新建中波广播发射台的防雷系统设计

2022-08-17王丽萍

通信电源技术 2022年8期

王丽萍

（湖南广播电视台广播传媒中心，湖南长沙 410126）

1 中波台防雷系统概述

中波广播工作频率为526.5～1 606.5 kHz，波长为569.8～186.7 m。中波广播主要依靠地波传输，地波传播衰减较小，场强较高，抗干扰能力较强，服务区域相对比较稳定[1]。中波广播发射系统主要由前端信号源系统、节传系统、发射机系统、监控系统以及电源系统等组成，如图1所示。

图1 中波广播发射系统架构

中波广播发射系统的防雷设施由发射天线防雷与接地系统、天线调配网络防雷设施、机房信号源系统防雷设施、机房低压配电系统防雷设施、机房等电位连接网络以及机房接地系统构成，是一项综合性的系统工程。

2 发射天线的防雷设计

中波广播地网垂直于发射塔塔身，是天线系统不可缺少的一部分[2]。中波发射天线以无线电磁波形式辐射广播射频信号，以地网和地面作为辐射电流的回路。地网的好坏直接关系到中波发射天线的增益和天线发射效率，同时也会影响发射机的稳定性与防雷效果等。中短波天馈线运行维护规程要求地网的接地电阻小于1 Ω，天线接地网以发射塔底部为圆心，以放射状均匀向外敷设，在土壤电阻率较高的地区可以酌情增加外引接地线的数量。

中波天线是中波发射系统中最容易遭受雷击的设施。雷击铁塔时，会在塔顶和塔基之间形成巨大的电压，必须在发射天线和地网之间安装放电装置，在遭受直击雷时能够迅速导通，使发射塔和大地形成通路，泄放雷电[3]。放电装置通常选用球形放电器，材质为黄铜，距离应根据天线发射功率、天线所承载的高频电压以及天线实际可能遭受到的雷击强度确定。为了达到满意的防雷效果，放电间隙调整到20～30 mm较为适宜。

由于雷电为高频冲击电流，需要就近泄放，因此通常在发射塔下建设地井，地井深为6 m、边宽为1 m，如果有岩石层则可以适当调整深度。除此之外，增加接地井的数量，并添加长效防腐物理降阻剂，以此降低雷电冲击接地电阻。

3 天调室的防雷设计

3.1 天调网络设计的防雷措施

在天调网络输出口，对地接入一个μm级电感，该电感起到天线阻抗预调和防雷的双重作用，可以将绝大部分从天线引入的雷电对地泄放掉[4]。在调配网络输出口安装石墨放电柱，根据网络输出阻抗和发射机输出功率计算石墨放电柱的间隙，一般10 kW为10～15 mm、25 kW为20～25 mm。此外，在接地铜管上串套40～50个铁氧体磁环。雷电击穿石墨放电瞬间会造成网络对地短路，而铁氧体磁环可以起到提高网络射频阻抗的作用。在馈线和调配网络之间串接一只大容量隔直电容（约1 500～3 000 pF），隔直电容对高频信号相当于直通，但对绝大部分雷电中的直流和低频分量可以起到阻隔作用。

3.2 发射机输出网络的防雷措施

当天线铁塔底部放电柱放电时，天线铁塔对地相当于短路，发射机输出端经馈管和天调网络对地等效为短路状态。调整发射机输出移相网络，在当负载放电短路时，使发射机功放端的等效阻抗呈感性状态，其绝对值不变，这样发射机输出端放电球或天线铁塔底部电球放电时都不会损坏末级功放器[5]。

3.3 天馈系统接地防雷考虑

围绕天调室建造一处闭合的环形接地网，同时外引一条辐射状地网沿着馈管桥架下方铺设至机房馈管入口与机房防雷接地连接，使天馈线接地与机房接地融合构成等电位接地系统。地网由水平接地体和垂直地井组成，其中水平接地体采用40 mm×4 mm紫铜条。环形接地网的4角各制作一处深度为6 m的接地井，安装50 mm×6 000 mm铜管作为垂直接地装置，并在铜管内部及周围填入物理防腐降阻剂，降低雷电冲击接地电阻[6]。在馈管走线架下方制作一条地网，沿馈管铺设路径铺设至机房，水平接地体采用40 mm×4 mm紫铜条，垂直接地体采用25 mm×1 500 mm的铜包钢。

3.4 架空馈管的防雷措施

由于机房到调配室仍有较长距离，架空馈管可能会遭受雷电入侵，因此必须将馈管桥架或者屏蔽钢管每隔15 m做一次接地处理，同时在馈管进发射机和调配网络前串联安装对应规格的馈线防雷器。

3.5 发射机输出端口的防雷

由于雷电入侵发射机的通道为馈管和电源线路，尤其以天馈线路引入的雷电最为突出，因此需要在发射机射频信号输出端口采取防雷措施，避免沿馈管传导的雷电损坏发射机末级功放。馈管在进入发射机房前，需要在室外做好接地处理。与此同时，在发射机输出端安装馈线防雷器，泄放馈线引入的残压。

4 机房供电线路防雷设计

中波台站一般建造在四周空旷的地带，而电力供电线路一般远距离架空输送并铺设在山区丘陵地带，被雷电击中的频率较高，受雷电影响较大。闪电通过电力高压线路引入电力变压器和发射机房的配电系统，造成设备损坏。基于此，应从减少电力线缆被雷击中的频率和安装电力防雷器泄放雷电两个层面进行电力线路雷击防护[7]。

4.1 电源线缆的防雷措施

高压线和低压线一定要按照埋入地下的方式处理，高压线缆的埋设长度需要超过200 m，低压线缆要保证从机房至变压器区间全部入地埋设[8]。如果因地形无法埋地敷设电力高压线缆，则需在架空高压线缆上方架设避雷线，长度以300～500 m为宜，避雷线的保护角不应大于25°。如果已经建成的架空高架线在避雷线安装方面存在困难，则需要在变压器的高压端安装氧化锌避雷器，并使变压器的接地电阻降至2 Ω以下，以便在电源线路受到雷击时快速将雷电电流泄放入地。

4.2 机房低压配电的防雷措施

在考虑机房低压配电防雷电过压保护时，需对交流供电系统进行分析。根据发射机房设备供电特征，在机房总配电柜、设备分配电柜、稳压器以及发射机等位置安装多级防雷电保护器，最少设置4级。通过电源线引入机房的雷电电流能够在电涌保护器的作用下快速完全泄放入地，提高了机房低压配电系统雷电防护的可靠性。

5 信号源系统的防雷设计

目前，引入雷电电流的信号源系统线路主要为馈线、卫星信号电缆以及光纤[9]。由于雷击时弱电线路一侧将会出现较高的感应电压，而信号源设备通信端口的抗高压能力较弱，因此需采取必要的防雷措施防止雷电电流从信号源线路引入信号系统设备，避免信号源设备受损。

根据雷电防护相关技术规范，机房进出信号源线路应采用带屏蔽的线缆，且屏蔽线缆的屏蔽层需要与机房内的接地系统进行等电位处理。在信号源设备端口，应当按照设备的端口类型、设备端口工作电压高低以及信号传输速率等参数来选择相应信号源线路的防电保护器。

信号源线路受雷电侵入的原因主要是信号源线进入机房线架设不规范、线缆没有采用带铠装的电缆铠或线缆屏蔽层未接地等，信号源线路合理布局和规范对线缆屏蔽处理是解决信号源设备遭受雷电侵入的关键。光纤的终端盒需要安装在机房外部，避免雷电沿着光缆加强筋进入到机房内部。馈管进入机房前，其金属防护外层两端需可靠接地。如果采用桥架安装馈管，则桥架必须保证每30 m接地一次。卫星信号传输同轴电缆在进入发射机前需要套入金属管，同时金属管需与建筑物避雷带相连，并保证金属管和避雷带接地可靠。机房信号源线路与电源线路、高低频线路、进出线路需分开敷设安装，如果各类线路的间距较小，则需要采用带屏蔽的线缆，同时线缆的屏蔽层可靠接地。除此之外，在信号设备端口安装满足设备通信规格的信号线路电涌保护器，以泄放感应电流。

6 发射机房等电位接地的防雷设计

依据防雷技术规范的相关规定，中波台接地系统需要进行等电位处理，机房各设备的金属外壳、线缆外层、管槽、机柜、防触电安全接地极以及防雷设施接地均应以最短距离与机房接地等电位相连。机房内布线架每隔6 m做接地处理，机架、机壳、排风管道等均应牢固接地并接入机房接地等电位网络。

7 机房屏蔽的防雷设计

雷电产生时将在周边形成强大的电磁场，对机房发射机、光纤机等电子设备产生强烈干扰。同时，机房内大功率发射机工作时将产生射频高频磁场，高频磁场将向四周空间辐射，对人体造成一定的危害。如果长期生活在强电磁的环境下，则会对身体造成严重伤害。为了确保机房内发射机等电子设备不被雷电强磁场干扰，同时避免高频磁场对人体造成伤害，机房必须对高频磁场进行屏蔽处理。除此之外，为了避免雷电磁场和射频高频磁场对电子设备的干扰，机房应铺设防静电地板，防静电地板架需多点接地，并接入机房等电位接地系统[10]。机房墙体安装全封闭金属屏蔽网层，屏蔽机房外强雷电磁场和高频感应磁场。机房墙体金属屏蔽网需多点位可靠接地，并接入机房等电位接地系统。