通信工程师论文光纤通信的防雷保护措施

　　本文笔者结合自己多年的通信技术工作经验，主要分析了光缆遭遇雷击的原因, 介绍了光缆的防雷设计与安装中需要考虑的因素。并根据我国现阶段光缆线路实际情况以及现行的防护措施和实际效果，提出一些可行措施。供同行参考。

　　《当代通信》是由信息产业部主管，中国通信企业协会主办，中国电信博物馆承办的通信类综合刊物。自1994年创刊以来，因其丰富的内容、权威的报道，形成了自己的特色和影响。

　　据资料至2000年底我国全介质自承式ADSS光缆安装的数量达20000公里。光缆复合架空地线OPGW安装的数量约7000～8000公里。近年在建和计划建设的光缆将有约80000千米,其中,ADSS有360多千米,OPGW约21900千米, 缠绕式光缆GWWOP有173千米。可见光缆通信已成为主要通信方式之一，用光纤传输信息是因为它传输容量大、传输损耗小以及不易受外界电磁场干扰。

　　光缆分为有金属材料和无金属材料两大类。有金属材料的又分为有铜线型和无铜线型两种。无金属光缆的加强件是利用高密度的聚乙烯制成的，而有金属的光缆的加强件、护层、信号线等多是金属的。

　　雷电引起光缆损害有二个：一是热效应,主要是对金属光缆。二是击坏护套,这是强烈冲击的结果,也称为汽锤效应。

　　1　光缆遭遇雷击的原理

　　雷电闪击大地时, 雷击点的电位显著升高, 并随着与雷击点的距离的渐远, 其电位逐渐下降, 形成所谓“电位漏斗”, 如图1 所示。雷击点的电位是最高的, 若土壤的电阻率均匀, 并且围绕着雷击点形成一个导电的半球, 该导电半球体的电位为:

　　式中 为雷击点均匀分布的大地电阻率; 为雷电流幅值(kA ) , 为土壤临界击穿场强(kV/m )。随着与雷击点的距离r 的改变, 地中各点的电位 为:

　　式中 为与雷击点的距离(m)。随着r 的增大, 地电位呈漏斗形急剧下降。

　　设位于电位漏斗区域内的光(电) 缆, 其塑料外护套的耐压为 ，当护套所在的地电位 时,便可能将外护套绝缘击穿, 由 ,可得出导致击穿发生的距离 为:

　　式中 为击穿点至雷击点的距离(m ) ; 为塑料外护套的耐压(kV )。当土壤电阻率为500 , 外护套耐压为200kV的光(电) 缆, 在8m外的大地遭遇标准雷(20kA) 雷击时, 外护套有可能被击穿。公式表明,不同土壤电阻率的光缆危险距离也不相同。平原地区土壤的电阻率一般在100 以下，山区土壤的电阻率一般大于100 ，而丘陵地区由于砂子、卵石、岩石的地质较多，电阻率一般要大于500 所以，丘陵山区光缆的雷击故障较多。光缆被击穿时的最小电流值称为其失效电流。

　　架空光缆遭雷击的机理与埋地光缆遭雷击的机理相同, 一旦发生雷击,有可能击中其金属挂钩或钢绞线(铁线)。易造成金属护层、金属加强芯等部件间的击穿放电而烧断光纤,进而造成通信中断。

　　根据原理并参考了一些统计资料,光缆遭遇雷击有以下规律:

　　(1) 光缆内金属构件对地绝缘较低的光缆容易遭受雷击。

　　(2) 土壤电阻率普遍比较大, 个别土壤电阻率小的地方容易形成入地雷电通路,土壤电阻率突变的地区较易遭受雷击。

　　(3) 光缆线路附近有突出物地方, 光缆容易遭受雷击。

　　(4) 光缆施工后回填土壤不实, 出现深沟, 土壤耐压力降低, 光缆容易遭受雷击。

　　2 两种通信光缆防雷方法比较

　　光缆及其设备的防雷方法主要有两种,即电气断开方式和电气连接方式。其主要区别在于光缆接头处缆内金属构件前后是否作电气连接和是否接地。使用较多的方法是将每盘光缆的所有金属构件(金属加强芯、钢带铠装层、金属挡水层等) 均在接头处作电气断开,不接地,在光缆上方敷设截面积不小于50 的镀锌钢线。另一种措施是在每盘光缆的接头处或中断器处将所有金属物件都作电气连接,在光缆的终端也将光缆中所有金属构件直接或通过冲击保护器件接到等电位连接排上,光缆金属护层接地。考虑到一些地方埋设合格的接地线十分困难,采用第一种措施较适宜,光缆接头处不接地,可以减少接地装置,也减少工程费用和维护工作量。另外,光缆接头处缆内金属构件不连通,相当于添加了分割滤波器,不使感应电动势在光缆中的积累超过光缆的耐压指标,光缆引入光中继站的雷害途径被阻断,排除了经线路引入雷击的可能。

　　3　光缆线路防雷措施

　　根据光缆遭遇雷击的机理和规律, 光缆防雷设计应避开雷区、雷点, 阻止光缆对雷电的诱导, 利用自然和人工接地引雷入地。根据线路所涉及地区的累计气象资料, 年平均雷暴日数大于20 的地区要采取光缆防雷措施。有条件的可对线路经过地区进行雷击风险评估，并尽量避开下列地区:

　　(1) 雷击频发地段及有过雷击历史的地点;

　　(2) 突出物(塔、杆、大树等) 和电磁变化突出场;

　　(3) 发电厂、大型电站和天线区等;

　　(4) 矿泉、沼泽地、暴露的河床、地下水出口处等具有边缘效应的地方;

　　(5) 山地或丘陵的局部山脊处及地形突变或土壤电阻率突变的地段;

　　(6) 各类接地装置和接地网;

　　(7) 地下有金属矿藏的地方;

　　尽量避免使用光缆金属信号线系统，有条件的地方可使用全塑光缆。使用金属护层结构的光缆时, 对地绝缘应满足设计要求。光缆金属的铠装或护套全线不接地,连接处只作光的连接, 电气断开, 使之处于浮空电位， 线路经过地面突出物时, 地下光缆要设地下导流消弧线, 架空杆路要做防雷处理。在历史雷电多发地段、地面突出物、光缆连接点以及其它特殊地段时, 要采取以下防雷措施:

　　(1) 线路在经过历史雷区时要敷设防雷地线或架空防雷线。在直埋光缆上方距离光缆大于30 cm 处,平行敷设截面不小于50 镀锌钢丝防雷线, 两条线相距40cm,或在距光缆3～5m处, 用木杆平行架设两条直径为4mm镀锌钢丝, 在防雷线两端及中间每隔200m安装接地装置,并引伸到导电率较好的地方, 敷设长度要大于2km,接地装置离开光缆15m以上,接地电阻小于4 。

　　(2) 对于地面突出物, 可采取消弧线保护光缆, 即在防雷目标与光缆之间, 用两根金属线做成半圆弧形围上防雷目标, 其中一根金属线与光缆埋深相同, 另一根的埋深为光缆埋深的一半。两根金属线的两端都焊接在接地装置上。接地装置应在远离光缆的一侧,距离大于15m,接地电阻小于4 , 当消弧线与光缆的间距不足5m时, 消弧线不能对光缆起保护作用, 这时光缆应绕道敷设。

　　(3) 光缆接头处,应作防雷处理。要选择两端电气绝缘的接头盒, 便于安装时的电气绝缘处理。连接时只作光的连通, 电气上断开。金属护套和金属加强芯与接头盒连接后, 保持对地的电气绝缘。为了及时掌握和处理光缆金属护套损伤或接头盒进水, 必须定期测试光缆金属护套及接头盒对地绝缘状况, 这往往需要从光缆中引出监测线。为方便管理, 可全线连通光缆金属线, 以作全程遥测, 但这与防雷目标相悖。折衷的办法是, 将监测线引出, 连接至接头标石接线板, 但不作连通, 巡线维护人员巡视线路时, 根据具体情况作临时连通操作, 既可检测光缆的绝缘状况, 也可进行放音探路, 或临时公务联络。

　　(4) 由于电杆不可能像光缆那样对地绝缘, 因此, 必须引导雷电流入地。光缆连接只进行光的连接, 而电气断开。安装电杆避雷线时, 避雷线顶端应高于电杆(一般高出10 cm 左右) , 接地装置可用线型、管型或其它类型的接线体,可用拉线作地线,接地电阻小于4 。电杆避雷线至少每隔10杆安装一根。雷害严重地段,架设防雷地线,可采用4 mm镀锌钢丝, 架设在高于电杆顶端30～60cm的位置上。

　　(5) 在生产、运输和施工等各个环节上, 保证绝缘层的完好, 确保光缆的对地绝缘, 使光缆全线对大地都处于电气浮空状态。根据光缆遭遇雷击机理, 采取只切断缆内电气回路的方法,设计和安装光缆防雷设施, 既可免除光缆线路遭遇雷击, 又可保证光缆线路的通信畅通。

　　(6)光缆进入变电站或发电厂通信机房前,应穿入铁管,埋深0.8m ,铁管的两端应良好接地,以屏蔽强电带的影响.

　　(7) 抗雷OPGW光缆是采用熔点高和能够快速扩散电弧热能的材料。这种快速扩散电弧热能的物理系数称为热传导系数,除了在传统上使用的铝和铁以外,还在试用钼、锌和铜等金属材料。这些试用的金属材料主要特点是:

　　钼熔化点特别高、熔化需要很大的能量。

　　‚锌熔化需要的能量小,但是当锌层熔化或气化时将吸收热量,并且电弧的热量会沿导线表面扩散而降低。

　　ƒ铜比其它材料有更大的热传导系数,热量迅速扩散降低了电弧熔斑的积累热量。但是,铜和铝铁一起用时会引起副作用,例如电镀腐蚀。因此,在实用中避免使用铜。从结构和形状上改进如下：

　　在外层股线和内层股线之间设计空气间隙,防止热量从外层股线传导内层和光纤。

　　加厚外层铝包钢线的铝包厚度,以便铝熔化时吸收更多的能量,保护内部钢线,维持股线所需的强度。

　　在相同的材料下,采用更大的外层股线的直径。

　　4 结束语

　　通过以上分析可知，光缆的被雷击概率小于普通电缆,尤其是采用无金属的光缆就可以基本避免雷击。要注意的是与光缆连接的各种有源设备宜采用就近提供的电源,同时做好电源防雷工作,如安装电源SPD或采取变压器隔离。雷击所形成的瞬变磁场对光缆连接器、光中继站等设备产生电磁干扰,致使这些设备正常功能难以发挥，含金属护层的光缆进户时，可剥除屏蔽并与建筑的接地相连。

　　本文对含金属材料光缆的防雷技术进行了归纳总结,但还很不全面,也很肤浅。随着科技的发展,光缆的雷电防护理论会逐步走向成熟，对拓展通信光缆防雷业务也将有积极推动作用。

　　参考文献

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