防雷工程设计培训-第六章-通信系统的雷电防护

1、第六章 通信系统的雷电防护技术,1.通信电缆的雷电防护问题,通信电缆种类繁多，从传输信号来分， 可以分为传输电磁信号的电缆和传输光信号的光缆。 电缆分为架空和埋地两种安装形式。 这里讲的通信电缆包括微波和其他通信电缆。 地下电缆开始使用时，很多人以为电缆埋入地下，不像明线那样高挂于地面，似乎不应再受雷击。可是实践的结果，却出乎人们的意料，雷击电缆的事故依然屡有发生。运行中造成电缆故障的原因很多，而据通信部门的统计，其中属雷击引起的，大约占了总故障的30%左右。,本章以地下电缆为主讨论电缆的避雷问题，但很多机理同样适用于架空电缆，因为架空电缆实际上可以看作对地泄漏比埋地的同样结构电缆还要小的“地

2、下电缆”。 电缆受雷击的途径，归纳起来有如下几种： （1）对电缆的直击 所谓直击，是指雷电直接击中了电缆。实践证明，在埋有电缆的地方，沿电缆埋设的线路落雷率要比其他地方落雷率高，有点像雷电专门要找埋地电缆严打似的，在土壤电阻率高的地方尤其明显，这是由于在土壤中埋下一条电缆就相当于土壤中有一条土壤电阻率特别低的带。 从资料报导及现场调查可知，雷电直击点的地面会出现大的孔洞，洞深可以直达电缆。,（2）雷击附近大地、建筑物、大树等对电缆发生放电,当雷电击中电缆附近大地时，落雷点的电位显著升高，而电缆延伸很远，其远端的电位可视为零，所以雷击点附近的电缆电位也几乎为零，这样一来，落雷点与电缆之间便出现极

3、大的电位差。,工程上常需对引雷范围作大致的估计，据研究，落雷点可能引起对电缆放电的距离R为：,I雷电流，kA； 土壤电阻率， K 常数，100 m时，取0.056；1000m时取0.04。,雷击大地时，落雷点的电位最高，若土壤电阻率均匀，其电位分布则围绕着落雷点形成一个导电的半球体，其值为：,式中： U0落雷点的电压，kV； 土壤电阻率，m； I雷电流，kA； E0土壤临界击穿场强，kV/m。,土壤电阻率的不同，其值可从低电阻率土壤的1kV/cm至高电阻率的5kV/cm不等。,随着与雷击点的距离r的改变，地中各点地电位Ur将按下列规律变化：,式中： Ur落雷点附近的电压，kV； I雷电流，kA

4、； r与雷击点距离，m。 可见，若r增大，地电位很快降低。因这样的电位变化规律形似喇叭或漏斗，又常称作喇叭形电位分布，或简称为电位漏斗。,设位于电位漏斗区域内的电缆，其塑料外护套的耐压为UD，当护套所在地电位UrUD时，便可能使外护套绝缘击穿。在上式中，如令Ur=UD，即可求出导致发生这种危害的危险距离r为：,式中：r击穿点至落雷的距离，m； UD塑料外护套电缆外护套的耐压，kV。,例如，当雷电流为50kA时，土壤电阻率为1000m，以及外护套耐压力100kV时，可求得距离雷击点80m范围内的这种电缆，均有发生护套绝缘击穿的可能。,（3）感应过电压 除了直接向电缆流入雷电流以外，通过电磁感应，

5、也能在电缆上诱发感应电压和电流。图示出由于云间放电而在电缆中产生了感应过电压。放电通道如果与电缆线路相平行，由于电磁感应，将使电缆的导体产生一定的纵向电动势，并随之流过一定的电流。应该指出，在现场观测中，电缆上的过电压冲击，绝大多数是感应产生的。 但因其能量一般较小，电压低，电流弱，通常很少对电缆本身身造成危害。只能对与电缆相连接的端机或增音机构成危害。,云间放电在埋地电缆产生感应电压,感应过电压分为静电感应和电磁感应两部分，对于传输线来讲，其过电压以静电感应为主。对于没有金属屏蔽层的架空金属线实际感应的电压为：,h导线架挂高度，m； C单位长度导线对地的电容，F/m； G单位长度导线对地漏导

6、，1/m；,电场强度的变化率，,。,（4）电缆的屏蔽作用 电缆的屏蔽效果，一般可用其转移阻抗予以表征。 转移阻抗的定义为：电缆芯外皮（屏蔽层）在一端短接，外皮流有电流I（），引起电缆另一端的感应电压为U0（）时， 则Z（）= U0（）/ I（）l即为转移阻抗。 l为电缆长，为角频率。,电缆长度小于注入外皮电流的波长1/4时，有屏蔽的电缆可由集中参数电路 ：,L0、L1分别为电缆外皮和芯线的自感，H； M电缆外皮与芯线间互感，H； RO、R1分别为电缆外皮和芯线的电阻，； Zm测试仪器的输入阻抗，。,电缆外皮对芯线如能做到完全屏蔽，即 L0=M；则转移阻抗只决定于外皮的阻抗。 如电缆外皮采用编织

7、的金属网时，随着频率的提高，会发现转移阻抗有所升高。这一方面是由于集肤效应导致外皮电阻增加，另一方面也因穿过外皮而单独链往芯的漏磁通增加的缘故。 外皮是连续的金属管时，频率增高，转移阻抗有所下降，从而表现出更好的屏蔽效果。 根据实测结果，电缆的转移阻抗是： 在0.05MHz2MHz时单层屏蔽电缆转移阻抗为220m/m。 双层屏蔽电缆为0.011 m/m，无屏蔽的双绞线为1045m/m。多芯电缆因直径大，屏蔽电阻小，转移阻抗也较低。 实验还证明了电缆末端开路与接入24负载阻抗（实际使用电缆末端总是有负载的）对比表明，两者的转移阻抗差别很小。,据某大楼实测，楼顶加621A冲击电流，楼内长80m的S

8、YV-75型同轴电缆外皮不接地时，干扰电压达114V（换算成50kA冲击电流时应有918V）； 外皮两端接地后干扰电压小于1V（换算成50kA时小于8.1V），两者相差百倍以上。 研究和经验证实，将导线穿入铁管并埋入地中，对防护电磁干扰非常有效，并且管直径越大，其转移阻抗越小，屏蔽效果越好。,2. 微波通信电缆的雷电防护措施 1.路由选择 （1）线路应尽量沿平原地区敷设，因为平原地区雷击活动比山区弱； （2）最好沿水田等土壤电阻率低的地方敷设。 （3）如电缆必须经过山地，应力求避免走山顶或山脊。 （4）要注意电缆路由经过的地方，不应有孤立大树。 （5）凡曾经落过雷，特别是重复雷击过的地方，均要

9、仔细观察分析落雷因素，设法避开。如果不能避开时，则要考虑采取避雷措施。 （6）电缆与铁路基或地下金属管道平行时，若距离在3m以内，可视为避雷屏蔽而不必再考虑其他避雷措施。,电缆离树的安全距离,2排流线 排流线是电缆避雷中的主要防护措施，它是通过在电缆上方的一定距离处敷设一或两根导线，以此来减少电缆的雷击故障。 排流线的作用： 首先，避免了雷电直接击中电缆，一般来说，如击中排流线的直击雷电流峰值不高于15kA的话，对电缆几乎不发生反击； 借助排流线上流动着的雷电流，在电缆上产生了与从雷击点直接泄流至电缆的雷电流方向相反的感应电流，使电缆上总的电流显著减少，从而降低了电缆芯线和金属护套间的过电压。

10、 其次，即使排流线与电缆之间的土壤被击穿并对电缆放电，排流线也能够减轻雷击损坏程度，减少流入电缆的雷电流。 排流线可以使电缆上的雷电流减少近一半（实际约40%），于是，能造成电缆故障的雷击次数也就减少了。,排流线的曲型装设，单位：m,3架空地线 当需要防护的电缆段比较长的时候，可采用避雷效果很显著的架空地线。,4消弧线 消弧线是用来消除雷击接地物体时可能对邻近电缆造成的反击，所谓消弧，就是消除对电缆产生放电电弧的意思。,5安装电涌保护器,3.光缆的雷电防护问题,（1）、雷击对埋地光缆的危害 遭受直接雷击破坏的光缆，雷电流往往会直接击穿塑料外护套的绝缘层而流入其金属层或金属加强芯等，这时光缆就会

11、大大减小该点对地电压，击穿后的电压值是光缆塑料外护层未被击穿时的20%还小。 一般光缆的塑料外护层的击穿电压约为100kV。当I为100kA时，可求得离雷击点出现的U100kV的临界距离r100就为,2雷电流的光缆上传输所造成的危害 击穿光缆的绝缘外护层，雷电流I在流入点以I/2分别向金属护层两端护层两端流去。 当雷电流在光缆传输时，由于其衰减不同，每隔一定的距离后会在金属护层、芯线、远供线及金属加强芯间彼此放电，对光缆造成多处雷击故障。 3. 雷电对架空光缆的危害 由于架空光缆都是通过挂钩或铁线而垂吊在钢绞线之下，而长途及农话光缆的钢绞线一般每隔一定的间距就入地一次，因此光缆上面的钢绞线以及原通信明线都可看作是光缆的屏蔽线或排流线，但由于钢绞线距光缆太近，且是通过挂钩与光缆连通，因此往往会造成钢绞线与光缆的金属护层等金属部件间放电而烧断光纤。,4.光缆的雷电防护措施,总的来讲，光缆的被雷击率要小于普通电缆，尤其是采用了无金属光缆就可以避免雷