中國航天建筑設計院 李承耀譯
［摘 要］隨著多媒體技術的迅速發展，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。本文敘述了關于感應雷和建筑物直擊雷在通信線路上產生的雷電電涌的電壓和電流特性。同時介紹了目前使用的：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，因為由雷電感應的電壓高達幾百伏至幾萬伏，不僅擊壞通信裝置，也會出現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：
一種是感應雷雷害：當落雷到通信設施附近的場所時，就會產生一個強電磁場，就有在通信線路上感應一個非常高的感應電壓。因為該感應電壓會傳送到通信裝置，會擊穿電子回路而發生通信裝置誤動作等雷害。
另一種是直擊雷雷害：當落雷到天線鐵塔或者建筑物頂的避雷針時產生的一部分雷電流直接流入通信裝置，由于產生的電位差而損壞通信裝置。
對這些雷害的基本保護措施是：①等電位法，②旁路法，和③隔離法。
本文的重點是：對用戶住宅內的通信裝置以及通信中心大樓的通信裝置所發生雷害的機理及其防雷措施的事例進行介紹。
2 感應雷電涌侵入通信線路及其防雷措施
2.1 通信線路上產生的感應雷電涌電壓
如果發生了落雷到通信電纜附近時，因為大地不是完全導體，就產生垂直電場和水平電場。沿電纜的長度方向，將這兩個電場進行積分計算出的電壓就是通信電纜終端上的感應電壓。圖1示出了通信線路的雷電感應電壓的觀測結果。用戶住宅內通信線路終端以及通信中心大樓內通信線路終端發生的感應電壓的頻率近似值見公式（1）和（2）：
NS=0.6×105×V－1.81
NC=0.36×104×V－1.82
式中：Ns--用戶住宅內通信線路終端發生的感應電壓的頻率（次數/用戶，雷雨日數）；
Nc--通信中心大樓內通信線路終端發生的感應電壓的頻率（次數/用戶·雷雨日數）；
V--感應電壓的峰值（V）。
圖1的波形示出了用戶住宅內通信線路終端和通信中心大樓內通信線路終端處觀測到的感應電壓波形的平均值。
通信中心大樓通信線路終端的雷電感應電壓大約是用戶住宅內通信線路終端的雷電感應電壓的1/5以下。通信電纜內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，都會產生不同的效果。
圖2（a）為通信電纜的外套要接地到已離開的大地場所，只有將通信線路連接到通信裝置上。由于雷電在通信線路上感應產生的雷電電涌電流只能流入通信電纜外套的接地點，這時，接地線上有接地阻抗，在接地點的電位會升高到幾千伏至幾萬伏。電纜外套與通信線之間產生幾百伏至幾千伏的電位差（但是Vb< 但是，圖2b的電纜通信外套的接地線也連接到能信裝置的接地線上，通信裝置的電子回路的電位，只施加了通信電纜外套與通信線之間的電位差Vb，比圖2a的電壓Va＋Vb會大大地減少。
進行這種接地連接的等電位法，也稱為接地綜合或聯結，這是對防雷措施的最基本考慮方法。對于要用數根有數十對通信線的引入通信電纜的大型用戶來說，通信中心大樓的通信電纜終端的電纜外套與通信裝置的接地方式見圖2b，只用1～2對通信線的小用戶，可用沒有金屬外套的引入通信電纜。這些小用戶住宅內的通信裝置是否用通信中心大樓的通信電纜終端這樣的接地方式，是今后應考慮的一個課題。
其次，通信裝置的耐雷電流能力增強到什么程度是通信裝置設計中一個很重要的課題。
圖1示出了有關雷電感應電壓的發生頻率的寶貴數據。受到只有幾千伏雷電感應電壓的住宅內通信裝置連接到用戶通信線路終端時，即使只有一天的雷雨日，可以預計受到雷電損壞的比率為百分之幾。實際上，設計中要考慮通信裝置的銷售量和經濟性，在設計中采用其耐雷電流能增強到什么程度，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，實現可靠性高的通信裝置，也是重要的。
2.2 使用交流電源的住宅內通信裝置的防感應雷措施
如上所述，從通信線路或交流電源線路侵入的感應雷電涌經過通信裝置的接地系統流入大地。為此，當考慮到防雷保護時，接地系統的構成是重要的課題。有關在住宅內使用交流電源的電話機或傳真機，日本用的接地系統見圖3。有通信電纜的外套用電線焊旁的接線端子箱進行接地，設置有保護裝置內避雷器的接地和住宅內通信裝置的D種接地，這些接地要分別進行設置。另外，交流電源的一根電源線在柱上變壓器上進行接地，也是單獨接地。
其次，考慮到在通信線上產生雷電感應電壓的場合，按照圖2（a）接地方式的同樣理由，與D種接地點或交流電源之間產生了較大的電位差。通信線路的保護裝置可用作第一次的防雷功能，因為，其接地電位上升，該上升的電位部分施加在住宅內通信設備上。在這種場合，與雷電感應電壓發生在交流電源上的情況是一樣的。
這個防雷措施是：根據等電位法的基本防雷措施，通信電纜與商用電源接地線進行相互連接。但是，在用戶住宅內，通信電纜與商用電源接地線進行相互連接一般是困難的，而是如圖4的通信線與D種接地點以及電源線與D種接地點之間應插入一個避雷器，采取了當雷電涌侵入時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，避雷器實際裝在每個住宅內通信設備內回路插件上。如果，通信設備會遭受到重復雷擊的情況，要加強特別的防雷措施的場合，而且，構成外接旁路回路，具有多段的防雷措施。
圖3的避雷器，大致在超過某個閾值電壓時處于短路狀態。這時避雷器采用消去電位差的氣體放電管，氧化鋅變阻器，和半導體器件等。此外，為了具有使雷電感應電壓不能侵入的隔離功能，就要用隔離變壓器。如果，這個隔離變壓器的性能是非常好，能隔離掉雷電感應電壓的侵入，成為一個有效的防雷措施。但是，隔離變壓器要能耐幾萬伏電壓性能的技術還有困難，其體積較大，又不經濟等理由，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。
圖4示出了等電位法、旁路法和隔離法等基本的防雷考慮方法，也是對PBX雷害的一個防雷措施。首先，為了對MDF（配線架）或PBX（用戶小交換機）等進行等電位連接，用接地棒進行單點接地系統。從通信線路侵入的雷電電涌，從配線架（MDF）的避雷器經過接地棒流入大地或交流電源而構成旁路。一方面，與從交流電源侵入雷電電涌的防雷方法是一樣的，旁路法是主要的防雷措施，用隔離變壓器作為補充的防雷措施。
最近，隨著多媒體社會的發展，急劇增加了ISDN（綜合業務數字網）線路的住宅內通信裝置，使用金屬通信線路時，要采用同樣的旁路回路的防雷措施。這種場合，因為，與其用從來的模擬電路，不如用高頻信號，對高頻信號不會給予壞影響的電氣性能是必要的。而且，對于雷電電涌要有快速的響應動作也是必要的。對于DSU（數字交換單元）或終端適配器，可采用安裝在外接旁路回路上的防雷設備。
2.3 通信中心大樓的通信裝置的防感應雷措施
通信中心大樓的防感應雷措施基本上有必要采用住宅內通信裝置用的同樣的防感應雷措施。其中有點不一樣的是：通信電纜的根數較多，又是大型通信裝置。為此，每個通信裝置不會安裝旁路回路，在通信線路一側的整個引入電纜上插接有避雷器，一方面，在交流電源線一側，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行相互連接，見圖3和圖4的接地方法。通信線路側用的避雷器，對于數字電路要用PnPn避雷元件，交流電源線用的避雷器采用氧化鋅避雷器。
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生的雷電壓和雷電流
直接雷擊到一般家用住宅的現象是非常罕見的。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，大樓內通信裝置會發生故障，也會有大范圍的雷電故障。下面列舉兩種直擊雷害的事例：
3.1.1 侵入大樓內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流入到大樓的鋼筋和鋼結構上，會發生下列現象：
（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產生電位差；
（3）大樓內配線用的通信電纜上產生感應電壓；
就會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字化和大規模系統化，提出了這樣的一些問題，日本的スイス電話公司可能進行有關通信中心大樓內雷電流分布等課題的研究。在日本國內，即便是開始對天線鐵塔或通信中心大樓模型進行雷電涌電流的數學分析的實驗，今后，必須用數學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，開始在實際的鋼筋混凝土大樓進行研究，至今，例如：侵入100KA左右的雷電流，每層樓可能產生幾千伏的電位差，這樣，可以得出在大樓內配電系統會產生幾十伏至幾千伏的感應電壓。
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入大地時，因為該大樓的接地電位會上升，來自連接到遠處的配線的通信電纜或交流供電線路雷電涌電流流出到樓外時，會損壞在通信電纜或交流供電線路的引出大樓分支點上的避雷器的情況。
過去，這些雷電涌電流有多大是不清楚的。近年來，對在日本北陸地區的冬季雷的直擊雷電流進行同時觀測，可以得出的數據是：流過通信電纜的直擊雷電流大約為10～15％，流過交流供電線的直擊雷電流大約為30～40％。對于通信電纜，流過金屬外層的雷電流為80～90％，而通信電纜內心線數量又很多，流過每根心線的雷電流可以確認是非常小的了。
關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據，根據這些數據考慮系統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
首先，關于上述第3.1.1條的侵入通信中心大樓內的雷電流，它的防雷措施的代表性示例見圖5。在該通信中心大樓內，接地干線設計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的接地方法，以便將電子回路與通信裝置之間發生的電位差抑制到最小的程度。這種方法采用了波導管，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構或地面上。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計有低阻抗的接地導體（形路接地），將通信裝置連接成網格狀，可抑制在通信裝置上發生的電位差。
第二種接地方法稱為隔離接地法，以隔離作為重點的接地方法，以便使雷電流不得侵入大樓內。使通信裝置與大樓的柱子、墻壁、地面、周邊裝置等進行完全隔離之外，通信裝置間的接口電纜采用隔離變壓器進行直流隔離。這種隔離接地方法適用可靠性要求高的數字交換機等。最近，采用光纖電纜的無線和傳輸裝置與通信裝置間進行相互隔離，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，因為與周邊不能有完全隔離，達不到防雷措施的效果，有必要以維護工作進行考慮。
最近，采用更多的是將隔離接地與集成接地相結合的技術，一方面，數字交換機要與地面上的鋼筋進行隔離，另一方面，用網格狀接地線將地面與交換機進行連接。這種網格狀接地線只采用單點接地法。隨著通信系統的高度信息化，在同一個樓層上，就會有各種不同接地系統的通信裝置混在一起，將過去的無線裝置，傳輸裝置，與交換裝置要區別開是困難的，不用說在防雷措施的觀點上，還包括EMC（電磁兼容）或通信裝置的動作特性等方面，能采取協調的功能的防雷措施設計很有必要的。
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，主要是該大樓的接地電位會上升，有必要采用以下二個防雷措施：
（1）只要該大樓的接地電阻是小的，就會防止接地電位上升；
（2）只有提高通信設備的耐雷電流能力，以便使從大樓流出的大雷電流不會損壞通信設備。
要降低第（1）項的大樓的接地電阻，就要增加經費，因為接地電阻沒有幾歐姆左右，就沒有好的防雷效果。通常，多實施第（2）項的提高通信設備的耐雷電流能力。
圖6的山頂無線中繼所的防雷措施示例，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8×20μs的雷電涌電流波形只有15kv，當直擊雷電流的一部分侵入山頂無線中繼所時，會產生容易燒壞的問題。為此，采用具有2倍耐雷電流能力的氧化鋅避雷器，在多處設置這種避雷器，在雷電流集中的場地內通信桿上，氧化鋅避雷器如并聯安裝可改善耐雷電流能力。
關于通信電纜，如通信電纜的引入段上的避雷器被燒壞的話，就會在電纜的心線之間，以及心線與外層之間發生絕緣擊穿的問題。為此，要采用粗的心線，和多對通信電纜，見圖6，為了降低流入電纜內的電流，沿電纜配線的旁路用的接地線（遠方接地線），將支撐電纜的鋼線進行多點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。同時，將避雷器（電纜保護裝置）插入電纜的中間連接點處，實施了消除在電纜內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 結束語
自古以來，我們一直進行研究雷電技術的歷史，防雷措施仍然實施多年以來的研究結果和經驗。但是，隨著通信裝置的多樣化，高度信息化，更加敏感的反應在雷電涌等過電壓方面，就有更高的防雷技術要求。通信裝置的故障情況逐漸也在變化，仔細把握它的故障形態，要從定量方面明確雷害發生的機理以及雷害對通信裝置的危害影響，實行有效的防雷措施是更重要的。關于通信中心大樓的直擊雷，剛剛開始研究，隨著我們見到的因特網和LAN局域網這樣的多媒體社會的發展，通信中心大樓內信息網絡化又不斷發展，通信中心大樓內直擊雷的雷電涌電流問題，是我們今后考慮的更加重要的課題。——（譯自日本最新防雷電技術措施）
