輸電線路對市話通信系統(tǒng)影響的防護設(shè)計

熊萬洲，向寒冰，魯景星

( 1.中南電力設(shè)計院，湖北 武漢 430071；2.中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司，廣東 廣州 510620)

市話通信系統(tǒng)是由銅芯雙絞線電纜連接的包括交換設(shè)備、接入網(wǎng)設(shè)備相關(guān)部分和總配線架、終端設(shè)備等組成。我國使用的設(shè)備材料、技術(shù)指標(biāo)不斷改進，已與國際接軌，通信行業(yè)根據(jù)ITU－T(國際電信聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)化部)標(biāo)準(zhǔn)，制定了相應(yīng)的防護規(guī)范。在輸電線路施工圖設(shè)計中，評估處理對市話通信系統(tǒng)的危險影響，是通信防護設(shè)計的主要工作；應(yīng)根據(jù)影響程度，通過技術(shù)經(jīng)濟比較，采取必要的防護措施。

由于各行業(yè)規(guī)范新老版本交叉重疊、表述方式及觀點存在差異，使得各設(shè)計、運行單位認(rèn)識不盡統(tǒng)一。在防護設(shè)計過程中，允許值確定范圍在600～3600 V之間，選擇防護措施方案也存在很大差別。為確保市話通信系統(tǒng)設(shè)備及人身安全、降低防護費用、便于工程協(xié)調(diào)，規(guī)范輸電線路影響市話通信的防護設(shè)計是非常必要的。

1 市話通信系統(tǒng)的耐受性

1.1 終端保護設(shè)備的特性

為了防止過電壓過電流的危險影響，市話通信系統(tǒng)終端設(shè)備安裝有兩級保護，第一級指用于轉(zhuǎn)移進入設(shè)備的過強傳播能量的措施及物理裝置，第二級安裝在設(shè)備內(nèi)特別設(shè)計的保護裝置。分別敘述如下：

(1)總配線架

總配線架為外線側(cè)連接銅芯雙絞線市話通信電纜，內(nèi)線側(cè)連接電信交換或接入設(shè)備的用戶電路，可通過跳線進行線號分配接續(xù)，且具有過電壓過電流防護、告警功能及測試端口的配線架；保安單元為防止局內(nèi)設(shè)備和操作者人身遭受過電壓過電流危害的第一級保護裝置，見圖1。

圖1 總配線架保安單元

總配線架的電力線感應(yīng)試驗，其a+b對地最大試驗交流電壓Uac(有效植)需達到式(1)要求：

MDF保安單元耐電力線感應(yīng)能力I(有效植)，明確要求達到式(2)要求(適于陶瓷氣體放電管)：

(2)交換設(shè)備

交換設(shè)備內(nèi)設(shè)第二級保護裝置，其a+b對地最大試驗交流電壓Uac(有效植)需達到式(3)要求：

(3)接入網(wǎng)設(shè)備

接入網(wǎng)設(shè)備的第一級保護裝置，其a+b對地最大試驗交流電壓Uac(有效植)需達到式(4)要求：

(4)終端設(shè)備

終端設(shè)備內(nèi)設(shè)第二級保護裝置，其a+b對地最大試驗交流電壓Uac(有效植)需達到式(5)要求：

從式(1)至(5)看出，市話通信系統(tǒng)終端的兩級保護，都采用了600 V交流試驗電壓，只是試驗持續(xù)時間有差異。

1.2 市話通信電纜的絕緣特性

市話通信系統(tǒng)中，幾乎全部采銅芯聚烯烴絕緣擋潮層聚烯烴護套市內(nèi)通信電纜(HYA系列)，HYA系列電纜結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 HYA系列電纜結(jié)構(gòu)

HYA系列電纜導(dǎo)體與屏蔽絕緣電氣強度，直流試驗電壓Ud需達到式(6)、(7)要求：

或

2 確定危險影響允許值

輸電線路對市話通信系統(tǒng)危險影響的允許值，取決于市話通信系統(tǒng)對過電壓過電流的耐受性。

2.1 考慮終端設(shè)備安全

通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定，對已建通信局(站)、接入網(wǎng)點，強電綜合危險影響允許值為300 V；新建通信局(站)、接入網(wǎng)點，強電綜合危險影響允許值為600 V。這是根據(jù)過電壓和過電流耐受性測試標(biāo)準(zhǔn)確定的允許值，從式(1)至(5)可知，市話通信系統(tǒng)的兩級保護都采用了600 V交流試驗電壓，只是試驗持續(xù)時間有差異，其中第二級保護交流試驗電壓已經(jīng)達到了600 V·0.2s·5次。

市話通信系統(tǒng)終端保護設(shè)備分為兩級，第一級保護是將過電壓過電流降到第二級保護所承受的范圍內(nèi)。可見第一級保護的耐受性比第二級保護要高的多，所以采用600 V作為允許值是偏保守的，有沒考慮輸電線故障持續(xù)時間的變化。

典型情況下，感應(yīng)電壓允許值隨輸電線故障持續(xù)時間不同而變化的電壓允許值見表1。

電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[4]也采用了表1隨故障持續(xù)時間不同而變化的冊碼允許值，這一規(guī)定顯然比通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要寬松。

2.2 考慮市話電纜安全

在輸電線路故障狀態(tài)下，電信電纜芯線上的磁感應(yīng)電壓(電動勢)E應(yīng)符合式(8)規(guī)定，這一規(guī)定最早來源于國際電話電報咨詢委員會(Consultati Ve Committee on International Telephone and Telegraph，CCITT)導(dǎo)則的建議。

根據(jù)式(6)～(8)可得：

E=3 6 0 0 V·3 s或

2.3 考慮人身安全

國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定人身安全電壓允許值，高可靠輸電線路為650 V；其它輸電線路為430 V 。文獻[4]、[11]稱這兩個規(guī)定值為基本電壓允許值，考慮輸電線路故障持續(xù)時間的安全電壓允許值見表2。

表2 人身安全電壓允許值

2.4 綜合考慮允許值

本節(jié)從市話通信系統(tǒng)的終端設(shè)備安全、電纜線路安全、人身安全上述三個方面敘述了各自的允許值，明顯有兩個特點：

(1)允許值與輸電線持續(xù)故障時間相關(guān)性較大；

(2)三個方面針對不同對象表述，允許值數(shù)據(jù)相差較大。

由于輸電線持續(xù)故障時間t≤0.2 s，綜合考慮這三個方面選取較低的值，即1030 V為輸電線對市話通信系統(tǒng)危險影響的允許值。

3 影響程度

3.1 通信電纜范圍

輸電線對市話通信系統(tǒng)的影響來源于對HYA電纜的感應(yīng)，中南電力設(shè)計院對2005年～2007年設(shè)計的500 kV以上的交直流輸電線路工程間距2 km內(nèi)的通信線路進行了調(diào)查統(tǒng)計，涉及的輸電線路工程23個(路徑走廊長度3150 km)、地區(qū)包含10個省市，統(tǒng)計通信線路889條，各長度范圍內(nèi)HYA電纜條數(shù)見表3。

表3 各長度范圍內(nèi)HYA電纜條數(shù)

表3表明，3 km以下的HYA電纜條數(shù)占97%，基本反映了當(dāng)前高壓輸電線路路徑走廊對沿線通信線路影響的普遍情況。

3.2 縱電動勢計算

采用文獻[4]、[11]的計算方法，取輸電線故障影響電流IS=10 kA、大地導(dǎo)電率σ=5×10－3(s/m)，輸電線與HYA電纜不同相對關(guān)系的感應(yīng)縱電動勢計算結(jié)果見圖3。

圖3 感應(yīng)縱電動勢計算結(jié)果

由表3、圖3可知，2 km以下的HYA電纜條數(shù)占85%以上，當(dāng)接近間距為500 m時，其感應(yīng)縱電動勢小于2000 V，并不嚴(yán)重。

4 防護設(shè)計方案

4.1 傳統(tǒng)方案與改進

輸電線故障時，瞬時短路電流會在鄰近的市話通信系統(tǒng)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。對于HYA市話電纜的防護，目前采取的主要防護措施是在電纜兩端加裝電纜保安器，這種設(shè)計主要基于幾點：①考慮了長距離平行接近情況，感應(yīng)電動勢可能極高；②兩端的電纜保安器動作時，將輸電線感應(yīng)能量完全泄流；③忽略市話通信端局(交換設(shè)備、接入網(wǎng)設(shè)備、總配線架、終端設(shè)備)自身的第一級、第二級防護能力；④由于電纜保安器容量足夠大，一般不驗算每個放電管的耐流能力；⑤末端通信電纜保安器與第一級防保安單元內(nèi)置放電管處于并聯(lián)狀態(tài)，功能重復(fù)設(shè)置。

市話通信技術(shù)逐步與國際接軌，端局的第一級防保安單元指標(biāo)不斷改進，泄流器件經(jīng)歷了炭精塊、陶瓷氣體放電管、半導(dǎo)體放電管、集成電路單元的逐步換代，保安性能大幅提升；由于接入網(wǎng)設(shè)備的批量建設(shè)，使得HYA型市話通信電纜的延伸長度大幅降低，85%在3 km以內(nèi)，還有繼續(xù)縮短的趨勢，使其受電力線影響程度也大幅降低。

根據(jù)上述特點，提出取消末端電纜保安器，其防護功能由市話通信端局自身的第一級防護承擔(dān)。防護改進設(shè)計方案見圖4。

圖4 防護改進設(shè)計方案

4.2 放電管負(fù)荷電流的驗算

圖4保安器放電管動作時，回路中的總電流如式(10)：

式中：In為電纜保安器動作時，回路中的總電流(A)；E為HYA電纜上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢( V)；Zn為HYA電纜線束阻抗(Ω/km)；lp為HYA電纜長度(km)；Rb為電纜保安器始端接地電阻(Ω)；Rq為通信機房接地電阻(Ω)。

那么每個保安器放電管中的工頻電流如式(11)：

式中：I為每個放電管中的工頻電流(A)；n為HYA電纜導(dǎo)線根數(shù)(如100對電纜，n=2×100)。

(1)與感應(yīng)電動勢、電纜長度的關(guān)系

選擇芯線直徑為0.4 mm、對數(shù)為100(工程中使用最為廣泛)、Zn=1Ω/km，保守取Re+Rq為10Ω，按式(11) 計算各種工況下每個放電器負(fù)荷電流見圖5。

圖5 各種工況放電器的負(fù)荷電流

圖5計算結(jié)果表明，長度為500 m的電纜，當(dāng)感應(yīng)電動勢為6000 V時(這是極其少見嚴(yán)重的情況)，每個放電器通過的電流小于3 A；

(2)與電纜芯線對數(shù)、直徑的關(guān)系

不同HYA電纜芯線對數(shù)、芯線直徑情況下，每個放電器負(fù)荷電流按式(11)計算結(jié)果(取工程中常見的lp=1.5 km，E=1500 V)見表4。

表4 不同電纜型號每個放電器的電流/A

表4計算結(jié)果顯示，每個放電器通過的電流與電纜芯線對數(shù)、直徑的相關(guān)性很大。芯線直徑為0.4 mm任何對數(shù)的電纜，每個放電器通過的電流小于5 A。

4.3 改進設(shè)計方案的可行性

通過上述針對HYA電纜不同芯線對數(shù)、芯線直徑、接近長度以及受影響程度的計算，絕大多數(shù)情況下，每個放電器通過的電流滿足式(2)之容量，改進設(shè)計方案的可行的。

從1999年開始，市話通信系統(tǒng)MDF保安單元中的氣體放電管逐步被固體半導(dǎo)體放電管所代替，半導(dǎo)體固體放電管比較陶瓷氣體放電管具備體積小、穩(wěn)定性好、殘壓低、響應(yīng)速度快、發(fā)熱量低等優(yōu)點，其中最小體積為φ4 mm×2 mm的固體半導(dǎo)體放電管，已能承擔(dān)10 A的工頻電流。

5 防護設(shè)計規(guī)范化

(1)輸電線路對市話通信系統(tǒng)的危險影響電壓(或縱電動勢)允許值，采用1030 V。

(2)當(dāng)危險影響超過允許值時，只需在電纜始端(一般在交接箱或分線盒)加裝電纜保安器。

(3)極少數(shù)情況下(如電纜芯線直徑大于0.5 mm、芯線對數(shù)小于10、或嚴(yán)重超過允許值)，應(yīng)驗算通過每放電器的電流，或采用固體半導(dǎo)體放電管器提高容量。

[1]YD/T695—2004，市話通信系統(tǒng)過電壓過電流防護原則及技術(shù)要求[S]．

[2]ITU－T，Recommendation K.11-2009. Principles of protection against overvoltages and overcurrents[S]．

[3]ITU－ T，Recommendation K.44-2008.Resistibility tests for telecommunication equipment exposed to overvoltages and overccurrents-Basic recommendation[S]．

[4]DL/T5033－2006，輸電線路對電信線路危險和干擾影響防護設(shè)計規(guī)程[S]．

[5]YD/T694－2004，總配線架[S]．

[6]YD/T1082－2000，接入網(wǎng)設(shè)備過電壓過電流防護及基本環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)條件[S]．

[7]GB/T13849．1－1993，聚烯烴絕緣聚烯烴護套市內(nèi)通信電纜 第1部分一般規(guī)定[S]．

[8]YD/T322－1996，銅芯聚烯烴絕緣鋁塑綜合護套市內(nèi)通信電纜[S]．

[9]ITU－T K．53(2000)．確定電信運營者與交流電力及鐵道運營者責(zé)任時用的電信裝置上的感應(yīng)電壓值[S]．

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[11]ITU－ T，Directives concerning the protection of telecommunication line against harmful effects from electric power and electrified ralway line[S]．

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