遠(yuǎn)距離光纜通信線路的防雷措施分析

戴仕杰， 周力行

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

隨著信息社會(huì)的不斷發(fā)展，光纖技術(shù)被越來越多的人所使用，因其獨(dú)特的傳播優(yōu)勢(shì)，也被各個(gè)行業(yè)所青睞。當(dāng)它被應(yīng)用于通信領(lǐng)域時(shí)，由于光纜易受閃電影響而產(chǎn)生機(jī)械損傷，導(dǎo)致光纖通信作用的中斷。這種情況需要對(duì)光纜通信線路上相應(yīng)的雷擊情況和發(fā)生雷擊的原因進(jìn)行分析，為有效解決電纜的雷擊問題采取應(yīng)對(duì)措施。目前，相關(guān)部門已經(jīng)對(duì)長(zhǎng)途光纜的通信防雷工作進(jìn)行了研究和討論。

要想有效提高光纜的防雷性能，就要對(duì)光纜的通信線路進(jìn)行合理優(yōu)化,需要在清楚安裝措施、了解防雷設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，與光纜通信線路的實(shí)際情況和實(shí)施要求相結(jié)合切實(shí)提高光纜運(yùn)行的安全性。因此，對(duì)于防雷技術(shù)的設(shè)計(jì)和安裝需要引起足夠的重視，在光纜通信工作的開展中，不斷加強(qiáng)對(duì)防雷技術(shù)的深入研究，促進(jìn)光纜通信線路的優(yōu)化完善，有效提升其工作水平。

1 光纜通信概述與防雷設(shè)計(jì)、線路安裝的必要性

1.1 光纜通信技術(shù)概述

信息通常以光信號(hào)的形式進(jìn)行傳輸，并且待傳輸?shù)男畔⒈婚L(zhǎng)距離地加載和傳輸。光纜通信線路本身存在許多的優(yōu)勢(shì)，因此被應(yīng)用于社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用范圍十分廣泛。此外，光纜通信不僅通信的質(zhì)量較高，而且它還具有很強(qiáng)的抗干擾能力。在我國(guó)利用光纜的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)進(jìn)行通信線路的開發(fā)，光纜通信線路主要包含電信、移動(dòng)、聯(lián)通、軍事等通信方式，不僅為我國(guó)國(guó)有企業(yè)做出了巨大的貢獻(xiàn)，還提高了人類日常生活的水平。

1.2 加強(qiáng)光纜通信線路防雷設(shè)計(jì)與安裝研究的重要性

（1）可以有效減少雷擊事件對(duì)光纜通信的破壞，延長(zhǎng)線路的使用壽命。在實(shí)際操作中，通過與運(yùn)行條件和功能特點(diǎn)相結(jié)合，不斷加強(qiáng)對(duì)光纜線路的雷擊防控和安裝設(shè)計(jì)，可以找到有效的防雷手段，支持可靠的防雷設(shè)備，降低雷擊概率，為光纜通信的穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航，延長(zhǎng)其使用壽命。

（2）可以有效消除光纜線路中的安全隱患，讓防雷性能得到強(qiáng)化。在實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的條件下，尋找到有效的防雷設(shè)計(jì)和相應(yīng)的安裝措施，對(duì)光纜通信線路的運(yùn)行情況做進(jìn)一步分析，可以很好地發(fā)現(xiàn)線路中的安全隱患，并對(duì)這些隱患問題進(jìn)行處理，顯著提高光纜通信的安全性。

（3）能夠保證光纜通信線路長(zhǎng)期使用，有效縮減運(yùn)營(yíng)成本。通過對(duì)光纜的防雷設(shè)計(jì)和安裝研究，可以強(qiáng)化對(duì)這類通信方式的優(yōu)化效果，不斷提升光纜通信的服務(wù)水平。

1.3 閃電分析

人們通常選擇廣闊的空間安裝架空高壓輸電線路，為祖國(guó)各地供電，因此線路長(zhǎng)而復(fù)雜。在雷雨天氣，很容易被雷電擊中，發(fā)生自動(dòng)跳閘。此時(shí)電力系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，沿線進(jìn)行檢查和維護(hù)也將花費(fèi)較多的人力和財(cái)力；此外，閃電會(huì)攻擊沿線電力設(shè)備，對(duì)部分設(shè)備造成損壞。所以，對(duì)輸電線路防雷水平的提升，不僅能保護(hù)電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，還可以保證線路的運(yùn)行安全，從源頭上解決用戶設(shè)備的安全隱患。

在閃電形成的過程中，云層會(huì)不斷地翻轉(zhuǎn)，這時(shí)空氣中的冰晶和塵埃會(huì)隨著云層翻覆產(chǎn)生一系列的復(fù)雜變化，形成帶有正電荷與負(fù)電荷的物質(zhì)。同時(shí)，擁有相同負(fù)電荷的物質(zhì)會(huì)隨著電荷數(shù)量的增加會(huì)越來越重，最終出現(xiàn)在云層底部。 當(dāng)物質(zhì)有相同的正電荷時(shí)，它的質(zhì)量就更輕，它將在云的頂部。在這種情況下，當(dāng)同性電荷收斂時(shí)，電荷中心就形成了。這時(shí)如果出現(xiàn)強(qiáng)電將帶點(diǎn)中心的空氣刺穿，電荷中心的平衡就會(huì)被打破形成閃電。云層中的負(fù)電荷會(huì)不斷向下接近地面，同時(shí)正電荷又對(duì)地面的金屬和突起進(jìn)行誘導(dǎo)。在電磁場(chǎng)上升的過程中，地上的閃光電流逐漸形成不斷向上，而空中的雷云又呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在電流和雷云相遇時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生接地電流，對(duì)光纜通信的線路造成損壞。

目前，我國(guó)防雷線路基本設(shè)置在35 kV及以上的輸電線路上，全線架設(shè)110 kV及以上，在330 kV及以上的輸電線路上架設(shè)雙層防雷線路。

避雷針保護(hù)角一般為20°～30°，變電站進(jìn)線段及電壓500 kV及以上EHV及UHV線路的防雷線保護(hù)角為15°。不同電壓等級(jí)輸電線路指定的絕緣子數(shù)量：基于x-4.5絕緣子，35 kV電壓電平輸電線路3條，110 kV電壓電平輸電線路7條，220 kV電壓級(jí)輸電線路13條，200 kV電線路28條。

2 防雷的設(shè)計(jì)與安裝

2.1 接地防雷保護(hù)線

在光纜通信線路中，防雷設(shè)計(jì)和安裝主要采用防雷接地技術(shù)和方法。通過在地下設(shè)置防雷線路的設(shè)計(jì)方法，能夠?qū)饫|線路起到很好的保護(hù)作用，屏蔽防雷，對(duì)自身現(xiàn)有電流進(jìn)行防雷分析判斷，自身電流與防雷效果成正比。要想防雷的效果好、較明顯，就要增加自身的電流量。在選擇防雷線時(shí)，還必須注意使用有色金屬線作為防雷線，因有色金屬線的使用壽命更長(zhǎng)，耐腐蝕性能較好，具有明顯的防雷效果。

2.2 架空防雷線路

將電氣接地金屬芯和光纜斷開的方式進(jìn)行安裝，就是架空防雷線路防雷的設(shè)計(jì)。在選擇光纜路由器時(shí)，應(yīng)盡量避免與鐵路高壓線路平行并保持相當(dāng)距離。必要時(shí)，采用光纜非金屬芯的設(shè)計(jì)，以保證光纜通信的使用安全和防雷效果。

2.3 直接埋地

將光纜埋在地下的安裝方式，可以有效減少光纜通信運(yùn)行中高空雷擊事件的發(fā)生。在施工安裝時(shí)，首先要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況選擇適宜的安裝方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纜線路的合理保護(hù)，減少因?yàn)槔讚粼斐傻木€路應(yīng)用損害。其次，應(yīng)根據(jù)地勢(shì)特點(diǎn)進(jìn)行光纜安裝的特定設(shè)計(jì)，例如在深溝和運(yùn)河的環(huán)境下進(jìn)行安裝時(shí)，就不能將其埋于地下，對(duì)于這些特殊的區(qū)域，要將防雷裝置安裝在電桿上，運(yùn)用架空防雷線路來減少雷擊現(xiàn)象的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纜和通信線路的有效保護(hù)。

2.4 防雷設(shè)計(jì)和安裝的注意事項(xiàng)

對(duì)光纜通信線路運(yùn)作中雷擊事件的有效預(yù)防，可以保證光纜使用安全，因此，在光纜安裝和防雷設(shè)計(jì)的過程中，要使用合理的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)光纜通信線路避雷。不能采用接地互聯(lián)的形式對(duì)電纜線路中的金屬芯進(jìn)行連接，否則會(huì)對(duì)閃電產(chǎn)生很大的吸引力，閃電很大程度會(huì)在附近區(qū)域“墜落”，造成對(duì)光纜通信線路的損害。所以在防雷設(shè)計(jì)行安裝，需要保證電纜接地的絕緣性，在斷開的電器和電纜連接的接頭處采取有效的防雷措施，以確保光纜通信線路的安全和防雷設(shè)計(jì)安裝的合理性。

3 輸電線路防雷新技術(shù)

（1）同一塔樓上的雙回路線路采用差動(dòng)絕緣防雷保護(hù)。研究發(fā)現(xiàn)，在發(fā)生雷擊的情況下，利用絕緣不良可以提高供電的可靠性。差分絕緣意味著在相同的條件下，絕緣子較少的電路會(huì)先閃絡(luò)。閃絡(luò)后，導(dǎo)線與完整的線路耦合，提高了阻雷水平，從而保證供電的可靠性。兩條輸電線路絕緣子串?dāng)?shù)的差異，應(yīng)根據(jù)各方面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來確定。一般主張兩條輸電線路的絕緣水平差為相位電壓峰值的1.73倍。

（2）線路避雷器的防雷保護(hù)。避雷器不能將屏蔽故障率降至零，在特大雷電過電壓情況下反擊的概率也很高，在一些難以降低接地電阻的地方，當(dāng)一般防雷措施難以滿足要求時(shí)，可考慮安裝線路避雷器防雷，將制弧率降低至零，從根本上降低雷電跳閘率。當(dāng)雷擊擊中避雷針或?qū)w時(shí)，避雷器的動(dòng)作將使雷擊電流通過導(dǎo)體傳遞到鄰近的鐵塔上。

（3）可控制的放電避雷針。電動(dòng)避雷針由于其強(qiáng)大的避雷能力和較大的保護(hù)角，可以有效降低輸電線路的雷擊率，在高壓輸電電路的防雷保護(hù)中值得廣泛應(yīng)用。同時(shí)，可控放電避雷針還具有放電電流振幅小、陡度低的特點(diǎn)。根據(jù)輸電線路的避雷電阻等級(jí)，110 kV～500 kV輸電線路不會(huì)跳閘，也不會(huì)承受雷電電流。

4 光纜通信線路發(fā)生雷擊的原因

光纖本身不導(dǎo)電，可以避免脈沖電流的沖擊，但會(huì)受到人為因素、自然災(zāi)害以及架空金屬附件的影響，脈沖電流會(huì)對(duì)光纜通信運(yùn)行造成沖擊。通過在光纜表面運(yùn)用金屬包層、銅線、加強(qiáng)芯等金屬導(dǎo)體的安裝設(shè)置，可以有效避免光纜的電流沖擊。在光纜中的金屬部件被閃電擊中或電源線即將短路時(shí)，可產(chǎn)生交流或浪涌電流。一旦產(chǎn)生交流電或浪涌電流，就會(huì)損壞光纜通信線路設(shè)備，并威脅到周圍人的生命安全。如果雷雨里面的電荷需要被釋放，閃電就會(huì)利用阻抗最低的線路來進(jìn)行疏散，這不僅會(huì)減少地下的異性電荷，還會(huì)影響周圍的建筑設(shè)施。當(dāng)周圍的建筑物被雷電擊中時(shí)，會(huì)顯著提升雷電的潛在力量，并將沿著光纜向很遠(yuǎn)的地方延伸?？梢詫⒗讚舾浇墓饫|電位以及遠(yuǎn)端電位同時(shí)視為0，這時(shí)在光纜和避雷點(diǎn)之間就會(huì)存在很大的電位差異。如果光纜外層和雷電點(diǎn)的耐壓強(qiáng)度被電位差突破，保護(hù)層直接被閃電擊中產(chǎn)生電弧通道，那么光纜就會(huì)因?yàn)榇罅康拈W電涌入造成損壞，在這個(gè)過程中PE很容易破損，露出光纜中的金屬部件。一旦組件暴露，該設(shè)備將引入強(qiáng)大的電力或閃電充電進(jìn)入光纜。此外，因?yàn)殂~線、增強(qiáng)芯以及金屬護(hù)套的電阻快速增加、地形變化突然、接地絕緣低，會(huì)導(dǎo)致光纜本身損壞。光纜與埋長(zhǎng)也有一定的關(guān)系，光纜使用的時(shí)間越長(zhǎng)，它被閃電擊中的可能性就越大。然而，光纜在同一區(qū)域和同時(shí)發(fā)生閃電墜落的概率很小，沒有閃電電壓疊加的問題。研究表明，閃電電流可以沿著光纜傳輸1 km～2 km。閃電電流越接近撞擊點(diǎn)，遠(yuǎn)脈沖的電壓就越低。對(duì)雷擊電纜的實(shí)際情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)幾十米與幾百米之間都是雷擊的主要范圍，在這個(gè)范圍之間需要保證光纜耐壓指標(biāo)的一致性，否則會(huì)給光纜的施工運(yùn)輸帶來危險(xiǎn)。

5 長(zhǎng)途光纜通信線路的防雷保護(hù)措施

5.1 設(shè)置地下防雷線路

在光纜通信的運(yùn)行中，地下防雷方式有著不可或缺的重要性。它不僅可以根據(jù)防雷線路中的電流情況來預(yù)判防雷效果，還可以對(duì)雷電進(jìn)行有效屏蔽。線路中的電流越大，對(duì)雷擊的防范效果越好。因其使用壽命長(zhǎng)，防雷效果好，一般使用耐腐蝕性強(qiáng)、導(dǎo)線阻抗小的有色金屬線來作為防雷線進(jìn)行掩埋。地下防雷線路屬于直埋光纜，在掩埋防雷線路時(shí)也應(yīng)注意相應(yīng)的問題。首先，要控制保護(hù)區(qū)與電阻率之間的安全距離，在土壤電阻率達(dá)到100 Ω·m以上時(shí)，電纜才能安全運(yùn)行。因?yàn)橐獙?duì)較長(zhǎng)的范圍進(jìn)行保護(hù)，所以在材料的選擇上最好使用6 mm的鍍鋅鋼筋和72/2.2的鍍鋅鋼股。防雷線路的鋪設(shè)也要準(zhǔn)備兩條以上平均距離為40 cm的防雷線，有助于將雷電引入2000 m左右的區(qū)域內(nèi)。

5.2 系統(tǒng)接地和接地電位懸掛方法

要想更好地提高光纜防雷性能，需要在銅線、金屬加強(qiáng)芯、金屬保護(hù)套、埋地光纜頭處采用電氣連接，以此來作為系統(tǒng)接地。其中將感應(yīng)電流有效地引入地面是系統(tǒng)接地的優(yōu)點(diǎn)所在，但是由于接地裝置數(shù)量多，被應(yīng)用于實(shí)踐時(shí)維護(hù)費(fèi)用高、數(shù)量大。因此也可以將接頭一端的金屬護(hù)套與加強(qiáng)芯電連接并接地，該方法最大的優(yōu)點(diǎn)是可以避免光纜中長(zhǎng)時(shí)間的長(zhǎng)距離電流積累，從而損壞光纜。同時(shí)，還能快速地引入地下感應(yīng)電流，保障電纜線路的通信安全。但其接地裝置較多，成本較高，還能使光纜接頭兩端與光纜終端的金屬套筒、金屬加強(qiáng)芯電絕緣，確保它們不與地面接觸，處于絕緣狀態(tài)。有效避免雷電電流在光纜通道中的累積，是這個(gè)方法的最大優(yōu)勢(shì)，還可以降低光纜中金屬組件與避雷線之間出現(xiàn)的阻抗異常，將雷電電流誘導(dǎo)進(jìn)入光纜。正常運(yùn)行情況下，該方法一般選擇潛在的懸浮方法進(jìn)行處理。在實(shí)際應(yīng)用中，一般用于保護(hù)無金屬鐵芯光纜。

5.3 光纜阻塞引致雷電

光纜阻擋雷電指光纜通過電氣接地浮動(dòng)，阻擋電纜內(nèi)金屬部件的防雷感應(yīng)，避免光纜被閃電擊中。當(dāng)光纜中的金屬部件接地時(shí)，各段金屬部件連接起來，一般在中點(diǎn)或機(jī)房?jī)?nèi)接地。一旦接地，就會(huì)出現(xiàn)高阻區(qū)，甚至局部低阻土壤帶，會(huì)強(qiáng)烈誘發(fā)閃電。如果光纜直接被閃電擊中，并且出現(xiàn)超過光纜承受范圍的電位差，那么光纜的塑料保護(hù)套就很容易被刺穿，導(dǎo)致內(nèi)部金屬暴露，在與地面接觸時(shí)雷電電流及電弧就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的下垂效應(yīng)和熱效應(yīng)。這兩種效應(yīng)的存在勢(shì)必會(huì)對(duì)光纜帶來毀滅性的損害。但是，當(dāng)光纜處于浮動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其內(nèi)部的金屬組件并不會(huì)對(duì)閃電產(chǎn)生誘導(dǎo)，即使在閃電擊中地面的情況下，出現(xiàn)了光纜漏斗電位區(qū)，該電位區(qū)也不會(huì)因?yàn)殡娀舸┒鴮?duì)光纜運(yùn)行產(chǎn)生影響。所以，在對(duì)光纜線路進(jìn)行施工和設(shè)計(jì)時(shí)，首先是選擇機(jī)械連接光纜連接器，在電氣上斷開，以減少光纜被閃電擊中的可能性；其次，在施工、運(yùn)輸和生產(chǎn)的過程中，做好與地面的絕緣保護(hù)，加強(qiáng)PE保護(hù)層，讓整個(gè)光纜保持良好的浮動(dòng)狀態(tài)。

6 結(jié)語

綜上所述，在通信工程中光纜通信線路是重要的組成部分，要提高通信質(zhì)量就要保證光纜正常有序地運(yùn)行。雷擊雖然不會(huì)對(duì)光纜造成直接影響，但如果地面被雷擊擊中，產(chǎn)生的電位差很可能超過光纜外層和避雷點(diǎn)的承受強(qiáng)度，這不僅會(huì)對(duì)光纜的通信線路造成影響，還容易使長(zhǎng)距離的光纜通信線路被雷擊損壞，在這種情況下，有必要分析光纜通信線路的損壞原因，并采取相應(yīng)的措施。