广播电视发射系统防雷技术探究

周 娟

（江西七〇六电视调频台，江西 吉安 343000）

0 引 言

广播电视发射系统的主要功能就是将各种广播电视节目通过无线的方式传送到千家万户。广播电视发射基站一般建设在远离城市的区域，有些位于高山上，因此或多或少会受各种自然因素如天气、雷电等的影响[1]。每年，全国因为雷电而造成的停播事故屡见不鲜，严重影响着广播电视节目的安全播出工作。为此，在构建广播电视发射系统时，设计人员会将雷电因素考虑进去，将防雷技术应用在广播电视发射系统的建设中。本文从雷电的危害、雷击类型、入侵途径以及防雷措施等方面进行深入探究，对于保障广播电视安全播出具有非常重要的意义。

1 雷电对广播电视发射系统的危害

天空中带正、负电荷的云朵碰撞时，会产生雷电。雷电的瞬间电压可达几千上万伏，电流非常大，作用的时间比较短[2]。广播电视发射系统内部是由卫星锅、卫星接收机、发射机、天调系统以及铁塔天线等构成。发射机、卫星接收机以及卫星锅上的高频头内部都是由集成电路构成，一旦广播电视发射系统没有做好防雷工作，雷电就会进入发射系统内部，作用在各集成电路中。如此高电压、大电流的雷电，会瞬间烧坏集成电路中的元件，从而导致停播事故。而且，这种由雷电所造成的损坏是不可逆的，也是随机的，这无疑增加了抢修难度。因此，做好广播电视发射系统的雷电防护，对于保障安全播出工作具有非常重要的意义。

2 雷电的类型以及雷击途径

雷电通常可分为直击雷、球形雷、感应雷三种[3]。其中，直击雷和球形雷电压高、电流大，爆发力特别强，一旦击中设备，严重时会直接将设备劈断、劈翻。通常情况下，直击雷对建筑物和行走在室外的人具有很高的危害性。感应雷可以分成电磁感应和静电感应两种。雷云与地面很近时，地面上有凸起的物体如铁塔、建筑物等，其凸起的顶端会感应到雷云，从而使铁塔或建筑物顶端产生大量的异性电荷，雷云放完电后，建筑物上的电荷会立即释放，从而产生雷波，对与之连接或者与之靠近的电子设备造成影响[4]，此为静电感应。而电磁感应则是因雷电在放电瞬间会产生很大的电流，大电流产生大的电磁场，电磁场使附近金属设备产生很高的电压，然后进行放电，便会对电子设备产生二次损坏。

3 防雷措施

尽管雷击作用的时间在一瞬间，但是在这一瞬间，电压和电流都十分巨大，其蕴含的巨大能量需要在一瞬间释放，具有很强的破坏力。如果广播电视发射系统没有做相关的防雷措施，雷电瞬间就可以将广播电视发射系统击坏，使其瘫痪。雷击是由外向内入侵广播发射系统的。广播发射系统由铁塔、调配网络、馈线、卫星锅、卫星接收机、发射机及电源线等各个部件组成[5]。一旦雷电产生，其最先入侵的是发射系统的铁塔、调配网络、馈线及卫星锅等室外设备，其次是室内的卫星接收机、发射机电源、激励器及功放板等等。因此，在对广播发射系统进行防雷时，需由外而内层层设计防雷，从而有效地将雷电的影响降为最低。通常采用如下几种防雷措施。

3.1 铁塔天线防雷

发射机铁塔一般都有几十米的高度，发射系统就是利用铁塔将无线电磁波信号辐射出去，使得信号的覆盖面积广，这样才有更多的人可以收听到相应的节目。也正是这一原因，使得雷电产生时，铁塔最先遭受雷击。如果能在铁塔遭受雷击时，瞬间将雷电流通过防雷设备引入地面，那么就不会对发射系统后级设备造成干扰。因此，可以在铁塔的底部设计两个半球，一个半球连接到铁塔，另外一个半球则连接到地面，两个铁半球靠得比较近。这样，一旦发生雷击，两个半球之间就会击穿，大量电荷就会从铁塔流到地面，从而将雷电瞬间释放，避免对后级馈线与电路造成影响，从而有效地保障发射系统的安全。铁塔天线防雷如图1所示。

图1 铁塔球形放电图

3.2 匹配网络防雷

如果雷电的能量比较大，通过铁塔放电球仍无法快速泄放，剩余的雷电能量将会进入与铁塔连接的馈线中，进入调配亭网络。调配亭网络由电感线圈与电容组成，如果电压过大，能量过强，会导致调频网络的电容炸裂，同样也会影响后级的发射机。因此，在调配亭网络中，可以加入2个放电半球或者放电元件进行二次放电，将雷电进一步泄放干净。除此之外，还可以在调配网络中加入一个电感线圈接地，可以滤除广播信号频率之外的干扰，具体防雷实物如图2所示。

图2 调配网络防雷电路与实物图

3.3 发射机防雷

发射机防雷一般分为两部分，一部分用于射频输出网络，另一部分则作用在与发射机信号连接的线上面。下面具体阐述这两部分防雷的相关措施与原理。

3.3.1 发射机射频输出网络防雷

发射机射频输出网络通过馈线连接到调配网络，再通过调配网络连接到天线铁塔。发射机射频输出网络受到雷击的概率非常大且所承受的雷电能量比较大，因此，需要使用大功率的防雷设施。一般情况下，为了节省成本，发射机输出网络上会设计两个半球的防雷铁球，可瞬间将大部分雷电泄露到地面。一些较好的发射机上会安装一个防雷盒。该防雷盒具有非常好的防雷效果，可保证发射机射频网络端的安全，具体如图3所示。还可以在发射机射频输出网络电路中加入一个电感线圈，将其与地铜皮连接，可进一步泄放雷电，确保发射机的安全。

图3 发射机防雷盒实物图

3.3.2 发射机电路板信号防雷

发射机的音频信号、电源等输入信号有时候也会受到雷电的影响，使信号产生一定的电压波动或者干扰。此时，需要在发射机的信号输入口加入静电阻抗器（Electro-Static Discharge，ESD）防护器件，可有效地将静电、浪涌等信号泄放到地，可以防止后级电路元件损坏，保证发射机正常工作。

3.3.3 发射机电源防雷

发射机系统要正常工作，必须由外界提供稳定的电源，而外界电源主要是由市电网经过变压器后输出至发射机。变压器及其电源输出线通常在室外，因此，也很容易遭受雷电攻击，一旦有雷击，可能会耦合到电源线上，通过电源线进入稳压器，再经过稳压器传送到发射机等电子设备当中，雷击所产生的高压电便会损坏广播电视发射机内部的电子元件。因此，为了将雷电瞬间泄放 ，避免影响到发射机，在电源上需要采取多种防雷措施。通常需要设计三级电源防雷。第一级电源防雷主要目的是将外界雷电作用在电源上的电压限制在2.5~4 kV；第二级电源防雷需将雷电作用在电源上的电压限制在1.8～2.5 kV，而最后一级电源防雷需将雷电作用在电源上的电压限制在0.8～1.2 kV之间。有了三道防雷后，电气设备就基本不会损坏。在电气设备出厂时，一般都需要做浪涌测试，保证浪涌电压在1 670 V时不会被损坏。而1.2 kV比1 670 V电压小，因此，电气设备产生影响。如果上述三级防雷有一级有问题，那么都可能使电源浪涌过高而将电气设备烧坏。因此，发射机电源系统做防雷设计对于发射机的稳定运行具有十分重要的意义。

4 结 语

雷电是造成发射系统出现故障的主要原因，它可损坏发射系统中的任何电气设备。因此，为了保证安全播出，降低雷电对广播发射系统的损害，广播发射台站需要做好相关的防雷措施，从发射系统外部到内部采用多级防雷措施，利用铁塔防雷、调配亭网络防雷、发射机射频网络防雷、发射机电路板信号接口防雷等多种防雷措施，有效地保障广播电视发射系统正常工作，保障安全播出。