大功率中波馈线杆拉线防腐升级改造

吴少鹏

（国家新闻出版广电总局六四一台）

【摘要】 大功率发射机的天馈线系统在沿海地区的腐蚀问题，是困扰多时的问题，其中以馈线杆拉线的腐蚀问题尤为严重，我台在我局基层台间，首次在中波馈线拉线上加装DZ2型高频蛋形绝缘子和设计倒T型结构的重力式地锚，使问题得到根本地、有效地解决。本文主要介绍了馈线杆拉线的腐蚀原因，DZ2型高频蛋形绝缘子和倒T型结构的重力式地锚的设计方案以及针对沿海地区风多力大，时有台风天气的特点，深入分析了工程改造后的抗风等级。【关键词】 馈线杆拉线 防腐 重力式地锚 蛋形绝缘子 1.引言对于沿海特殊的地理环境，金属特别容易受到腐蚀。根据以往各基层台的维护经验，当发现大功率中波馈线杆拉线腐蚀问题时，均采用更换拉线的方式，而拉线被埋于地下2米深，需要动用挖机，这将投入大量的人力成本，且可能破坏馈线杆自身的地基，造成倾斜而不利于馈线的阻抗匹配。又因为各台配备的天线工一般2到3名，面对如此多的拉线，只能保证一个月检查一遍，这使得腐蚀问题不能被及时的发现，存在着安全隐患。那么有没有什么方法可以解决这些问题呢？经多方面研究分析，我台制定了《大功率中波馈线杆拉线防腐升级改造方案》，并且在两年多以来的应用中，证实了改造方案的成功。 2. 大功率中波馈线杆拉线防腐升级的特点分析1）经济上：前期投资小，重力式地锚不会坏，可长期使用无需更换，维护量少（只需定期在重力式地锚耳环金属部分涂防锈漆），节约大量人力资源。2）技术上：馈线杆拉线的腐蚀主要有电化学腐蚀和电解腐蚀，发生这两种化学反应的必要条件有直流电源、电解质、闭合回路和两个电极等，通过去除这两种腐蚀的必要条件，就能彻底根治馈线杆拉线腐蚀问题，本文就这一解决方案作了详细叙述。3）应用上：三年来腐蚀问题不再发生，实践证明，大功率中波馈线杆拉线防腐升级的成功，是值得推广应用的。4）可靠性：重力式地锚抓地更牢靠，使馈线杆更不易受外力影响而倾斜，保证了各段馈线内圆和外圆的同心、等距关系，使馈线的特性阻抗不偏移。 3. 大功率中波馈线杆拉线防腐升级的综述分析3.1 改造前馈线杆拉线状态分析和腐蚀问题分析改造前的馈线杆拉线示意图如（图1）所示。由图1可知，腐蚀点为深埋于地下的拉线拉杆和地锚拉杆夹板的耳环。那么馈线杆拉线到底有什么作用，这样的腐蚀问题存在哪些危害，又是什么原因造成了腐蚀呢？3.1.1 拉线的作用大功率中波馈线一般采用不平衡同轴多线式馈线。调整拉线可以保持馈线支撑杆的垂直度和馈线线间距离，可使馈线转弯角度合适，达到保持馈线的特性阻抗符合设计要求的目的。

图1 改造前馈线截面图和立体示意图

公式:为不平衡同轴多线式馈线特性阻抗的计算公式。其中：h为馈线中心点离地高度；R₁为外导线围成圆的半径；R₂为内导线围成圆的半径；r₁为外圈导线的半径；n₁为外圈导线的根数；r₂为内圈导线的半径；n₂为内圈导线的根数。通过公式可以知道，不平衡同轴多线式馈线内外圆的物理形状是构成馈线特性阻抗的一个重要因素。拉线不仅对馈线起着平衡水平分力的作用，还用于调节馈线内圆和外圆的同心、等距关系，从而保证馈线系统的特性阻抗不偏差。3.1.2 腐蚀的危害1）当腐蚀严重到地锚拉线夹板耳环与拉线拉杆分离时，则馈线杆两侧受力不均匀，馈线内圆和外圆的同心必然出现位移，造成馈线系统的特性阻抗偏移。若再发生台风等恶劣天气，在外力作用下，馈线杆将可能倾斜，严重时将有吹倒馈线的可能。2）在过去，要更换一条拉线拉杆，需要用挖土机将周围土壤挖开，然后进行更换。因馈线杆的地基距拉线拉杆处较近，将受到影响发生位移而倾斜，这也将造成馈线系统的特性阻抗偏移。3.1.3 腐蚀的原因对于埋入地下的拉线拉杆和地锚耳环的腐蚀原因有多种可能，但经过对腐蚀严重的拉线拉杆分析可知，主要由电化学腐蚀和电解腐蚀造成。1）电化学腐蚀在潮湿和含盐丰富的沿海土壤中，NaCl溶液成为电解质，因为NaCl溶解在水中，会分离出钠离子、氢氧根离子和氯离子，氯离子是一种穿透能力极强的腐蚀介质，能渐渐破坏钢铁表面的钝化层，让里面的金属铁暴露在电解质中，这样有钝化层和无钝化层的部分，存在着电位差，就构成一个微小的原电池。原电池中的铁（Fe）为负极，碳（C）为正极发生氧化反应，公式为:负极：Fe=2Fe-4e=2Fe⁺；正极：C=2H₂O+4e+O₂=4OH^-；得总方程式：2Fe+O₂+2H₂O=2Fe(OH)₂，生成氢氧化亚铁Fe(OH)₂，生成的氢氧化亚铁被继续氧化成铁锈Fe(OH)₃。由于氯离子（CL^-1）呈酸性，这使得铁锈更易于溶解在电解质中，从而加速了电化学反应的过程，使腐蚀反应加快。2）电解腐蚀因为中波馈线外圈并不完全屏蔽，所以有一部分电流以大地为回路流回发射机，为了减少能量的损耗，设计时，都在沿馈线走向的地下30cm处敷设四根铜导线以提供良好的电流回路。由于整个中波馈线系统全部暴露在空间，它们都能够接收来自馈线上泄漏出的被音频调制的高频电磁波。而被音频调制的高频电磁波，可以认为是非正弦波，非正弦波的傅里叶级数表达式为：f_T=A₀+A_m1sin（ωt+ψ1）+ A_m2sin（ωt+ψ2）+……+ A_mksin（ωt+ψk）上式中，第一项A₀称为f_T的直流分量，它通过馈线拉线->拉线拉杆->地锚拉杆夹板->馈线地线->发射机组成闭合回路；馈线架设的沿途是盐滩，含有丰富的水和氯化钠（电解质）；馈线地锚拉杆夹板含有铁和碳，相当于两个电极。这样，我台中波馈线地锚拉杆夹板的腐蚀已经满足电解腐蚀的四个条件，即直流电源（A₀）、电解质（NaCl）、闭合回路和两个电极。从挖掘出来的地锚拉杆夹板表面的腐蚀情况可以看出，主要还是电解腐蚀。3.2 防腐升级改造方案清楚了腐蚀原因之后，我们提出了具有针对性的防腐升级改造方案。改造后的馈线杆拉线示意图如（图2）所示：

图2 改造后馈线截面图和立体示意图

方案的两大特点主要是针对电化学腐蚀，设计了重力式地锚；针对电解腐蚀，设计了DZ2型高频蛋形绝缘子。3.2.1 重力式地锚的设计重力式地锚如（图3）所示，由图可知重力式地锚尺寸分别是底座：900×900×150mm3；中柱：400×400×1450 mm3；耳环：内径R=200mm，钢筋直径φ=20mm。设计上，去除了原拉线拉杆，使金属连接部分与土壤完全隔离，如图3中A线为重力式地锚刚好露出地面的水平线位置，A线距顶端的距离是100mm，特地使重力式地锚露出100mm的目的是使耳环与拉线的接触部分暴露在空气中，排除电解质和氯离子（CL^-1）的影响。采用大面积的底座，可以增加抓地力，保证牢固性。那么该重力式地锚有多牢固呢？已知ρ_{钢筋混凝土}=2.5-2.7t／m3；ρ_土壤=2.6-2.8t／m3。现取ρ_{钢筋混凝土}=ρ_土壤=2.7t／m3；不考虑露出地面100mm的部分，计算埋于地下的重力式地锚和底座垂直向上周围土壤部分的体积V=0.9×0.9×1.6=1.296 m3。则重力式地锚和垂直方向上周围土壤的总质量m=ρ×V=3.5t；因此，重力式地锚和周围土壤垂直方向上的重力G=mg=3.5t×9.8m／s2=34.3×103N。

图3 钢筋混凝土重力式地锚

因为是针对重力式地锚的牢固性问题进行的讨论，现忽略馈线杆的机械形变、馈线的拉伸形变、土壤摩擦力等不稳定因素，且假设高频蛋形绝缘子、拉线、地锚耳环、馈线杆的机械强度和土壤对地锚的水平作用力足够大。当馈线受到最大风作用力时，风向取固定水平侧风F，如（图4）所示。

图4 馈线的受力分析示意图

在A处的受力分析情况是，水平侧风力F、馈线杆支撑力Fz、拉线拉力F1受力平衡，已知馈杆与拉线的夹角为45°，则F=F1×cosθ=F1×cos45° （1）此刻是重力式地锚为刚好要离开土壤向上移动时，则土壤垂直作用力Fc=0，那么B处的受力分析情况是，拉线拉力F2、地锚重力G、土壤对地锚的水平作用力Fs，受力平衡，已知拉线与地锚的夹角为45°，则G=F2×cosθ=F2×cos45 （2）之前已算得G=34.3×103N，且F1=F2，则由（1）、（2）得，能承受的最大风力与地锚重力的关系为：F=G=34.3×103N （3）以中波1000KW为例，馈线的内、外馈对称式排列，芯数均是24芯，每15°一条馈线，馈杆间距离18m，馈线线径φ=6mm，每两段馈线有一组拉线，也就是说，中波1000KW馈线是以两段馈线、一组拉线、一组重力式地锚为一个单位进行组合排列起来的，现取一个单位进行分析，当馈线受到右侧水平风F作用时，内、外馈分别只有13芯的馈线受到风力作用，若将每条馈线的受力面近似为长方形，那么受力面积：S=(13×2)×0.006m×(18m×2)=5.616 m² （4）由（3）、（4）得，馈线所受到的风压：Wp=F/S=34.3×10³N/5.616 m²=6.1 KN/m² （5）已知风速估计风压的通用公式为Wp=V²/1600，所以解得，最大风速 已经查阅得，17级风力相当于56.1-61.2 m/s的范围内。综上所述，重力式地锚的牢固性，有着较大的裕量，两年多以来的使用也证实了其牢固性。更主要的是，重力式地锚有效的隔绝了NaCl溶液对金属构件的影响，使得电化学腐蚀和电解腐蚀必须的电解质得以隔离，达到了防腐效果。3.2.2 DZ2型高频蛋形绝缘子这种DZ2型高频蛋形绝缘子的材质是电瓷，形如鸡蛋，机械强度高，表面光滑，自净能力强，抗污闪性能强。它最早应用于短波馈线，对高频电流的隔离效果非常显著，可以有效的将高频电流沿着馈线拉线->拉线拉杆->地锚拉杆夹板->馈线地线->发射机组成的闭合回路，在拉线处隔离，使电解腐蚀不发生反应，达到了防腐效果。3.3 后期维护改造后的重力式地锚，基于钢筋混凝土的优良特性，埋入地下的部分是不会腐烂的，但需要注意的一点是，地锚上面安装有耳环，是涂防锈漆的钢筋材料，虽然重力式地锚已经露出地面100mm，有效防止了耳环与拉线的接触位置与盐碱性土壤的接触，但如果防锈漆脱落，时间久了，会出现铁锈。若不及时处理的话，铁锈会越来越多，使得耳环的钢筋截面面积减小，拉力减弱，而且产生的铁锈会体积膨胀，如果铁锈蔓延到钢筋混凝土内部的话，会造成混凝土开裂、剥落，使水分容易渗入，加速铁锈的形成。

图5 重力式地锚耳环上涂防锈漆

所以需要定期处理耳环上的锈斑，并重新涂上防锈漆，如（图5）所示。总体来说，改造后的重力式地锚是基本免维护的，只需要在日常天馈线巡视的时候，多留意下耳环上的锈斑，重力式地锚基本不会出现问题。而对于高频蛋形绝缘子，因为其优良的抗污能力，只需要定期检查蛋型绝缘子的好坏，若发现有裂痕及时更换即可。 4 总结自改造后的两年多以来，大功率中波馈线杆拉线防腐升级改造的防腐效果，达到了预期的目标，非常适合沿海地区和内陆盐碱地区的大功率中波馈线系统的实际应用，是值得推广应用的好经验。 参考文献张学田，尤巩圻，刘洪才,发射台的天线及馈线系统，广播电视技术手册第6分册, p1254-1410 编辑：中国新闻技术工作者联合会