淺談電力系統(tǒng)通信的防雷技術(shù)

文／福建省電力有限公司信通分公司 鐘穎儀 陳祖彬 蔡曉明／

0 前言

本文主要以福建省500kV大園變電站通信設(shè)備一段時間經(jīng)常遭受雷擊為例，針對變電站通信系統(tǒng)防雷中一些易被忽略又相對重要的細(xì)節(jié)展開討論，希望對相關(guān)從業(yè)人員和在校學(xué)生有一定的幫助。

1 500kV大園變電站通信設(shè)備簡介

500 kV大園變位于福建省泉州市郊，地處東南沿海，亞熱帶氣候常年臺風(fēng)，且地形地貌多山的特點(diǎn)決定了該變電站所處地區(qū)雷雨天氣較多，同時該變電站建在半山上，地勢較高，因此雷擊的概率比一般的變電站要高。

2011年8月23日，500kV大園變遭到雷擊：該站一路市話、一路中調(diào)放號以及一路遠(yuǎn)動信號中斷。運(yùn)行人員說，在這些信號中斷之前，該站食堂附近有落雷。經(jīng)檢查：一路市話的保安器損壞，烽火PCM三、四槽兩塊二線板及五、六槽兩塊四線板均有告警信號，第三槽二線板有元件燒毀現(xiàn)象。處理過程如下：更換市話防雷保安器，市話恢復(fù)正常；將兩塊四線板重新插拔后，四線板告警信號消失，遠(yuǎn)動信號恢復(fù)正常；將第三槽二線板更換后，中調(diào)放號恢復(fù)正常。經(jīng)過分析判斷，設(shè)備損壞原因是由于雷電產(chǎn)生的感應(yīng)電流通過市話線路進(jìn)入音頻配線架。音頻配線架是雷擊故障的多發(fā)地帶，當(dāng)配線架某線路被擊穿，將直接導(dǎo)致所接設(shè)備損壞。

該例暴露出音頻配線架、保安器、烽火PCM防雷效果不佳，市話線路在進(jìn)入音頻配線架之前未做防雷措施。而檢查發(fā)現(xiàn)的市話線路進(jìn)入機(jī)房前未穿金屬管直埋10米以上則是雷電產(chǎn)生的感應(yīng)電流通過它進(jìn)入音頻配線架的主因。

采取的對策如下：

1）在兩路市話進(jìn)入音頻配線架前加裝RJ11電話信號防雷器；

2）市話線進(jìn)入機(jī)房前穿管地埋；

3）檢查保安器和音頻配線架接地情況，測量接地電阻；

4）烽火PCM二、四線板配線處加裝防雷保安器。

音頻配線架一般采用防雷保安單元、氣體放電管、壓敏電阻、固體放電管等防雷方法。在正常工作情況下，防雷保安單元并聯(lián)時不得短路，串聯(lián)時不得開路，對地有連接的除了放電狀態(tài)，其他時間不得構(gòu)成導(dǎo)通狀態(tài)，否則必須輔以接地檢測報警裝置。不同型號的保安單元接地端設(shè)置不一樣，一定要使接地端接地才能起到防雷效果，如有的保安單元和現(xiàn)有的配線架不搭，應(yīng)自行焊接接地端引線與地線連接。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同的使用環(huán)境，選取合適的防雷保安器，才能在滿足設(shè)備殘壓要求和線路浪涌電壓防護(hù)的同時，提高防雷保安單元的在線使用安全。錯誤的使用防雷保安單元不僅不能給系統(tǒng)帶來安全防護(hù)，甚至由于它的加入而使整個系統(tǒng)都存在安全隱患。

相比單一的防雷方法，筆者推薦采用放電管電阻和抑制二極管組合的避雷裝置，經(jīng)實(shí)踐因雷擊引起的通信故障率明顯下降，用戶接口或電話機(jī)被雷擊壞的數(shù)量明顯減少，防雷效果良好。其原理圖如下：

如圖，電話線L1與L2之間為縱向過電壓，而L1或L2與地之間為橫向過電壓，通信音頻電纜過電壓放電電壓為230±(30～40）V。選參數(shù)相同的抑制二極管V1、V2、V3，放電電壓為115V，縱向放電電壓U(B,F)=U(A)+U(B)=115+115=230V，橫向放電電壓U(B,C)=U(F,C)=U(A)+U(C)=U(B)+U(C)=115+115=230V，對縱向和橫向過電壓都起到保護(hù)作用。同時，線路側(cè)放電管GT1、GT2和設(shè)備側(cè)二極管起互補(bǔ)作用，可大大提高抑制過電壓效果和放電保護(hù)可靠性。采用18Ω/5W的電阻可抑制強(qiáng)大的放電電流，達(dá)到傳統(tǒng)熔絲保護(hù)效果，減少雷擊時因熔絲引起的通信中斷，非常適合無人值守的通信機(jī)房。

2 防雷技術(shù)分析

市話作為變電站對外通信的一個重要手段一般不能取消，它是從站外電信部門的音頻線引入，由于架空線路極易感應(yīng)由雷擊等引起的各種電磁場，所以是防雷的一個死區(qū)。筆者曾遇到一變電站，一到打雷，主控室在桌面上的市話電話線的水晶頭就會打火，伴隨著細(xì)微的放電聲。因此，進(jìn)入機(jī)房前應(yīng)穿金屬管地埋或走電纜溝，進(jìn)入音頻配線架前應(yīng)加裝RJ11電話信號防雷器，電話機(jī)的防雷電路應(yīng)選擇具有響應(yīng)速度快、殘壓小、通流量大、抗雷擊能力強(qiáng)的壓敏電阻。壓敏電阻和熱敏電阻應(yīng)并聯(lián)以提高泄流能力，打雷時盡量少用或不用。

2012年入夏以來，500kV大園變電站屢遭雷擊，7月22日通信人員接到變電站運(yùn)行人員電話通知：該站CORAL調(diào)度交換機(jī)所有模擬用戶不能使用，僅數(shù)字調(diào)度臺用戶可正常使用。而在這之前幾分鐘，大園變站內(nèi)有打雷現(xiàn)象。檢查發(fā)現(xiàn)：調(diào)度臺可以拔出中繼，但拔站內(nèi)所有分機(jī)皆出忙音。打開CORAL交換機(jī)機(jī)框，發(fā)現(xiàn)主框和從框的電源板告警、主框第5槽24SLS模擬分機(jī)接口板告警，板內(nèi)有元件燒毀現(xiàn)象、從框PB24和4GC板告警。

處理經(jīng)過：1、更換主框第5槽24SLS模擬分機(jī)接口板后，拔打分機(jī)可聽到撥號音，但分機(jī)不振鈴，用萬用表測試用戶線直流電壓為0V；2、重啟交換機(jī)：關(guān)閉主/從框的電源板開關(guān)，無法關(guān)閉，在中恒直流配電屏關(guān)閉主/從框輸入電源，可以關(guān)閉；3、合上主框電源開關(guān)，2分鐘后所有用戶可正常通話；4、合上從框電源開關(guān)，PB24和4GC板告警仍舊存在；5、檢查VDF和交換機(jī)的機(jī)架接地情況，沒有發(fā)現(xiàn)異常；6、檢查戶外電話機(jī)和VDF保安器，沒有發(fā)現(xiàn)異常。通過上述現(xiàn)象分析判斷，這是一起雷電感應(yīng)電流通過超五類線進(jìn)入CORAL模擬用戶接口板04端口，進(jìn)而損壞交換機(jī)其它電路。

我們知道，雷電流進(jìn)入通信設(shè)備的途徑有兩種：一是雷擊沖擊波通過戶外傳輸信息的線路（音頻線、超五類線、電話線）侵入通信設(shè)備。閃電的脈沖放電電流對進(jìn)入通信機(jī)房的戶外線纜都會產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)過電壓和過電流。另一種是雷擊大地或接地體，引起地電位的上升，對通信設(shè)備產(chǎn)生反擊，損害通信設(shè)備對地絕緣。根據(jù)大園變歷次雷擊事件綜合分析，本次雷電的進(jìn)入方式是前一種。

本次CORAL模擬用戶接口板04端口對應(yīng)的用戶是附屬樓活動室的1515分機(jī)。我們檢查了1515分機(jī)進(jìn)入機(jī)房的通信線纜，發(fā)現(xiàn)是沒有金屬外皮的超五類線，因沒有屏蔽層而無法阻擋空間的電磁波感應(yīng)。

暴露問題如下：音頻配線架、保安器防雷效果不佳；電話線路在進(jìn)入音頻配線架之前未做防雷措施，所用線纜是沒有防雷措施的超五類線（沒有金屬外皮，沒有套金屬管）；大園變附屬樓沒有防雷設(shè)施。

處理措施是增加二級保護(hù)，在各分機(jī)的用戶側(cè)和設(shè)備側(cè)都插上保安器；更換超五類線為有金屬外套的屏蔽線纜，兩端金屬外套分別與地網(wǎng)連接；對與主控樓通信的附屬樓接地網(wǎng)進(jìn)行改造，使之接地電阻與主控樓接地電阻差在規(guī)定范圍；在線路進(jìn)入音頻配線架時加裝ZH型中和變壓器。處理完至今，該變電站通信設(shè)備在此后多次雷雨天氣時不再因雷擊而損壞。讀者可能會有疑問，直接鋪一條光纜不是更簡單？是的，但接地網(wǎng)有問題還是得改，且因?yàn)閹撞侩娫捇驇着_電腦的通信需求鋪設(shè)光纜不符合節(jié)約成本的技改方案。

通常變電站的避雷針的保護(hù)范圍只包括現(xiàn)場設(shè)備，主控樓和一些附屬建筑有相應(yīng)的防雷措施，而建筑物之間的通信線纜則沒有納入避雷針的保護(hù)范圍，處于防雷的死區(qū)。據(jù)研究，避雷針周圍不在其保護(hù)范圍平均雷擊率比保護(hù)范圍內(nèi)高2.5-4倍。對于這段距離的通信應(yīng)注意幾點(diǎn)：一是不能用沒有防雷措施的音頻線、超五類線、電話線等（沒有金屬外皮，沒有套金套管）。雷擊沖擊波易于通過這些戶外傳輸信息的線路侵入通信設(shè)備。閃電的脈沖放電電流對進(jìn)入通信機(jī)房的戶外線纜都會產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)過電壓和過電流。當(dāng)然，用金屬套管的屏蔽電纜如建筑物之間的距離幾十米長雷電時可能因地電位差產(chǎn)生強(qiáng)電流。所以有條件變電站所有的建筑物地線網(wǎng)應(yīng)統(tǒng)一布局且定時檢查，防止接地網(wǎng)遭腐蝕接地電阻差別大產(chǎn)生電位差。二是所經(jīng)線路地面的地勢不宜過低，以免積水，植被生長滲透影響線纜通信。電纜溝應(yīng)保持干燥，以免雷擊引起地電位的上升，通過線纜對通信設(shè)備產(chǎn)生反擊，損害通信設(shè)備對地絕緣。

對于模擬信號通信線、各種通信交換機(jī)用戶門子、中繼及磁式門子接口處、微機(jī)保護(hù)接口處采用ZH型中和變壓器等專門的隔離變壓器時應(yīng)注意，變壓器如無接地端引線應(yīng)手動焊上，盡量不用螺絲固定產(chǎn)生接觸電阻，焊點(diǎn)應(yīng)稍微大些且均勻不易脫落，加裝時除了把信號線接好，接地引線應(yīng)良好接地。它可以承受10 kV 甚至更高的因雷擊或地電位反擊產(chǎn)生的過電壓而不擊穿，將模擬信號通信線路設(shè)備側(cè)和線路側(cè)(對設(shè)備電源線和低壓線路) 從電路上隔離開來, 之間通過電磁耦合的方式聯(lián)系而無直接電流回路。

3 結(jié)束語

隨著信息化建設(shè)日趨國際化，作為后勤保障的防雷接地措施在通信系統(tǒng)的作用越來越重大，我們應(yīng)不斷提高防雷安全意識和技術(shù)，最大限度地防御和減輕雷電災(zāi)害對電力通信系統(tǒng)造成的危害。以上零零碎碎，些許心得，來自筆者工作中，拿出與大家共勉，水平有限，望廣大讀者不吝賜教。

[1]江日洪,張兵,羅曉宇,合編.發(fā)、變電站防雷保護(hù)及應(yīng)用實(shí)例[M].北京:中國電力出版社,2007.

[2]曹曉軍.電力系統(tǒng)通信站防雷運(yùn)行管理規(guī)程[M].北京:水利電力出版社,1997.