电力系统通信中防雷技术应用

2012-12-17钟颖仪蔡晓明陈祖彬

电子科技 2012年12期

钟颖仪，蔡晓明，陈祖彬

(福建省电力有限公司信通分公司，福建福州 350003)

随着通信技术的发展，通信系统作为“电力中枢神经系统”的基础支撑作用日益凸显，对电网的安全运行至关重要。随着集成电路、精密电子仪器在通信系统的广泛应用，其对各种电磁波和感应电流相对敏感，因此雷电冲击对电力系统通信的破坏也越来越大，特别在东南沿海雷电多发地区，直接威胁到电网的正常稳定运行。

1 雷电波入侵途径

雷电波入侵有以下途径:(1)直击雷或邻近雷击，击在外部防雷系统、配电屏架以及电缆上等，浪涌在接地电阻上引起电压降，环路感应过电压。(2)远处雷击，击在远处架空输电线缆上、雷云之间的放电通过架空线缆引起感应电波及过电压、雷击野外通信线缆。(3)地电位反击，建筑物的外部防雷系统遭受直接雷击，在接地电阻的两端会产生过电压，由接地线引入设备，造成设备损坏［1］。

2 通信设备和线路的防雷技术

2.1 楼之间的通信线路引入雷电波

通常变电站避雷针的保护范围只包括现场设备，主控楼和一些附属建筑有相应的防雷措施，而建筑物之间的通信线缆则没有纳入避雷针的保护范围，处于防雷的死区。据研究，避雷针周围不在其保护范围平均雷击率是保护范围内的2.5～4倍。对于这段距离的通信应注意:一是不能用没有防雷措施的音频线、超五类线、电话线等。雷击冲击波易通过这些户外传输信息线路侵入通信设备。闪电的脉冲放电电流对进入通信机房的户外线缆都会产生强大的感应过电压和过电流。当然，用金属套管屏蔽电缆，如建筑物之间的距离有几十米，雷电也可能因地电位差产生强电流。所以有条件的变电站所有的建筑物地线网应统一布局且定时检查，防止接地网遭腐蚀后由于接地电阻差别大而产生电位差。二是所经线路地面的地势不宜过低，以免积水、植被生长渗透影响线缆通信。电缆沟应保持干燥，以免雷击引起地电位上升，通过线缆对通信设备产生反击，损害通信设备对地绝缘［1－2］。

对于模拟信号通信线、各种通信交换机用户门、中继及磁式门接口处、微机保护接口处采用ZH型中和变压器等专用隔离变压器时应注意，变压器如无接地端引线应手动焊接，尽可能不用螺丝固定以免产生接触电阻，焊点应大些且均匀不易脱落，加装时除了接好信号线，接地引线应良好接地［3］。它可以承受10 kV甚至更高的因雷击或地电位反击产生的过电压而不被击穿，将模拟信号通信线路设备侧和线路侧从电路上隔离开来，相互之间通过电磁耦合方式联系而无直接电流回路。

笔者曾处理一例，雷击引起感应电流通过超五类线进入CORAL IPX3000调度交换机模拟用户接口板端口，进而损坏交换机其它电路。处理措施是更换超五类线为有金属套管的屏蔽线缆;对与主控楼通信的附属楼接地网进行改造，使之接地电阻与主控楼接地电阻差在规定范围;在线路进入音频配线架时加装ZH型中和变压器。读者可能会有疑问，直接铺一条光缆不是更简单?是的，但接地网有问题还是需要改进，且因为几部电话或几台电脑的通信需求铺设光缆不符合节约成本的技改方案。

2.2 市话引入雷电波

市话作为变电站对外通信的一个重要手段原则上不能取消，其线路是由站外电信部门的音频线引入。由于架空线路极易感应由雷击等引起的各种电磁场，所以也是防雷的盲区。笔者曾遇到一变电站，每遇打雷，主控室桌面的电话线水晶头就会打火，并伴随着细微的放电声。因此，电话引入机房前应穿金属管地埋或走电缆沟，进入音频配线架前应加装RJ11电话信号防雷器，电话机的防雷电路应选择具有响应速度快、残压小、通流量大、抗雷击能力强的压敏电阻。压敏电阻和热敏电阻应并联以提高泄流能力，打雷时尽量少用或不用［4］。

音频配线架一般采用防雷保安单元、气体放电管、压敏电阻、固体放电管等防雷方法。在正常工作情况下，防雷保安单元并联时不得短路，串联时不得开路，对地有连接的除了放电状态，其他时间不得构成导通状态，否则必须辅以接地检测报警装置。不同型号的保安单元接地端设置不同样，一定要使接地端接地才能起到防雷效果，如有的保安单元和现有的配线架不搭接，应自行焊接接地端引线与地线连接。在实际应用中，应根据不同的使用环境，选取合适的防雷保安器，才能在满足设备残压要求和线路浪涌电压防护的同时，提高防雷保安单元的在线使用安全。错误地使用防雷保安单元不仅不能给系统带来安全防护，甚至由于它的加入而使整个系统都存在安全隐患［2］。

音频配线架是雷击故障的多发地带，对接入的通信设备进行有效保护，当配线架某线路被击穿，将导致所接设备损坏。笔者曾经手过这样一个例子，一次雷击后某变电站一路市话的保安器损坏，烽火PCM两块二线板及两块四线板均有告警信号，二线板有元件烧毁迹象。在更换市话防雷保安器，市话恢复正常;将烽火PCM两块四线板重新插拔后，四线板告警信号消失，远动信号恢复正常;将二线板更换后，恢复正常。该例暴露出音频配线架、保安器、烽火PCM防雷效果不佳，市话线路在进入音频配线架之前未采取防雷措施。而检查发现的市话线路进入机房前未穿金属管直埋10 m以上，则是雷电产生的感应电流通过它进入音频配线架的主因。

相比单一的防雷方法，推荐采用放电管电阻和抑制二极管组合的避雷装置，经实践证明，因雷击引起的通信故障率明显下降，用户接口或电话机被雷击坏的数量明显减少，防雷效果良好。其原理如图1所示。

图1 通信设备避雷装置电气原理图

如1图所示，电话线L1与L2之间为纵向过电压;而L1或L2与地之间为横向过电压;通信音频电缆过电压放电电压为230±(30～40)V。选参数相同的抑制二极管V1、V2和V3，放电电压为115 V，纵向放电电压 U(B，F)=U(A)+U(B)=115+115=230 V，横向放电电压U(B，C)=U(F，C)=U(A)+U(C)=U(B)+U(C)=115+115=230 V，对纵向和横向过电压都起到保护作用［3］。同时，线路侧放电管GT1、GT2和设备侧二极管起互补作用，可大幅提高抑制过电压效果和放电保护的可靠性。采用18Ω/5 W的电阻可抑制强大的放电电流，达到传统熔丝保护效果，减少雷击时因熔丝引起的通信中断，适用无人值守的通信机房。

2.3 雷电波由电缆竖井引入

电缆竖井要保持干燥，当通信机房在建筑物一层时，常出现由于天气变化，地板潮湿导致竖井湿度过高而在空调的作用下凝结成水滴附着在线缆上，容易使线缆软化腐蚀影响通信质量，雷击时传导强电流损坏通信设备。虽然大部分雷击产生的电流会随地网释放，但还是会有部分残留电流沿地表传播或是感应空气中的静电荷。同时，雷电多发时期，在避雷针接地装置附近，由于跨步电压，人员接近时有触电的可能，一般在避雷针接地装置约10 m的范围内较危险。所以电缆竖井地表渗水、屋顶漏水，各种孔洞的封堵、定时通风等容易留下隐患的细节应引起注意，定期查看。竖井内各类电气线路相互之间应保持0.3 m以上距离。如条件限制，强电与弱电线路可分别布置在竖井两侧否则需隔离，以防止强电对弱电的干扰。竖井内应明设一接地母线，与地网连接并分别与支架、管路和电缆金属外皮等良好接地。例如一变电站的电缆竖井由于潮湿，经过该竖井的线路通话效果不佳，测量电话线的RJ－11接口，阻值偏低，更换接口后通话效果并未改变。经检查，竖井中的电话线因受潮，外皮老化，电话线金属部分氧化阻值增加，致使电话线末端电压降低，使通信质量受影响［4］。且雷击后电话不通，由于地电位反击，感应电流通过电话线进入音频配线架，配线架上所接配线模块接口有灼烧痕迹，其邻近线路因窜入的感应电流也受到影响。在对电缆竖井整改后问题得到改善。

3 光缆的防雷技术

对于光缆的防雷要求，主要应考虑电磁感应、地电位升高等因素对光缆的金属器件所产生的电磁干扰、发热等问题。对架空地线复合光缆(OPGW)进入变电站后，在高压间隔通过接续盒换用全介质光缆进入变电站主控楼的通信机房时，容易出现接续盒锈腐、PVC管开裂等问题。门型架构光缆接续盒至通信机房段的导引光缆，通常沿电缆沟道敷设，因此要采用PVC管或硅管进行穿管保护，以防外力损坏以及鼠咬，同时保护管两端需封堵严密，具备防水和阻燃性能。

同时，OPGW进入变电站后应考虑与普通地线的匹配问题，连接尽量平滑。在遭受雷击后，雷电流会沿各种金属导体通路流入大地，由于金属体自身存在着电阻，雷电流流过它们时也会产生热量。这种热量可表示为W=Ri d t。式中，R为金属导体电阻，i为雷电流。从上式中可以看出，严重的热效应可能出现在雷电流通路有较高电阻处，特别是那些引流导体之间接触不良处，在这些地方较可能产生温度升高、金属熔化或熔体飞溅，对通信线路和设备造成影响［5］。

再例如:一次雷雨后某变电站光端机出现告警，经网管确认，其光端机Metro3000出现“R－LOS”告警，而对侧站点光端机 Metro3000发光正常，此光路采用1+1光路配置。由于主用光路未受影响，设备光路未发生倒换，将故障光路纤芯调整至其它纤芯后光端机告警消失，工作正常。通过0TDR测试定位故障点在对侧变电站电缆沟内，该OPGW光缆由门型架引下经穿管后由电缆沟进入通信机房，现场检查发现OPGW光缆在门型架底部进入电缆沟前约有20 cm长度的保护套管被烧损，光缆表面开裂，且有一定的变形。究其原因，其所在位置靠近接地网引出的地线与OPGW的架空地线连接处，由于两种地线不匹配，雷击时引起两种地线连接处节点温度升高，导致光缆损坏。