電力系統(tǒng)通信中防雷技術(shù)應(yīng)用

鐘穎儀，蔡曉明，陳祖彬

(福建省電力有限公司信通分公司，福建福州 350003)

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，通信系統(tǒng)作為“電力中樞神經(jīng)系統(tǒng)”的基礎(chǔ)支撐作用日益凸顯，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。隨著集成電路、精密電子儀器在通信系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，其對(duì)各種電磁波和感應(yīng)電流相對(duì)敏感，因此雷電沖擊對(duì)電力系統(tǒng)通信的破壞也越來(lái)越大，特別在東南沿海雷電多發(fā)地區(qū)，直接威脅到電網(wǎng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

1 雷電波入侵途徑

雷電波入侵有以下途徑:(1)直擊雷或鄰近雷擊，擊在外部防雷系統(tǒng)、配電屏架以及電纜上等，浪涌在接地電阻上引起電壓降，環(huán)路感應(yīng)過(guò)電壓。(2)遠(yuǎn)處雷擊，擊在遠(yuǎn)處架空輸電線纜上、雷云之間的放電通過(guò)架空線纜引起感應(yīng)電波及過(guò)電壓、雷擊野外通信線纜。(3)地電位反擊，建筑物的外部防雷系統(tǒng)遭受直接雷擊，在接地電阻的兩端會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，由接地線引入設(shè)備，造成設(shè)備損壞［1］。

2 通信設(shè)備和線路的防雷技術(shù)

2.1 樓之間的通信線路引入雷電波

通常變電站避雷針的保護(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，避雷針周圍不在其保護(hù)范圍平均雷擊率是保護(hù)范圍內(nèi)的2.5～4倍。對(duì)于這段距離的通信應(yīng)注意:一是不能用沒(méi)有防雷措施的音頻線、超五類線、電話線等。雷擊沖擊波易通過(guò)這些戶外傳輸信息線路侵入通信設(shè)備。閃電的脈沖放電電流對(duì)進(jìn)入通信機(jī)房的戶外線纜都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)過(guò)電壓和過(guò)電流。當(dāng)然，用金屬套管屏蔽電纜，如建筑物之間的距離有幾十米，雷電也可能因地電位差產(chǎn)生強(qiáng)電流。所以有條件的變電站所有的建筑物地線網(wǎng)應(yīng)統(tǒng)一布局且定時(shí)檢查，防止接地網(wǎng)遭腐蝕后由于接地電阻差別大而產(chǎn)生電位差。二是所經(jīng)線路地面的地勢(shì)不宜過(guò)低，以免積水、植被生長(zhǎng)滲透影響線纜通信。電纜溝應(yīng)保持干燥，以免雷擊引起地電位上升，通過(guò)線纜對(duì)通信設(shè)備產(chǎn)生反擊，損害通信設(shè)備對(duì)地絕緣［1－2］。

對(duì)于模擬信號(hào)通信線、各種通信交換機(jī)用戶門、中繼及磁式門接口處、微機(jī)保護(hù)接口處采用ZH型中和變壓器等專用隔離變壓器時(shí)應(yīng)注意，變壓器如無(wú)接地端引線應(yīng)手動(dòng)焊接，盡可能不用螺絲固定以免產(chǎn)生接觸電阻，焊點(diǎn)應(yīng)大些且均勻不易脫落，加裝時(shí)除了接好信號(hào)線，接地引線應(yīng)良好接地［3］。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)電壓而不被擊穿，將模擬信號(hào)通信線路設(shè)備側(cè)和線路側(cè)從電路上隔離開來(lái)，相互之間通過(guò)電磁耦合方式聯(lián)系而無(wú)直接電流回路。

筆者曾處理一例，雷擊引起感應(yīng)電流通過(guò)超五類線進(jìn)入CORAL IPX3000調(diào)度交換機(jī)模擬用戶接口板端口，進(jìn)而損壞交換機(jī)其它電路。處理措施是更換超五類線為有金屬套管的屏蔽線纜;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;在線路進(jìn)入音頻配線架時(shí)加裝ZH型中和變壓器。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)題還是需要改進(jìn)，且因?yàn)閹撞侩娫捇驇着_(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。

2.2 市話引入雷電波

市話作為變電站對(duì)外通信的一個(gè)重要手段原則上不能取消，其線路是由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(chǎng)，所以也是防雷的盲區(qū)。筆者曾遇到一變電站，每遇打雷，主控室桌面的電話線水晶頭就會(huì)打火，并伴隨著細(xì)微的放電聲。因此，電話引入機(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(hào)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(shí)盡量少用或不用［4］。

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(shí)不得短路，串聯(lián)時(shí)不得開路，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)置不同樣，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)有的配線架不搭接，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(shí)，提高防雷保安單元的在線使用安全。錯(cuò)誤地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［2］。

音頻配線架是雷擊故障的多發(fā)地帶，對(duì)接入的通信設(shè)備進(jìn)行有效保護(hù)，當(dāng)配線架某線路被擊穿，將導(dǎo)致所接設(shè)備損壞。筆者曾經(jīng)手過(guò)這樣一個(gè)例子，一次雷擊后某變電站一路市話的保安器損壞，烽火PCM兩塊二線板及兩塊四線板均有告警信號(hào)，二線板有元件燒毀跡象。在更換市話防雷保安器，市話恢復(fù)正常;將烽火PCM兩塊四線板重新插拔后，四線板告警信號(hào)消失，遠(yuǎn)動(dòng)信號(hào)恢復(fù)正常;將二線板更換后，恢復(fù)正常。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采取防雷措施。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 m以上，則是雷電產(chǎn)生的感應(yīng)電流通過(guò)它進(jìn)入音頻配線架的主因。

相比單一的防雷方法，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)踐證明，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。其原理如圖1所示。

圖1 通信設(shè)備避雷裝置電氣原理圖

如1圖所示，電話線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和V3，放電電壓為115 V，縱向放電電壓 U(B，F(xiàn))=U(A)+U(B)=115+115=230 V，橫向放電電壓U(B，C)=U(F，C)=U(A)+U(C)=U(B)+U(C)=115+115=230 V，對(duì)縱向和橫向過(guò)電壓都起到保護(hù)作用［3］。同時(shí)，線路側(cè)放電管GT1、GT2和設(shè)備側(cè)二極管起互補(bǔ)作用，可大幅提高抑制過(guò)電壓效果和放電保護(hù)的可靠性。采用18Ω/5 W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，適用無(wú)人值守的通信機(jī)房。

2.3 雷電波由電纜豎井引入

電纜豎井要保持干燥，當(dāng)通信機(jī)房在建筑物一層時(shí)，常出現(xiàn)由于天氣變化，地板潮濕導(dǎo)致豎井濕度過(guò)高而在空調(diào)的作用下凝結(jié)成水滴附著在線纜上，容易使線纜軟化腐蝕影響通信質(zhì)量，雷擊時(shí)傳導(dǎo)強(qiáng)電流損壞通信設(shè)備。雖然大部分雷擊產(chǎn)生的電流會(huì)隨地網(wǎng)釋放，但還是會(huì)有部分殘留電流沿地表傳播或是感應(yīng)空氣中的靜電荷。同時(shí)，雷電多發(fā)時(shí)期，在避雷針接地裝置附近，由于跨步電壓，人員接近時(shí)有觸電的可能，一般在避雷針接地裝置約10 m的范圍內(nèi)較危險(xiǎn)。所以電纜豎井地表滲水、屋頂漏水，各種孔洞的封堵、定時(shí)通風(fēng)等容易留下隱患的細(xì)節(jié)應(yīng)引起注意，定期查看。豎井內(nèi)各類電氣線路相互之間應(yīng)保持0.3 m以上距離。如條件限制，強(qiáng)電與弱電線路可分別布置在豎井兩側(cè)否則需隔離，以防止強(qiáng)電對(duì)弱電的干擾。豎井內(nèi)應(yīng)明設(shè)一接地母線，與地網(wǎng)連接并分別與支架、管路和電纜金屬外皮等良好接地。例如一變電站的電纜豎井由于潮濕，經(jīng)過(guò)該豎井的線路通話效果不佳，測(cè)量電話線的RJ－11接口，阻值偏低，更換接口后通話效果并未改變。經(jīng)檢查，豎井中的電話線因受潮，外皮老化，電話線金屬部分氧化阻值增加，致使電話線末端電壓降低，使通信質(zhì)量受影響［4］。且雷擊后電話不通，由于地電位反擊，感應(yīng)電流通過(guò)電話線進(jìn)入音頻配線架，配線架上所接配線模塊接口有灼燒痕跡，其鄰近線路因竄入的感應(yīng)電流也受到影響。在對(duì)電纜豎井整改后問(wèn)題得到改善。

3 光纜的防雷技術(shù)

對(duì)于光纜的防雷要求，主要應(yīng)考慮電磁感應(yīng)、地電位升高等因素對(duì)光纜的金屬器件所產(chǎn)生的電磁干擾、發(fā)熱等問(wèn)題。對(duì)架空地線復(fù)合光纜(OPGW)進(jìn)入變電站后，在高壓間隔通過(guò)接續(xù)盒換用全介質(zhì)光纜進(jìn)入變電站主控樓的通信機(jī)房時(shí)，容易出現(xiàn)接續(xù)盒銹腐、PVC管開裂等問(wèn)題。門型架構(gòu)光纜接續(xù)盒至通信機(jī)房段的導(dǎo)引光纜，通常沿電纜溝道敷設(shè)，因此要采用PVC管或硅管進(jìn)行穿管保護(hù)，以防外力損壞以及鼠咬，同時(shí)保護(hù)管兩端需封堵嚴(yán)密，具備防水和阻燃性能。

同時(shí)，OPGW進(jìn)入變電站后應(yīng)考慮與普通地線的匹配問(wèn)題，連接盡量平滑。在遭受雷擊后，雷電流會(huì)沿各種金屬導(dǎo)體通路流入大地，由于金屬體自身存在著電阻，雷電流流過(guò)它們時(shí)也會(huì)產(chǎn)生熱量。這種熱量可表示為W=Ri d t。式中，R為金屬導(dǎo)體電阻，i為雷電流。從上式中可以看出，嚴(yán)重的熱效應(yīng)可能出現(xiàn)在雷電流通路有較高電阻處，特別是那些引流導(dǎo)體之間接觸不良處，在這些地方較可能產(chǎn)生溫度升高、金屬熔化或熔體飛濺，對(duì)通信線路和設(shè)備造成影響［5］。

再例如:一次雷雨后某變電站光端機(jī)出現(xiàn)告警，經(jīng)網(wǎng)管確認(rèn)，其光端機(jī)Metro3000出現(xiàn)“R－LOS”告警，而對(duì)側(cè)站點(diǎn)光端機(jī) Metro3000發(fā)光正常，此光路采用1+1光路配置。由于主用光路未受影響，設(shè)備光路未發(fā)生倒換，將故障光路纖芯調(diào)整至其它纖芯后光端機(jī)告警消失，工作正常。通過(guò)0TDR測(cè)試定位故障點(diǎn)在對(duì)側(cè)變電站電纜溝內(nèi)，該OPGW光纜由門型架引下經(jīng)穿管后由電纜溝進(jìn)入通信機(jī)房，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)OPGW光纜在門型架底部進(jìn)入電纜溝前約有20 cm長(zhǎng)度的保護(hù)套管被燒損，光纜表面開裂，且有一定的變形。究其原因，其所在位置靠近接地網(wǎng)引出的地線與OPGW的架空地線連接處，由于兩種地線不匹配，雷擊時(shí)引起兩種地線連接處節(jié)點(diǎn)溫度升高，導(dǎo)致光纜損壞。

4 結(jié)束語(yǔ)

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，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。

［1］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.

［2］周遠(yuǎn)川.現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)雷電安全技術(shù)管理［M］.北京:中國(guó)教育出版社，2002.

［3］周志敏.電子信息系統(tǒng)防雷接地技術(shù)［M］.北京:人民郵電出版社，2004.

［4］劉玉蘭.通信網(wǎng)絡(luò)防雷基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教材［M］.北京:中國(guó)石油大學(xué)出版社，2008.

［5］劉強(qiáng)，段景漢.通信光纜線路工程與維護(hù)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2003.