全固态中波发射机的防雷保护设计与研究

【摘要】近二十年来，随着中波发射机的制式的不断改进，发射机的结构也发生了巨大的变化，对防雷的要求也就更加严格。本文对中波发射台的防雷保护原理作了概述和分析，从发射机、发射天线、天线调配网络等几个方面，以保山702台的防雷改造措施为例，对中波发射台的防雷作了一个有益的探索。

【关键词】全固态中波发射机；雷击；地网；天调网络；静电泄放

一、雷电的危害

雷电是一种大气中带有大量电荷的雷云放电的结果。雷电的危害作用，是通过电磁效应、静电感应等造成房层建筑、工业设施、电气设备的烧毁、爆炸和崩塌。雷击、感应雷击、电源尖波等瞬间过电压已成为破坏电子设备的罪魁祸首。从大量的发射设备雷击事例中分析，专家们认为：由雷电感应和雷电波侵入造成的雷电电磁脉冲（LEMP）是发射设备损坏的主要原因。所以说防雷电保护技术是中波发射台十分重要的问题。

二、发射机的防雷

我台是一个实验和中波两台合一的发射台，共转播两套实验节目和两套中波节目。现用的全固态发射机抗干扰性能差，易击穿，如果受到雷击，就会大量烧坏管子危及安全播出。针对上述情况，在发射机内部进行以下几种防雷保护措施：

1.功放电路的设计上，尽量减轻功率放大管的负荷，使之有足够的冗余。当天线有不规则电压、电流馈入时，快速驻波比保护电流合成器及直流电压供电部分在极短时间内将发射与天线断开，以免受到损害。此外，全固态发射机的匹配网络不仅有阻抗匹配作用，而且有抗雷击作用。设计网络时，恰当选择元件值，控制负载短路时等效到功率合成变压器输出端的等效负载阻抗的电抗性质和阻抗值，就可以对功放模块进行有效的保护。调整好功率驻波比、天线驻波比、过流保护、过压保护等装置。全固态发射机保护系统，一般采用压敏电阻和放电管组成的避雷电路。雷击时，，虽然压敏电阻经常被击穿，但从一定程度上保护了发射机。

2.电源系统的防雷。因为雷电袭击可能非常大，所以对于输入电流的保护必须要从楼外至发射机输入端进行分段递减保护。如果发射台的设计合理，闪电电流是无论如何不能到达发射机内部。但可变电阻公是为保护低过压而设计的，并不能作为整个机器的雷电保护。为防止雷电从电源系统进入发射机，首先在机房高压进线处，安装一套阀式避雷器，这样台对冲浪高电压、电流对泄放。此外在电源进线系统低压配电盘处，我们安装了一套真空放电装置，压敏电阻避雷器，从而对电源架空线遇雷击时起到可靠的保护作用。

3.整个发射机房的地网进行了重新铺设，并与射频地相连接，各部发射机箱就近接地。在有关高频同轴电缆接头处加装合适的高频同轴避雷器。为防止雷电从电源进入，在机房高压进线处，安装了一套阀式避雷器，这样可对冲浪高电压（电流）对地泄放，从而对电源架空线遇雷击起到可靠的保护作用。

三、发射天线的防雷

一般情况下，中波发射天线是附近最高的建筑物，我台的发射天线是76米高的桅杆天线，其底座与大地绝缘，因而很容易招引雷电。雷击时一方面通过天线铁塔感应雷电后，再通过主馈线引入发射机；另一方面可能从避雷针引入地后又反馈到机器设备里。因为雷电流瞬时值非常巨大，如果接电阻大，引入地的雷电流一下子不能消失，反而会在大地中乱窜，被地网引入机器设备中。当天线感应到雷击电涌而使发射机负荷状态变化时，由于发射机在保护动作发生前，自身输出功率的能量会在机内各部门产生过大的瞬态电压、电流，以致使功放模块中的场效应管损坏。如果天线没有得到良好的保护，那么由它引入的雷电将对发射机产生很严重的破坏。雷电的破坏主要是大电流，减小强大电流的措施有以下两条：（1）减小地网接地电阻。天线地网为射频信号提供回路，同时也为雷电提供通畅的入地点。（2）是接地要讲究，地阻越小、分流越小，因此，必须只有一个接地点，机房设备也必须集中接地，并同铁塔地网成为一体。通常天线地网一般在发射台建设时铺设，以发射天线底部为起点，用120根2～3mm铜线铺设，每根长120米，每3度一根，向周围以放射状均匀铺设而成。这种接地法，对现在的全固态发射机来说，并不是很理想。最好是在塔基专门做一个地井，地井深4米左右，面积两平方米，埋上长2米、宽1米、厚5毫米的铜板，加上降阻剂、木炭、铁屑、食盐等。铜板上再引一块铜皮，接在放电球地端引线上，并与120根地网相联接，这样对雷电起到更可靠的入地通路。

四、天调网络的防雷

天线的防雷措施只能减小雷电强大电流的冲击，要确保发射机的安全，天调网络中还需采用多重防雷措施，主要有以下几种，如图1所示。

1.石墨放电球

图中，除了在天线底部安装金属放电球CAP外，在调配室里再接入一对ZZ石墨放电球，其间隙根据塔底电压来调整。ZZ是一对圆柱形石墨放电球，它有良好的放电特性，其放电电压的变化随着面积的增加而降低。圆柱形石墨放电球的应用，减少了天线基座上雷击引起的放电电压的变化，这种变化的减小，可以避免发射机功率放大器中使用的半导体器件的损坏，也减少了由发射机在保护动作发生前由本身输出功率引起的放电的次数。石墨放电球的间隙，原则上为1mm/kV。石墨放电球的一端应良好接地，在接地端再串套40～50个小磁环，发射机正常工作时，它不起任何作用，但当天线受雷击拉弧短路，而发射机保护动作发生之前，可以提高发射机的短路阻抗，从而保护了发射机。因雷电的主要能量是直流和低频，所以，它也不影响雷电的入地通路。

2.微亨级的电感线圈L0

考虑到雷电的主要成份是直流，因此在天线输入端并接一只约60～100μH的微享级电感线圈入地，线圈对雷电流构成了良好的下地通路，可起到直接泄放巨大的雷电流作用。

3.隔直电容器C。

C。起了隔离的作用。由于雷电的能量集中在低频和直流部分，C。为了防止雷电的能量通过天调网络进入发射机。该电容器的电容量一般为1000～3000pF，由于是防雷器件，所以伏安量，耐压值趆大趆好。更换时不要随意改变原有电容器的规格。当然，发射机输出功率越大时，C。选用的伏安量也应该越大。

4.应用相移网络

一般发射机的天线调配室，采用上述3项防雷措施后，都可能得到比较满意的防雷效果。但对全固态发射机而言，还进行了抗雷击网络设计，即为防止雷击放电引起负载短路时，在功放电路里产生过大的瞬态电压、电流，把阻抗微调电路设计成移45度的网络，当负载短路时，功放侧的等效阻抗呈感性，这样在驻波比保护动作发生前，功放的电流可控制在正常值的1.5倍以下，电流、电压也都在元件允许的安全范围内，有效地保护了固态功放不受雷电的侵袭。为了充分发挥抗雷网络的作用，要求当天线塔基短路时，发射机高频网络的负载阻抗也相同变化，以保证发射机出口处也是短路状态。

设计防雷移相网络时必须知道从机器出口至天线塔基的整个链路的相移量，由于环节比较多，各环节的相移计算比较繁琐，在实际施工中除了采取计算外，也可以采取测试法即在整个链路调整基本就绪后，然后把塔基短路，在不接入相移网络的条件下于机器出口处测出阻抗值并从抗圆图上找出相位角，然后再设计和接入相移网络，并在机器入出口处测阻值，此时机器的出口处应为短路状态，如不对，应微调之。

5.天调网络的改造

我台的10KW天调网络是一个双频共塔网络，共频频率是：576KHz和1359KHz，如图2所示。原来网络中，C1，L2并联谐振在1359KHz上，起阻塞作用。同样C2，L4并联谐振在576KHz，也起阻塞作用。L0为微亨级防雷电感，ZZ为石墨放电球，C0为隔直电容，已采用了多重防雷措施。但于5月份调试使用后，经常出现发射机过荷现象，经多方检查和日常观察，发现过荷现象多出现在打雷天气。因此我台技术人员决定给天调网络再加一道防护墙，分别在576KHz（左）和1359KHz（右）的各支路上加了一节对地的LC并联谐振回路，如图2虚线部分所示，分别让L10和C8并联谐振在1359KHz上，C7和L9并联谐振在576KHz上。利用我台现有的材料，取C8=3310PF，18KVA的耐压，C7=800PF，18KVA的耐压。

根据LC谐振网络的特性，=

得出L=

则有L10=4.14µH

L9==9.55µH

网络配好后，又进行了一次热调，各自从576KHz和1359KHz的射频输出端取样出射频信号，加到两个谐振回路上，用示波器看网络两端输出，阻塞良好。最后将两个谐振回路加到天调网络与馈线之间。安装时，为减少电感与电容之间高频电磁场互相影响，L9与C7、L10与C8互相垂直安装，电感抽头的引线在线圈内部走。因为雷电流主要集中于低频部分，L9、L10可以很好的泄放瞬间的电脉冲，而根据并联谐振回路特性，在谐振频率上阻抗无穷大，因此加入此回路不会影响天调网络的阻抗。安装完成后，开发射机，适当调整发射机的两个阻抗微调旋钮，使其反射批示为“0”。测量发射机的三大指标均在甲级。

通过上述的防雷保护和改造后，我台几部发射机工作较为稳定。在今年7、8两个月期间雷雨天气较多的情况下，发射机也没有再出现过功放场效应管大量烧坏。偶尔有过几次过荷、反射超限等现象，但复位后发射机仍能正常工作，没有造成发射机停播事故。这说明通过采取各种防雷措施，特别是通过对天调网络的改造后，我台的发射机防雷效果有显著提高，达到了预期的效果，改造很成功。当然，所有工作的展开都必须建立在接地电阻良好的基础上。如果接地电阻不符合要求，所有工作都是徒劳。这也是我台今后防雷工作的一个重点。因为我台的地网是铺设在农耕田里，长年的耕作，地网可能已遭到一定程度的破坏，接地电阻达不到要求（R小于4欧姆），这样即使其他方面防雷做的再好，也起不到保护发射机的作用，在今后的技术维护工作中必须改善，才能确保发射机的正常运行，完成好“三满”播出任务。

参考文献

[1]陈晓卫主编.蒋泽汉主审.全固态中波广播发射机的使用与维护[M].中国广播电视出版社，2002.

[2]蔡南先.电波与天线[M].中国广播电视出版社，1992.

[3]蔡南先.电波与天线[M].中国广播电视出版社，1992.

[4]广播与电视技术.2006第11期，2007第7期.

作者简介：包娟，女，云南省广播电视局保山702台工程师。