高山发射台电视发射机的雷电保护措施

闫新华

【摘要】高山发射台地理位置与气象条件相对特殊，而且电视发射机的供配电、信号调制、接收和发射系统构成及运行原理十分复杂，给防雷保护系统的设计和维护带来了极大困难。本文针对目前高山发射台电视发射机对雷电保护措施的特殊要求，分析了在其输配电线路和设备、发射塔与发射天线、建筑内外的接地系统以及信号传输网络中应采取的有效措施，并且结合实践经验探讨了防雷保护系统的设计要点，阐释了避雷装置选型安装、雷电流接地通路设计的原则和线路中的屏蔽、分流措施，基于多重防护以及科学的运维，保障高山发射台电视发射机的运行安全。

【关键词】雷电灾害;电视发射机;防范措施;高山发射台

中图分类号：TN954               文献标识码：A               文章编号：1673-0348（2020）09-023-03

[Abstract] the geographical location and meteorological conditions of Alpine transmitting station are relatively special， and the power supply and distribution， signal modulation， receiving and transmitting system composition and operation principle of TV transmitter are very complex， which brings great difficulties to the design and maintenance of lightning protection system. In view of the special requirements for lightning protection measures of TV transmitters in Alpine transmitting station， this paper analyzes the effective measures to be taken in the transmission and distribution lines and equipment， transmission tower and transmitting antenna， grounding system inside and outside the building and signal transmission network， and discusses the design points of lightning protection system based on practical experience， explains the selection and installation of lightning protection devices， lightning protection Based on multiple protection and scientific operation and maintenance， the design principle of the current grounding path and the shielding and shunt measures in the line can ensure the operation safety of the TV transmitter in the alpine transmitting station.

[Key words] lightning disaster; TV transmitter; preventive measures; alpine transmitter

為提升广播电视信号的有效覆盖面积和传输质量，电视发射机及其辅助设备、设施通常被设置在海拔最高的区域，而发射塔和发射天线则成为了制高点。所以，包含敏感电子元器件的机电设备、电力和信号传输线路都面临极高的雷击风险，无论是对广播电视节目的放送质量还是设备、人员的安全，都会带来威胁。

1. 防雷保护的重要性

1.1 电视发射机对防雷保护的特殊要求

目前集成化、高密度、全固态的电视发射机已经普及，其模块化的设计简化了设备的安装调试和运维，也大幅提升了广播电视节目信号的品质。但与此同时，大量高龄敏度的电子装置和元器件的使用也对防雷保护有了更高要求。首先，当前的高山发射台的电源系统和信号调制、发射与接收系统实现了自动化控制，而保护电路、自动控制装置的运行可靠性极易受到雷电灾害的影响;其次，由于全固态的电视发射机集成了多种电子元器件，所以对电磁场的变化极为敏感，如果防雷保护措施不力，会造成设备损坏、缩短其使用寿命和影响信号传输质量。

1.2 高山发射台雷电灾害类型及影响方式

由于海拔相对较高且处于山区，高山发射台所在地点是雷电灾害的高发区域，而且因为地形地貌复杂，在雷雨季节可有直击雷、感应雷等多种雷电灾害威胁高山发射台电视发射机的运行安全，以不同作用方式侵入系统和损坏设备、影响广播电视信号的传输质量。首先，由于发射塔、天线以及机房等建筑物处于山巅，其金属框架结构或线路极易成为大地和雷云之间的电流通路，当雷击发生时，雷雨中所积聚的电能会在不大于100us的时间内全部释放，形成数万伏的过电压和上千安的过电流，不仅可以形成机械力、热电效应并毁坏设备、装置及电子元器件，而且还会导致强电磁感应，影响电子设备的正常运行;其次，在高山发射台的供配电系统、机房与发射塔所在区域，当雷云会导致地面的设备及线路产生感应电场和形成电位差，最终将相对薄弱的部位击穿并形成放电通路，造成电视发射系统设备损坏，无法正常完成节目放送。这类雷电灾害的入侵路径具有极高不确定性，但是发生的概率较高。此外，高山发射台的发射塔、机房等设施通常都有相对独立的接地网络，当某一地网因雷击而向大地放电时，与临近的地网之间会瞬间形成极高的电位差并发生电位差反击现象，毁坏地面设备和影响系统运行的稳定性。

2. 雷电保护措施

不同类型的雷电灾害对高山发射台的危害及入侵系统的路径各异，所以在设计防护措施时，需要针对不同环节选择可靠的技术方案，对系统的线路、设备和设施进行多重保护。在尽量阻断雷电入侵路径的同时，设置均压与分流装置，逐级减小雷击带来的过电流对电视发射机的影响。

2.1 直接雷击的防范措施

高山发射台的发射塔与发射天线最易受到雷电直击，导致瞬态过电压经由天线侵入机房并损坏电视发射机等设备，所以其防雷系统设计非常关键。首先，为防范发射塔尖端效应带来的雷击风险，除了在塔顶设置避雷针和避雷线，还需要在塔基处配备放电井，基于对基底周边地形地貌的勘测和对土质的分析，依据相关设计规范确定井深、直径等参数。在井底用导电性能优良的紫铜板做为接地导体，其上焊接和引出相同材料的导线至地面，与金属放电球的地线相连接。放电井的回填材料视当地土质和气象条件而定，为了确保接地电阻不超过2欧姆，应合理选择和使用石墨等降阻剂。当发射塔或天线遭到雷击时，放电球、放电井可以依靠尖端放电原理高效泄放雷电的能量，形成对高山发射台电视发射机的第一重防护;其次，为了防范直击雷引发的感应电流损毁电视发射机的元器件，还应在无线信号的输入端、天馈调配室输入端以及调配网络前端增设放电和隔离装置，分别利用uH电感、石墨放电器与大容量电容器串联或并联到线路当中并可靠接地，将过电流引入地下并阻止其入侵系统，将雷击的影响控制在电视发射机可以承受的范围。

2.2 高压输配电系统的防雷保护

高压输配电系统为高山发射台电视发射机及其辅助设备的运行提供了电能，而位于山区的高压线路和变电所等设施同样面临较高的雷击风险，如若防范措施不当，不仅影响广播电视节目放送质量，而且容易导致变压器等关键设备的损坏。首先，鉴于高压供电线路长距离暴露于雷击高发区域，需要敷设避雷线加以防范，以镀锌角钢作为接地导体，采用分段和多点接地的方式形成可靠的雷电流泄放通路;其次，在线路当中应依据相关设计规范加装避雷装置，而且在变压器输入端安装避雷器，根据系统中被保护设备的额定参数合理设置整定电压，确保在雷电流入侵时快速响应并将其引入接地网络。

2.3 低压输配电线路的防雷保护

高山发射台的低压输配电系统直接向各种设备供电，由于电视发射机对电能质量的要求极高，所以合理设置防雷保护措施并保持系统电压的稳定性至关重要。首先，配电室内外需要有完善的接地网络，在室内设置环形接地系统并与机电设备的外壳、线路的接地导体相连，形成多点接地;其次，配电室的进线、配电柜和配电箱的电源线采用铠装电缆，或者将线路穿钢管后接地，以便防止电源线路受到雷电感应的影响。当使用铠装电缆敷设线路时，弯曲半径需控制在线缆外径的20倍以上。此外，在配电柜引入端、输出端及重要机电设备的电源输入端，分别设置浪涌保护器，形成分级防护并稳定电能传输质量。

2.4 防雷保护系统的检测与维护

由于高山发射台电视发射机在运行过程中处于高频高压状态，所以其室内外关键设备对电磁场的变化极度敏感。为了有效防范雷击导致的信号失真、数据丢失和自动控制系统误动等问题，在设计和安装防雷保护系统的同时，需要制定规范化的检测与维护技术方案，才能够确保所有防护措施都能起到预期作用。首先，需要对各部分接地线路的接地电阻进行规范化的测试，并且依据实际的气象变化情况调整检测频次，原则上过电流在2000A时，接地电阻应不超过2欧姆;其次，要不定期的对金属放电球、浪涌保护器等关键装置进行性能测试，采集阻抗等关键数据并评价其运行可靠性，在必要时采取维护措施。例如在雷雨天气过后，应校正金属放电球的间距，检查接地导体焊接等部位有无锈蚀及损伤，对相关问题及时加以处理。

3. 高山发射台防雷保护系统的设计要点

高山发射台所处地理位置、设备型号以及信号调制和控制网络的架构各异，所以具体的防雷保护措施应具有针对性，在避雷装置选型、接地网络结构设计以及防雷设施的布局方面，需要根据设备类型、地形地貌与气象条件进行优化，以便全面防范和控制雷电灾害带来的影响。

3.1 避雷装置的选型与安装

避雷针、避雷器以及分流和均压等装置是达到防雷保护目的的关键，在安装时需要结合被保护设备、线路的设计参数，根据对当地雷电活动规律的分析进行合理选型。首先，在发射台选址与布局过程中就需要考虑防雷保护问题，结合地质勘察、历史气象资料加以优化;其次在发射塔顶部应安装避雷针等接闪装置，而且设置单独的放电井，保障其接地电阻在2欧姆以内;最后，避雷器应根据被保护对象的特点进行选型和安装，在高压电源输入端采用具有自动控制功能的阀式避雷器，当过电压达到整定值时可自动切断电源，并且在雷击过后瞬间恢复供电;而低压配电系统则使用压敏电阻避雷器，依靠其高灵敏度保障供电质量和发射设备的运行可靠性。此外，配置于变压器等关键设备电源输入端的各级浪涌保护器的参数应经过精确核算，确保其起到分级保护的作用。

3.2 雷电流接地通路的设计及优化

构建可靠的雷电流接地通路是保护高山发射台电视发射机的前提，鉴于发射塔和技术场区间距较小，相对独立的接地系统之间形成电位差反击的概率极大，所以应优化接地网络的结构设计并有效控制电位差。首先，可以沿技术场区及发射塔周边布设架空防雷线路，将所有设施和设备都纳入到保护范围。以等间距设置架线杆的方式，用避雷线做为接闪装置，以镀锌扁钢作为接地导体实现多点接地，把雷电引入接地网络;其次，将发射台、机房等间距较近且相对独立的接地系统连为一体，把机房室内的环形接地系统、放电井的接地母线和外部接地网络的接地导体相连，避免在局部形成雷电流通路时形成过大的接地系统电位差。

3.3 线缆的屏蔽与分流保护措施

针对高山发射台室内外广泛分布的电力和数字信号传输线缆，应在有效屏蔽雷电感应的同时，采取分级弱化感应电流的防护措施，避免影响信号传输质量或者缩短设备的使用寿命。首先，在电力线路中采用架空避雷线将直击雷引入地下，并且在配电柜和机电设备的前端安装电涌保护器;其次，在发射天线及其信号调制网络当中，配备均压和分流保护装置，根据被保护对象的特点选择不同运行原理的装置，分流和逐级弱化雷击发生时侵入线路中的过电流和感应电磁场。

4. 结束语

全固态电视发射机的使用大幅提升了广播电视节目的品质，但系统对雷电灾害更加敏感，要想保障信號放送的稳定性和设备运行安全，必须根据当地的地形地貌与气象条件，对高山发射台的防雷保护系统进行优化;并且强化对接地系统的检测和维护，确保接地电阻等关键技术参数始终处于允许范围。

参考文献

[1]饶茂林，饶铖.对高山发射台广播电视发射机房的雷电防护的研究[J].西部广播电视，2017，000（013）：224，228.

[2]曾乐林，赖晓强.刍议高山发射台广播电视发射机房的雷电防护[J].数码设计：下，2019，000（008）：120-121.

[3]许艳鹏.高山无线发射台广播电视发射机房的雷电防护[J].电子技术与软件工程，2017，000（023）：P.97-97.