(jīng)過了三級的防雷措施，不僅運(yùn)行穩(wěn)定且有著較強(qiáng)的抗雷電感應(yīng)能力，因此在衛(wèi)星接收機(jī)的防雷措施中，可在信號輸入端安裝一個(gè)高頻同軸電涌保護(hù)器，就可有效防止沿信號線的雷電波入侵行為產(chǎn)生?？蛇x擇ASP ST75F型號電涌保護(hù)器，其標(biāo)稱放電電流為10KA，插入損耗小于0.2dB，頻率范圍為0-2.5GHz，有著使用壽命長、可任意選擇匹配阻抗的優(yōu)勢。

對于調(diào)頻FM信號的防雷保護(hù)，也可采用相同措施，安裝此類高頻同軸通信信號電涌保護(hù)器。對于光纖信號，其防雷保護(hù)措施已經(jīng)相對完善，因?yàn)?，?jīng)埋地光纖進(jìn)行信號傳輸?shù)姆绞剑旧砜估纂姼袘?yīng)能力較強(qiáng)。電視臺輸送端會對光纖信號進(jìn)行防雷保護(hù)，中波轉(zhuǎn)播臺的光接收機(jī)使用的電源系統(tǒng)也經(jīng)過了防雷處理，因此不必對于光纖信號加裝保護(hù)器。

2.3 天饋線系統(tǒng)防雷

2.3.1 天線尖端放電

由于發(fā)射站的地理位置較高，中波轉(zhuǎn)播臺的天饋線系統(tǒng)很容易遭受雷電破壞，需要特別加強(qiáng)防雷保護(hù)。當(dāng)雷電擊中中波轉(zhuǎn)播臺天線時(shí)，會在天線底部形成很高的瞬時(shí)電壓值，這些電壓無法迅速完全釋放，會造成天線、轉(zhuǎn)播設(shè)備的損壞。對此可采取尖端放電的方式，在天線底座下安裝金屬放電器，通常為一對球半徑約8厘米的半球形碗狀的全金屬放電器，放電器的間距需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，以滿足發(fā)射鐵塔的最大功率。兩個(gè)球的間距最佳時(shí)，可將天線上由于雷擊造成的大量電荷及時(shí)釋放，從而對天線設(shè)備進(jìn)行有效的防雷保護(hù)，保障中波轉(zhuǎn)播臺的正常轉(zhuǎn)播。

2.3.2 石墨放電裝置 ZZ

天線底部安裝放電球后，還要在調(diào)配室增設(shè)一個(gè)石墨放電裝置輔助放電球進(jìn)行放電，并適當(dāng)調(diào)節(jié)其間隙距離。需要在石墨電極的接地端套上阻尼磁環(huán)，數(shù)量大概在40到50只之間。在正常環(huán)境下，磁環(huán)不具備任何功能，當(dāng)發(fā)射鐵塔遭遇雷擊后，能夠產(chǎn)生反向的感應(yīng)電動(dòng)勢，磁環(huán)的裝入使得電感達(dá)到幾十微亨，這幾十微亨電感能夠?qū)⑻煺{(diào)網(wǎng)絡(luò)的短路阻抗瞬間提高，即使石墨放電裝置短路，也不會造成發(fā)射器短路，且石墨放電裝置并不阻礙雷電電流的傳輸，從而保護(hù)發(fā)射系統(tǒng)。

2.3.3 微亨級電感 L0

微亨級電感一般小于100微亨，其工作原理為阻隔高頻電流、通過低頻電流，將微亨級電感器L0與天線串聯(lián)接地。直流和低頻部分承載了雷電的大部分能量，電感線圈的感抗較小，對于雷電的低頻和直流電流有著較大的泄放能力，可保護(hù)天饋線系統(tǒng)。接地微亨級電感L0不會對中波轉(zhuǎn)播臺的廣播發(fā)射電流產(chǎn)生影響，對高頻發(fā)射頻率消耗較小，當(dāng)雷電擊中天饋線系統(tǒng)時(shí)，可產(chǎn)生一條回路，將雷電電流接地。另外，將微亨級電感安裝在發(fā)射鐵塔底部并接地，相當(dāng)于將發(fā)射鐵塔改裝為了避雷針，一方面，可以將直擊雷引導(dǎo)入地，另一方面，可將雷云中的能量釋放，避免感應(yīng)雷對中波轉(zhuǎn)播臺的發(fā)射系統(tǒng)造成損壞。

2.3.4 隔直電容 C0

隔直電容C0的作用是阻隔直流，電容本身就可阻隔低頻電流，因此大容量的隔直電容串聯(lián)在信號回路上，可有效阻礙雷電中主要的直流和低頻電流進(jìn)入中波轉(zhuǎn)播臺發(fā)射系統(tǒng)，避免雷電損壞發(fā)射機(jī)的能力較強(qiáng)，且天線廣播發(fā)射電流能正常通過隔直電容，不影響中波轉(zhuǎn)播臺的正常工作。中波頻率上，通常采用的隔直電容C0在1000-2000pF之間。當(dāng)轉(zhuǎn)播臺發(fā)射輸出功率較大時(shí)，可相應(yīng)選擇較大伏安量的電容。

2.3.5 饋管避雷器的安裝

饋管避雷器主要由氣體放電管和隔直電容組成，該裝置屬于一種浪涌保護(hù)器。在正常環(huán)境下或者雷擊較弱的情況下，氣體放電管不導(dǎo)通，不處于地面回路中，透過隔直電容C0與天線傳輸信號；如果發(fā)生較強(qiáng)的雷擊情況，氣體放電管會被導(dǎo)通，此時(shí)處于地面回路中，可將雷電的能量接地進(jìn)行釋放?？刹捎肨NC型天饋線避雷器AR25T安裝到天饋線系統(tǒng)，起到信號浪涌保護(hù)作用，其具體安裝位置如圖1所示。

圖1 饋管避雷器安裝位置

如果中波轉(zhuǎn)播臺的天饋線系統(tǒng)中沒有安裝饋管避雷器，雷電直接作用于發(fā)射塔，會產(chǎn)生雷電電磁脈沖，雷電流形成的強(qiáng)大磁場也會使得饋線中感應(yīng)出較高電壓，過電壓進(jìn)入發(fā)射機(jī)，會嚴(yán)重?fù)p壞發(fā)射機(jī)。TNC型天饋線避雷器的安裝，可顯著提升天饋線系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運(yùn)行，避免中波轉(zhuǎn)播臺天饋線系統(tǒng)遭受雷電電磁脈沖破壞。

另外，對于發(fā)射機(jī)的防雷保護(hù)，可在發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)中，安裝一套駐波比封鎖裝置或者平衡封鎖，只要雷電擊中天線，該裝置就會將發(fā)射機(jī)高壓切斷，從而保護(hù)發(fā)射機(jī)末級設(shè)備免受雷擊影響。為保障中波轉(zhuǎn)播臺所有發(fā)射機(jī)的銅排母線都能良好接地，與接地線有效連接，可采用Mm型等電位連接方式。

3 中波轉(zhuǎn)播臺防雷技術(shù)的維護(hù)措施

3.1 增強(qiáng)地網(wǎng)的改造力度

可結(jié)合現(xiàn)實(shí)需求適當(dāng)增加發(fā)射天線塔體底部的復(fù)合型地網(wǎng)，提升雷電接地釋放的效率，確保雷電能夠及時(shí)、暢通地被引入地下。為減少雷擊對發(fā)射機(jī)的損壞，發(fā)射天線鐵塔的接地電阻越小越好?？刹捎媒底鑴┻m當(dāng)降低地網(wǎng)的電阻，降阻劑是一種良好的導(dǎo)電體，含有大量的重金屬物質(zhì)，一方面可以與接地體緊密接觸，形成較大的電流流通面，一方面可以降低周圍土壤的電阻率。大量的降阻劑雖然可以在最短的時(shí)間內(nèi)降低地網(wǎng)的接地電阻，但降阻劑的添加，會對接地體造成腐蝕，其長期、整體的降阻效果不佳，也存在環(huán)境污染問題。因此，需要增強(qiáng)地網(wǎng)的改造力度，綜合考慮降阻劑的使用特性，設(shè)定出吸水劑與導(dǎo)電粉的合理比例，將降阻劑摻入地網(wǎng)的土壤中，降低地網(wǎng)電阻并改善原有電阻率。另外，也需對地網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的更新，保障地網(wǎng)始終處于良好運(yùn)行狀態(tài)，也可更換或更新地網(wǎng)中的紫銅線，增加中波轉(zhuǎn)播臺中信號覆蓋面積，確保環(huán)保、穩(wěn)定的改造效果。

3.2 增強(qiáng)室內(nèi)設(shè)備防雷保護(hù)

在室內(nèi)與室外信號的運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)備的連接工作中，應(yīng)當(dāng)選擇電纜，并保證電纜良好接地。根據(jù)中波轉(zhuǎn)播臺實(shí)際情況，合理設(shè)計(jì)避雷裝置的安裝位置和數(shù)量。在系統(tǒng)設(shè)備較為集中或者室外信號系統(tǒng)的區(qū)域，可適當(dāng)加裝避雷裝置，采用常見的避雷針、避雷線以及避雷網(wǎng)等，保護(hù)中波轉(zhuǎn)播臺室內(nèi)系統(tǒng)和信號設(shè)備免受雷擊的破壞。避雷裝置的安裝方式要正確、安裝位置要合理，地線的位置需要與系統(tǒng)其他設(shè)備和電纜之間留有足夠的安全距離，避免各組成之間的干擾和雷電連鎖感應(yīng)的產(chǎn)生。信號系統(tǒng)室外設(shè)備的安裝過程中，重點(diǎn)注意各個(gè)設(shè)備的是否有效接地，例如，塔桿、信號發(fā)射塔、接收設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備對雷電的有效引導(dǎo)入地。

3.3 增強(qiáng)室外建筑防雷保護(hù)

中波轉(zhuǎn)播臺建筑物中的金屬構(gòu)件和鋼筋縱橫交錯(cuò)，可增強(qiáng)對雷電電流的屏蔽效果和泄流效率。一般情況下可以建立綜合防雷系統(tǒng)，多種避雷裝置組合使用。如果中波轉(zhuǎn)播臺的建筑物位于天線塔的防雷工程系統(tǒng)保護(hù)范圍內(nèi)，則建筑物和天線塔應(yīng)該使用同一防雷系統(tǒng)；如果二者相距較遠(yuǎn)，建筑物不在天線塔防雷保護(hù)范圍內(nèi)，那么需要對建筑物安裝獨(dú)立的防雷接地系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。對于機(jī)房的防雷保護(hù)中，需要落實(shí)機(jī)房屏蔽以及等電位防護(hù)措施，明確機(jī)房中應(yīng)具備的雷電防護(hù)環(huán)境，劃分好中波轉(zhuǎn)播臺內(nèi)外防護(hù)工作，以實(shí)現(xiàn)對中波轉(zhuǎn)播臺更高的防護(hù)效果。需要科學(xué)解析中波轉(zhuǎn)播臺的電磁脈沖環(huán)境，并進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，不斷提高系統(tǒng)防雷效果。

3.4 防雷設(shè)施的日常維護(hù)

做好中波轉(zhuǎn)播臺眾多設(shè)備的清潔工作，保障系統(tǒng)和設(shè)施的正常運(yùn)行。定期對金屬放電球石墨放電裝置等進(jìn)行清潔檢查，球面是否潔凈、有無燒灼痕跡、是否損壞等；檢查隔直流電容、微亨級電感是否完好無損，測量電容容量、電感值是否在正常范圍，電容的容量是否變小，隔直流電容和微亨級電感有無漏電、短路、碰地等。如果出現(xiàn)異常情況，及時(shí)修理并更換新的元器件，保證中波轉(zhuǎn)播臺系統(tǒng)和硬件設(shè)備的正常工作。在電臺停播時(shí)間內(nèi)，檢查并清潔中波轉(zhuǎn)播臺室內(nèi)室外設(shè)備，檢查各元件是否有效接觸、連接，接地線、地網(wǎng)線有無斷裂或焊接不良問題。通過對中波轉(zhuǎn)播臺防雷設(shè)施的日常維護(hù)與檢查更新，避免天氣情況、系統(tǒng)本身設(shè)備情況以及人為等因素，影響到中波轉(zhuǎn)播臺的防雷效果。定期巡視過程中，工作人員應(yīng)對天線、調(diào)配室、電抗元件等進(jìn)行詳細(xì)檢查，并記錄運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)，便于維護(hù)方案的合理制定和后期對一些防雷設(shè)施的重點(diǎn)檢查。