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程控交换机的防雷保护
哈尔滨电信规划设计院 郝高麟
目前，市内电话程控交换系统因线路遭受雷击，以及电力线和直流电车供电线等因雷电感应和擦碰等引起的事故时有发生；而且随着程控电话的迅速发展，市话线路的增多，市话交换设备遭受雷击的事故将日趋严重。那么，遭受雷击和高电压的侵袭的原因是什么？如何预防和排除呢？
1 程控交换机遭雷击的主要原因
1．1
放电管的质量和维护问题
（1）放电管的质量不达标。放电管是程控交换机保护设备中一个重要部件，它在通信系统过压过流保护中起着关键性的作用。因此，确保放电管耐压耐流指标的合格是十分重要的。
（2）日常维护未按规程执行。因为放电管随环境条件的不同，使用寿命有长有短，所以经常检查放电管的主要技术指标，是确保通信设备免受电击的重要措施。规程规定每年要定期检测放电管的主要指标，而有的局因检测手段不具备，只作表面清洁处理，让那些不合格的放电管长期带病工作。
（3）缺乏放电管测试仪器。市话程控局因线路太多，一个局甚至有数万个放电管，不少市话局缺乏简便易行的检测仪器是一个重要原因
。
1．2
压敏电阻电气特性变差
经过雷电的多次冲击，压敏电阻（PTC）电气特性会发生变化。每次雷电过后，有些单位不检测和及时更换电气特性变差的PTC，从而发生雷击故障。
1.
3 防雷接地电阻值不达标
雷雨季前若不按规程要求全面检查防雷设施，对不合格的器件不进行维修，防雷接地电阻值不达标，电缆屏蔽层接地电阻和总配线架线间及对地绝缘电阻值不合格等，也易引发雷灾。
2 放电管性能的检测
2．1
检测仪器
为减少或免除市话交换机遭受雷击问题，对保护装置的放电管应加强日常检测，其主要指标必须定期检测。通常可采用较为先进、使用方便的“HLC—F500放电管自动测试仪”。
它具有试验、数据处理智能化，准确度高、可靠性强等优点。该机主要技术指标如下：
（1）加压速度：100V／S
（2）直流放电电压：200～300V
（3）输出最高直流电压：500
V
（4）显示精度：±O．5％±1
V
（5）工作电源；交流220V(50Hz)
（6）环境温度：0℃～70℃
2．2
检测项目
直流放电电压是放电管一个具有代表性的参数，也是一个基本测试项目。只要将各种不同类型的放电管插在测试仪的管座上即可测出其放电电压指标。
2．3
放电管检测全过程为自动化程序控制
该机在测试时，对每个放电管在程序的控制下加压试验共10次，其中正、负极性各5次，而且正、负极性试验轮流间隔进行。在加压过程中如有击穿则显示一段时间，然后改变极性重新加压，如有两次击穿则将两次的击穿电压打印出来。加压10次后，停止加压，检验完毕。一个放电管检测时间只需1分钟。
2．4
保安单元及放电管应满足下列性能要求
（1）对雷击和220V以下的电力侵入应能起保护作用，并有告警信号产生。
（2）大电流侵入时，实施内外线断路保护，断开点的绝缘介质在600V电压下不能被击穿，并有告警信号产生。凡达不到上述性能的保安单元放电管，均应立即更换。
3、MDF一次保护装置的标准
MDF配线保安器是程控交换系统对过压、过流的一次保护装置。这是因为交换机用户电路板自身也有一定的过压、过流保护器件，并称之为二次保护装置。
3．1
过压、过流的一次保护装置
一般来说，一次保护是在线路环境为暴露地区时采用的。自从程控交换机大量投入运营以来，我国许多厂家研制生产出体积小的插入式保安器，其基本电路如图1所示。有关厂家针对使用中存在的问题，进行了一些改进。如有的将热线圈改为置于外线侧，有的将线路改成在保安器动作时将外线接地、内线断开的方式，也有的在a、b线上串接了压敏电阻等等。总体上，其主要功能与国外相比并不逊色。
图1 插入式保安器基本电路
图1中G2为二极气体放电管，冲击放电电压：<900V(1．5／40µs)(波头／半值时间)；冲击放电电流：约2．5kA(8／20µs)(波头／半值时间)；直流放电电压：200～300V；交流耐流：2．5A(50Hz)。Hc为热线圈，动作电流540mA，210秒内动作；不动作电流：200mA，1小时不动作。FS为热熔式过流保护接点，2．5A时约10秒动作。这种保安器并具有告警性能。
3．2
过压过流来源及防护要求
CCITT K．20建议中将交换系统所遭受的过压、过流侵害归结为：
(1)雷电脉冲：其前沿一般为µs级，电压可达数千伏。
(2)电力线故障感应：其作用时间一般为200～1000ms，电压可达数百伏。
(3)与电力线直接接触：一般为市电交流220V，电车馈线则为直流500～600V。
以上雷电脉冲和电力线故障感应一般侵害的范围大，作用时间短，保安器应能自复。而电力线直接接触则侵害范围小，但作用时间长，可允许人工修复。
4 程控交换机对过压、过流的二次保护措施
程控交换机中电子器件抗过压、过流的能力脆弱，为保证不因外界进入的不正常电压危害交换机的核心部件，在用户电路上均采用了一定的防过压、过流措施。我国程控交换机类型较多，在防雷二次保护设计基本上大同小异，这里仅以F-150、S-1240两种型号的程控交换机为例加以说明。
如图2，(a)、(b)分别表示F-150、S-1240用户电路板有关二次保护部分的实例。
(a)F-150
(b)S-1240
r：30Ω限流电阻(可由软件按不同状态设置成几种阻抗的恒流源)
Vs：压敏电阻（PTC）
图2
两种程控交换机的二次保护措施
4．1
防过压措施
F-150和S-1240采用了相同的二极管箝位桥路。当a、b线两端的对地电压处在0～48V之间时，桥路的二极管是反向阻隔的。超出这一范围时，桥路便对地导通而防止异常电压侵入交换机内部。因此，各型程控交换机都具有将线路入口处的a、b线电压箝制在一定的允许范围之内的功能。当电压超出这个范围时，a、b线便以低阻对地导通。
一般硅二极管的耐冲击电流量可达10³A、10µs，响应速度为0．001µs。因此用这种措施吸收高速脉冲是适宜的。
4．2
防过流措施
交换机通常是通过检测电阻检测环路电流以判断用户的挂机、摘机、通话或过流等状态的。当判定为过流状态时一般可由软件启动外向测试继电器将外线与局内断开。通过多年的雷击故障发现，过流保护功能的充分发挥，还须正确维护和外界环境的配合。
（1）防止a、b线短路或直接碰地。有时当外线a、b间或a、b对地间短路时，用户能被切断，且没有人工干预便不能恢复，即所谓因线路故障而吊死。这就要求程控局用户线的检修，应防止a、b线短路或直接碰地。
（2）确保MDF一次保护装置可靠。当外线混入市电时，则出现诸如
S-1240的50Ω检测电阻烧毁(断路、短路)、用户电路板插件有熔化燃烧情况，显然是过流所致。说明外线被市电侵入时，交换机由检测过流而切断通路的保护措施并不完全可靠，特别是当一次保护不能奏效时，更容易出现此故障。
（3）二次保护采用PTC压敏电阻。在程控交换机系统中，PTC已被广泛使用。F-150电路中的压敏电阻Vs，能在过流时使电阻值大幅度上升，对外线近似于开路和内线处于近似阻断状态，使过流得到有效控制，比较可靠。因而它的用户电路板出现过流损坏的情况比较少。
（4）外线电缆屏蔽层接地电阻达标。保安器对雷电脉冲的防护，是一种瞬态过程，且有局内、外线分布参数的影响，比较复杂。如某些局F-150遭雷击损坏设备较多的主要是电源分配器，据查大多是由于全塑电缆屏蔽未连通接地和接地电阻不合格所致，因此防雷接地电阻值达标很重要。
5 压敏电阻的维护标准
压敏电阻是以氧化锌为主要材料，采用半导体陶瓷工艺制造而成的。其特点是：非线性系数高、通流量大、工作电压范围宽、耐浪涌电压能力强、漏电流小、脉冲响应速度快和工作性能稳定。它是控制电压变化的良好器件，常用于防护、吸收因电感电路及外部雷电产生的高冲击电压，适用于各类电子、通信设备的过压保护和雷电防护等。由于其体小价廉，因此得到广泛应用。如程控交换机进局外线的防雷电等高电压一次和二次保护，都采用了压敏电阻元件，对确保设备和人身安全，起到了重要作用。那么，使用和维护中要掌握压敏电阻的哪些电气特性呢？
5．1
压敏电阻的选择
选择压敏电阻很关键，选择不当会影响保护效果及使用寿命，甚至会造成事故。选择时
主要考虑三点：
（1）标称电压(U1µA)的选择：考虑到经常耐受高压冲击及直流工作情况，元件易老化，U1µA一般要大于工作电压。各类电压分别为：
U1µA≥(1．33～1．6)UDC，≥(1．86～2．2)UCA，≥(1．4～2)U(脉冲初始值)。
（2）通流容量(冲击电流)：大于2倍脉冲电流峰值。
（3）静电容量(Cp)：在选好上述两点后，在高频电路中Cp愈小愈好。
5．2
压敏电阻特性参数
（1）标称电压(U1µA)：流经元件1µA直流电流时的电压峰值。
（2）漏电流：在室温25℃下，元件能承受的最大连续直流电压时流经的电流，愈小愈好。
（3）额定能量：保证元件稳定的前提下，元件能承受的最大脉冲能量，单位焦耳(J)，其平均持续功率小(1W左右)，而承受的瞬时功率可大于数千瓦。
（4）通流容量(冲击电流)：按规定的时间间隔和次数，在元件上施加规定标准电流波(8×20µS)单极性冲击电流后，其参数变化(标称电压变化率)≤规定值时，所能通过的最大冲击电流值。一般规定一个方向冲击lO次，每分钟2次，元件能承受50A～20kA冲击电流。
（5）残压比：残压是脉冲电流流经元件时产生的峰值，此峰值与标称电压之比称残压比，
如U100A／U1µA≥1．9，残压一般是标称电压的1．9倍。
（6）电压非线性系数(X)：在给定外加电压作用下，元件静态阻值与动态阻值的比值，
称为电压非线性系数，一般X为2—5。
6 程控交换机防雷须注意的问题
6．1
定期全面检查防雷设施
雷雨季前要按规程要求，全面检查防雷设施，对不合格的器件进行维修和更换，认真检测防雷接地电阻值，在总配线架MDF测试值应≤5Ω。MDF线间和对地绝缘电阻值应≥500MΩ以上。电缆屏蔽层接地电阻≤10Ω。
6．2
PTC电气特性必须达标
经过雷电的多次冲击，电气特性有时也发生变化。因此，更换选择压敏电阻（PTC）时，要严格检测电气特性，其正常电阻值为10Ω，动作后最大电阻大于lOkΩ,
动作电流为200～300mA。
6．3
雷雨季要勤检测保安器
防雷保安器由于受温湿度、积尘、金属器件锈蚀以及雷电侵入多次放电或剧烈放电震动等影响，性能会不断发生变化，以致影响防雷效果。因此，必须定期检测保安器电气特性是否正常。每次雷雨过后要检查保安器的损坏情况，巳损坏者要及时更换，更换前要检测其主要特性并达标，即放电电压和保安器绝缘电阻（≥2000MΩ）。同时要有足够合乎标准的保安器备品。
6．4
值班操作人员应注意安全
雷电交加时值班操作人员要远离MDF，检修或更换保安设备时必须在雷雨过后，操作时应注意安全，在MDF附近应站在绝缘胶垫上(耐压≥20000V)，并戴高绝缘胶皮手套操作。如外线遭雷击，雷雨中不能派修。
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