中波發(fā)射臺防雷措施探討

張巍松

【摘要】中波廣播發(fā)射臺一般都建設(shè)在寬廣的空曠地帶，天線高度較高，同時在天線的周圍沒有別的建筑物，中波廣播發(fā)射臺的設(shè)備在雷雨天氣很容易被雷擊而出現(xiàn)破壞。為了解決這一問題，我們將從防止雷擊破壞方面入手，對中波廣播發(fā)射臺的防雷進行詳細的分析。

【關(guān)鍵詞】中波發(fā)射臺;防雷;匹配網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TN92? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.17.016

1. 雷電的產(chǎn)生及種類

雷電常常出現(xiàn)在夏天，地面氣溫高，地表的空氣蒸發(fā)到空中形成水蒸氣。水蒸氣聚集之后形成水滴，水滴經(jīng)匯集以后成為雷雨云，云帶有電荷，一般情況下分為兩種，正電荷和負電荷。正電荷和負電荷的云相遇就形成了雷電。有的雷電會直擊地面，這種雷叫低空雷。另外一種是高空雷，低空雷的危害是非常大的，在低空雷發(fā)生的瞬間就會造成對地超強的電流，同時釋放出高達百千安培的電流，而且可以釋放出的電的溫度高達幾萬度，聲音和亮度都非常大。

2. 防雷措施

因雷擊引起的能量是巨大的，是極有破壞力的，人類至今對雷電的研究也不算完全，徹底。根據(jù)我國沿海及山區(qū)地形特點，特別是山區(qū)地區(qū)，氣象條件惡劣，地形復(fù)雜，土壤電阻率高，雷電強度大、發(fā)生頻率高。針對這些情況，我們根據(jù)當?shù)厍闆r制定了技術(shù)上可靠、經(jīng)濟上合理的中波廣播發(fā)射臺防雷措施。

2.1 中波發(fā)射塔塔底防雷

在中波發(fā)射塔底部安裝一對放電球，放電球之間的間隙要根據(jù)發(fā)射天線的發(fā)射功率來進行調(diào)整，一般先根據(jù)發(fā)射功率和頻率情況計算出塔底電壓值，再按照1mm空氣介質(zhì)耐壓1kV的原則進行放電球距離的設(shè)置，設(shè)置完后在使用過程中根據(jù)臺站的雷電情況進行放電球距離的修正，使其達到良好的防雷效果。

現(xiàn)舉例說明以下中波發(fā)射塔底放電球調(diào)整的過程：要對中波發(fā)射塔底防雷放電球距離進行調(diào)整，就需要對中波發(fā)射塔底電壓進行確定，該臺的底部電壓由發(fā)射功率和對應(yīng)發(fā)射頻率的天線阻抗來確定?，F(xiàn)以發(fā)射頻率分別為846kHz、1098kHz、1557kHz，發(fā)射功率10KW的三頻共塔天線為例進行塔底電壓的計算。首先用PNA3628DP網(wǎng)絡(luò)分析儀測試三個頻率的天線阻抗，實測三個頻率的天線阻抗如下：

846kHz：24.3-j1.9（發(fā)射功率10KW）

1098kHz：72.4+j151.2（發(fā)射功率10KW）

1557kHz：784.7+j42.4（發(fā)射功率10KW）

其次根據(jù)公式計算天塔底電壓，計算結(jié)果如下：

1557kHz塔底電壓計算：

1098kHz塔底電壓計算：

846kHz塔底電壓計算：

根據(jù)以上三個頻率的塔底電壓值和并聯(lián)電路的電壓確定原則可知，該發(fā)射塔的塔底放電球距離調(diào)整應(yīng)以1557kHz塔底電壓值為標準進行調(diào)整，即兩個放電球間距應(yīng)為7.9mm，調(diào)整完后在使用過程中根據(jù)臺站的雷電情況進行放電球距離的修正，使其達到良好的防雷效果。

測量塔底的接地電阻值（正常值應(yīng)小于2Ω），如果接地值高于正常值，我們將采用增加塔底接地地井數(shù)量的方式改善其接地電阻，使其接地電阻值達到正常值，保證雷電泄放暢通。

2.2 中波天線匹配網(wǎng)絡(luò)防雷

在中波天線匹配網(wǎng)絡(luò)的前端對地安裝石墨放電球磁環(huán)裝置（如下圖1所示），泄放大電流雷電。石墨放電球是一對圓柱形的放電球，其間隙是可調(diào)的，兩球間的距離調(diào)節(jié)和發(fā)射塔塔底放電球是一樣的，它只需要直接按照1mm空氣介質(zhì)耐壓1kV的原則進行調(diào)節(jié)。石墨放電球磁環(huán)裝置具有良好的接地效果，在接地端的石墨柱下的連接銅管上，通常都會套有一串磁環(huán)，磁環(huán)一般選20--30只。這樣在天線受雷擊時能提高發(fā)射機短路射頻阻抗，使中波發(fā)射機的負載不處于短路狀態(tài)，有效的保護中波發(fā)射機。我臺的天調(diào)網(wǎng)絡(luò)中在該點串有30只磁環(huán)，由于石墨柱是柱狀的，兩柱的相對面積大，在放電時就能更快地泄放掉更多的雷電電流。在維護中，當石墨放電柱放電后，要分別轉(zhuǎn)動調(diào)整兩柱的相對位置，不要讓已放過電的位置相對，經(jīng)多次放電后，已無完好位置時，應(yīng)及時進行打磨或更換石墨柱。還要檢查磁環(huán)有沒有裂開的，如有損壞應(yīng)立即更換。石墨柱的接地端要采用與金屬放電球相同寬的銅皮，保證雷電泄放。

在中波天線匹配網(wǎng)絡(luò)中設(shè)計預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)，其作用是把發(fā)射頻率的天線阻抗值調(diào)整到一個合理的區(qū)間內(nèi)，有利于匹配網(wǎng)絡(luò)的匹配，同時可以拓寬網(wǎng)絡(luò)帶寬;其次是匹配網(wǎng)絡(luò)中對地安裝微亨級泄放線圈，泄放雷電的直流成份。雷電的主要能量集中在低頻和直流部分，因此，在天線下并聯(lián)一只微亨級線圈，它的主要作用是為天調(diào)網(wǎng)絡(luò)提供一個對地靜電泄放通路，由于電感線圈的感抗較小，線徑較粗，有利于雷電能量入地;再次是中波天線匹配網(wǎng)絡(luò)中串有隔直電容，根據(jù)電容的特性，它具有隔直流通交流的作用，而雷電能量是以低頻和直流為主，電容串聯(lián)在通路中，正好對雷電形成了阻隔作用，從而起到了防雷功能。隔直電容防止了雷電的能量通過天調(diào)網(wǎng)絡(luò)進入發(fā)射機，其電容值一般在1000PF--2000PF，由于是防雷器件，所以要求該電容的耐壓值越大越好，實際使用中可以采取多只串聯(lián)加并聯(lián)來滿要求。

中波天線匹配采用到L型匹配網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)相對簡單易調(diào)，維護方便。該網(wǎng)絡(luò)由串壁和并壁組成，如圖2所示，它共有兩種形態(tài)，當輸入阻抗Z1大于輸出阻抗的實部R2時采用圖二中（a）所示方式，當輸入阻抗Z1小于輸出阻抗的實部R2時采用圖二中（b）所示方式。其中，X12和X21是選用兩種不同的電抗構(gòu)成的，即一個為容抗，則另一個為感抗，如果我們設(shè)計時采用串壁X12選擇容抗，而并壁X21選擇感抗，則可以是匹配網(wǎng)絡(luò)除阻抗匹配功能外又增加了防雷功能，形成一個隔直電容防雷和一個對地電感防雷構(gòu)成的兩道防雷電路。我臺該部分電路正好利用了這種方式形成了兩道防雷電路。如果將這種方式合理的使用在實際設(shè)計中，不但能極大的提高匹配網(wǎng)絡(luò)的防雷能力，而且不會增加匹配網(wǎng)絡(luò)的成本，這是一種值得推廣的好方法。

2.3 中波饋線的防雷

對饋線的外層沿饋線桿進行多點接地，并與發(fā)射機輸出饋筒地﹑調(diào)配室屏蔽銅皮進行可靠連接。廣播設(shè)施用于傳輸?shù)碾娎|很多，主要措施是將所有架空電纜緊緊依附在接地的鋼絞線上，每隔一定的距離打一條接地線，并使接地電阻在4Ω以下，從而預(yù)防和減少電纜感應(yīng)雷電的進入。

在發(fā)射機輸出口與饋線之間串接饋線避雷器。

4. 機房設(shè)備的防雷

4.1 做好發(fā)射機高頻地

首先規(guī)定建筑物的防雷地井與高頻地井距離（3-5）米，高頻地井使用0.5mm×200mm紫銅帶與發(fā)射機地線焊接。我們機房共有3個高頻地井，每個地井坑的長和寬分別為2.5米，深度3米，接地紫銅板的厚度3mm，其面積不少于2平方米。地井坑的回填采用，木炭粉末，工業(yè)鹽和土的混合物分層夯實回填。木炭粉末用量300kg，工業(yè)鹽用量200kg。3個高頻地井之間用0.5mm×200mm紫銅帶連接成一個整體，引出銅帶和發(fā)射機的底線用錫焊焊接。高頻地井的接地電阻值為0.8Ω，符合發(fā)射機接地電阻小于1Ω的要求。

4.2 做好線路防雷

發(fā)射機房大多裝有傳輸電纜、有線電視線、電話線等設(shè)施。這些設(shè)施不僅是外線路與室內(nèi)設(shè)備的中接點，也是感應(yīng)雷電通過外線路侵入室內(nèi)設(shè)備的入口，因此，一定要在線路接入口加裝“線路避雷器”。這種避雷器的功能是使信號順利通過，當雷電造成異常高電壓時其內(nèi)部的電路立即起作用。

4.3 做好防雷接地

所有電源設(shè)備外殼都要接地，接地電阻控制在4Ω以內(nèi)，使用市電的設(shè)備還要防止感應(yīng)雷造成設(shè)備的損壞。

5. 接地與屏蔽

在雷云形成和閃電過程中，在周圍空間會形成雷電電磁干擾，從而對廣播設(shè)施造成嚴重危害。接地和屏蔽對空間傳播的雷電電磁干擾有很好的防護作用，如果發(fā)射機房和天線調(diào)配室的接地和屏蔽不好，輕則會造成設(shè)備不能有效地運行，降低設(shè)備的可靠性，重則會損壞設(shè)備的部件，并影響人員的安全。所以，我們應(yīng)定期檢查接地電阻，看接地電阻的值是否在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，同時電臺發(fā)射機房和天線調(diào)配室的屏蔽一定要采用紫銅材料進行屏蔽。

6. 節(jié)傳監(jiān)控系統(tǒng)的防雷

6.1 內(nèi)部防雷與外部防雷相結(jié)合

我們知道，由避雷針或避雷帶﹑避雷網(wǎng)引下線和接地系統(tǒng)所構(gòu)成的外部防雷系統(tǒng)，主要是為了保護建筑物等免受雷擊造成的。如：火災(zāi)﹑人身安全和設(shè)備損壞等事故。而內(nèi)部防雷系統(tǒng)則是防止靜電和其他形式的過電壓浸入設(shè)備而造成的毀壞，這是外部防雷系統(tǒng)無法保證的，為了實現(xiàn)內(nèi)部防雷，要求進行各保護區(qū)的電纜、金屬管道等都連接防雷及過壓保護裝置，并進行等電位連接。

6.2 防雷等電位連接

為了進一步避免雷電引起的毀壞性電位差，需要進行必要的等電位連接。電源線、信號線、金屬管道等都應(yīng)通過過電壓保護器進行等電位連接，各內(nèi)層保護區(qū)的界面處同樣要依次進行局部等電位連接，各個局部等電位棒再相互連接，并且最終與主定電位連接棒相接。

總之，防雷是保證中波發(fā)射臺安全播出的關(guān)鍵問題之一，多年來，我們經(jīng)過認真分析，采取了一整套切實可行的防雷措施，服務(wù)于民，充分保障了電臺的安全播出。