吳廷昊

（廣西廣播電視技術(shù)中心南寧分中心，廣西 南寧 530000）

0 引 言

廣播電視轉(zhuǎn)播臺大多建設(shè)在地勢較高的山頂。隨著科技不斷發(fā)展，如今的高山臺站電子設(shè)備配比密度日益增大，以電子信息系統(tǒng)為主的電子設(shè)備數(shù)量也越來越多，使其遭受雷擊的概率隨之增加。通常，廣播電視轉(zhuǎn)播高山臺占地面積較小，加上建設(shè)在臺站不遠處高聳的鐵塔，如果這些設(shè)備對雷擊的防御能力差，無疑會給臺站的雷電防護工作帶來更大的挑戰(zhàn)。特別是衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)極易遭雷擊損壞，會嚴(yán)重影響臺站的安全播出工作[1]。

1 廣播電視高山臺站雷電防護的特殊性

廣播電視高山臺站一般位于山頂，其海拔高度以及垂直高度直接決定著臺站被雷擊的概率、次數(shù)和強度。簡而言之，高山臺站容易被雷電襲擊。

沿山而建的架空供電線路隨著高度的攀升，非常容易受到直擊雷以及感應(yīng)雷的襲擊。雷電電涌隨著電力線纜進入臺站的電源系統(tǒng)，使部分耐壓能力低的弱電設(shè)備容易遭受雷電損壞。

一些臺站發(fā)射塔距離機房和衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)比較近，當(dāng)鐵塔受到雷擊后，將雷擊引入地面，瞬間產(chǎn)生的電位差足以產(chǎn)生對機房和衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)的二次雷擊現(xiàn)象[2]。

對于廣播電視發(fā)射臺的衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)而言，雖然其已經(jīng)處于鐵塔的直擊雷保護范圍之內(nèi)，且衛(wèi)星接收天線以及高頻頭的射頻線也接入鐵塔地網(wǎng)，但在實際的工作中，衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)中的各種設(shè)備（如高頻頭、衛(wèi)星接收機等）卻也經(jīng)常因雷電襲擊而損壞[3]。

2 衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)遭受雷擊損壞的原因

2.1 選址不夠合理

現(xiàn)有的衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)中，衛(wèi)星接收天線的安裝因受地域限制，選址不夠合理。由于高山臺站所處地坪狹小，整個臺站占地面積不大，各建筑物間距有限，不同建筑物之間很難實現(xiàn)具備足夠安全距離的獨立地網(wǎng)。特別是衛(wèi)星接收天線一般安裝在機房樓頂或是在發(fā)射鐵塔腳不遠處。如果地處巖石山頂，由于多數(shù)接地線無法埋地只能裸露，接地網(wǎng)或等電位接地裝置很有可能促使其變成引雷線。

2.2 安裝衛(wèi)星接收天線時未能結(jié)合所在地的自然環(huán)境特點

因廣播電視轉(zhuǎn)播臺所處的自然環(huán)境不同，雷電防護措施也不同。在安裝衛(wèi)星接收天線時，施工人員未能結(jié)合所在環(huán)境的地質(zhì)、地理、氣候等自然環(huán)境特點，對衛(wèi)星接收天線只做了天線基座接地處理，導(dǎo)致防雷裝置起不到很好的防護作用。

2.3 雷電的電磁感應(yīng)

雷電帶來的電磁感應(yīng)是造成衛(wèi)星高頻頭損壞的最主要因素[4]。當(dāng)臺站附近空域發(fā)生較大雷電時，發(fā)射鐵塔雖可作為直擊雷接閃裝置，對近距離的衛(wèi)星接收天線能起到一定的防護作用，但是雷電引起的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)也會給導(dǎo)電物體或電子線路帶來較高的過電壓。即使是在鐵塔的保護范圍內(nèi)，衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)仍然無法抵御較高的電壓，特別是高頻的頭耐壓能力較低，其射頻線因雷擊產(chǎn)生的超高電壓仍然會沿著導(dǎo)線傳入高頻頭內(nèi)，造成高頻頭損壞。

2.4 地電位反擊

地電位反擊也是造成衛(wèi)星高頻頭損壞的重要原因[5]。雷擊發(fā)生時，雷電產(chǎn)生的電流將沿天線鐵塔的接地裝置泄放入地。因為地網(wǎng)本身存在阻抗，大電流泄放必定使其電位突然被抬升，此時的接地網(wǎng)呈現(xiàn)暫時的高壓狀態(tài)。如果此時接地體與附近的導(dǎo)電線纜、金屬外殼、用電設(shè)備等絕緣有效距離不夠，且衛(wèi)星接收天線與鐵塔接地系統(tǒng)并未做地下等電位連接，則在兩者之間將出現(xiàn)很高的電壓差，即發(fā)生地電位反擊等現(xiàn)象。也就是說，發(fā)射鐵塔接地裝置和衛(wèi)星接收天線接地裝置兩者若處于獨立狀態(tài)，兩個地網(wǎng)之間由于沒有足夠的安全距離（20 m），發(fā)射鐵塔地網(wǎng)泄放雷電流，產(chǎn)生高電位，就會向沒有直接泄放雷電流的衛(wèi)星接收天線地網(wǎng)產(chǎn)生反擊，使得衛(wèi)星接收天線接地系統(tǒng)產(chǎn)生過高的電壓，從而損壞衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)的各種設(shè)備。

2.5 衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)并未達到完全等電位狀態(tài)

為了提前泄放過電流，通常需要在高頻頭接線端安裝饋線信號浪涌保護器（Surge Protection Device，SPD）。盡管SPD 對雷電產(chǎn)生的過電壓和過電流能起到一定的分壓泄流作用，但由于SPD 接地線從高頻頭引至衛(wèi)星接收天線底座才做接地處理，且其接地線過長（約2 ～3 m），饋線SPD 與接收天線底座的接地點存在電位差，當(dāng)發(fā)生雷電襲擊時，SPD 接地線由于本身存在阻抗，就會產(chǎn)生較高的殘壓，加上接地導(dǎo)線并未做屏蔽措施，感應(yīng)電壓就會從天線底座向上傳到高頻頭，導(dǎo)致高頻頭損壞。

2.6 市面上性能良好的饋線防雷設(shè)備較少

目前，廣播電視高山臺站使用的衛(wèi)星接收天線類型大多是前饋式衛(wèi)星天線，主要用于接收衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的C 波段信號。C 波段信號屬于超寬頻波段，滿足該波段的饋線信號浪涌保護器技術(shù)要求較高，既要滿足饋線本身的寬頻波段要求，又要滿足浪涌保護器本質(zhì)的雷電泄放功能，而這兩方面原本存在沖突。如果滿足饋線帶寬的要求，就會影響?zhàn)伨€浪涌保護器對雷電壓泄放的大小。也就是說，若信號浪涌保護器防雷效果更好，對衛(wèi)星天線接收信號的衰減就會越大。這就給整個衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)的雷電防御帶來難題。對此，只能綜合考慮，選擇對信號衰減不太大、而泄放功能也相對良好的饋線浪涌保護產(chǎn)品。

3 廣西廣播電視104 臺衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)防雷整改實踐

廣西廣播電視104 臺為廣西廣播電視技術(shù)中心南寧分中心所轄的一級臺站，位于南寧市望仙坡頂。該地區(qū)地勢較高，經(jīng)常有雷電現(xiàn)象。臺站之前做有簡易的防雷系統(tǒng)，但仍時常有設(shè)備因雷擊而損壞。2020 年6 月，104 臺聘請了專業(yè)的防雷檢測公司對該臺進行了防雷檢測，檢測報告指出該臺的衛(wèi)星接收天線、發(fā)射鐵塔等設(shè)備存在接地電阻不達標(biāo)的問題，并提出了整改意見，主要以降低接地電阻以及等電位接地為思路，對衛(wèi)星接收天線和發(fā)射鐵塔分類進行整改。具體措施如下。

3.1 直擊雷防護

如果衛(wèi)星接收天線安裝在天線鐵塔作為接閃器裝置的有效保護范圍內(nèi)，可不另外裝設(shè)獨立接閃桿防護。若不在鐵塔接閃器裝置有效保護范圍內(nèi)，應(yīng)在距衛(wèi)星接收天線不小于3 m 處設(shè)置一支按滾球法計算能完全保護衛(wèi)星接收天線的接閃桿，并做好接地連接。接地電阻應(yīng)符合國家現(xiàn)行有關(guān)防雷技術(shù)規(guī)范要求。

3.2 靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)防護

針對靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)防護，主要采取以下措施。

（1）制作不銹鋼金屬桶，屏蔽大部分感應(yīng)雷電流。將衛(wèi)星高頻頭完全放在護罩內(nèi)，既可防護衛(wèi)星接收天線高頻頭遭受直接雷閃擊，又能起到對靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)的屏蔽作用。

（2）制作整個衛(wèi)星接收天線的屏蔽網(wǎng)，以避免衛(wèi)星天線自身作為導(dǎo)體泄放雷電，能更好地作等電位處理。采用30 mm×3 mm 熱鍍鋅扁鋼接地引線與不銹鋼護罩桶接線耳進行連接，并分別沿衛(wèi)星天線高頻頭的3 根固定支撐桿敷設(shè)引至衛(wèi)星接收天線基座與接地排連接；三條放射狀接地引線與衛(wèi)星接收天線（鍋蓋）絕緣敷設(shè)，目的是將扁鋼接地引線與天線鍋蓋電氣絕緣，并延伸至不銹鋼金屬桶內(nèi)，與采用20 mm×1.0 mm 扁銅帶制作的等電位接地環(huán)可靠連接。整體實現(xiàn)不銹鋼護罩桶、接地引下線、銅帶接地環(huán)形成等電位連接。不銹鋼護罩桶與接地引下線的電氣連通如圖1 所示。

圖1 不銹鋼護罩桶與三條接地引下線電氣連通

（3）縮短各接地連接線，實現(xiàn)等電位接地方案。在室外高頻頭接線端和室內(nèi)衛(wèi)星信號分配器接線端分別安裝一個信號浪涌保護器（SPD）。室外SPD安裝在不銹鋼護罩桶內(nèi)，SPD 接地線就近與不銹鋼護罩桶內(nèi)的銅帶等電位接地環(huán)可靠連接，室內(nèi)SPD接地線與信號源機柜接地排連接。高頻頭饋線敷設(shè)在φ25 mm 不銹鋼軟管內(nèi)，且全線貫穿至機房信號源柜，形成環(huán)路金屬管（槽）屏蔽形式，并在衛(wèi)星接收天線高頻頭端和入戶端將金屬管（槽）做好接地，室外高頻頭饋線屏蔽管接地線應(yīng)近與不銹鋼護罩桶內(nèi)的銅帶等電位接地環(huán)連接。最終實現(xiàn)不銹鋼護罩桶、饋線信號SPD、饋線屏蔽金屬管以及高頻頭不帶電金屬外殼等電位接地連接。

（4）整個屏蔽網(wǎng)內(nèi)實現(xiàn)均壓狀態(tài)。將衛(wèi)星接收天線高頻頭不銹鋼護罩桶、高頻頭、饋線浪涌保護器、接收天線鋼構(gòu)架（包括金屬鍋蓋）以及饋線金屬屏蔽管（或槽）等作等電位連接。均壓等電位連接是解決地電位反擊的最理想辦法，也是消除由于雷電造成各種導(dǎo)體產(chǎn)生有害電壓損壞電子設(shè)備的最好措施。不銹鋼護罩桶、高頻頭、饋線浪涌保護器、接收天線鋼構(gòu)架、饋線金屬屏蔽管等電位接地連接如圖2 所示。

圖2 等電位接地連接

3.3 接地裝置及地電位反擊防護

3.3.1 接地裝置

接地裝置是接地體和接地線的總稱。衛(wèi)星接收天線架構(gòu)、電氣設(shè)備、電力設(shè)施等必須通過引下線與接地裝置連接。接地裝置的主要作用是讓雷電帶來的閃電電流順暢地進入大地，從而使雷擊過程中產(chǎn)生的能量無法聚集在防雷體系中的某一處，以此避免雷電導(dǎo)致被防護物體的損壞，同時也起到平衡電位等作用，減少雷電造成的損失。一個防雷系統(tǒng)是否能真正起到防雷作用，其接地裝置的接地電阻值是關(guān)鍵。該數(shù)值越小，防雷效果越好。良好的接地方能有效地釋放雷擊帶來的能量，減少引下線上的電壓。

3.3.2 地電位反擊防護

一般而言，若衛(wèi)星接收天線接地體和發(fā)射鐵塔接地體未共網(wǎng)聯(lián)結(jié)，就會存在很大的電位差，形成地電位反擊衛(wèi)星接收天線的高頻頭。因此，根據(jù)現(xiàn)行防雷規(guī)范要求，需把兩者共網(wǎng)聯(lián)結(jié)。但若兩者接地體近距離連接，也可能由于發(fā)射鐵塔接收到的雷電流太大，瞬間泄放不完的雷電就會朝衛(wèi)星接收天線反擊，造成高頻頭無法承受暫態(tài)高電壓的沖擊而損壞。為避免發(fā)射鐵塔和衛(wèi)星接收天線接地體地電位反擊，還應(yīng)采用地下共用接地裝置的方式，且發(fā)射鐵塔腳接地體入地點與衛(wèi)星接收天線地網(wǎng)有足夠的安全距離（不小于20 m）是最理想的辦法。若受現(xiàn)場環(huán)境條件限制，連接線難以實現(xiàn)足夠的安全距離，可將衛(wèi)星天線接地線往遠離鐵塔的方向延伸出至少20 m 的安全距離，在地下通過等電位連接器和鐵塔接地網(wǎng)進行等電位連接以平衡地電位，最終達到共用地網(wǎng)的目的。

等電位連接器的工作原理為：正常工作情況下兩端為開路狀態(tài)，當(dāng)?shù)入娢贿B接器兩端的電位差大于擊穿電壓時，就會使連接器導(dǎo)通，從而使連接器兩端不同接地體間的電位值基本相等，消除接地體間互相放電現(xiàn)象，從而避免由于電位差帶來的放電危及人身安全及設(shè)備安全。等電位連接器可根據(jù)現(xiàn)場地網(wǎng)布置情況以及雷電強度選用50 ～800 V 不同等級擊穿電壓的連接器，以保障設(shè)備安全正常運行為準(zhǔn)。衛(wèi)星接收天線接地網(wǎng)與發(fā)射鐵塔接地裝置地電位反擊防護連接如圖3 所示。

圖3 地電位反擊防護連接

3.4 防雷改造后衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)工作情況

2021 年2 月，廣西廣播電視104 臺衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)防雷整治的工程試點工作完成，主要針對衛(wèi)星接收天線高頻頭、分配器以及接地系統(tǒng)進行了防雷改造。截至2022 年3 月，該臺站未再出現(xiàn)雷擊損壞臺站設(shè)備的現(xiàn)象，而且衛(wèi)星接收機的信號強度不受影響，輸入的射頻信號質(zhì)量穩(wěn)定在70 dB 以上，完全滿足對衛(wèi)星射頻信號解碼的要求。

4 結(jié) 語

衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)的雷電防護至關(guān)重要。一個好的防雷系統(tǒng)可以有效防止雷電給信號源帶來的影響，提高安全播出的保障能力。衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)的防雷實施須根據(jù)設(shè)備自身特點以及周邊環(huán)境情況，深入思考，才能真正建立一個科學(xué)縝密的防雷系統(tǒng)。