深圳市防雷协会-电话终端的雷击防护

电话终端的雷击防护
陈松青
摘  要  本文从电话终端雷击防护的重要性入手，提出雷击防护的基本方法和技术措施，并根据现行网络体制，建议在电话电路设计中采取雷击防护措施。
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近年来，有关通信网的雷击防护问题越来越多，大多数涉及到通信网的技术问题以及防护手段，而制定的管理办法却很少。其实，通信网的雷击防护尤其是电话终端的雷击防护尤为重要，是通信网最基本的一个保护环节，它不仅关系到电信运营部门的网络安全，而且关系到维护用户合法通信权益和用户的人身安全，也直接影响到电话终端生产厂家生产出的终端产品是否符合国家的标准和规定。为此，本文针对模拟电话终端的有关雷击防护问题与大家共同进行探讨，仅供参考。 一、通信网迅速发展，电话终端的雷击防护越来越重要 “九五”期间，我国通信业进入大发展时期，电话发展取得举世瞩目的成就。据2000年统计资料表明，全国城乡电话交换机总容量已达1.787亿门，固定电话用户数1.44亿户，其中市话电话用户数为9226万户。如此庞大的通信网和用户群，其拥有的电话终端的雷电防护问题将给电信维护和管理部门带来许多困难和隐患。一方面，由于电话通信在传输和使用过程中，可能会受到来自自然界的各种不良影响或破坏，如：受地域环境、设施方式的影响，在电话的传输和使用过程中，可能会遭遇雷击的威胁，使设施受到损坏或导致使用者人身伤亡。另一方面，由于有线通信网络的特殊结构方式，使得突发性的雷击现象有更多的机会导入通信网络，引起设备的损坏或人身伤亡。因此在有线通信网上，尽可能降低雷电引起的损失，已受到许多国家的重视。国际电信联盟(ITU)也制定了相应的标准(K21建议)，凡是进入美洲、欧洲等地区的电信终端必须有雷击防护措施并通过相关标准，才能进网使用。我国早在1989年，原邮电部对电信终端设备就实行了进网许可证管理，并进行严格的进网标准，在检测依据YD／T728标准中明确了电话机防雷技术要求。从近年来制订和修订的有关电信终端进网的标准来看，对雷击防护的要求条款越来越多，这也符合国际上的普遍做法。可见，电话终端的雷击防护越来越显得重要。 二、雷击防护的基本方法和技术措施     1．电话终端感应雷电和雷击的特点 (1)电话终端感应雷电的条件大致可分为两种：一种是暴露环境条件，多见于从交换设备引发出的用户线，通过架空的明线电缆(至少有一部分用户线是架空明线)接到用户处电话机上。这种情况下，若周围没有高层建筑或避雷装置，很容易感应雷电，且能量较大；另—种是非暴露环境条件，即从交换设备引出的用户线基本通过地下管路接到用户处的电话机上。这种情况也有可能感应雷电，但由于大地的阻抗，能量会变小。对因某种情况感应到的雷电能量较低时，可视为非暴露环境条件。 (2)雷击的基本特点：在电话线上感应到的雷击基本是一个上升沿斜直、持续时间较短的浪涌脉冲(见图1)。
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2．雷击的两级防护一般讲，在交换机的用户线出口处装有初级雷击防护装置，该装置可以将感应到的高约几十千伏，长约几十毫秒的浪涌冲击降到一至四千伏以内，时间在一毫秒以内。在此情况下，如果再采取次级保护，可使浪涌冲击降到几十伏的安全范围(见图2)。 3．雷击防护的一般措施 (1)对高能量的初步防护一般采用碳隙放电管(见图3)放电方式，碳隙放电管是由两个碳极组成的，优点是成本低，缺点是寿命短、跳火门限是变化的。另一种是采用气体放电管(见图4)，它是由在密闭管子内的两个金属电极组成的，一般密闭管内是低压气体。其主要缺点是响应时间较慢。实际上气体放电管两端的残众电压取决于浪涌冲击的梯度／dv dt。一般讲，初级保护安装在交换设备的出入线处。
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(2)电话终端仅考虑次级防护问题次极防护多采用串并联结合的方式，来达到满意的防护目的(见图5(1)、图5(2))。
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Z为具有一定功率的热敏电阻或其它限流电阻。热敏电阻的保护效果较好，但缺点是体积较大，恢复期过长。     PP为并联保护器件，现多采用硅材料制成，有两种不同的保护方式：钳位型：即保护器件两端的电压维持在一个较稳定的值，这种器件体积大、成本高、一般多用于如计算机类的保护，因为受保护的电路不允许两端电压突然下降，如图5(2)。短路型：即保护器件起保护作用时，保护器件两端电压极低，近乎短路，该种器件体积较小，成本低，适用于电话终端的保护，如图5(1)。 三、电话电路中的雷击防护措施 1．逐级保护原则在电话机两线入口处采取防雷措施固然很重要，但时间证明，电话电路的防护应逐级考虑，图6是逐级保护的示意图。对于某一过压或过流冲击脉冲，经过某一级保护以后，都会有残余电压流至后继电路。若后继电路不能承受残余电压的冲击，同样会损坏核心电路，因此电路设计应整体考虑。
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2．串并联结合     前面已经提到，保护电路最好采用串并联电路结构(见图5)，且并联保护器应采用短路型，若只采用短路并联器件(PP)，那么事必使通过PP的峰值电流过大，使其难于承受，因此最好在其前面加限流电阻Z。     3．保护器件的选择     根据暴露环境条件和非暴露环境条件，我们可将次级保护再分为一级保护和二级保护。 A、一级(4000V)保护器件必须选择特殊专用器件，如SGS—THOMSON公司生产的SA100—230和TPB200S。其中门坎电压VBR的选择应注意：若太小，振铃电压就可能启动；若太大，就会危及后继电路。 B、二级(1000V)保护器件现在普通电话机中多选用压敏电阻作为保护 器件。根据实验结构表明，大多数厂家的电话机，不能通过1000V的雷击试验，多数在手柄取机状态或免提状态电路损坏，但是也有部分同样选用压敏电阻的厂家的电话机通过了1000V的雷击试验。这表明：只要慎重选用保护器件，并对电话机电路进行整体合理设计，用压敏电阻作为防护器件也可以通过1000V的雷击试验。 C、保护器件的选择要点：在选择保护器件时，应注意以下三方面问题：第一，器件的击穿电压(或称门坎启动电压VBR)应在200V左右，此电压过低。可能会在振铃信号送过来时产生误动作，出现铃响一声后，不再振铃，其实此时，主被叫已经接通。在电话网上振铃电压的峰值可能会达到130多伏，如果设计使用的压敏电阻击穿电压过低(110V)，振铃电压会启动压敏电阻，呈现为低阻导通状态，使交换设备误判为被叫摘机，导致错误。     第二，器件的动作时间不能太慢，前面已经提到，冲击电压的波前时间是10μs，从波形上粗略估计，对VBR为230V的器件，在电压220V升到260V的时间也只有1－2μs，器件必须在其间做出迅速反应以尽可能降低残余电压的峰值（可视为VB0）。     第三，器件可通过的峰值电流IPP应满足设计要求。我们所希望的保护器件—应该对后继电路安全可靠；二具有良好的可恢复性，如果选用的器件不能承受实际过大的峰值电流，就会导致该器件的损坏，使被保护的设备不得不进入维修期。四、电话终端有关防雷技术要点和安全要求 1．YD／T728《电话机防雷技术要求及测试方法》技术要点 (1)YD／T728标淮基本上参照丁ITU—T的建议K21“用户终端过电压和过电流的能力”中关于雷电浪涌试验部分。虽然该标准已经规定由雷电引起电磁兼容问题不在该标准中考虑。但国际上一般是将雷电试验列入电磁兼容范畴。 (2)标准中使用了10／700us的冲击电压波形(见图1)，该波形代表了通信电缆感应雷击的典型情况，也是国际上对电信终端进行雷击试验较普遍采用的试验波形。     视在波前时间T1：可以近似看成是一个单极性冲击脉冲的上升时间，反映了冲击波的速度，这里是10μs 。在进行电路防护措施设计时，若保护器件的动作时间长于T1，那么冲击波到来时，保护器件不能达到满意的保护效果。     视在半峰值时间T2可以近似看成一个单极性冲击脉冲从起始到回落至脉冲的50％时的时间，它是冲击波总能量的一个重要标志，这里是700μs，在考虑保护器件的耐久性时，应注意到T2的长度。     (3)非暴露环境条件下的横向试验电压为±1500V，试验在电话机的a、b引出线间进行；纵向试验电压为±1500V，试验在电话机ab引线与保护地之间进行。     暴露环境条件下的横向试验和纵向试验电压为±4000V，横向试验是在a、b线之间进行；但b线与保护地线相连；纵向试验是在ab线与保护地线之间进行。     对于没有保护地的普通购线电话机，只进行±1000V横向试验。根据相关标准规定，室外用公用电话机，IC卡电话机、磁卡电话机、投币电话机等须通过±4000V的雷击试验。     2．有关其它安全要求对于电信终端设备的安全要求，国际标准是IEC950《信息技术设备包括电气事务设备的安全》，对应的国家标准是GB4943。除了在电话机相关标准中提到的如：高压击穿、绝缘性、雷击以外，对其它涉及到安全的问题都在该标准中作出详细规定，如：安全标志、电源隔离、爬电距离、温升、燃烧、稳定性等等，对于普通电话机所涉及的问题较少，但对于带有交流外接电源的设备如：无绳电话机，录音电话机等涉及的安全问题就多—些。因而建议生产企业在设计和生产时考虑使用GB4943／IEC950标准指导有关涉及安全方面的问题。