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(shí)間經(jīng)常遭受雷擊為例，針對(duì)變電站通信系統(tǒng)防雷中一些易被忽略又相對(duì)重要的細(xì)節(jié)展開(kāi)討論，希望對(duì)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(jiǎn)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(tái)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(shí)該變電站建在半山上，地勢(shì)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?cè)獾嚼讚簦涸撜疽宦肥性?huà)、一路中調(diào)放號(hào)以及一路遠(yuǎn)動(dòng)信號(hào)中斷。運(yùn)行人員說(shuō)，在這些信號(hào)中斷之前，該站食堂附近有落雷。經(jīng)檢查：一路市話(huà)的保安器損壞，烽火PCM三、四槽兩塊二線(xiàn)板及五、六槽兩塊四線(xiàn)板均有告警信號(hào)，第三槽二線(xiàn)板有元件燒毀現(xiàn)象。處理過(guò)程如下：更換市話(huà)防雷保安器，市話(huà)恢復(fù)正常；將兩塊四線(xiàn)板重新插拔后，四線(xiàn)板告警信號(hào)消失，遠(yuǎn)動(dòng)信號(hào)恢復(fù)正常；將第三槽二線(xiàn)板更換后，中調(diào)放號(hào)恢復(fù)正常。經(jīng)過(guò)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(guò)市話(huà)線(xiàn)路進(jìn)入音頻配線(xiàn)架。音頻配線(xiàn)架是雷擊故障的多發(fā)地帶，當(dāng)配線(xiàn)架某線(xiàn)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(xiàn)架、保安器、烽火PCM防雷效果不佳，市話(huà)線(xiàn)路在進(jìn)入音頻配線(xiàn)架之前未做防雷措施。而檢查發(fā)現(xiàn)的市話(huà)線(xiàn)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(guò)它進(jìn)入音頻配線(xiàn)架的主因。

采取的對(duì)策如下：

1）在兩路市話(huà)進(jìn)入音頻配線(xiàn)架前加裝RJ11電話(huà)信號(hào)防雷器；

2）市話(huà)線(xiàn)進(jìn)入機(jī)房前穿管地埋；

3）檢查保安器和音頻配線(xiàn)架接地情況，測(cè)量接地電阻；

4）烽火PCM二、四線(xiàn)板配線(xiàn)處加裝防雷保安器。

音頻配線(xiàn)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(shí)不得短路，串聯(lián)時(shí)不得開(kāi)路，對(duì)地有連接的除了放電狀態(tài)，其他時(shí)間不得構(gòu)成導(dǎo)通狀態(tài)，否則必須輔以接地檢測(cè)報(bào)警裝置。不同型號(hào)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(xiàn)架不搭，應(yīng)自行焊接接地端引線(xiàn)與地線(xiàn)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(mǎn)足設(shè)備殘壓要求和線(xiàn)路浪涌電壓防護(hù)的同時(shí)，提高防雷保安單元的在線(xiàn)使用安全。錯(cuò)誤的使用防雷保安單元不僅不能給系統(tǒng)帶來(lái)安全防護(hù)，甚至由于它的加入而使整個(gè)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(hù)接口或電話(huà)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(huà)線(xiàn)L1與L2之間為縱向過(guò)電壓，而L1或L2與地之間為橫向過(guò)電壓，通信音頻電纜過(guò)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(duì)縱向和橫向過(guò)電壓都起到保護(hù)作用。同時(shí)，線(xiàn)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(guò)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(shí)因熔絲引起的通信中斷，非常適合無(wú)人值守的通信機(jī)房。

2 防雷技術(shù)分析

市話(huà)作為變電站對(duì)外通信的一個(gè)重要手段一般不能取消，它是從站外電信部門(mén)的音頻線(xiàn)引入，由于架空線(xiàn)路極易感應(yīng)由雷擊等引起的各種電磁場(chǎng)，所以是防雷的一個(gè)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(huà)電話(huà)線(xiàn)的水晶頭就會(huì)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(xiàn)架前應(yīng)加裝RJ11電話(huà)信號(hào)防雷器，電話(huà)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(shí)盡量少用或不用。

2012年入夏以來(lái)，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(huà)通知：該站CORAL調(diào)度交換機(jī)所有模擬用戶(hù)不能使用，僅數(shù)字調(diào)度臺(tái)用戶(hù)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(tái)可以拔出中繼，但拔站內(nèi)所有分機(jī)皆出忙音。打開(kāi)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(guò)：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(tīng)到撥號(hào)音，但分機(jī)不振鈴，用萬(wàn)用表測(cè)試用戶(hù)線(xiàn)直流電壓為0V；2、重啟交換機(jī)：關(guān)閉主/從框的電源板開(kāi)關(guān)，無(wú)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(kāi)關(guān)，2分鐘后所有用戶(hù)可正常通話(huà)；4、合上從框電源開(kāi)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(méi)有發(fā)現(xiàn)異常；6、檢查戶(hù)外電話(huà)機(jī)和VDF保安器，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常。通過(guò)上述現(xiàn)象分析判斷，這是一起雷電感應(yīng)電流通過(guò)超五類(lèi)線(xiàn)進(jìn)入CORAL模擬用戶(hù)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(guò)戶(hù)外傳輸信息的線(xiàn)路（音頻線(xiàn)、超五類(lèi)線(xiàn)、電話(huà)線(xiàn)）侵入通信設(shè)備。閃電的脈沖放電電流對(duì)進(jìn)入通信機(jī)房的戶(hù)外線(xiàn)纜都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)過(guò)電壓和過(guò)電流。另一種是雷擊大地或接地體，引起地電位的上升，對(duì)通信設(shè)備產(chǎn)生反擊，損害通信設(shè)備對(duì)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(hù)接口板04端口對(duì)應(yīng)的用戶(hù)是附屬樓活動(dòng)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(xiàn)纜，發(fā)現(xiàn)是沒(méi)有金屬外皮的超五類(lèi)線(xiàn)，因沒(méi)有屏蔽層而無(wú)法阻擋空間的電磁波感應(yīng)。

暴露問(wèn)題如下：音頻配線(xiàn)架、保安器防雷效果不佳；電話(huà)線(xiàn)路在進(jìn)入音頻配線(xiàn)架之前未做防雷措施，所用線(xiàn)纜是沒(méi)有防雷措施的超五類(lèi)線(xiàn)（沒(méi)有金屬外皮，沒(méi)有套金屬管）；大園變附屬樓沒(méi)有防雷設(shè)施。

處理措施是增加二級(jí)保護(hù)，在各分機(jī)的用戶(hù)側(cè)和設(shè)備側(cè)都插上保安器；更換超五類(lèi)線(xiàn)為有金屬外套的屏蔽線(xiàn)纜，兩端金屬外套分別與地網(wǎng)連接；對(duì)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(xiàn)路進(jìn)入音頻配線(xiàn)架時(shí)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(shí)不再因雷擊而損壞。讀者可能會(huì)有疑問(wèn)，直接鋪一條光纜不是更簡(jiǎn)單？是的，但接地網(wǎng)有問(wèn)題還是得改，且因?yàn)閹撞侩娫?huà)或幾臺(tái)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(chǎng)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(xiàn)纜則沒(méi)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?chē)辉谄浔Ｗo(hù)范圍平均雷擊率比保護(hù)范圍內(nèi)高2.5-4倍。對(duì)于這段距離的通信應(yīng)注意幾點(diǎn)：一是不能用沒(méi)有防雷措施的音頻線(xiàn)、超五類(lèi)線(xiàn)、電話(huà)線(xiàn)等（沒(méi)有金屬外皮，沒(méi)有套金套管）。雷擊沖擊波易于通過(guò)這些戶(hù)外傳輸信息的線(xiàn)路侵入通信設(shè)備。閃電的脈沖放電電流對(duì)進(jìn)入通信機(jī)房的戶(hù)外線(xiàn)纜都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)過(guò)電壓和過(guò)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(zhǎng)雷電時(shí)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(xiàn)網(wǎng)應(yīng)統(tǒng)一布局且定時(shí)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(xiàn)路地面的地勢(shì)不宜過(guò)低，以免積水，植被生長(zhǎng)滲透影響線(xiàn)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(guò)線(xiàn)纜對(duì)通信設(shè)備產(chǎn)生反擊，損害通信設(shè)備對(duì)地絕緣。

對(duì)于模擬信號(hào)通信線(xiàn)、各種通信交換機(jī)用戶(hù)門(mén)子、中繼及磁式門(mén)子接口處、微機(jī)保護(hù)接口處采用ZH型中和變壓器等專(zhuān)門(mén)的隔離變壓器時(shí)應(yīng)注意，變壓器如無(wú)接地端引線(xiàn)應(yīng)手動(dòng)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(shí)除了把信號(hào)線(xiàn)接好，接地引線(xiàn)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(guò)電壓而不擊穿，將模擬信號(hào)通信線(xiàn)路設(shè)備側(cè)和線(xiàn)路側(cè)(對(duì)設(shè)備電源線(xiàn)和低壓線(xiàn)路) 從電路上隔離開(kāi)來(lái), 之間通過(guò)電磁耦合的方式聯(lián)系而無(wú)直接電流回路。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著信息化建設(shè)日趨國(guó)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(lái)越重大，我們應(yīng)不斷提高防雷安全意識(shí)和技術(shù)，最大限度地防御和減輕雷電災(zāi)害對(duì)電力通信系統(tǒng)造成的危害。以上零零碎碎，些許心得，來(lái)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(guó)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.