远距离光缆通信线路的防雷研究

1、第 33 卷 第 4 期高 电 压 技 术High VoItage EngineeringVoI. 33 No. 4 Apr.20071182007 年4 月远距离光缆通信线路的防雷红（长沙理工大学电气与信息，长沙 410076）摘 要：为预防雷电光缆线路并造成危害，从雷电的形成和通信光缆遭遇雷击的机理，得出在电阻率均匀的土壤中雷击点周围会形成一个等电位的半球体，半球体外地电位呈漏斗形下降的结论，且给出了相应的计算公式，并通过典型雷击示例的分析得到验证。结合光缆线路遭遇雷击的规律，提出了对地电位悬浮式接续、消弧线防雷线防雷线等有效的通信光缆线路防雷措施以及工程勘测设计中应该考虑的防雷问题。这些

2、措施在实际应用中有效减少光缆遭遇雷击的几率。：光缆；雷电；雷击；防雷；防护措施；安全距离号：TN913. 33文献标志码：A文章：1003 6520（2007）04 0118 04Lightning Protection Research of Long-distance OpticalFiber Communication LineTANG Guo-hong（ CoIIege of EIectricaI & Information Engineering，Changsha University of Science and TechnoIogy，Changsha 410076，China）A

3、bstract：Based on the mechanism about the formation of tder and Iightning and Iightning striking on opticaI fiber communicatione，how to prevent the harm on opticaI fiber Iine caused by the invaof tder and Iightning is investigated. ConcIuis drawnt a hemisphere of eguaI potentiaI is formed around the

4、spot of Iightning striking and the groundpotentiaI comes down raIy outside the hemispherehe soiI with homogeneous resistivity. Corresponding caIcuIation formuIa is given incIuding the caIcuIation of the potentiaI for a smaII hemisphere inside and outside，the caIcuIation of safe dis tance betn optica

5、I cabIe and the spot of Iightning struck，and the caIcuIation of forecasting times of Iightning struck onopticaI cabIe. The formuIas givenhe pr can be referred to and appIied in design. The concIuis proved by typicaIexampIes of Iighting striking. Combined with the ruIe about Iightning striking on opt

6、icaI fiber IiveraI measures aboutIightning protection of opticaI fiber communicatione and Iightning protection in engineering survey and design are put forward such as fIoating ground，arc supprescoiI，the Iightning protection of underground Iines，the Iightning protection ofoverhead Iine，these measure

7、s can decrease or reduce effectiveIy the probabiIity of Iightning striking on opticaI fiber Iine.Key words：opticaI fiber；Iightning；Iightning striking；Iightning protection；protective measure；safe distance使其防护更科学合理、更加经济和方便实用。0引 言本文从雷电的形成、雷电防护原则、防护措施以及国内对通信线路的一些防雷规范，进一步深入到利用光缆进行通信不仅容量大而且频带宽，是未来通信技术发展的必

8、然趋势。由于通信光缆中含光缆线路的防雷光缆遭遇雷击的机理，提出了有金属构件，时常会到雷电的，甚至会因雷光缆线路防雷的一些措施及具体实施方法，同时也介绍了工程勘测设计前的防雷问题，并通过采取有效的防雷措施，有针对性地对光缆遭遇雷击的危害电流太大而发生烧坏光缆，中断通信的恶性事故1，2，因此人们不断探寻合适的防护办法。文3介绍了光缆与市郊大树间防护隔距的计算方进行了有效合理的防护，以减少证通信网络的正常运营。带来的损失，保法，并提出了关于光缆线路设计与安装较好的防雷方法4 8。随着人们对雷电防护的加深，雷击光1雷电形成的基本过程缆造成的恶性事故已呈逐年下降的趋势9，但这并不能说明目前光缆线路的防雷

9、措施已较好地解决了雷电现象是天空中一部分带电的云层内部、云层与云层之间或者云层与大地之间的放电现象。雨滴和冰滴等降水粒子在大气电场作用下会发生极化，使其上部带负电，下部带正电，所以由降水粒子下半部碰撞弹回的云滴或冰晶，将带走下部正电荷。由于降水粒子下降快，云滴和冰晶下降慢，造较次的问题。雷电对光缆线路的冲击影响，使得光缆线路绝缘外护套击伤，形成针孔而进潮，导致光缆线路绝缘指标下降。如果不发现并排。因此，光除，时间久了会老化而缩短使用缆线路的防雷电措施仍有待进一步探索、甚至量化，2007 年 4 月高 电压 技 术第 33 卷第 4 期119成重力分离，这时云的上部为云滴和冰晶，形成正电荷中心，

10、云的下部为降水粒子，形成负电荷中心。根护套距雷击点的安全距离最少为：Lm= !I/ 27UD 。! = 500fm，UD = 200kV，8 m 外的大地遭遇 20据计算，发现冰晶电极化冰雹上的碰撞弹回过kA 雷电流雷击时，外护套有可能被击穿。当光缆内的金属构件接地，或光缆外护套损伤接地时，雷击点与光缆间会出现极大的电位差，一旦该电位差超过雷击点与光缆间的土壤耐压，便可击穿土壤，形成从雷击点至光缆的电弧通道。设光缆距雷击点距离为 R，R 越小越容易形成从雷击点至光缆的电弧通道。若不形成电弧通道，则应 Rm ! K !I ，K 为与 ! 有关的系数。程或云滴电极化雨滴上的碰弹回过程均可产生雷电现

11、象。而冰雹与过冷云滴碰撞，使云滴在冰雹上冻结，形成内层暖外壳冷的温度分布。根据热电效应，冻结外层带正电，内层带负电。由于内层冻结时的体积膨裂，抛出或小水滴带走正电荷，而留下冻结主体带负电。经重力分离，云的上部为小冰硝或小水滴，形成正电荷中心，下部为冰雹，形成负电荷中心。当大雨滴被气流吹碎时，大块带正电，水碎沫带负电。雨滴在云滴附近被上升气流吹碎，使得大残块在云底附近形成次正电荷中心，而小碎沫被气流带上去形成负电荷中心。当 I = 20kA，! = 500f 时，Rm= 5. 6 m，雷电可能对半径 5. 6 m 以内的外护套损伤接地的光缆产生放电破坏。当光缆中的金属构件对大地处于浮空状态时，光

12、缆对雷电无诱导作用，即使它在雷击大地所产生的“ 漏斗电位”区内，也不会发生电弧击穿。上升气流携带云底正离子运动，直至上工程中直埋光缆均有一个外护套，光缆埋部形成正电荷区。由于高空传导电流使大量负离子来到云的上表面并附在云滴或冰晶上，然后由云周设处的雷击地电位超过护套绝缘介质的耐压时，将发生针孔击穿。光缆距雷击点越近，越容易发生针孔击穿。如果不希望发生这种针孔击穿，则光围下沉气流带下来，到达云下的负电荷区，从而增强了云、地电场强度，产生的正离子。这种缆距雷击点的最小距离应为：Rm =!I/ 27UD 。正反馈过程，最终造成常见的电荷分布。光缆外护套雷电击穿的可期次数为： ）X 10 -3N=（

13、I次 （/ 100kma），! Ds / 7U! 光缆遭遇雷击的机理GgD式中：Ng 为面积和每个雷暴日的雷击次数（ 也称雷电闪击大地时，它具有寻找最小阻抗泄放雷云电荷的趋势。当大地中有与之接触良好的金属导线类物体（ 如金属构件接地良好的光缆）时，就相当于在高土壤电阻率地区存在局部低电阻率的土壤落雷密度），次（/ km雷暴日）；D 为年平均雷暴日数；s 为光缆线路长度，km； 为累积次数常数，kA -1 。# 光缆雷电的防护措施带，它输送电荷至大地，从而完成一次雷大量的统计资料证明，光缆遭遇雷击有以下规律10 12：T光缆内金属构件对地绝缘水平较低的光电活动；倘若该金属类物质对地是绝缘的，如对

14、地电气浮空的光缆，则因绝缘的金属导线与大地不能形缆容易雷击；土壤电阻率普遍比较大，个别土壤电阻率小的地方容易形成入电通路，在土壤成通路，故不能输送所带的电荷至大地，不会对电阻率突变的地区较易雷击；光缆线路附近雷电活动产生影响，因此对地接触良好的光缆对雷电有很强的诱导作用。雷击大地时雷击点周围会形成一等电位的电半球体。土壤电阻均匀时该半球体电位 U0 和半球体外各点电位 UI 分别为：大树和电杆多的地方，光缆容易雷击；光缆施工后回填土壤不实，出现深沟，土壤耐压力降低，光缆容易雷击。根据光缆遭遇雷击的机理和规律，光缆防雷可采用以下对策。1）系统接地或对地电位悬浮式接续 为符合防雷的要求，有金属护套

15、、金属加强芯及铜线的光缆在埋式光缆接头处，可以采取以下 3 种电气连接方式：T在光缆接头处两端及光缆的终端，金属护套及金属加强芯在电气上都连接起来，并作系统接地，有利于光缆中的感应雷电流迅速入地，但这样做接!IE0 / 2 kV，!I/ 27r， （1）U0 =Ur =式中：! 为土壤电阻率，fm；I 为雷电流，kA；E0为土壤临界击穿场强，kV / m，r 为计算点到雷击点的距离，m。随着 r 的增大，地电位呈漏斗形下降。设光缆位于上述地电位漏斗形区域内，其外护套的冲击绝缘耐压为 UD ，当光缆护套所在处的地电位 Ur !UD 时，光缆护套绝缘被击穿。设光缆护套所在处到雷击点的距离为 L，随

16、着 L地装置多，工程费用及工作量大。光缆接头处两端的金属护套及金属加强芯在电气上互不连接，但在接头的一端（ A 端或 B 端），金的增大，光缆护套趋于安全。根据式（ 1 ）光缆120Apr. 2007HighVOltageEngineeringVOl. 33 NO. 4属护套与金属加强芯在电气上互相连接并做接地处理，这可避免感应雷电流在光缆中长距离积累，也可将感应雷电流迅速引入地中，但这样做接地装置多。!光缆接头处两端及光缆的终端，金属护套与金属加强芯应在电气上互相绝缘，且都不接地，对地均呈绝缘状态，这可避免光缆中感应雷电流的积累，也可避免由于防雷排流线和光缆金属构件对地回路阻抗差异而导致地中

17、雷电流接地装置引入光缆。这种对地电位悬浮式的处理方法更适合于无金属芯的金属护套光缆。耐压能力，相应也提高了光缆的抗雷电的浪涌能力；!光缆敷设应逐步实现管道化，敷设时应采用低摩擦系数的管。当光缆布放在管道内时管为光缆提供了一层外加的保护，将大大增强光缆的耐压能力，对防雷、防机械损伤、防鼠、蛀蚀都有好处。6）防雷设计中须注意的问题 在实施上述防雷措施时，关键是要做好光缆通信工程的前期勘测设计工作。光缆通信工程设计是一个复杂的过程，不但要满足通信主系统各项技术指标，还要充分考虑线路防雷的性能。由于雷电波和光波的巨大差异，雷电感应对光信号通信基本不产生影响。因此，在进行防雷设计时，应尽可能远离雷电通道

18、，免除雷电的热效应和汽锤效应的损害。基于此原则，新建通信线路的防雷设计须对线路经过地区的地质条件、气象资料包括雷电活动地面观测数据16以及所采用的材料等进行全面的考虑。#新建通信线路时，要根据线路涉及地区的气象资料尽量避开下列地区：雷击与强闪电频发地段及有过雷击历史的点（ 区）；物理突出物（ 古塔、铁塔、电力杆、通信杆、古树、独立大树）和电气突出2）消弧线当光缆线路与孤立的杆塔净距超过 5 m 时 ，应采用设置消弧线的方法防雷。该方法可降低光缆与高大物体间的电位差。当雷击大树等高大物体时，雷电流通过大树等物体向大地放电，消弧线的存在使大量雷电流通过它泄放入地，从而可避免发生电弧击穿对光缆造成的

19、危害。消弧线由两根 7 / 2. 2 钢绞线做成，其中一根与光缆埋深相同，另一根为光缆埋深的一半，两根金属线的两端都应焊接在接地网上，地网应在远离光缆的一侧，与光缆相距 15 m，地网的接地电阻一般要求为 5，当土壤电阻率 100m 时，接地电阻要求为 10。当光缆与大树等物体相距不足 5 雷保护作用，这时光缆就应绕道敷设。m 时，消弧线难以达到防场，包括露头（ 即该处的土质结构使得土壤电防雷线（ 排流线）防雷线在与光作用，其防雷效3阻率与周围相比特别小）处，杆架变压器；各类接地装置和接地网；发电电站和天线区等；减少横跨地形或土壤电阻率突变的地段。总之，应首选平原地区，不得已走山区时，尽可能走

20、山阴不走丘陵地区，走狭缆同沟的上方埋设，主要起防雷果可通过防雷线中的电流来判断，电流愈大防雷效果愈好13。埋式光缆线路的防雷线最好采用有色金属线，其线阻抗小、耐腐蚀、使用长、防雷效果好。防雷线是直埋光缆普遍采取的防雷措施，谷不走、不穿越矿区和进入高压电力网的走廊。应用在直埋光缆所经过土壤电阻率 100m 的地区，需要保护的地段较长，采用 7 / 2. 2 镀锌钢绞线或 6 mm 镀锌钢筋来制作。具体做法是：在光缆上方30 cm 处平行敷设 2 条相距 40 cm 的防雷线。并将两端引伸到大地导电率低的地方，其敷设长度要求$尽量避免使用光缆金属信号线系统光缆对雷电的诱导。采用本地供电系统，并配置

21、后备电源系统，从而避免使用带金属导线光缆的远供电系统。中继站可选择偏离主干路由的村镇或电力供应方便的地方。公务联络、监测信号可使用传输系统中的辅助通道（ 线路中的冗余码），也可采用线路中备用光纤，避免使用带金属信号线的光缆。!要使用不诱导雷电和耐汽锤效应的光缆。从防雷的角度出发，尽量不使用带金属导线的光缆，在地质、气象条件良好的地段，甚至可以使用无金属护层的全塑结构光缆。在使用金属护层结构的光缆时，对地绝缘应满足设计要求。每处!20004m。防雷地线 由于雷电辐射的平均能量为 25 100 MHZ ，辐射频谱的峰值主要集中在 60 70 MHZ14，15，因此埋式光缆线路在直击严重的地方可用防

22、雷线。其做法是：在距光缆 3 5m，用木杆平行架设两条 4. 0 mm 的镀锌铁线，在中间每隔 150 200 m 和两端均接地。接地装置应离开光缆!15 m。接地装置的接地电阻要求为：当 ! 100m 时，中间的接地电阻为 40，两端的接地电阻为 20。! 雷击示例与分析设 ng = 0. 015 次（/ km雷暴日）， = 100km；-1 Uc = 100 kV；J = 0. 021 kA。每100km 光缆通信线路每年的雷击可期次数的计算值见图 1。由图 1 可知，当年平均雷暴日 D = 20，土壤电阻5）其它措施#雷击严重地区尽可能采用无金属构件的光缆或采用加厚 PE 层的光缆；$做

23、好光缆的施工，保证光缆外层的完整无损，使金属外护套对地绝缘保持良好，可提高光缆 PE 护套的瞬间率 ! = 100m 的光缆通信线，雷击可期次数约2 7 年 月高电压 技 术第 33 卷第 期 2 HU Hong-hua. Lightning protection design and instaiiation for fiberoptic cabie iink J. Opticai Fiber Eiectric Cabie，2 （ ）：37- 39. J. 光缆通信线路遭遇雷击机理及其防雷对策工业学院学报，2 3，22（2）：63-6 .HU Hong-hua，XIE Zhao-hong.

24、The mechanism of opticai cabie meeting iightning and the ways of preventing iightning struck J .Journai of Wuhan Poiytechnic University，2 3，22（2）：63-6 .6. 光纤通信线路的防雷措施 J. 通信与，2 （6）：27-3 .XIAO Ming-hua. Lightning protection ways for fiber optic cabie J. Communication Information Technoiogy，2 （6）：27-3

25、.7兴 顺. 建筑物电子信息系统防雷技术手册 M. 西安：中国建筑工业8王 毅，2 . 地电位升对埋地通信光缆的影响图 1 不同 ! / !m 时光缆雷击年可期次数Fig. 1 Predictable times of lightning strike为 次；! !m 时约为 2 3 次；! !m 时约为 6 次。当 ! ，! !m 时，雷击的可期次数 9；! !m 时约为 6；! !m 时约及防护 J. 山东电力技术，2 （6）： - 7.WANG Yi，LI Oi-sheng，CUI Chao-xu. Danger effects and protec-tion of buried opt

26、icai fiber cabies J. Sh2 （6）： - 7.Eiectricer，9谢 峰. 光缆线路的防护技术术，2 （ ）： 3- .不可忽视 J. 邮电设计技9 。这说明光缆的外护套被雷电击穿出现针XIE Feng. Study on opticai cabie iine protection technigues J.孔的机会较多，但这种击穿不会造成通信中断，不同Designing Technigues of 3- .ts andmunications，2 （ ）：于电缆雷击时所造成的通信故障。 . 光纤通信的防雷保护J. 电力系统通信， 999（3）： 2- .有、无铜线光缆

27、的外护套被击穿的可期次SUN Ye-cheng . The iightning protection of fiber optic communica-数是相同的。光缆内铜线的绝缘被击穿发生在外护套被击穿（ 或经人工接地）之后，其击穿的可期tion J. 2- . munications for Eiectricer System， 999（3）：美. 直埋光缆的防雷设计 J. 黑龙江通次数远小于外护套被击穿的次数。信技术，2 （3）：33-3 .MA Shao-ji，SHAO Jing-dong，ZHANG Zi-mei. Lightning arrester design of direc

28、t-iaying opticai cabie J. Heiiongjiang Communica-tions Technoiogy，2 （3）：33-3 .5结 语根据对雷电的形成及光缆遭遇雷电的机理、光缆遭遇雷击的概率及光缆遭遇雷击的实际情况，总 2.光缆的防雷措施 J. 现代通信，2 6（9）： - 7.XU Shi-ging. The iightning protection of underground opticai cabie J. Communications Today，2 6（9）： - 7.结出了光缆雷击的一般规律。在此基础上，提 3. 直击雷对光缆及电缆的危害 J.邮电大

29、学学出了系统接地或对地电位悬浮式接续、使用消弧线、报，2 3，26（3）： -7.You-gang. The harmfui effects on opticai cabie and wire ca- bie from direct-stroke iightning J. Journai of Beijing Unive- rsity防雷线和防雷线等有效的光缆的防雷措施。从对有无铜线光缆的外护套被击穿的可期次数munications，2 3，26（3）： -7.of ts and的分析，进一步证明了防雷措施的有效性、实用性。. 雷电波的频谱及能量分布 J. 高电压技术， 99 ，2 （ ）：8 -86.Luo Shi-gian. The spectrum and energy distribution of iightning wave J. High Voitage Engineering， 99 ，2 （ ）：8 -86. Dong Wangsheng ，Wong Sanguo，Chen Chengpin. Lightning eiectro-参 考 文 献 . 通信光缆的雷击形成与防雷方法 J.气象，2 2（2）： 7- 8.DUAN Zhen-zhong，LIU Xue-c . The strokes o