中波轉(zhuǎn)播臺防雷控制系統(tǒng)研究

【摘要】中波轉(zhuǎn)播站在廣播系統(tǒng)中扮演著重要角色，但易受雷電影響，導(dǎo)致設(shè)備損壞和信號中斷。本文研究了中波轉(zhuǎn)播臺防雷控制系統(tǒng)的設(shè)計，分析了雷電的形成、特性及其對電子設(shè)備的危害，特別是中波轉(zhuǎn)播臺面臨的雷電災(zāi)害。隨后，提出了防雷控制系統(tǒng)的設(shè)計需求與目標，包括高效的雷電監(jiān)測、預(yù)警及可靠的防護。系統(tǒng)整體架構(gòu)涵蓋雷電監(jiān)測、預(yù)警系統(tǒng)、接閃裝置、均壓、泄流、接地及控制保護等多個環(huán)節(jié)，旨在全方位保護轉(zhuǎn)播站設(shè)備和信號，確保在雷電活動頻繁環(huán)境下廣播信號的連續(xù)性和設(shè)備的安全性。

【關(guān)鍵詞】中波轉(zhuǎn)播臺；防雷控制系統(tǒng)；信號傳輸

中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2024.18.012

1. 中波轉(zhuǎn)播臺概述

1.1 中波轉(zhuǎn)播臺的定義

中波轉(zhuǎn)播臺是專門用于接收、處理并轉(zhuǎn)播中波廣播信號的設(shè)施。它們在廣播系統(tǒng)中起著重要的中繼作用，通過接收來自主站的中波信號，再經(jīng)過處理后，以增強信號強度和質(zhì)量的方式向更廣的區(qū)域進行二次傳播。這類轉(zhuǎn)播站對于覆蓋大范圍的廣播服務(wù)至關(guān)重要，尤其在地形復(fù)雜或遠離主站的區(qū)域，通過中波轉(zhuǎn)播站的信號轉(zhuǎn)發(fā)，能夠有效彌補主站信號覆蓋的不足，確保廣播信息的及時傳遞和覆蓋的全面性。

1.2 中波轉(zhuǎn)播臺的運行原理

中波轉(zhuǎn)播臺的運行原理主要包括信號接收、信號處理和信號轉(zhuǎn)發(fā)三個環(huán)節(jié)[1]。轉(zhuǎn)播站通過天線接收來自主站的中波廣播信號。接收到的信號可能因距離或環(huán)境因素而有所衰減或失真，因此需要經(jīng)過濾波和放大處理以恢復(fù)信號的原始質(zhì)量。處理后的信號再通過發(fā)射裝置重新傳播出去，以更高的功率覆蓋更廣的區(qū)域。在這一過程中，轉(zhuǎn)播站必須保持對信號的高保真度和穩(wěn)定性，以確保最終傳遞給受眾的廣播內(nèi)容清晰可聽，不受干擾。

1.3 轉(zhuǎn)播站的主要構(gòu)成與功能

中波轉(zhuǎn)播臺的主要構(gòu)成部分包括接收天線、信號處理器、功率放大器和發(fā)射天線[2]。接收天線負責(zé)捕捉來自主站的中波信號，并將其傳送到信號處理器中。信號處理器的功能是對接收到的信號進行濾波、放大和解調(diào)，以消除干擾和增強信號強度。經(jīng)過處理的信號進入功率放大器，進一步提升信號的輸出功率，使其能夠有效覆蓋更大的區(qū)域。處理和放大后的信號通過發(fā)射天線進行廣播，確保目標區(qū)域內(nèi)的聽眾可以接收到清晰的廣播信號。

2. 雷電及其對轉(zhuǎn)播站的影響

2.1 雷電的形成與特性

雷電是大氣中一種強烈的自然現(xiàn)象，主要由對流層中的強對流云系產(chǎn)生。雷電的形成過程涉及大量的空氣上升運動，使得云層中水滴和冰晶的碰撞摩擦產(chǎn)生電荷分離[3]。云層內(nèi)外電荷累積達到一定程度時，電場強度足夠高，便會引發(fā)放電現(xiàn)象。雷電具有高電壓、高電流和高溫度的特性。放電時產(chǎn)生的電流可以達到數(shù)萬安培，電壓可高達數(shù)億伏特，并伴隨極高的溫度，使空氣瞬間膨脹，產(chǎn)生雷聲。雷電的這些特性對地面上的建筑物和設(shè)備，尤其是電氣設(shè)備，構(gòu)成了極大的威脅。

2.2 雷電對電子設(shè)備的危害

雷電對電子設(shè)備的危害主要表現(xiàn)在三個方面：直擊雷、雷電感應(yīng)和雷電波入侵。直擊雷是雷電直接擊中建筑物或設(shè)備，造成嚴重的物理破壞和電氣損壞。這種情況下，雷電產(chǎn)生的巨大電流和高溫會直接導(dǎo)致設(shè)備燒毀，甚至引發(fā)火災(zāi)[4]。雷電感應(yīng)則是雷電在附近放電時，產(chǎn)生的強電磁場在導(dǎo)體上感應(yīng)出高電壓，進而對電氣設(shè)備造成損壞。這種電磁感應(yīng)會在瞬間產(chǎn)生高電壓，導(dǎo)致設(shè)備的絕緣擊穿，電子元件損壞。雷電波入侵是指雷電在架空線路或金屬管道上感應(yīng)出高電壓，通過電源線路或信號線路侵入設(shè)備內(nèi)部，造成設(shè)備的功能失效或損壞。

2.3 中波轉(zhuǎn)播臺常見的雷電災(zāi)害

中波轉(zhuǎn)播臺作為重要的信號轉(zhuǎn)播設(shè)施，極易受到雷電的影響。常見的雷電災(zāi)害包括設(shè)備直接損毀、信號傳輸中斷和數(shù)據(jù)丟失等。直擊雷會直接擊中轉(zhuǎn)播站的天線塔和其他暴露在外的設(shè)備，導(dǎo)致設(shè)備燒毀或功能喪失。雷電感應(yīng)則可能通過天線系統(tǒng)和信號傳輸線路感應(yīng)出高電壓，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部的電子元件損壞，進而中斷信號的正常傳輸。此外，雷電波入侵會通過架空線路將高電壓傳導(dǎo)至轉(zhuǎn)播站內(nèi)部，造成電源系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)的損壞，進而引發(fā)大范圍的停電事故和信號中斷。這些災(zāi)害不僅會影響廣播信號的正常傳輸，還可能導(dǎo)致設(shè)備的高昂維修成本和長時間的服務(wù)中斷。

3. 中波轉(zhuǎn)播臺防雷控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)需求與設(shè)計目標

中波轉(zhuǎn)播臺防雷控制系統(tǒng)的設(shè)計需要全面考慮雷電對設(shè)備和信號傳輸?shù)亩喾矫嬗绊憽Ｏ到y(tǒng)需求包括高效的雷電監(jiān)測、準確的預(yù)警、可靠的防護和迅速的故障恢復(fù)能力[5]。設(shè)計目標是建立一套能夠全方位保護轉(zhuǎn)播站設(shè)備和信號的防雷系統(tǒng)，確保在雷電活動頻繁的環(huán)境下，廣播信號的連續(xù)性和設(shè)備的安全性。

3.2 防雷控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計

防雷控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計需要涵蓋從雷電監(jiān)測到防護執(zhí)行的各個環(huán)節(jié)。架構(gòu)主要包括雷電監(jiān)測模塊、預(yù)警系統(tǒng)、接閃裝置、均壓裝置、泄流裝置、接地系統(tǒng)和控制保護系統(tǒng)，整體架構(gòu)圖如圖1所示。

3.3 防雷裝置的選型與配置

防雷裝置的選型與配置是防雷控制系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。首先需要選擇適合轉(zhuǎn)播站特點的接閃器和避雷針，確保其能夠覆蓋整個轉(zhuǎn)播站的防護范圍，并能夠有效引導(dǎo)雷電。均壓裝置需要根據(jù)轉(zhuǎn)播站的結(jié)構(gòu)和設(shè)備布局進行合理配置，以減少雷電感應(yīng)電壓。泄流裝置應(yīng)選擇高效、耐用的材料，確保雷電電流能夠迅速、安全地導(dǎo)入地下。接地系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮土壤電阻率、接地電阻等因素，采用多點接地和分層接地等技術(shù)，確保雷電電流的有效泄流。

3.4 雷電監(jiān)測與預(yù)警模塊

雷電監(jiān)測與預(yù)警模塊是防雷控制系統(tǒng)的核心組件之一，工作示意圖如圖2所示。監(jiān)測系統(tǒng)將雷電的電場、磁場和電流等數(shù)據(jù)傳輸至預(yù)警系統(tǒng)，預(yù)警系統(tǒng)在分析數(shù)據(jù)后，如果檢測到雷電即將發(fā)生或雷電活動增強，會發(fā)出預(yù)警信號，通知操作人員和自動控制系統(tǒng)。

3.5 防雷控制與保護模塊

防雷控制與保護模塊包括多種防護裝置和控制系統(tǒng)，主要負責(zé)在雷電發(fā)生時，自動執(zhí)行各種防護措施，模塊架構(gòu)圖如圖3所示。

4. 案例分析

4.1 成功案例

4.1.1 案例背景與系統(tǒng)設(shè)計

某中波廣播轉(zhuǎn)播站位于雷電高發(fā)地區(qū)，常年受到雷電的威脅。為了保障廣播信號的穩(wěn)定性，該站于2019年開始實施防雷控制系統(tǒng)的改造工程。整個系統(tǒng)設(shè)計包括引雷裝置、浪涌保護器和接地系統(tǒng)三大部分。引雷裝置采用了多點引雷技術(shù)，通過在天線塔周圍布設(shè)多個避雷針，確保雷電能夠被有效引導(dǎo)至地面。浪涌保護器安裝在關(guān)鍵設(shè)備的電源入口和信號線入口，實時監(jiān)測電壓變化，迅速切斷異常電流。接地系統(tǒng)則采用了深埋接地網(wǎng)，確保電流能夠快速散逸。

4.1.2 防雷效果與經(jīng)驗總結(jié)

自防雷系統(tǒng)投入使用以來，該轉(zhuǎn)播站再未發(fā)生因雷電導(dǎo)致的設(shè)備損壞和信號中斷。實際觀測數(shù)據(jù)顯示，每次雷電活動后，浪涌保護器均能有效工作，阻擋了高壓電流對設(shè)備的沖擊。通過這次改造工程，該站總結(jié)了幾條重要經(jīng)驗：首先，多點引雷技術(shù)顯著提高了引雷效率，降低了單點引雷的風(fēng)險；其次，浪涌保護器的高靈敏度和快速響應(yīng)時間是防雷系統(tǒng)成功的關(guān)鍵；最后，深埋接地網(wǎng)的設(shè)計保證了雷電流能夠迅速、安全地散逸。這些經(jīng)驗為其他中波轉(zhuǎn)播站的防雷工作提供了寶貴的參考。

4.2 失敗案例

4.2.1 案例背景與問題分析

某中波轉(zhuǎn)播站在實施防雷系統(tǒng)后依然出現(xiàn)了多次設(shè)備損壞和信號中斷的情況。該站位于平原地區(qū)，雷電活動較頻繁。2018年，該站按照常規(guī)設(shè)計安裝了防雷系統(tǒng)，包括單點引雷裝置、普通浪涌保護器和淺層接地網(wǎng)。然而，系統(tǒng)在第一次雷電季結(jié)后便暴露出諸多問題，設(shè)備損壞嚴重，廣播信號多次中斷。經(jīng)過詳細調(diào)查，發(fā)現(xiàn)引雷裝置的引雷效果不佳，雷電多次直接擊中天線塔，未能有效引導(dǎo)至地面。浪涌保護器在電流沖擊下頻繁失效，未能保護關(guān)鍵設(shè)備。接地系統(tǒng)由于設(shè)計過淺，無法快速散逸雷電流，導(dǎo)致電流在設(shè)備內(nèi)部積聚，造成嚴重損壞。

4.2.2 失敗原因與改進措施

失敗的主要原因在于系統(tǒng)設(shè)計的不足和安裝質(zhì)量的問題。首先，單點引雷裝置未能充分覆蓋整個天線區(qū)域，導(dǎo)致部分雷電無法被引導(dǎo)。其次，普通浪涌保護器的反應(yīng)速度和耐壓能力不足，無法應(yīng)對強烈的雷電沖擊。最后，淺層接地網(wǎng)的電阻過大，無法有效分散電流。

針對這些問題，該站進行了全面的系統(tǒng)升級。引雷裝置升級為多點引雷技術(shù)，確保雷電能夠被全面引導(dǎo)。浪涌保護器更換為高靈敏度、高耐壓型號，保證設(shè)備在任何情況下都能得到保護。接地系統(tǒng)重新設(shè)計為深埋接地網(wǎng)，降低電阻，確保電流能夠快速散逸。升級后的防雷系統(tǒng)在隨后的雷電季節(jié)中表現(xiàn)良好，再未出現(xiàn)設(shè)備損壞和信號中斷的情況。通過這次改進，該站總結(jié)了防雷系統(tǒng)設(shè)計和安裝的關(guān)鍵點，為其他轉(zhuǎn)播站的防雷工作提供了重要的借鑒。

5. 結(jié)束語

中波轉(zhuǎn)播臺在廣播系統(tǒng)中具有舉足輕重的地位，能有效覆蓋廣泛區(qū)域，確保信息的及時傳遞[6]。雷電作為一種強大的自然現(xiàn)象，對轉(zhuǎn)播站具有嚴重威脅，可能導(dǎo)致設(shè)備損壞和信號中斷。因此，設(shè)計一套高效的防雷控制系統(tǒng)至關(guān)重要。本文對防雷控制系統(tǒng)的需求和設(shè)計目標進行了探討，提出了包括雷電監(jiān)測、預(yù)警、防護和故障恢復(fù)等功能的整體架構(gòu)，并對設(shè)計防雷控制系統(tǒng)提出了一些有價值的建議和思路。未來，隨著技術(shù)的不斷進步，防雷技術(shù)將進一步優(yōu)化，成本將逐步降低。我們將繼續(xù)關(guān)注新技術(shù)在防雷控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，以更好地應(yīng)對雷電防護需求，確保中波轉(zhuǎn)播臺的穩(wěn)定運行。同時，更多實際案例的研究和總結(jié)也將為防雷系統(tǒng)的設(shè)計和改進提供寶貴的經(jīng)驗和參考。

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作者簡介：史園（1990—），女，陜西西安人，工程師，研究方向：廣播轉(zhuǎn)播。