中波发射天线的防雷措施
摘 要：尽管天调网络已经设有多重安全防雷措施，但每年还是有因雷电造成发射机保护和功放管击穿的现象。特别是就近些年来，随着极端恶劣天气的增加，这种情况更为突出，为了更好地完成安全播出任务，我台在现有基础上，分别在多个方面进行了防雷方面尝试，通过综合避雷措施，较好地解决了我台发射天线的雷击问题。
关键词：防雷；泄放；接地；天调网络
中图分类号：TN934.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）24-0063-02
如今的中波发射台，都已经全面由电子管发射机更换为先进的全固态发射机。与过去的电子管发射机相比，全固态发射机具有寿命长，工作设备更加稳定，效率高，技术指标优良等特点。但反之，全固态发射机也有器件耐压低，承受雷电浪涌电流差，极易过荷保护和损坏的特点。
1 现状分析
河南省郑州八零四中波转播台共有发射天线3座，每一座发射天线均为双频共塔，高度分别为120m，88m，76m。发射天线是周围最高的建筑物。每当遇到雷电季节，发射机频繁遇到雷电的干扰，特别是最高的120m发射天线，遇到雷电天气时，经常出现感应放电和遭雷击情况，除造成大面积功放模块损坏和降功率停机外，还严重影响人身安全。分析原因，是因为当发射天线在建设时，只安装有初步防雷设备，遇到雷电电流以后，由于雷电有极大的能量，虽经防雷设备泄放，但还是有很大的瞬间高压倒送至发射机，导致发射机损坏，因此如何有效防雷是我台面临的一个迫切问题。
2 雷击造成损坏原因和防雷原理
一般而言，雷常分为直击雷和感应雷。通常讲的雷击是指一部分带电的云层与另一部分带异种电荷的云层，或者是带电的云层对大地之间迅猛的放电。当发射天线遭雷击时，各个防雷放电回路放电，造成瞬间天线阻抗被短路。发射机功放合成回路则会产生高压大电流，从而烧毁功放模块和相关器件。防雷的主要思路就是在雷电电流进入发射机以前，就以各种方式将雷电电流旁路入地或者尽可能将其阻止在发射机外部，从而起到保护设备的效果。
3 中波天线防雷措施的改进
3.1 发射铁塔防雷
现有的发射铁塔天线底部是通过绝缘体与大地相连的，在底座上安装有第一道防雷设备，金属放电球。其原理是利用放电球的两个碗面形成放电间隙，当铁塔遭雷击时，高压击穿两碗面之间的空气，从而使雷电电流通过放电间隙泄放到大地。此放电电流极大，因此要求放电球接地端的接地电阻要很小，而且还要有足够的接地面积，这样才有利于迅速将雷击电流泄放。放电球参考间隙一般以塔底最高电压计算，每毫米耐压1kV，常为40mm～80mm，此间隙还要根据发射机功率大小和本地实际雷电强度而调整。我台在调整此间隙时，一般调整到足以满足发射机最大功率工作时不放电并留有余量即可。日常维护时，还要经常检查放电面是否有污浊和烧蚀，如有异常必须及时修复。
3.2 发射塔底部泄放线圈
在天调网络设计时，发射天线底部对地有一个微亨级（uh）的泄放电感，这个泄放电感平时是主要用来泄放感应静电的，它的工作原理和普通的扼流线圈有些类似，可简单的理解为隔高频，通低频，也就是对中波广播发射频率呈现很高的阻抗，高频能耗极小，而对感应静电则构成良好的入地通路。通过对雷电的了解，我们知道雷电的主要能量多集中在低频和直流部分，这样一来，在发射天线遭雷击时，还可提供一个最直接的泄放回路，所以，这个电感是非常重要的，因此在选材时，线圈线径要尽可能粗一些，接头也一定要牢固。泄放线圈的缺点是这个电感会影响到天线阻抗。
3.3 氧化锌避雷器
氧化锌避雷器是近些年来电力防雷系统中常用的一种元器件，其核心元件电阻片采用氧化锌及多种金属氧化物制作，与传统碳化硅避雷器相比大大改善了电阻片伏安特性。氧化锌具有优异的非线性伏安特性，即在正常工作电压时，器件对网络呈高阻状态，流过避雷器的电流极小（微安或毫安级），对网络特性的干扰已经可以忽略；而当达到其工作电压时，电阻急剧下降，流过避雷器的电流瞬间增大到数千安培，泄放掉過电压的能量，当过电压结束时，阻值再次恢复到高阻状态，从而达到保护发射网络系统的效果。这种避雷器和传统的避雷器的差异是它没有放电间隙，整个过程不存在电弧燃烧与熄灭的问题。整个寿命期间内，几乎不用维护。
3.4 石墨放电球
石墨放电球也是利用空气间隙放电从而保护元件的。它在放电系统中是一个很有特色的器件。之所以在已有金属放电球的前提下依然使用它，是因为作为放电回路，一个重要前提条件是放电速度要快，必须在雷电电流通过前就完全泄放掉，反之如放电速度不够，那么就会有一部分雷电电流流入下一级系统，从而造成器件损坏。而石墨的导电性能非常优异，几乎可以达到铜的3-5倍，也就是说可以以极快的速度将雷电电流泄放掉从而保护系统。石墨还不会氧化，可以长期暴露使用。还有如采用柱状石墨放电球，就算相对应的石墨放电面因放电产生烧蚀，也只用将石墨柱转一个角度即可继续使用。通常，在成品的石墨放电系统中，还在接地端加入了几十只磁环，总电感量可达几十微亨，这样一来，当石墨放电球放电时，低频的雷电电流可以直接入地，而穿于接地引线上的磁环则对发射机高频信号产生反向电动势，对射频起到阻抗作用，不至于使天线阻抗为零从而引起发射机故障。石墨放电球缺点是，如果雷击强度过大，后面串接的磁环就会损坏。
3.5 隔直电容器
在天线和天调调配网络之间，串入一只隔直电容器，利用电容器本身的隔直流功能，有效防止雷电的低频和直流成分通过天调网络进入发射机，隔直电容器的取值多在1000p～3000p之间。需要注意的是由于是起防雷作用的，因此它的伏安量，耐压值一定要足够。
3.6 移相网络
中波发射机功率合成器的输出口阻抗等效到发射机输出的负载阻抗通常不会正好等于馈线阻抗，移相匹配网络就是把馈线阻抗调整为输出器的输出阻抗。天调网络的设计是多种多样的，通过合理的设计此网络，就可以控制当防雷器件放电产生负载阻抗短路时，等效到功率合成输出端的等效负载阻抗仍在允许控制范围内，就可以有效地保护功放模块。一般做法是在发射机的输出网络中把阻抗匹配网络设计成相移-45°网络，当负载短路时功放侧的等效阻抗呈感性。实际上，负载短路通常是由铁塔基部放电球放电引起的，因此，为了有效防止雷击对功放模块的损坏，在塔基短路时，必须保证发射机输出口处也是短路状态。这样在天调网络中附加相移网络后，这两点的相位差为180°的整数倍，从而达到防雷的效果。
3.7 馈管避雷器
馈管避雷器也是常运用在天调网络和天线馈管之间的防雷器件常用于较细的馈线。馈管避雷器一般由气体放电管和隔直流电容器组成。工作原理也很简单，就是所承受电压不足以使气体放电管导通时，放电管对射频信号起直通作用，一旦前方网络有雷电的高压蹿入，放电管立刻击穿放电，将雷电释放入大地，同时隔直电容器还是起阻隔雷电的低频能量，而让发射机射频信号通过，以避免发射机射频对地短路而损坏发射机器件的作用。加入它的主要目的是因为在整个天馈线系统中，铁塔和天调网络都多道保护措施，可是一旦雷电高压经过网络到达馈线，由于馈线的芯线距离外层绝缘层距离很近，所以雷电高压很容易就将馈管击穿，一旦馈管击穿损坏，那么维修时间和维护费用都是非常高昂的。
3.8 采取互感式天调网络
无论天调网络怎么优化，最终，如果遭受雷击，巨大的能量还是要流经馈线到达发射机，如今，一些厂家，开始研发互感式的天调网络，也就是利用自耦的方式，将发射机信号耦合到天调网络，两者之间实现物理绝缘，这样，当发射铁塔再遇到雷击时，雷电就不会流入馈线，从而彻底解决了雷击问题。
3.9 降低接地电阻
在防雷系统中，大部分还是利用泄放的原理来将雷电的能量导入大地的。在普通的防雷规则里面，一般要求防雷接地电阻为4Ω，而针对中波发射网络的防雷，要求有很高的电流密度以降低放电时间，因此需要尽可能地降低接地电阻。一般都是采用增大接地面积，降低接地土壤电阻来解决。为此我台还专门为天调室接地系统和发射机接地系统分别打了几十米深的接地井。
4 结束语
中波发射天线的防雷是一個复杂的系统，每一种方案都有自身的优点和缺陷。放电球放电保护时，对发射机相当于负载对地短路，很容易烧毁功放管。泄放线圈影响到了发射天线自身的阻抗，而且在泄放电流同时，根据电感的特性，它还会产生一个很高的感应电动势，对功放管也不利。石墨放电球性能同上述两部分原理基本一样。隔直电容器虽可以很好地隔离雷电的低频和直流分量，但雷电也是含有高频分量的，这个高频分量是可以通过电容器的。移相网络和阻塞网络虽可以再次阻隔雷电，但是出于器件参数选择，会让网络设计变得复杂且调试复杂。隔直电容器和馈管避雷器也带入了插入损耗和分布参数，综合上述所述，应根据现实情况，合理地选配调整避雷系统，才能达到即运行安全可靠，又有设计安装维护方便、价格低廉的综合优势。
参考文献：
[1]刘吉坤.数字调幅中波广播发射机的原理与维护[Z].湖北省荆州中波台，2001.
[2]蔡男先.电波与天线[M].中国广播电视出版社，1992.