新建中波廣播發射臺的防雷系統設計

王麗萍

（湖南廣播電視臺廣播傳媒中心，湖南 長沙 410126）

1 中波臺防雷系統概述

中波廣播工作頻率為526.5～1 606.5 kHz，波長為569.8～186.7 m。中波廣播主要依靠地波傳輸，地波傳播衰減較小，場強較高，抗干擾能力較強，服務區域相對比較穩定[1]。中波廣播發射系統主要由前端信號源系統、節傳系統、發射機系統、監控系統以及電源系統等組成，如圖1所示。

圖1 中波廣播發射系統架構

中波廣播發射系統的防雷設施由發射天線防雷與接地系統、天線調配網絡防雷設施、機房信號源系統防雷設施、機房低壓配電系統防雷設施、機房等電位連接網絡以及機房接地系統構成，是一項綜合性的系統工程。

2 發射天線的防雷設計

中波廣播地網垂直于發射塔塔身，是天線系統不可缺少的一部分[2]。中波發射天線以無線電磁波形式輻射廣播射頻信號，以地網和地面作為輻射電流的回路。地網的好壞直接關系到中波發射天線的增益和天線發射效率，同時也會影響發射機的穩定性與防雷效果等。中短波天饋線運行維護規程要求地網的接地電阻小于1 Ω，天線接地網以發射塔底部為圓心，以放射狀均勻向外敷設，在土壤電阻率較高的地區可以酌情增加外引接地線的數量。

中波天線是中波發射系統中最容易遭受雷擊的設施。雷擊鐵塔時，會在塔頂和塔基之間形成巨大的電壓，必須在發射天線和地網之間安裝放電裝置，在遭受直擊雷時能夠迅速導通，使發射塔和大地形成通路，泄放雷電[3]。放電裝置通常選用球形放電器，材質為黃銅，距離應根據天線發射功率、天線所承載的高頻電壓以及天線實際可能遭受到的雷擊強度確定。為了達到滿意的防雷效果，放電間隙調整到20～30 mm較為適宜。

由于雷電為高頻沖擊電流，需要就近泄放，因此通常在發射塔下建設地井，地井深為6 m、邊寬為1 m，如果有巖石層則可以適當調整深度。除此之外，增加接地井的數量，并添加長效防腐物理降阻劑，以此降低雷電沖擊接地電阻。

3 天調室的防雷設計

3.1 天調網絡設計的防雷措施

在天調網絡輸出口，對地接入一個μm級電感，該電感起到天線阻抗預調和防雷的雙重作用，可以將絕大部分從天線引入的雷電對地泄放掉[4]。在調配網絡輸出口安裝石墨放電柱，根據網絡輸出阻抗和發射機輸出功率計算石墨放電柱的間隙，一般10 kW為10～15 mm、25 kW為20～25 mm。此外，在接地銅管上串套40～50個鐵氧體磁環。雷電擊穿石墨放電瞬間會造成網絡對地短路，而鐵氧體磁環可以起到提高網絡射頻阻抗的作用。在饋線和調配網絡之間串接一只大容量隔直電容（約1 500～3 000 pF），隔直電容對高頻信號相當于直通，但對絕大部分雷電中的直流和低頻分量可以起到阻隔作用。

3.2 發射機輸出網絡的防雷措施

當天線鐵塔底部放電柱放電時，天線鐵塔對地相當于短路，發射機輸出端經饋管和天調網絡對地等效為短路狀態。調整發射機輸出移相網絡，在當負載放電短路時，使發射機功放端的等效阻抗呈感性狀態，其絕對值不變，這樣發射機輸出端放電球或天線鐵塔底部電球放電時都不會損壞末級功放器[5]。

3.3 天饋系統接地防雷考慮

圍繞天調室建造一處閉合的環形接地網，同時外引一條輻射狀地網沿著饋管橋架下方鋪設至機房饋管入口與機房防雷接地連接，使天饋線接地與機房接地融合構成等電位接地系統。地網由水平接地體和垂直地井組成，其中水平接地體采用40 mm×4 mm紫銅條。環形接地網的4角各制作一處深度為6 m的接地井，安裝50 mm×6 000 mm銅管作為垂直接地裝置，并在銅管內部及周圍填入物理防腐降阻劑，降低雷電沖擊接地電阻[6]。在饋管走線架下方制作一條地網，沿饋管鋪設路徑鋪設至機房，水平接地體采用40 mm×4 mm紫銅條，垂直接地體采用25 mm×1 500 mm的銅包鋼。

3.4 架空饋管的防雷措施

由于機房到調配室仍有較長距離，架空饋管可能會遭受雷電入侵，因此必須將饋管橋架或者屏蔽鋼管每隔15 m做一次接地處理，同時在饋管進發射機和調配網絡前串聯安裝對應規格的饋線防雷器。

3.5 發射機輸出端口的防雷

由于雷電入侵發射機的通道為饋管和電源線路，尤其以天饋線路引入的雷電最為突出，因此需要在發射機射頻信號輸出端口采取防雷措施，避免沿饋管傳導的雷電損壞發射機末級功放。饋管在進入發射機房前，需要在室外做好接地處理。與此同時，在發射機輸出端安裝饋線防雷器，泄放饋線引入的殘壓。

4 機房供電線路防雷設計

中波臺站一般建造在四周空曠的地帶，而電力供電線路一般遠距離架空輸送并鋪設在山區丘陵地帶，被雷電擊中的頻率較高，受雷電影響較大。閃電通過電力高壓線路引入電力變壓器和發射機房的配電系統，造成設備損壞。基于此，應從減少電力線纜被雷擊中的頻率和安裝電力防雷器泄放雷電兩個層面進行電力線路雷擊防護[7]。

4.1 電源線纜的防雷措施

高壓線和低壓線一定要按照埋入地下的方式處理，高壓線纜的埋設長度需要超過200 m，低壓線纜要保證從機房至變壓器區間全部入地埋設[8]。如果因地形無法埋地敷設電力高壓線纜，則需在架空高壓線纜上方架設避雷線，長度以300～500 m為宜，避雷線的保護角不應大于25°。如果已經建成的架空高架線在避雷線安裝方面存在困難，則需要在變壓器的高壓端安裝氧化鋅避雷器，并使變壓器的接地電阻降至2 Ω以下，以便在電源線路受到雷擊時快速將雷電電流泄放入地。

4.2 機房低壓配電的防雷措施

在考慮機房低壓配電防雷電過壓保護時，需對交流供電系統進行分析。根據發射機房設備供電特征，在機房總配電柜、設備分配電柜、穩壓器以及發射機等位置安裝多級防雷電保護器，最少設置4級。通過電源線引入機房的雷電電流能夠在電涌保護器的作用下快速完全泄放入地，提高了機房低壓配電系統雷電防護的可靠性。

5 信號源系統的防雷設計

目前，引入雷電電流的信號源系統線路主要為饋線、衛星信號電纜以及光纖[9]。由于雷擊時弱電線路一側將會出現較高的感應電壓，而信號源設備通信端口的抗高壓能力較弱，因此需采取必要的防雷措施防止雷電電流從信號源線路引入信號系統設備，避免信號源設備受損。

根據雷電防護相關技術規范，機房進出信號源線路應采用帶屏蔽的線纜，且屏蔽線纜的屏蔽層需要與機房內的接地系統進行等電位處理。在信號源設備端口，應當按照設備的端口類型、設備端口工作電壓高低以及信號傳輸速率等參數來選擇相應信號源線路的防電保護器。

信號源線路受雷電侵入的原因主要是信號源線進入機房線架設不規范、線纜沒有采用帶鎧裝的電纜鎧或線纜屏蔽層未接地等，信號源線路合理布局和規范對線纜屏蔽處理是解決信號源設備遭受雷電侵入的關鍵。光纖的終端盒需要安裝在機房外部，避免雷電沿著光纜加強筋進入到機房內部。饋管進入機房前，其金屬防護外層兩端需可靠接地。如果采用橋架安裝饋管，則橋架必須保證每30 m接地一次。衛星信號傳輸同軸電纜在進入發射機前需要套入金屬管，同時金屬管需與建筑物避雷帶相連，并保證金屬管和避雷帶接地可靠。機房信號源線路與電源線路、高低頻線路、進出線路需分開敷設安裝，如果各類線路的間距較小，則需要采用帶屏蔽的線纜，同時線纜的屏蔽層可靠接地。除此之外，在信號設備端口安裝滿足設備通信規格的信號線路電涌保護器，以泄放感應電流。

6 發射機房等電位接地的防雷設計

依據防雷技術規范的相關規定，中波臺接地系統需要進行等電位處理，機房各設備的金屬外殼、線纜外層、管槽、機柜、防觸電安全接地極以及防雷設施接地均應以最短距離與機房接地等電位相連。機房內布線架每隔6 m做接地處理，機架、機殼、排風管道等均應牢固接地并接入機房接地等電位網絡。

7 機房屏蔽的防雷設計

雷電產生時將在周邊形成強大的電磁場，對機房發射機、光纖機等電子設備產生強烈干擾。同時，機房內大功率發射機工作時將產生射頻高頻磁場，高頻磁場將向四周空間輻射，對人體造成一定的危害。如果長期生活在強電磁的環境下，則會對身體造成嚴重傷害。為了確保機房內發射機等電子設備不被雷電強磁場干擾，同時避免高頻磁場對人體造成傷害，機房必須對高頻磁場進行屏蔽處理。除此之外，為了避免雷電磁場和射頻高頻磁場對電子設備的干擾，機房應鋪設防靜電地板，防靜電地板架需多點接地，并接入機房等電位接地系統[10]。機房墻體安裝全封閉金屬屏蔽網層，屏蔽機房外強雷電磁場和高頻感應磁場。機房墻體金屬屏蔽網需多點位可靠接地，并接入機房等電位接地系統。

8 結 論

隨著廣播發射技術的進步，發射機從電子管機過渡到全固態機，大量高度集中的脆弱元器件及場效應功放管被集成到發射機中，這對防雷設計提出了更高的要求。所提中波廣播發射臺的防雷系統設計已經在湖南人民廣播電臺二0三臺成功使用，多年未出現過雷電損壞機房設備的情況，取得了較好的防雷保護效果。