李昂+范行健

摘 要：盡管天調(diào)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)設(shè)有多重安全防雷措施，但每年還是有因雷電造成發(fā)射機保護和功放管擊穿的現(xiàn)象。特別是就近些年來，隨著極端惡劣天氣的增加，這種情況更為突出，為了更好地完成安全播出任務(wù)，我臺在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，分別在多個方面進行了防雷方面嘗試，通過綜合避雷措施，較好地解決了我臺發(fā)射天線的雷擊問題。

關(guān)鍵詞：防雷；泄放；接地；天調(diào)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TN934.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）24-0063-02

如今的中波發(fā)射臺，都已經(jīng)全面由電子管發(fā)射機更換為先進的全固態(tài)發(fā)射機。與過去的電子管發(fā)射機相比，全固態(tài)發(fā)射機具有壽命長，工作設(shè)備更加穩(wěn)定，效率高，技術(shù)指標優(yōu)良等特點。但反之，全固態(tài)發(fā)射機也有器件耐壓低，承受雷電浪涌電流差，極易過荷保護和損壞的特點。

1 現(xiàn)狀分析

河南省鄭州八零四中波轉(zhuǎn)播臺共有發(fā)射天線3座，每一座發(fā)射天線均為雙頻共塔，高度分別為120m，88m，76m。發(fā)射天線是周圍最高的建筑物。每當遇到雷電季節(jié)，發(fā)射機頻繁遇到雷電的干擾，特別是最高的120m發(fā)射天線，遇到雷電天氣時，經(jīng)常出現(xiàn)感應放電和遭雷擊情況，除造成大面積功放模塊損壞和降功率停機外，還嚴重影響人身安全。分析原因，是因為當發(fā)射天線在建設(shè)時，只安裝有初步防雷設(shè)備，遇到雷電電流以后，由于雷電有極大的能量，雖經(jīng)防雷設(shè)備泄放，但還是有很大的瞬間高壓倒送至發(fā)射機，導致發(fā)射機損壞，因此如何有效防雷是我臺面臨的一個迫切問題。

2 雷擊造成損壞原因和防雷原理

一般而言，雷常分為直擊雷和感應雷。通常講的雷擊是指一部分帶電的云層與另一部分帶異種電荷的云層，或者是帶電的云層對大地之間迅猛的放電。當發(fā)射天線遭雷擊時，各個防雷放電回路放電，造成瞬間天線阻抗被短路。發(fā)射機功放合成回路則會產(chǎn)生高壓大電流，從而燒毀功放模塊和相關(guān)器件。防雷的主要思路就是在雷電電流進入發(fā)射機以前，就以各種方式將雷電電流旁路入地或者盡可能將其阻止在發(fā)射機外部，從而起到保護設(shè)備的效果。

3 中波天線防雷措施的改進

3.1 發(fā)射鐵塔防雷

現(xiàn)有的發(fā)射鐵塔天線底部是通過絕緣體與大地相連的，在底座上安裝有第一道防雷設(shè)備，金屬放電球。其原理是利用放電球的兩個碗面形成放電間隙，當鐵塔遭雷擊時，高壓擊穿兩碗面之間的空氣，從而使雷電電流通過放電間隙泄放到大地。此放電電流極大，因此要求放電球接地端的接地電阻要很小，而且還要有足夠的接地面積，這樣才有利于迅速將雷擊電流泄放。放電球參考間隙一般以塔底最高電壓計算，每毫米耐壓1kV，常為40mm～80mm，此間隙還要根據(jù)發(fā)射機功率大小和本地實際雷電強度而調(diào)整。我臺在調(diào)整此間隙時，一般調(diào)整到足以滿足發(fā)射機最大功率工作時不放電并留有余量即可。日常維護時，還要經(jīng)常檢查放電面是否有污濁和燒蝕，如有異常必須及時修復。

3.2 發(fā)射塔底部泄放線圈

在天調(diào)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時，發(fā)射天線底部對地有一個微亨級（uh）的泄放電感，這個泄放電感平時是主要用來泄放感應靜電的，它的工作原理和普通的扼流線圈有些類似，可簡單的理解為隔高頻，通低頻，也就是對中波廣播發(fā)射頻率呈現(xiàn)很高的阻抗，高頻能耗極小，而對感應靜電則構(gòu)成良好的入地通路。通過對雷電的了解，我們知道雷電的主要能量多集中在低頻和直流部分，這樣一來，在發(fā)射天線遭雷擊時，還可提供一個最直接的泄放回路，所以，這個電感是非常重要的，因此在選材時，線圈線徑要盡可能粗一些，接頭也一定要牢固。泄放線圈的缺點是這個電感會影響到天線阻抗。

3.3 氧化鋅避雷器

氧化鋅避雷器是近些年來電力防雷系統(tǒng)中常用的一種元器件，其核心元件電阻片采用氧化鋅及多種金屬氧化物制作，與傳統(tǒng)碳化硅避雷器相比大大改善了電阻片伏安特性。氧化鋅具有優(yōu)異的非線性伏安特性，即在正常工作電壓時，器件對網(wǎng)絡(luò)呈高阻狀態(tài)，流過避雷器的電流極?。ㄎ不蚝涟布墸?，對網(wǎng)絡(luò)特性的干擾已經(jīng)可以忽略；而當達到其工作電壓時，電阻急劇下降，流過避雷器的電流瞬間增大到數(shù)千安培，泄放掉過電壓的能量，當過電壓結(jié)束時，阻值再次恢復到高阻狀態(tài)，從而達到保護發(fā)射網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的效果。這種避雷器和傳統(tǒng)的避雷器的差異是它沒有放電間隙，整個過程不存在電弧燃燒與熄滅的問題。整個壽命期間內(nèi)，幾乎不用維護。

3.4 石墨放電球

石墨放電球也是利用空氣間隙放電從而保護元件的。它在放電系統(tǒng)中是一個很有特色的器件。之所以在已有金屬放電球的前提下依然使用它，是因為作為放電回路，一個重要前提條件是放電速度要快，必須在雷電電流通過前就完全泄放掉，反之如放電速度不夠，那么就會有一部分雷電電流流入下一級系統(tǒng)，從而造成器件損壞。而石墨的導電性能非常優(yōu)異，幾乎可以達到銅的3-5倍，也就是說可以以極快的速度將雷電電流泄放掉從而保護系統(tǒng)。石墨還不會氧化，可以長期暴露使用。還有如采用柱狀石墨放電球，就算相對應的石墨放電面因放電產(chǎn)生燒蝕，也只用將石墨柱轉(zhuǎn)一個角度即可繼續(xù)使用。通常，在成品的石墨放電系統(tǒng)中，還在接地端加入了幾十只磁環(huán)，總電感量可達幾十微亨，這樣一來，當石墨放電球放電時，低頻的雷電電流可以直接入地，而穿于接地引線上的磁環(huán)則對發(fā)射機高頻信號產(chǎn)生反向電動勢，對射頻起到阻抗作用，不至于使天線阻抗為零從而引起發(fā)射機故障。石墨放電球缺點是，如果雷擊強度過大，后面串接的磁環(huán)就會損壞。

3.5 隔直電容器

在天線和天調(diào)調(diào)配網(wǎng)絡(luò)之間，串入一只隔直電容器，利用電容器本身的隔直流功能，有效防止雷電的低頻和直流成分通過天調(diào)網(wǎng)絡(luò)進入發(fā)射機，隔直電容器的取值多在1000p～3000p之間。需要注意的是由于是起防雷作用的，因此它的伏安量，耐壓值一定要足夠。

3.6 移相網(wǎng)絡(luò)

中波發(fā)射機功率合成器的輸出口阻抗等效到發(fā)射機輸出的負載阻抗通常不會正好等于饋線阻抗，移相匹配網(wǎng)絡(luò)就是把饋線阻抗調(diào)整為輸出器的輸出阻抗。天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計是多種多樣的，通過合理的設(shè)計此網(wǎng)絡(luò)，就可以控制當防雷器件放電產(chǎn)生負載阻抗短路時，等效到功率合成輸出端的等效負載阻抗仍在允許控制范圍內(nèi)，就可以有效地保護功放模塊。一般做法是在發(fā)射機的輸出網(wǎng)絡(luò)中把阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計成相移-45°網(wǎng)絡(luò)，當負載短路時功放側(cè)的等效阻抗呈感性。實際上，負載短路通常是由鐵塔基部放電球放電引起的，因此，為了有效防止雷擊對功放模塊的損壞，在塔基短路時，必須保證發(fā)射機輸出口處也是短路狀態(tài)。這樣在天調(diào)網(wǎng)絡(luò)中附加相移網(wǎng)絡(luò)后，這兩點的相位差為180°的整數(shù)倍，從而達到防雷的效果。endprint

3.7 饋管避雷器

饋管避雷器也是常運用在天調(diào)網(wǎng)絡(luò)和天線饋管之間的防雷器件常用于較細的饋線。饋管避雷器一般由氣體放電管和隔直流電容器組成。工作原理也很簡單，就是所承受電壓不足以使氣體放電管導通時，放電管對射頻信號起直通作用，一旦前方網(wǎng)絡(luò)有雷電的高壓躥入，放電管立刻擊穿放電，將雷電釋放入大地，同時隔直電容器還是起阻隔雷電的低頻能量，而讓發(fā)射機射頻信號通過，以避免發(fā)射機射頻對地短路而損壞發(fā)射機器件的作用。加入它的主要目的是因為在整個天饋線系統(tǒng)中，鐵塔和天調(diào)網(wǎng)絡(luò)都多道保護措施，可是一旦雷電高壓經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)到達饋線，由于饋線的芯線距離外層絕緣層距離很近，所以雷電高壓很容易就將饋管擊穿，一旦饋管擊穿損壞，那么維修時間和維護費用都是非常高昂的。

3.8 采取互感式天調(diào)網(wǎng)絡(luò)

無論天調(diào)網(wǎng)絡(luò)怎么優(yōu)化，最終，如果遭受雷擊，巨大的能量還是要流經(jīng)饋線到達發(fā)射機，如今，一些廠家，開始研發(fā)互感式的天調(diào)網(wǎng)絡(luò)，也就是利用自耦的方式，將發(fā)射機信號耦合到天調(diào)網(wǎng)絡(luò)，兩者之間實現(xiàn)物理絕緣，這樣，當發(fā)射鐵塔再遇到雷擊時，雷電就不會流入饋線，從而徹底解決了雷擊問題。

3.9 降低接地電阻

在防雷系統(tǒng)中，大部分還是利用泄放的原理來將雷電的能量導入大地的。在普通的防雷規(guī)則里面，一般要求防雷接地電阻為4Ω，而針對中波發(fā)射網(wǎng)絡(luò)的防雷，要求有很高的電流密度以降低放電時間，因此需要盡可能地降低接地電阻。一般都是采用增大接地面積，降低接地土壤電阻來解決。為此我臺還專門為天調(diào)室接地系統(tǒng)和發(fā)射機接地系統(tǒng)分別打了幾十米深的接地井。

4 結(jié)束語

中波發(fā)射天線的防雷是一個復雜的系統(tǒng)，每一種方案都有自身的優(yōu)點和缺陷。放電球放電保護時，對發(fā)射機相當于負載對地短路，很容易燒毀功放管。泄放線圈影響到了發(fā)射天線自身的阻抗，而且在泄放電流同時，根據(jù)電感的特性，它還會產(chǎn)生一個很高的感應電動勢，對功放管也不利。石墨放電球性能同上述兩部分原理基本一樣。隔直電容器雖可以很好地隔離雷電的低頻和直流分量，但雷電也是含有高頻分量的，這個高頻分量是可以通過電容器的。移相網(wǎng)絡(luò)和阻塞網(wǎng)絡(luò)雖可以再次阻隔雷電，但是出于器件參數(shù)選擇，會讓網(wǎng)絡(luò)設(shè)計變得復雜且調(diào)試復雜。隔直電容器和饋管避雷器也帶入了插入損耗和分布參數(shù)，綜合上述所述，應根據(jù)現(xiàn)實情況，合理地選配調(diào)整避雷系統(tǒng)，才能達到即運行安全可靠，又有設(shè)計安裝維護方便、價格低廉的綜合優(yōu)勢。

參考文獻：

[1]劉吉坤.數(shù)字調(diào)幅中波廣播發(fā)射機的原理與維護[Z].湖北省荊州中波臺，2001.

[2]蔡男先.電波與天線[M].中國廣播電視出版社，1992.endprint