高山转播台卫星信号接收系统防雷措施探讨

2022-06-13吴廷昊

电视技术 2022年5期

吴廷昊

（广西广播电视技术中心南宁分中心，广西南宁 530000）

0 引言

广播电视转播台大多建设在地势较高的山顶。随着科技不断发展，如今的高山台站电子设备配比密度日益增大，以电子信息系统为主的电子设备数量也越来越多，使其遭受雷击的概率随之增加。通常，广播电视转播高山台占地面积较小，加上建设在台站不远处高耸的铁塔，如果这些设备对雷击的防御能力差，无疑会给台站的雷电防护工作带来更大的挑战。特别是卫星信号接收系统极易遭雷击损坏，会严重影响台站的安全播出工作[1]。

1 广播电视高山台站雷电防护的特殊性

广播电视高山台站一般位于山顶，其海拔高度以及垂直高度直接决定着台站被雷击的概率、次数和强度。简而言之，高山台站容易被雷电袭击。

沿山而建的架空供电线路随着高度的攀升，非常容易受到直击雷以及感应雷的袭击。雷电电涌随着电力线缆进入台站的电源系统，使部分耐压能力低的弱电设备容易遭受雷电损坏。

一些台站发射塔距离机房和卫星信号接收系统比较近，当铁塔受到雷击后，将雷击引入地面，瞬间产生的电位差足以产生对机房和卫星信号接收系统的二次雷击现象[2]。

对于广播电视发射台的卫星信号接收系统而言，虽然其已经处于铁塔的直击雷保护范围之内，且卫星接收天线以及高频头的射频线也接入铁塔地网，但在实际的工作中，卫星信号接收系统中的各种设备（如高频头、卫星接收机等）却也经常因雷电袭击而损坏[3]。

2 卫星信号接收系统遭受雷击损坏的原因

2.1 选址不够合理

现有的卫星信号接收系统中，卫星接收天线的安装因受地域限制，选址不够合理。由于高山台站所处地坪狭小，整个台站占地面积不大，各建筑物间距有限，不同建筑物之间很难实现具备足够安全距离的独立地网。特别是卫星接收天线一般安装在机房楼顶或是在发射铁塔脚不远处。如果地处岩石山顶，由于多数接地线无法埋地只能裸露，接地网或等电位接地装置很有可能促使其变成引雷线。

2.2 安装卫星接收天线时未能结合所在地的自然环境特点

因广播电视转播台所处的自然环境不同，雷电防护措施也不同。在安装卫星接收天线时，施工人员未能结合所在环境的地质、地理、气候等自然环境特点，对卫星接收天线只做了天线基座接地处理，导致防雷装置起不到很好的防护作用。

2.3 雷电的电磁感应

雷电带来的电磁感应是造成卫星高频头损坏的最主要因素[4]。当台站附近空域发生较大雷电时，发射铁塔虽可作为直击雷接闪装置，对近距离的卫星接收天线能起到一定的防护作用，但是雷电引起的静电感应和电磁感应也会给导电物体或电子线路带来较高的过电压。即使是在铁塔的保护范围内，卫星信号接收系统仍然无法抵御较高的电压，特别是高频的头耐压能力较低，其射频线因雷击产生的超高电压仍然会沿着导线传入高频头内，造成高频头损坏。

2.4 地电位反击

地电位反击也是造成卫星高频头损坏的重要原因[5]。雷击发生时，雷电产生的电流将沿天线铁塔的接地装置泄放入地。因为地网本身存在阻抗，大电流泄放必定使其电位突然被抬升，此时的接地网呈现暂时的高压状态。如果此时接地体与附近的导电线缆、金属外壳、用电设备等绝缘有效距离不够，且卫星接收天线与铁塔接地系统并未做地下等电位连接，则在两者之间将出现很高的电压差，即发生地电位反击等现象。也就是说，发射铁塔接地装置和卫星接收天线接地装置两者若处于独立状态，两个地网之间由于没有足够的安全距离（20 m），发射铁塔地网泄放雷电流，产生高电位，就会向没有直接泄放雷电流的卫星接收天线地网产生反击，使得卫星接收天线接地系统产生过高的电压，从而损坏卫星信号接收系统的各种设备。

2.5 卫星信号接收系统并未达到完全等电位状态

为了提前泄放过电流，通常需要在高频头接线端安装馈线信号浪涌保护器（Surge Protection Device，SPD）。尽管SPD 对雷电产生的过电压和过电流能起到一定的分压泄流作用，但由于SPD 接地线从高频头引至卫星接收天线底座才做接地处理，且其接地线过长（约2 ～3 m），馈线SPD 与接收天线底座的接地点存在电位差，当发生雷电袭击时，SPD 接地线由于本身存在阻抗，就会产生较高的残压，加上接地导线并未做屏蔽措施，感应电压就会从天线底座向上传到高频头，导致高频头损坏。

2.6 市面上性能良好的馈线防雷设备较少

目前，广播电视高山台站使用的卫星接收天线类型大多是前馈式卫星天线，主要用于接收卫星转发的C 波段信号。C 波段信号属于超宽频波段，满足该波段的馈线信号浪涌保护器技术要求较高，既要满足馈线本身的宽频波段要求，又要满足浪涌保护器本质的雷电泄放功能，而这两方面原本存在冲突。如果满足馈线带宽的要求，就会影响馈线浪涌保护器对雷电压泄放的大小。也就是说，若信号浪涌保护器防雷效果更好，对卫星天线接收信号的衰减就会越大。这就给整个卫星信号接收系统的雷电防御带来难题。对此，只能综合考虑，选择对信号衰减不太大、而泄放功能也相对良好的馈线浪涌保护产品。

3 广西广播电视104 台卫星信号接收系统防雷整改实践

广西广播电视104 台为广西广播电视技术中心南宁分中心所辖的一级台站，位于南宁市望仙坡顶。该地区地势较高，经常有雷电现象。台站之前做有简易的防雷系统，但仍时常有设备因雷击而损坏。2020 年6 月，104 台聘请了专业的防雷检测公司对该台进行了防雷检测，检测报告指出该台的卫星接收天线、发射铁塔等设备存在接地电阻不达标的问题，并提出了整改意见，主要以降低接地电阻以及等电位接地为思路，对卫星接收天线和发射铁塔分类进行整改。具体措施如下。

3.1 直击雷防护

如果卫星接收天线安装在天线铁塔作为接闪器装置的有效保护范围内，可不另外装设独立接闪杆防护。若不在铁塔接闪器装置有效保护范围内，应在距卫星接收天线不小于3 m 处设置一支按滚球法计算能完全保护卫星接收天线的接闪杆，并做好接地连接。接地电阻应符合国家现行有关防雷技术规范要求。

3.2 静电感应和电磁感应防护

针对静电感应和电磁感应防护，主要采取以下措施。

（1）制作不锈钢金属桶，屏蔽大部分感应雷电流。将卫星高频头完全放在护罩内，既可防护卫星接收天线高频头遭受直接雷闪击，又能起到对静电感应和电磁感应的屏蔽作用。

（2）制作整个卫星接收天线的屏蔽网，以避免卫星天线自身作为导体泄放雷电，能更好地作等电位处理。采用30 mm×3 mm 热镀锌扁钢接地引线与不锈钢护罩桶接线耳进行连接，并分别沿卫星天线高频头的3 根固定支撑杆敷设引至卫星接收天线基座与接地排连接；三条放射状接地引线与卫星接收天线（锅盖）绝缘敷设，目的是将扁钢接地引线与天线锅盖电气绝缘，并延伸至不锈钢金属桶内，与采用20 mm×1.0 mm 扁铜带制作的等电位接地环可靠连接。整体实现不锈钢护罩桶、接地引下线、铜带接地环形成等电位连接。不锈钢护罩桶与接地引下线的电气连通如图1 所示。

图1 不锈钢护罩桶与三条接地引下线电气连通

（3）缩短各接地连接线，实现等电位接地方案。在室外高频头接线端和室内卫星信号分配器接线端分别安装一个信号浪涌保护器（SPD）。室外SPD安装在不锈钢护罩桶内，SPD 接地线就近与不锈钢护罩桶内的铜带等电位接地环可靠连接，室内SPD接地线与信号源机柜接地排连接。高频头馈线敷设在φ25 mm 不锈钢软管内，且全线贯穿至机房信号源柜，形成环路金属管（槽）屏蔽形式，并在卫星接收天线高频头端和入户端将金属管（槽）做好接地，室外高频头馈线屏蔽管接地线应近与不锈钢护罩桶内的铜带等电位接地环连接。最终实现不锈钢护罩桶、馈线信号SPD、馈线屏蔽金属管以及高频头不带电金属外壳等电位接地连接。

（4）整个屏蔽网内实现均压状态。将卫星接收天线高频头不锈钢护罩桶、高频头、馈线浪涌保护器、接收天线钢构架（包括金属锅盖）以及馈线金属屏蔽管（或槽）等作等电位连接。均压等电位连接是解决地电位反击的最理想办法，也是消除由于雷电造成各种导体产生有害电压损坏电子设备的最好措施。不锈钢护罩桶、高频头、馈线浪涌保护器、接收天线钢构架、馈线金属屏蔽管等电位接地连接如图2 所示。

图2 等电位接地连接

3.3 接地装置及地电位反击防护

3.3.1 接地装置

接地装置是接地体和接地线的总称。卫星接收天线架构、电气设备、电力设施等必须通过引下线与接地装置连接。接地装置的主要作用是让雷电带来的闪电电流顺畅地进入大地，从而使雷击过程中产生的能量无法聚集在防雷体系中的某一处，以此避免雷电导致被防护物体的损坏，同时也起到平衡电位等作用，减少雷电造成的损失。一个防雷系统是否能真正起到防雷作用，其接地装置的接地电阻值是关键。该数值越小，防雷效果越好。良好的接地方能有效地释放雷击带来的能量，减少引下线上的电压。

3.3.2 地电位反击防护

一般而言，若卫星接收天线接地体和发射铁塔接地体未共网联结，就会存在很大的电位差，形成地电位反击卫星接收天线的高频头。因此，根据现行防雷规范要求，需把两者共网联结。但若两者接地体近距离连接，也可能由于发射铁塔接收到的雷电流太大，瞬间泄放不完的雷电就会朝卫星接收天线反击，造成高频头无法承受暂态高电压的冲击而损坏。为避免发射铁塔和卫星接收天线接地体地电位反击，还应采用地下共用接地装置的方式，且发射铁塔脚接地体入地点与卫星接收天线地网有足够的安全距离（不小于20 m）是最理想的办法。若受现场环境条件限制，连接线难以实现足够的安全距离，可将卫星天线接地线往远离铁塔的方向延伸出至少20 m 的安全距离，在地下通过等电位连接器和铁塔接地网进行等电位连接以平衡地电位，最终达到共用地网的目的。

等电位连接器的工作原理为：正常工作情况下两端为开路状态，当等电位连接器两端的电位差大于击穿电压时，就会使连接器导通，从而使连接器两端不同接地体间的电位值基本相等，消除接地体间互相放电现象，从而避免由于电位差带来的放电危及人身安全及设备安全。等电位连接器可根据现场地网布置情况以及雷电强度选用50 ～800 V 不同等级击穿电压的连接器，以保障设备安全正常运行为准。卫星接收天线接地网与发射铁塔接地装置地电位反击防护连接如图3 所示。

图3 地电位反击防护连接

3.4 防雷改造后卫星信号接收系统工作情况

2021 年2 月，广西广播电视104 台卫星信号接收系统防雷整治的工程试点工作完成，主要针对卫星接收天线高频头、分配器以及接地系统进行了防雷改造。截至2022 年3 月，该台站未再出现雷击损坏台站设备的现象，而且卫星接收机的信号强度不受影响，输入的射频信号质量稳定在70 dB 以上，完全满足对卫星射频信号解码的要求。