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通天雷神

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通信线路的雷电过电压及抑制措施

译自日本?最新防雷电技术措施 中国航天建筑设计院 李承耀译

［摘　要］随着多媒体技术的迅速发展，通信装置大量使用交流供电。这些装置由于从交流供电线路和通信线路侵入雷电电涌，其防雷措施是重要课题。本文叙述了关于感应雷和建筑物直击雷在通信线路上产生的雷电电涌的电压和电流特性。同时介绍了目前使用的：①等电位法?②旁路法?③隔离法等抑制雷电过电压的保护措施。
1 概 述
　　一般晶体管或集成电路IC的工作电压只有几伏左右，因为由雷电感应的电压高达几百伏至几万伏，不仅击坏通信装置，也会出现中断通信工作的重大事故。
　　目前，通信装置大量使用交流供电，这些通信装置由于从交流供电线路和通信线路侵入雷电电涌，其防雷措施是重要课题。
通信装置遭受到雷害有两种：
　　一种是感应雷雷害：当落雷到通信设施附近的场所时，就会产生一个强电磁场，就有在通信线路上感应一个非常高的感应电压。因为该感应电压会传送到通信装置，会击穿电子回路而发生通信装置误动作等雷害。
　　另一种是直击雷雷害：当落雷到天线铁塔或者建筑物顶的避雷针时产生的一部分雷电流直接流入通信装置，由于产生的电位差而损坏通信装置。
　　对这些雷害的基本保护措施是：①等电位法，②旁路法，和③隔离法。
　　本文的重点是：对用户住宅内的通信装置以及通信中心大楼的通信装置所发生雷害的机理及其防雷措施的事例进行介绍。
2 感应雷电涌侵入通信线路及其防雷措施
　2.1 通信线路上产生的感应雷电涌电压
　　如果发生了落雷到通信电缆附近时，因为大地不是完全导体，就产生垂直电场和水平电场。沿电缆的长度方向，将这两个电场进行积分计算出的电压就是通信电缆终端上的感应电压。图1示出了通信线路的雷电感应电压的观测结果。用户住宅内通信线路终端以及通信中心大楼内通信线路终端发生的感应电压的频率近似值见公式（1）和（2）：
NS=0.6×105×V－1.8?1?
NC=0.36×104×V－1.8?2?
式中：Ns--用户住宅内通信线路终端发生的感应电压的频率（次数/用户，雷雨日数）；
Nc--通信中心大楼内通信线路终端发生的感应电压的频率（次数/用户·雷雨日数）；
V--感应电压的峰值（V）。
　　图1的波形示出了用户住宅内通信线路终端和通信中心大楼内通信线路终端处观测到的感应电压波形的平均值。
通信中心大楼通信线路终端的雷电感应电压大约是用户住宅内通信线路终端的雷电感应电压的1/5以下。通信电缆内的心线与相对于塑料外层的铝金属层，无论怎样的连接到通信装置上，都会产生不同的效果。
　　图2（a）为通信电缆的外套要接地到已离开的大地场所，只有将通信线路连接到通信装置上。由于雷电在通信线路上感应产生的雷电电涌电流只能流入通信电缆外套的接地点，这时，接地线上有接地阻抗，在接地点的电位会升高到几千伏至几万伏。电缆外套与通信线之间产生几百伏至几千伏的电位差（但是Vb<<Va），其结果，通信装置上的电压为Va＋Vb。
　　但是，图2b的电缆通信外套的接地线也连接到能信装置的接地线上，通信装置的电子回路的电位，只施加了通信电缆外套与通信线之间的电位差Vb，比图2a的电压Va＋Vb会大大地减少。
　　进行这种接地连接的等电位法，也称为接地综合或联结，这是对防雷措施的最基本考虑方法。对于要用数根有数十对通信线的引入通信电缆的大型用户来说，通信中心大楼的通信电缆终端的电缆外套与通信装置的接地方式见图2b，只用1～2对通信线的小用户，可用没有金属外套的引入通信电缆。这些小用户住宅内的通信装置是否用通信中心大楼的通信电缆终端这样的接地方式，是今后应考虑的一个课题。
　　其次，通信装置的耐雷电流能力增强到什么程度是通信装置设计中一个很重要的课题。
　　图1示出了有关雷电感应电压的发生频率的宝贵数据。受到只有几千伏雷电感应电压的住宅内通信装置连接到用户通信线路终端时，即使只有一天的雷雨日，可以预计受到雷电损坏的比率为百分之几。实际上，设计中要考虑通信装置的销售量和经济性，在设计中采用其耐雷电流能增强到什么程度，对于耐雷电流能力较大的通信装置，雷电故障可减少1/4左右，即使不太多，只要有较大的雷电流能力，实现可靠性高的通信装置，也是重要的。
　2.2 使用交流电源的住宅内通信装置的防感应雷措施
　　如上所述，从通信线路或交流电源线路侵入的感应雷电涌经过通信装置的接地系统流入大地。为此，当考虑到防雷保护时，接地系统的构成是重要的课题。有关在住宅内使用交流电源的电话机或传真机，日本用的接地系统见图3。有通信电缆的外套用电线焊旁的接线端子箱进行接地，设置有保护装置内避雷器的接地和住宅内通信装置的D种接地，这些接地要分别进行设置。另外，交流电源的一根电源线在柱上变压器上进行接地，也是单独接地。
　　其次，考虑到在通信线上产生雷电感应电压的场合，按照图2（a）接地方式的同样理由，与D种接地点或交流电源之间产生了较大的电位差。通信线路的保护装置可用作第一次的防雷功能，因为，其接地电位上升，该上升的电位部分施加在住宅内通信设备上。在这种场合，与雷电感应电压发生在交流电源上的情况是一样的。
　　这个防雷措施是：根据等电位法的基本防雷措施，通信电缆与商用电源接地线进行相互连接。但是，在用户住宅内，通信电缆与商用电源接地线进行相互连接一般是困难的，而是如图4的通信线与D种接地点以及电源线与D种接地点之间应插入一个避雷器，采取了当雷电涌侵入时具有等电位的防雷措施。这种防雷方法称为旁路法雷器法。通常，避雷器实际装在每个住宅内通信设备内回路插件上。如果，通信设备会遭受到重复雷击的情况，要加强特别的防雷措施的场合，而且，构成外接旁路回路，具有多段的防雷措施。
　　图3的避雷器，大致在超过某个阈值电压时处于短路状态。这时避雷器采用消去电位差的气体放电管，氧化锌变阻器，和半导体器件等。此外，为了具有使雷电感应电压不能侵入的隔离功能，就要用隔离变压器。如果，这个隔离变压器的性能是非常好，能隔离掉雷电感应电压的侵入，成为一个有效的防雷措施。但是，隔离变压器要能耐几万伏电压性能的技术还有困难，其体积较大，又不经济等理由，与其在雷电侵入路径上采用单台隔离变压器作为防雷措施，还不如在最初的旁路接地线路上采用避雷器的防雷措施，如用这种旁路法防雷不能防止雷电电压侵入的话，最实用考虑的防雷方法，是采用隔离变压器作为第二级防雷措施。
　　图4示出了等电位法、旁路法和隔离法等基本的防雷考虑方法，也是对PBX雷害的一个防雷措施。首先，为了对MDF（配线架）或PBX（用户小交换机）等进行等电位连接，用接地棒进行单点接地系统。从通信线路侵入的雷电电涌，从配线架（MDF）的避雷器经过接地棒流入大地或交流电源而构成旁路。一方面，与从交流电源侵入雷电电涌的防雷方法是一样的，旁路法是主要的防雷措施，用隔离变压器作为补充的防雷措施。
　　最近，随着多媒体社会的发展，急剧增加了ISDN（综合业务数字网）线路的住宅内通信装置，使用金属通信线路时，要采用同样的旁路回路的防雷措施。这种场合，因为，与其用从来的模拟电路，不如用高频信号，对高频信号不会给予坏影响的电气性能是必要的。而且，对于雷电电涌要有快速的响应动作也是必要的。对于DSU（数字交换单元）或终端适配器，可采用安装在外接旁路回路上的防雷设备。
　2.3 通信中心大楼的通信装置的防感应雷措施
　　通信中心大楼的防感应雷措施基本上有必要采用住宅内通信装置用的同样的防感应雷措施。其中有点不一样的是：通信电缆的根数较多，又是大型通信装置。为此，每个通信装置不会安装旁路回路，在通信线路一侧的整个引入电缆上插接有避雷器，一方面，在交流电源线一侧，引入建筑物的这部分电缆上插接有避雷器，通信线路的接地线与交流电源线的接地线还要进行相互连接，见图3和图4的接地方法。通信线路侧用的避雷器，对于数字电路要用PnPn避雷元件，交流电源线用的避雷器采用氧化锌避雷器。
3 通信中心大楼的直击雷害及其防雷措施
　3.1 由于通信中心大楼的直击雷害使通信线路上产生的雷电压和雷电流
　　直接雷击到一般家用住宅的现象是非常罕见的。在通信中心大楼或雷电较多的山顶无线中继所，由于遭受到直接落雷，大楼内通信装置会发生故障，也会有大范围的雷电故障。下面列举两种直击雷害的事例：
　3.1.1 侵入大楼内的雷电流带来的影响
　　直接侵入到避雷针上的雷电涌电流会流入到大楼的钢筋和钢结构上，会发生下列现象：
（1）一部分雷电涌电流流入通信装置；
（2）在大楼以外场所的通信装置之间会产生电位差；
（3）大楼内配线用的通信电缆上产生感应电压；
　　就会有损坏通信装置的电子电路的情况。
　　随着通信中心大楼的通信装置的数字化和大规模系统化，提出了这样的一些问题，日本的スイス电话公司可能进行有关通信中心大楼内雷电流分布等课题的研究。在日本国内，即便是开始对天线铁塔或通信中心大楼模型进行雷电涌电流的数学分析的实验，今后，必须用数学分析说明清楚的课题有很多已留传下来了。作者用通信中心大楼的缩小模型的同时，开始在实际的钢筋混凝土大楼进行研究，至今，例如：侵入100KA左右的雷电流，每层楼可能产生几千伏的电位差，这样，可以得出在大楼内配电系统会产生几十伏至几千伏的感应电压。
　3.1.2 从通信中心大楼流出到楼外的雷电流带来的影响
　　由于直击雷电流从通信中心大楼流出到楼外而进入大地时，因为该大楼的接地电位会上升，来自连接到远处的配线的通信电缆或交流供电线路雷电涌电流流出到楼外时，会损坏在通信电缆或交流供电线路的引出大楼分支点上的避雷器的情况。
　　过去，这些雷电涌电流有多大是不清楚的。近年来，对在日本北陆地区的冬季雷的直击雷电流进行同时观测，可以得出的数据是：流过通信电缆的直击雷电流大约为10～15％，流过交流供电线的直击雷电流大约为30～40％。对于通信电缆，流过金属外层的雷电流为80～90％，而通信电缆内心线数量又很多，流过每根心线的雷电流可以确认是非常小的了。
　　关于研究这样的通信中心大楼直击雷电流的历史是短的，留下来的研究课题是很多的。今后，更有必要积累研究和观测数据，根据这些数据考虑系统性防雷措施很有必要。
　3.2 通信中心大楼的直击雷的防雷措施
　　首先，关于上述第3.1.1条的侵入通信中心大楼内的雷电流，它的防雷措施的代表性示例见图5。在该通信中心大楼内，接地干线设计有一条低阻抗的接地母线，将每层楼的通信装置连接到这条接地母线上，谋求有等电位化。通信装置有两种接地构成方法，一种方法是集成接地法，尽可能分散侵入通信装置的雷电流，这样，将等电位化作为重点的接地方法，以便将电子回路与通信装置之间发生的电位差抑制到最小的程度。这种方法采用了波导管，同轴电缆将天线和通信装置连成的从来无线和传输装置等，用螺钉固定在不需要绝缘的结构或地面上。特别是，如同山顶中继所这样直击雷频率高的大楼，在通信装置的四周设计有低阻抗的接地导体（形路接地），将通信装置连接成网格状，可抑制在通信装置上发生的电位差。
　　第二种接地方法称为隔离接地法，以隔离作为重点的接地方法，以便使雷电流不得侵入大楼内。使通信装置与大楼的柱子、墙壁、地面、周边装置等进行完全隔离之外，通信装置间的接口电缆采用隔离变压器进行直流隔离。这种隔离接地方法适用可靠性要求高的数字交换机等。最近，采用光纤电缆的无线和传输装置与通信装置间进行相互隔离，与地面也要隔离。要采用这种隔离接地方法的通信装置越来越多了。这种隔离接地法，因为与周边不能有完全隔离，达不到防雷措施的效果，有必要以维护工作进行考虑。
　　最近，采用更多的是将隔离接地与集成接地相结合的技术，一方面，数字交换机要与地面上的钢筋进行隔离，另一方面，用网格状接地线将地面与交换机进行连接。这种网格状接地线只采用单点接地法。随着通信系统的高度信息化，在同一个楼层上，就会有各种不同接地系统的通信装置混在一起，将过去的无线装置，传输装置，与交换装置要区别开是困难的，不用说在防雷措施的观点上，还包括EMC（电磁兼容）或通信装置的动作特性等方面，能采取协调的功能的防雷措施设计很有必要的。
　　从3.1.2条的从通信中心大楼流出到楼外的雷电流来看，这时，主要是该大楼的接地电位会上升，有必要采用以下二个防雷措施：
（1）只要该大楼的接地电阻是小的，就会防止接地电位上升；
（2）只有提高通信设备的耐雷电流能力，以便使从大楼流出的大雷电流不会损坏通信设备。
要降低第（1）项的大楼的接地电阻，就要增加经费，因为接地电阻没有几欧姆左右，就没有好的防雷效果。通常，多实施第（2）项的提高通信设备的耐雷电流能力。
　　图6的山顶无线中继所的防雷措施示例，交流电源用的避雷器过去采用的是绝缘P阈形，其耐雷电流能力，对于8×20μs的雷电涌电流波形只有15kv，当直击雷电流的一部分侵入山顶无线中继所时，会产生容易烧坏的问题。为此，采用具有2倍耐雷电流能力的氧化锌避雷器，在多处设置这种避雷器，在雷电流集中的场地内通信杆上，氧化锌避雷器如并联安装可改善耐雷电流能力。
　　关于通信电缆，如通信电缆的引入段上的避雷器被烧坏的话，就会在电缆的心线之间，以及心线与外层之间发生绝缘击穿的问题。为此，要采用粗的心线，和多对通信电缆，见图6，为了降低流入电缆内的电流，沿电缆配线的旁路用的接地线（远方接地线），将支撑电缆的钢线进行多点到通信电缆的外层上，尽可能，不要将雷电涌电流流入电缆内。同时，将避雷器（电缆保护装置）插入电缆的中间连接点处，实施了消除在电缆内各条心线之间以及心线与外层之间的电位差的防雷措施。
4 结束语
　　自古以来，我们一直进行研究雷电技术的历史，防雷措施仍然实施多年以来的研究结果和经验。但是，随着通信装置的多样化，高度信息化，更加敏感的反应在雷电涌等过电压方面，就有更高的防雷技术要求。通信装置的故障情况逐渐也在变化，仔细把握它的故障形态，要从定量方面明确雷害发生的机理以及雷害对通信装置的危害影响，实行有效的防雷措施是更重要的。关于通信中心大楼的直击雷，刚刚开始研究，随着我们见到的因特网和LAN局域网这样的多媒体社会的发展，通信中心大楼内信息网络化又不断发展，通信中心大楼内直击雷的雷电涌电流问题，是我们今后考虑的更加重要的课题。