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
［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