埋地通信光纜遭遇雷擊原理及實例分析

李康裕

摘要：雷電是一種自然的現象 。強大的雷電電流可使其產生的熱、電、機械效應具備極大的破壞性。隨著近年來通信產業的迅猛發展 ，光纜的應用越來越廣泛，通信光纜被雷電擊中導致傳輸線路中斷時有發生 。與管道伴行的埋地通信光纜，如遭雷擊后，嚴重影響長輸管道通信安全 ，且搶修難度較大，亦會造成較大經濟損失。本文討論雷擊大地時雷電電位變化規律，分析了埋地通信光纜遭遇雷擊的原理及實例分析，并提出相應的避雷措施。

關鍵詞：雷電；管道光纜；中斷；原理；實例；防雷措施

引言

常規光纜主要成分是二氧化硅，本身不導電，不受雷電干擾。但當雷電瞬間電流達到一定程度，閃擊大地時，則有可能損傷光纜，造成通信中斷。本文意在探討雷擊光纜原理，分析雷擊光纜實例，探討相關的防雷措施，以期為長輸天然氣管道光纜防雷提供有意義的參考。

1、雷擊埋地光纜原理

1.1光纜遭雷擊的原因

為防止埋地光纜遭老鼠齒咬、牽引敷設產生的機械拉力、以及人為因素等的破壞，光纜內需要放置如金屬鎧裝層、加強芯等加強件，加強件均為金屬材料 。

雷電具有尋找阻抗最小路徑以泄放雷云電荷與地下異性電荷中和的趨勢。當雷擊附近大地或建筑物時，落雷點的電位瞬間升高，并隨著與閃擊點距離的漸遠，電位差越來越大，形成“電位漏斗”（見圖1）。這一電位差若超過雷電閃擊點與光纜外護層間的耐壓強度（包含土壤），便會擊穿外護層，形成從閃擊點到光纜金屬構件（加強芯或鎧裝層）的電弧通道，使大量雷電電流涌向光纜，造成光纜嚴重損壞（燒毀），這是雷擊光纜的總體原理。具體分析如下：

從圖1可看出雷擊大地時的地電位分布，其中落地點的電位是最高的，若土壤的電阻率均勻，并且圍繞著雷擊點形成一個導電的半球 。

隨著與雷擊點的距離 r 的改變 ， 地中各點的電位 Ur 將按下列規律變化 ：

可見，隨著 r 的增大 ，地電位呈現出漏斗形急劇下降 。

設位于電位漏斗區域內的光纜，其套管（硅管或塑料管）的耐壓為UD，當護套所在地電位Ur≥UD時，便可能使外護套絕緣擊穿。在上式中，如令Ur=UD，即可求出發生這種危害的邊緣危險距離r為：r= Iρ/2πUD （2）

式中 ： r - 擊穿點至雷擊點的距離 m

UD - 塑料外護套的耐壓 kV

注：即落雷閃擊點距光纜距離在小于等于r時，光纜套管則有被擊穿的可能，光纜則有被損毀的風險。

注：雷電閃擊點的電位升高，而光纜則延伸到遠方，遠端電位可以視為0，所以雷擊點附近光纜本體電位也視為0。

此外，光纜線路在施工中難免損傷光纜套管（硅管）與線皮，另外鼠咬、外力等均可能造成光纜中金屬構件暴露。這些暴露點也易將強雷引入光纜中，造成損傷。故在光纜敷設時，應避免損傷光纜套管，避開鼠、蟻較多的地帶。

1.2雷擊埋地光纜易發區

了解雷擊光纜原理之后，不難總結出光纜遭雷擊的易發區

（1）雷暴天氣頻繁的地區；

（2）光纜敷設處地勢較高的地區，該類地區易招雷；

（3）光纜敷設處附近有建筑物、大樹、電線桿（塔）等引雷物，雷暴天氣下，容易將雷電引入地下損傷光纜；

（4）從公式2可以看出，當埋地光纜套管耐壓UD一定時，土壤電阻率ρ越大，則邊緣危險距離r越大，也就說光纜被雷擊的概率越大。此外土壤電阻率有突變的地區，因為雷電要尋著最小阻抗途徑來釋放，光纜也容易被雷擊。

（5）光纜在石方段敷設時，其套管或線皮易被損傷，產生缺陷，雷擊大地時，易通過缺陷口進入光纜，造成損傷。

2、實例分析

2017年4月13日晚20：10，伴隨著一道閃電，煙臺市某長輸天然氣管道輸氣站辦公生活區電力供應發生了一次閃斷，室內電燈閃滅一次，辦公電腦全部斷電關機。同時，通信工程師發現煙臺至威海段埋地通信光纜中斷，隨后其利用OTDR測出斷纜位置為距輸氣站7.1km。輸氣站管道管理人員趕赴現場后，未發現任何第三方施工跡象，且該段管道、光纜埋深近4m。后經連夜開挖驗證，該線路段20m長光纜，每個4-6m即有一處斷點，共有4處斷點，且斷纜處線皮等均有燒糊的味道，線芯也有不同程度損壞。

斷纜處地貌為丘陵山地，且為附近村莊的制高點，管道所經土地為沙土地，屬土壤電阻率較高土地。管道與光纜同溝敷設在丘陵山脊。斷纜當晚、當時附近村莊集體失電，且全村電表均被該次閃雷擊壞，甚至有村民在家中玩手機時，雷電閃過，手機即直接黑屏。距管道300m處的同屬某山地制高點葡萄酒廠內的兩臺變壓器當晚亦被雷電擊壞，附近村民亦表示多年未見如此威力的閃雷。

調查人員發現距斷纜處560m處有光纜井，平日有光纜測試線（連接接線盒光纜加強芯）引出，但埋在地下20cm處，經開挖驗證，光纜接線盒完好，內部光纜沒有損壞、燒毀跡象。故雷電亦不是通過此接線頭進入光纜。

最后管理人員發現，在距斷纜點5.6m處有當地政府的森林防火宣傳墻1面。高5.3m，寬5.7m，整體框架鋼制，其主支撐為水泥澆筑為底的兩根直徑為17cm的鋼管。

光纜遭擊斷的線路段，多位于廣告牌正前方。宣傳墻的兩支主支撐鋼管為很好引雷體。

雷電標準電流約為30KA（雷電流只有波形標準值，沒有幅值標準值，雷電流幅值和概率見后面附圖），而當晚造成變壓器、電表燒毀及光纜遭擊斷的孤立閃雷，其瞬間電流能達到50-100kA（該電流幅值是實際測量值？有沒有記錄依據？），甚至更高。斷纜處平均土壤電阻率實測為378Ω*m，標準光纜套管耐壓為200 kV，若該雷電閃擊電流按50kA算，代入公式（3）r= Iρ/2πUD，計算出r=15m，即在距廣告牌15m半徑范圍內的光纜均有可能遭受雷擊損壞，符合現場斷纜實際情況。

綜合分析可知，此次雷擊斷纜事件，管道光纜附近的宣傳墻有“最大嫌疑”，建議拆除該宣傳墻及其接地，以削減光纜遭雷擊風險。

3、埋地光纜避雷、防雷措施

3.1光纜路由的選擇

埋地光纜受雷擊的概率，主要取決于通過地區的落雷密度、雷電幅值、附近建筑物、土壤電阻率等，因此在路由選擇時應盡量避開易遭雷擊的地方，避免走山頂或山脊。

3.2光纜與建筑物的安全距離

光纜應與獨立建筑物、電力線桿等保持一定的凈距離L：當土壤電阻率ρ≤100Ω*m時，L>10m，當ρ>100Ω*m時，L>15m。此外在后期運維過程中，應注意埋地光纜附近的各類新建建筑物、電線桿塔等一定要符合安全距離要求。

3.3合理選擇光纜

在雷害嚴重地段，應選擇具有高強度絕緣介質的防雷特性較好的光纜。

3.4光纜與建筑物的安全距離

對已經發生過雷擊的地段，應測試光纜線路的土壤電阻率，且在該地段增加防雷線或者消弧線，防止再次發生雷擊事件。

（作者單位：中石油山東天然氣管道有限公司）