光缆线路防强电防雷电
作者：江苏通光电子线缆股份有限公司时间：2016-08-10 我要发布
| 摘要 初步分析了强电和雷电对光缆的危险和干扰影响，探讨了防护方法和措施。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 关键饲 光缆 强电 雷电 防护 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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0 前言 |
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| 随着传输速率的提高和波分复用（WDM）、密集波分复用（DWDM）技术的应用，光缆承载的信息量大增，对国民经济和国防建设起的作用越来越不可低估。通信的中断有时候是（或会引发）一场大灾难。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 光缆传输的突出优点之一是不受电磁干扰影响，但这仅是指缆内传输的光信号.对由复合材料、尤其是内含金属元件的直埋或架空光缆，仍要防护雷击和强电。以避免或尽量降低这类通信故障甚至人身事故。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1 强电影响 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 强电影响主要有电磁场、静电场和直接传导三大类。所造成的后果有危险影响和干扰影响两类。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1.1 磁场影响 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 强电流线路中电流所产生的电磁场，在与它接近的中性导体中感应产生电动势。这种影响称为电磁场影响。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 正常工作的对称三相输电线路，理论上认为三相电流的向量和为零，电磁感应影响较小。但当强电线路发生短路时，强大的电磁场发生严重畸变，将诱发超常的感应电动势。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 不对称输电线路的磁场是不平衡的，即使在正常运行时也会有较大的电磁场影响。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 交流电气化铁道接触导线网是不对称输电线路，而且当机车在运行时负载在变化，同时以钢轨为回归线的网轨电路对大地的漏导很大，大量电流逸入大地，致使接触网周围的磁场不能被抵消，故有较大的电磁影响。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1.2 静电影响 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 任何带有电压的导体的周围会产生电场，通过空间电容耦合，诱导处于电场中的中性导体中的自由电子有规律地移动，引起电荷的重新分配而呈现带电状态即出现感应电压。这种现象称为静电感应现象。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 正常工作的三相对称输电线路的感应影响较小，中性点不直接接地的三相对称输电线路发生单相对地短路时和正常工作的不对称输电线路及交流电气化铁道的接触导线网的感应影响较大。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1.3 直接传导影响 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 对称输电线路发生短路、正常工作或发生短路的不对称输电线路和交流电气化铁道接触网，都有较大的电流流经大地。以强电接地装置为中心，在一定的半径范围产生电位差（俗称跨步电压）。称为直接传导影响或地电流影响。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1.4 危险和干扰影响 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 强电流线路通过电磁、静电和直接传导影响这三种途径，足以使通信线路（包括光缆和附件）、通信设备、仪器仪表和维护人员健康甚至生命造成危害时，称为危险影响。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 对通信造成杂音、噪声、误码和失真等称为干扰影响。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1.5 输电线路与光缆线路的接近 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 当输电线路与光缆线路的相对位置足以产生危险影响和干扰影响（缆内有用于区间通信的铜线）时称为接近。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （1）平行接近 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 平行接近距离（αp ）由（1）式表示，αp =(α1+α2)/2 （m） （1）式中： | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| α1：最近垂直间距，m ； | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| α2：最远垂直间距，m 。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 当通信线路与强电线路的接近隔距的变化不超过5%时称为平行接近，则有（2）式，(α1+α2)/α2≤5% （2） | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （2）斜接近 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 当通信线路与强电线路接近隔距的变化达到α2≤3α1 时称为斜接近，取几何平均值，见（3）式，αp =（α1?α2 ）1/2 （m） （3） | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （3）接近距离 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 通常把通信线路中心线与强电线路中心线的两个垂直平面间的水平距离称为接近距离（α′），由（4）式表示，α′=α/cosα（m） （4） | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （4）接近段与接近长度 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 通信线路受到强电危险和干扰影响的区段称为接近段,该段通信线路在强电线路上的投影称为接近长度。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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（5）交越 |
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| 通信线路由强电线路的上面或下面从一侧跨越到另侧时称为交越。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1.6 强电对光缆危害的主要表现 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 内含金属元件的架空和埋地光缆，当接近强电线路时，通过电磁、静电和直接传导，可有能对光缆造成危害。主要表现出下述几种现象。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （1）如果光缆内有两个相互绝缘的金属部件，通常是外层的环形钢带（或铝带）感应较高，中心金属加强芯因外层屏蔽感应较低。当两者之间的电位差足够大并积累了足够的能量后，将造成光缆内部击穿，严重时烧断光纤。这是一种长期影响。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （2）当金属外层感应的电动势足够大，将击穿外护套向大地（直埋）或接地的吊线（架空）放电，形成孔洞。因电弧往往伴有高温，严重时将灼伤光纤。形成的孔洞使光缆阻水性能失效，使孔洞处钢带的腐蚀加剧并扩展，劣化光纤性能最终断裂。通常这也是长期影响之一。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （3）光缆中的光纤工作在目前能达到传输速率下不受电磁干扰影响，但如果光缆中含有区间联络或远供金属通信线，将会感应产生电动势，产生噪声和杂音干扰。包括光缆内的其他金属元件，产生的感应电动势在超过安全电压规定值时有可能危及设备和人身安全。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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（ 4 ）当强电线路发生短路时，严重畸变的强大的电磁场将诱发超常的感应电动势。 |
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| A. 瞬间严重畸变的电磁场使光缆金属构件产生充放电伴有强大的感应电动势，对光缆造成的危害和严重程度将远大于通常的感应危害。一般发生时间较短。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| B. 强大的短路电流流经大地，通过直接传导，在埋地光缆纵向形成的电位差（类似于跨步电压）足够高时，流过的电流使护套温度升高，致使护套加速老化和失效，严重时造成护套融化及开裂。这种影响短期和长期均可发生。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （5）接近交流电气化铁道接触网或以大地为回路直流配电网的埋地光缆，在地电流的感性耦合作用下将引起电蚀，当护套产生破损后，其腐蚀更为严重。在电气系统正常工作时该影响是长期的，当电气系统发生故障时该影响可短期发生。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （6）ADSS光缆架设在电力杆塔上，是与强电线路最“接近”的。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| A. 悬挂安装位置合理的ADSS光缆会在寿命期内缓慢发生护套毛糙、变薄直至失效的电蚀现象，这是长期的正常老化。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| B. 悬挂安装位置不合理的ADSS光缆，在输电线路正常工作时也会因“干带电弧”在较短时间（1000～3000小时）内发生击穿和电痕，严重时会发生光缆断裂。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| C. 不管悬挂安装位置合理或不合理、在对称三相输电线路的相位发生变化或因故障不对称供电及短路时，外护套会在很短时问内发生击穿和电痕，严重时会发生光缆断裂。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2． 雷电影响 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 雷电对通信（含光缆）线路的影响很大，主要有直接雷、感应雷和反击雷影响三类。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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2.1 直接雷影响 |
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| 当雷云对大地放电时，直接击中并通过通信线路设备进入大地，称为直接雷影响。直接雷的强度很大，危害最大，相对发生的次数较少。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2.2 感应雷影响 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 发生雷电时，通过电和磁的耦合，在通信线路设备上感应产生的过电压称为感应雷影响。感应雷一般强度较弱，危害相对较小，但发生的次数较多。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2.3 反击雷影响 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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因大地电位升高反方向对通信线路设备袭击或闪络称为反击雷。 |
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2.4 雷击危害 |
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| (1) 对架空光缆线路的危害 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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对架空线路造成严重危害的多为直击雷。 |
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直击雷如直接击中杆塔放电进入大地，由于电流很大并产生很大热量，可烧毁光缆或融化相关部件（如接头盒）还可引起爆炸。 |
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普通架空光缆在档距中间受雷击，吊线和光缆可能被烧毁融溶或打断。 |
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OPGW 光缆在档距中间受雷击，可发生金属线断股，严重时 OPGW 有可能被打断。 ADSS受直接雷击的可能性较小，但不能排除受感应雷和反击雷影响的可能。 |
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| (2) 对埋地光缆线路的危害 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 三种雷击现象的雷电流会进入光缆（包括附件如接头盒）的金属部件，缆芯导体与金属护层将出现冲击电压，击穿金属构件间介质而发生电弧，使金属构件和外护层瞬间被击穿及融化。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 雷电使大地的地电位升高，使光缆塑料外护套发生针孔击穿形成孔洞，土壤潮气和水通过针孔侵蚀光缆金属护套，降低光缆使用寿命。式（5）描述了它们之间的关系。r=ρI/2лμd （5）式中， | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| r： 光缆至雷击点的距离，（m）； | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ρ： 大地电阻系数，（Ω?m）； | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| I： 雷电流（kA）； | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| μd： 光缆塑料外护套击穿电压（kV）。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 雷击大地造对光缆的放电而引起的压缩力会压扁光缆和接头盒，引起结构变形，增大传输损耗乃至中断通信。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2.5 易遭受雷击的地区 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （1）在大地电阻系数较大（ρ≥500Ω?m）的区域内的个别大地电阻系数小（ρ≥100Ω?m）的地区。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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（ 2 ）地形突变地区。 |
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（ 3 ）大地电阻系数突变地区。 |
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（ 4 ）地下矿产丰富地区。 |
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（ 5 ）矿泉沼泽地、海（河流）岸滩地、地下水出口处。 |
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（ 6 ）其他雷击多发地。 |
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3 防卫措施 |
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3.1 光缆路由的选择 |
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| 光缆路由选择应以工程设计任务书和通信网的规划为依据，以现有地形、地貌、地物、建筑设施并考虑有关部门的中远期发展规划要求，选择路径最短、弯曲较少的路由。除了通常的选择路由的原则外，应考虑： | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （1）应尽量远离高压线、高压输电杆塔及其接地装置。当必须穿越时应尽可能垂直于高压线，如受限止时最小交越角不得小于45度。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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（ 2 ）应尽量远离非相关的发电厂、变电（流）站。 |
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（ 3 ）除非有必要和采用相应的光缆及接头盒，应尽量远离电气化铁路并避免与之平行。 |
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（ 4 ）应尽可能避开孤立的杆塔、大树、古塔。 |
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（ 5 ）不宜选择雷击多发地段。 |
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| 尽管有上述考虑，事实上要“远离”和“避开”往往很困难。我国的光缆线路大多是在距公路较近地段直埋敷设，也有与铁路通信线同沟敷设，还有部分架在明线杆路上，并都与高压输电线、输电杆塔、电气化铁道、地面各种设施形成了相互关系。这就需要使这种相互关系“合理”，即保持有一定间隔距离，并在线路上采取相应的防护措施。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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3.2 光缆线路防强电 |
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| （1） 表1列出强电线路对光缆线路危险和干扰影响的容许纵电动势。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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（2） 表2和表3分别是含铜线光缆和不含铜线光缆线路与高压强电线路的保持隔距。 |
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（3）表4和表5分别是含铜线光缆和不含铜线光缆线路与交流电气化铁道的保持隔距 |
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| （4）光缆线路及其设备距发电厂（变电站）和高压杆塔的接地装置应分别大于200m和50m。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （5）光缆的金属护层和金属中心加强件在接头处不进行电气连通。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （6）在施工或检修接近电气化铁道地段的光缆时，首先应将光缆及附件的所有金属部件可靠接地。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （7）不管强电线路是否停电，在对ADSS和OPGW光缆施工和检修时都要将光缆和相应的机具可靠接地。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （8）安装在电力杆塔上的ADSS和OPGW接头盒应采用金属结构，在安装和检修时均应可靠接地。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 3.3光缆线路防雷隔距的考虑 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （1）光缆与电力杆塔、高大建筑物、单棵大树的隔距，参见表6。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| （2）在平均雷暴日数大于20天的地区，直埋光缆应敷设避雷线。避雷线采用ф6～8mm镀锌钢线或钢带，见表7。在平均雷暴日数大于80天、大地电阻系数ρ大于500Ω?m 且屡遭雷击，光、电缆曾遭雷击的地区，除按表7敷设两根避雷线外，加强构件宜采用非金属材料。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| （3）架空光缆防雷措施 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| A. 光缆吊线每隔500～1000m重复接地； | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| B. 在雷击多发地区可在光缆线路上方架设架空避雷地线； | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| C. 如与架空明线合杆应架设在明线下方。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 4. 对光缆的考虑 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （1）强电影响的允许值可由光缆外护层（PE层）的绝缘强度确立。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 光缆PE层的厚度一般等于或大于2mm，其工频绝缘强度要求等于或大于20000V。按ITU相关建议规定光缆金属护套上短期危险影响的纵电动势不超过其直流试验电压的60%，即20000×60%=12000V | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 光缆金属构件上长期影响的纵电动势允许值，按CCITT《关于通信线路防止电力线路有害原则》和国家标准“GB6830-86”（电信线路遭受强电线路危险影响的允许值）中关于人身安全的规定为60V。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （2）取消光缆内的通信和远供金属线是防雷防强电的有效措施。该金属线是引雷入机房的主要危害之一，它可能从距1公里之外的110KV输电线路感应出高达1000V的纵向电动势。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （3）将缆内的金属中心加强件改为非金属材料，排除了相互绝缘的双全属体因感应的电动势差发生击穿的可能性。因仍保留金属护层，故有防潮、抗压和直埋时便于探测的优点。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （4）在雷击多发区和与强电线路或电气化铁道接近或跨越地段采用非金属光缆，但若直埋则探测较困难 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 5 结束语 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 在目前的传输速率下，强电和雷电对光纤的传输不造成干扰和影响，但仍会对光缆造成影响甚至危害。通过选择合适的路由、合理的光缆结构和正确的防护方法及措施，能使这种影响和危害降到最低，从而保障光缆线路的安全可靠运行。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 参考文献 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1. 赵梓森等，光纤通信工程（修订本），人民邮电出版社，1999.9，北京 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2. 张引发等，光缆线路工程，电子工业出版社，2002.8，北京 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 3. 印永福主编，电线电缆手册（3），机械工业出版社，2002.3，北京 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 作者简介 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 黄俊华 通光集团有限公司副总经理 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 江建华 通光特种光缆公司技术部工程师 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
