通信線路的雷電過電壓及抑制措施

1、通信線路的雷電過電壓及抑制措施中國航天建筑設(shè)計(jì)研究院 李承耀 譯自日本防雷雜志摘要隨著多媒體技術(shù)的迅速發(fā)展，通信裝置大量使用交流供電。這些裝置由于從交流供電線路和通信線路侵入雷電電涌，其防雷措施是重要課題。本文敘述了關(guān)于感應(yīng)雷和建筑物直擊雷在通信線路上產(chǎn)生的雷電電涌的電壓和電流特性。同時(shí)介紹了目前使用的：1等電位法；2旁路法；3隔離法等抑制雷電過電壓的保護(hù)措施。1 概 述一般晶體管或集成電路IC的工作電壓只有幾伏左右，因?yàn)橛衫纂姼袘?yīng)的電壓高達(dá)幾百伏至幾萬伏，不僅擊壞通信裝置，也會(huì)出現(xiàn)中斷通信工作的重大事故。目前，通信裝置大量使用交流供電，這些通信裝置由于從交流供電線路和通信線路侵入雷電電涌，其

2、防雷措施是重要課題。通信裝置遭受到雷害有兩種：一種是感應(yīng)雷雷害：當(dāng)落雷到通信設(shè)施附近的場所時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)電磁場，就有在通信線路上感應(yīng)一個(gè)非常高的感應(yīng)電壓。因?yàn)樵摳袘?yīng)電壓會(huì)傳送到通信裝置，會(huì)擊穿電子回路而發(fā)生通信裝置誤動(dòng)作等雷害。另一種是直擊雷雷害：當(dāng)落雷到天線鐵塔或者建筑物頂?shù)谋芾揍槙r(shí)產(chǎn)生的一部分雷電流直接流入通信裝置，由于產(chǎn)生的電位差而損壞通信裝置。對這些雷害的基本保護(hù)措施是：1等電位法，2旁路法，和3隔離法。本文的重點(diǎn)是：對用戶住宅內(nèi)的通信裝置以及通信中心大樓的通信裝置所發(fā)生雷害的機(jī)理及其防雷措施的事例進(jìn)行介紹。2 感應(yīng)雷電涌侵入通信線路及其防雷措施2.1 通信線路上產(chǎn)生的感應(yīng)雷電涌電

3、壓如果發(fā)生了落雷到通信電纜附近時(shí)，因?yàn)榇蟮夭皇峭耆珜?dǎo)體，就產(chǎn)生垂直電場和水平電場。沿電纜的長度方向，將這兩個(gè)電場進(jìn)行積分計(jì)算出的電壓就是通信電纜終端上的感應(yīng)電壓。用戶住宅內(nèi)通信線路終端以及通信中心大樓內(nèi)通信線路終端發(fā)生的感應(yīng)電壓的頻率近似值見公式（1）和（2）：NS=0.6×105×V1.8NC=0.36×104×V1.8式中：NS用戶住宅內(nèi)通信線路終端發(fā)生的感應(yīng)電壓的頻率（次數(shù)/用戶，雷雨日數(shù)）；NC通信中心大樓內(nèi)通信線路終端發(fā)生的感應(yīng)電壓的頻率（次數(shù)/用戶·雷雨日數(shù)）；V感應(yīng)電壓的峰值（V）。通信中心大樓通信線路終端的雷電感應(yīng)電壓大約是用戶

4、住宅內(nèi)通信線路終端的雷電感應(yīng)電壓的1/5以下。通信電纜內(nèi)的心線與相對于塑料外層的鋁金屬層，無論怎樣的連接到通信裝置上，都會(huì)產(chǎn)生不同的效果。其次，通信裝置的耐雷電流能力增強(qiáng)到什么程度是通信裝置設(shè)計(jì)中一個(gè)很重要的課題。受到只有幾千伏雷電感應(yīng)電壓的住宅內(nèi)通信裝置連接到用戶通信線路終端時(shí)，即使只有一天的雷雨日，可以預(yù)計(jì)受到雷電損壞的比率為百分之幾。實(shí)際上，設(shè)計(jì)中要考慮通信裝置的銷售量和經(jīng)濟(jì)性，在設(shè)計(jì)中采用其耐雷電流能增強(qiáng)到什么程度，對于耐雷電流能力較大的通信裝置，雷電故障可減少1/4左右，即使不太多，只要有較大的雷電流能力，實(shí)現(xiàn)可*性高的通信裝置，也是重要的。2.2 使用交流電源的住宅內(nèi)通信裝置的防感

5、應(yīng)雷措施如上所述，從通信線路或交流電源線路侵入的感應(yīng)雷電涌經(jīng)過通信裝置的接地系統(tǒng)流入大地。為此，當(dāng)考慮到防雷保護(hù)時(shí)，接地系統(tǒng)的構(gòu)成是重要的課題。有關(guān)在住宅內(nèi)使用交流電源的電話機(jī)或傳真機(jī)，日本用的接地系統(tǒng)見圖3。有通信電纜的外套用電線焊旁的接線端子箱進(jìn)行接地，設(shè)置有保護(hù)裝置內(nèi)避雷器的接地和住宅內(nèi)通信裝置的D種接地，這些接地要分別進(jìn)行設(shè)置。另外，交流電源的一根電源線在柱上變壓器上進(jìn)行接地，也是單獨(dú)接地。其次，考慮到在通信線上產(chǎn)生雷電感應(yīng)電壓的場合，與D種接地點(diǎn)或交流電源之間產(chǎn)生了較大的電位差。通信線路的保護(hù)裝置可用作第一次的防雷功能，因?yàn)?，其接地電位上升，該上升的電位部分施加在住宅?nèi)通信設(shè)備上。在

6、這種場合，與雷電感應(yīng)電壓發(fā)生在交流電源上的情況是一樣的。這個(gè)防雷措施是：根據(jù)等電位法的基本防雷措施，通信電纜與商用電源接地線進(jìn)行相互連接。但是，在用戶住宅內(nèi)，通信電纜與商用電源接地線進(jìn)行相互連接一般是困難的，而是如圖4的通信線與D種接地點(diǎn)以及電源線與D種接地點(diǎn)之間應(yīng)插入一個(gè)避雷器，采取了當(dāng)雷電涌侵入時(shí)具有等電位的防雷措施。這種防雷方法稱為旁路法雷器法。通常，避雷器實(shí)際裝在每個(gè)住宅內(nèi)通信設(shè)備內(nèi)回路插件上。如果，通信設(shè)備會(huì)遭受到重復(fù)雷擊的情況，要加強(qiáng)特別的防雷措施的場合，而且，構(gòu)成外接旁路回路，具有多段的防雷措施。此外，為了具有使雷電感應(yīng)電壓不能侵入的隔離功能，就要用隔離變壓器。如果，這個(gè)隔離變壓

7、器的性能是非常好，能隔離掉雷電感應(yīng)電壓的侵入，成為一個(gè)有效的防雷措施。但是，隔離變壓器要能耐幾萬伏電壓性能的技術(shù)還有困難，其體積較大，又不經(jīng)濟(jì)等理由，與其在雷電侵入路徑上采用單臺隔離變壓器作為防雷措施，還不如在最初的旁路接地線路上采用避雷器的防雷措施，如用這種旁路法防雷不能防止雷電電壓侵入的話，最實(shí)用考慮的防雷方法，是采用隔離變壓器作為第二級防雷措施。 最近，隨著多媒體社會(huì)的發(fā)展，急劇增加了ISDN（綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)）線路的住宅內(nèi)通信裝置，使用金屬通信線路時(shí)，要采用同樣的旁路回路的防雷措施。這種場合，因?yàn)?，與其用從來的模擬電路，不如用高頻信號，對高頻信號不會(huì)給予壞影響的電氣性能是必要的。而且，對

8、于雷電電涌要有快速的響應(yīng)動(dòng)作也是必要的。對于DSU（數(shù)字交換單元）或終端適配器，可采用安裝在外接旁路回路上的防雷設(shè)備。2.3 通信中心大樓的通信裝置的防感應(yīng)雷措施通信中心大樓的防感應(yīng)雷措施基本上有必要采用住宅內(nèi)通信裝置用的同樣的防感應(yīng)雷措施。其中有點(diǎn)不一樣的是：通信電纜的根數(shù)較多，又是大型通信裝置。為此，每個(gè)通信裝置不會(huì)安裝旁路回路，在通信線路一側(cè)的整個(gè)引入電纜上插接有避雷器，一方面，在交流電源線一側(cè)，引入建筑物的這部分電纜上插接有避雷器，通信線路的接地線與交流電源線的接地線還要進(jìn)行相互連接，見圖3和圖4的接地方法。通信線路側(cè)用的避雷器，對于數(shù)字電路要用PnPn避雷元件，交流電源線用的避雷器采

9、用氧化鋅避雷器。3 通信中心大樓的直擊雷害及其防雷措施3.1 由于通信中心大樓的直擊雷害使通信線路上產(chǎn)生的雷電壓和雷電流直接雷擊到一般家用住宅的現(xiàn)象是非常罕見的。在通信中心大樓或雷電較多的山頂無線中繼所，由于遭受到直接落雷，大樓內(nèi)通信裝置會(huì)發(fā)生故障，也會(huì)有大范圍的雷電故障。3.1.1 侵入大樓內(nèi)的雷電流帶來的影響 直接侵入到避雷針上的雷電涌電流會(huì)流入到大樓的鋼筋和鋼結(jié)構(gòu)上，會(huì)發(fā)生下列現(xiàn)象：(1)一部分雷電涌電流流入通信裝置；(2)在大樓以外場所的通信裝置之間會(huì)產(chǎn)生電位差；(3)大樓內(nèi)配線用的通信電纜上產(chǎn)生感應(yīng)電壓；就會(huì)有損壞通信裝置的電子電路的情況。隨著通信中心大樓的通信裝置的數(shù)字化和大規(guī)模系

10、統(tǒng)化，提出了這樣的一些問題，日本的電話公司可能進(jìn)行有關(guān)通信中心大樓內(nèi)雷電流分布等課題的研究。在日本國內(nèi)，即便是開始對天線鐵塔或通信中心大樓模型進(jìn)行雷電涌電流的數(shù)學(xué)分析的實(shí)驗(yàn)，今后，必須用數(shù)學(xué)分析說明清楚的課題有很多已留傳下來了。作者用通信中心大樓的縮小模型的同時(shí)，開始在實(shí)際的鋼筋混凝土大樓進(jìn)行研究，至今，例如：侵入100KA左右的雷電流，每層樓可能產(chǎn)生幾千伏的電位差，這樣，可以得出在大樓內(nèi)配電系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生幾十伏至幾千伏的感應(yīng)電壓。3.1.2 從通信中心大樓流出到樓外的雷電流帶來的影響由于直擊雷電流從通信中心大樓流出到樓外而進(jìn)入大地時(shí)，因?yàn)樵摯髽堑慕拥仉娢粫?huì)上升，來自連接到遠(yuǎn)處的配線的通信電纜或交

11、流供電線路雷電涌電流流出到樓外時(shí)，會(huì)損壞在通信電纜或交流供電線路的引出大樓分支點(diǎn)上的避雷器的情況。過去，這些雷電涌電流有多大是不清楚的。近年來，對在日本北陸地區(qū)的冬季雷的直擊雷電流進(jìn)行同時(shí)觀測，可以得出的數(shù)據(jù)是：流過通信電纜的直擊雷電流大約為1015，流過交流供電線的直擊雷電流大約為3040。對于通信電纜，流過金屬外層的雷電流為8090，而通信電纜內(nèi)心線數(shù)量又很多，流過每根心線的雷電流可以確認(rèn)是非常小的了。關(guān)于研究這樣的通信中心大樓直擊雷電流的歷史是短的，留下來的研究課題是很多的。今后，更有必要積累研究和觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)考慮系統(tǒng)性防雷措施很有必要。3.2 通信中心大樓的直擊雷的防雷措施首

12、先，關(guān)于上述第3.1.1條的侵入通信中心大樓內(nèi)的雷電流，在該通信中心大樓內(nèi)，接地干線設(shè)計(jì)有一條低阻抗的接地母線，將每層樓的通信裝置連接到這條接地母線上，謀求有等電位化。通信裝置有兩種接地構(gòu)成方法，一種方法是集成接地法，盡可能分散侵入通信裝置的雷電流，這樣，將等電位化作為重點(diǎn)的接地方法，以便將電子回路與通信裝置之間發(fā)生的電位差抑制到最小的程度。這種方法采用了波導(dǎo)管，同軸電纜將天線和通信裝置連成的從來無線和傳輸裝置等，用螺釘固定在不需要絕緣的結(jié)構(gòu)或地面上。特別是，如同山頂中繼所這樣直擊雷頻率高的大樓，在通信裝置的四周設(shè)計(jì)有低阻抗的接地導(dǎo)體（形路接地），將通信裝置連接成網(wǎng)格狀，可抑制在通信裝置上發(fā)生

13、的電位差。第二種接地方法稱為隔離接地法，以隔離作為重點(diǎn)的接地方法，以便使雷電流不得侵入大樓內(nèi)。使通信裝置與大樓的柱子、墻壁、地面、周邊裝置等進(jìn)行完全隔離之外，通信裝置間的接口電纜采用隔離變壓器進(jìn)行直流隔離。這種隔離接地方法適用可靠性要求高的數(shù)字交換機(jī)等。最近，采用光纖電纜的無線和傳輸裝置與通信裝置間進(jìn)行相互隔離，與地面也要隔離。要采用這種隔離接地方法的通信裝置越來越多了。這種隔離接地法，因?yàn)榕c周邊不能有完全隔離，達(dá)不到防雷措施的效果，有必要以維護(hù)工作進(jìn)行考慮。 最近，采用更多的是將隔離接地與集成接地相結(jié)合的技術(shù)，一方面，數(shù)字交換機(jī)要與地面上的鋼筋進(jìn)行隔離，另一方面，用網(wǎng)格狀接地線將地面與交換機(jī)

14、進(jìn)行連接。這種網(wǎng)格狀接地線只采用單點(diǎn)接地法。隨著通信系統(tǒng)的高度信息化，在同一個(gè)樓層上，就會(huì)有各種不同接地系統(tǒng)的通信裝置混在一起，將過去的無線裝置，傳輸裝置，與交換裝置要區(qū)別開是困難的，不用說在防雷措施的觀點(diǎn)上，還包括EMC（電磁兼容）或通信裝置的動(dòng)作特性等方面，能采取協(xié)調(diào)的功能的防雷措施設(shè)計(jì)很有必要的。從3.1.2條的從通信中心大樓流出到樓外的雷電流來看，這時(shí)，主要是該大樓的接地電位會(huì)上升，有必要采用以下二個(gè)防雷措施： （1）只要該大樓的接地電阻是小的，就會(huì)防止接地電位上升；（2）只有提高通信設(shè)備的耐雷電流能力，以便使從大樓流出的大雷電流不會(huì)損壞通信設(shè)備。要降低第（1）項(xiàng)的大樓的接地電阻，就要

15、增加經(jīng)費(fèi)，因?yàn)榻拥仉娮铔]有幾歐姆左右，就沒有好的防雷效果。通常，多實(shí)施第（2）項(xiàng)的提高通信設(shè)備的耐雷電流能力。山頂無線中繼所的防雷，交流電源用的避雷器過去采用的是絕緣P閾形，其耐雷電流能力，對于8×20s的雷電涌電流波形只有15kv，當(dāng)直擊雷電流的一部分侵入山頂無線中繼所時(shí)，會(huì)產(chǎn)生容易燒壞的問題。為此，采用具有2倍耐雷電流能力的氧化鋅避雷器，在多處設(shè)置這種避雷器，在雷電流集中的場地內(nèi)通信桿上，氧化鋅避雷器如并聯(lián)安裝可改善耐雷電流能力。關(guān)于通信電纜，如通信電纜的引入段上的避雷器被燒壞的話，就會(huì)在電纜的心線之間，以及心線與外層之間發(fā)生絕緣擊穿的問題。為此，要采用粗的心線，和多對通信電纜，為了降低流入電纜內(nèi)的電流，沿電纜配線的旁路用的接地線（遠(yuǎn)方接地線），將支撐電纜的鋼線進(jìn)行多點(diǎn)到通信電纜的外層上，盡可能，不要將雷電涌電流流入電纜內(nèi)。同時(shí)，將避雷器（電纜保護(hù)裝置）插入電纜的中間連接點(diǎn)處，實(shí)施了消除在電纜內(nèi)各條心線之間以及心線與外層之間的電位差的防雷措施。 4 結(jié)束語自古以來，我們一直進(jìn)行研究雷電技術(shù)的歷史，