输电线路对市话通信系统影响的防护设计

熊万洲，向寒冰，鲁景星

( 1.中南电力设计院，湖北 武汉 430071；2.中国南方电网超高压输电公司，广东 广州 510620)

市话通信系统是由铜芯双绞线电缆连接的包括交换设备、接入网设备相关部分和总配线架、终端设备等组成。我国使用的设备材料、技术指标不断改进，已与国际接轨，通信行业根据ITU－T(国际电信联盟标准化部)标准，制定了相应的防护规范。在输电线路施工图设计中，评估处理对市话通信系统的危险影响，是通信防护设计的主要工作；应根据影响程度，通过技术经济比较，采取必要的防护措施。

由于各行业规范新老版本交叉重叠、表述方式及观点存在差异，使得各设计、运行单位认识不尽统一。在防护设计过程中，允许值确定范围在600～3600 V之间，选择防护措施方案也存在很大差别。为确保市话通信系统设备及人身安全、降低防护费用、便于工程协调，规范输电线路影响市话通信的防护设计是非常必要的。

1 市话通信系统的耐受性

1.1 终端保护设备的特性

为了防止过电压过电流的危险影响，市话通信系统终端设备安装有两级保护，第一级指用于转移进入设备的过强传播能量的措施及物理装置，第二级安装在设备内特别设计的保护装置。分别叙述如下：

(1)总配线架

总配线架为外线侧连接铜芯双绞线市话通信电缆，内线侧连接电信交换或接入设备的用户电路，可通过跳线进行线号分配接续，且具有过电压过电流防护、告警功能及测试端口的配线架；保安单元为防止局内设备和操作者人身遭受过电压过电流危害的第一级保护装置，见图1。

图1 总配线架保安单元

总配线架的电力线感应试验，其a+b对地最大试验交流电压Uac(有效植)需达到式(1)要求：

MDF保安单元耐电力线感应能力I(有效植)，明确要求达到式(2)要求(适于陶瓷气体放电管)：

(2)交换设备

交换设备内设第二级保护装置，其a+b对地最大试验交流电压Uac(有效植)需达到式(3)要求：

(3)接入网设备

接入网设备的第一级保护装置，其a+b对地最大试验交流电压Uac(有效植)需达到式(4)要求：

(4)终端设备

终端设备内设第二级保护装置，其a+b对地最大试验交流电压Uac(有效植)需达到式(5)要求：

从式(1)至(5)看出，市话通信系统终端的两级保护，都采用了600 V交流试验电压，只是试验持续时间有差异。

1.2 市话通信电缆的绝缘特性

市话通信系统中，几乎全部采铜芯聚烯烃绝缘挡潮层聚烯烃护套市内通信电缆(HYA系列)，HYA系列电缆结构见图2。

图2 HYA系列电缆结构

HYA系列电缆导体与屏蔽绝缘电气强度，直流试验电压Ud需达到式(6)、(7)要求：

或

2 确定危险影响允许值

输电线路对市话通信系统危险影响的允许值，取决于市话通信系统对过电压过电流的耐受性。

2.1 考虑终端设备安全

通信行业标准明确规定，对已建通信局(站)、接入网点，强电综合危险影响允许值为300 V；新建通信局(站)、接入网点，强电综合危险影响允许值为600 V。这是根据过电压和过电流耐受性测试标准确定的允许值，从式(1)至(5)可知，市话通信系统的两级保护都采用了600 V交流试验电压，只是试验持续时间有差异，其中第二级保护交流试验电压已经达到了600 V·0.2s·5次。

市话通信系统终端保护设备分为两级，第一级保护是将过电压过电流降到第二级保护所承受的范围内。可见第一级保护的耐受性比第二级保护要高的多，所以采用600 V作为允许值是偏保守的，有没考虑输电线故障持续时间的变化。

典型情况下，感应电压允许值随输电线故障持续时间不同而变化的电压允许值见表1。

电力行业标准[4]也采用了表1随故障持续时间不同而变化的册码允许值，这一规定显然比通信行业标准要宽松。

2.2 考虑市话电缆安全

在输电线路故障状态下，电信电缆芯线上的磁感应电压(电动势)E应符合式(8)规定，这一规定最早来源于国际电话电报咨询委员会(Consultati Ve Committee on International Telephone and Telegraph，CCITT)导则的建议。

根据式(6)～(8)可得：

E=3 6 0 0 V·3 s或

2.3 考虑人身安全

国家标准规定人身安全电压允许值，高可靠输电线路为650 V；其它输电线路为430 V 。文献[4]、[11]称这两个规定值为基本电压允许值，考虑输电线路故障持续时间的安全电压允许值见表2。

表2 人身安全电压允许值

2.4 综合考虑允许值

本节从市话通信系统的终端设备安全、电缆线路安全、人身安全上述三个方面叙述了各自的允许值，明显有两个特点：

(1)允许值与输电线持续故障时间相关性较大；

(2)三个方面针对不同对象表述，允许值数据相差较大。

由于输电线持续故障时间t≤0.2 s，综合考虑这三个方面选取较低的值，即1030 V为输电线对市话通信系统危险影响的允许值。

3 影响程度

3.1 通信电缆范围

输电线对市话通信系统的影响来源于对HYA电缆的感应，中南电力设计院对2005年～2007年设计的500 kV以上的交直流输电线路工程间距2 km内的通信线路进行了调查统计，涉及的输电线路工程23个(路径走廊长度3150 km)、地区包含10个省市，统计通信线路889条，各长度范围内HYA电缆条数见表3。

表3 各长度范围内HYA电缆条数

表3表明，3 km以下的HYA电缆条数占97%，基本反映了当前高压输电线路路径走廊对沿线通信线路影响的普遍情况。

3.2 纵电动势计算

采用文献[4]、[11]的计算方法，取输电线故障影响电流IS=10 kA、大地导电率σ=5×10－3(s/m)，输电线与HYA电缆不同相对关系的感应纵电动势计算结果见图3。

图3 感应纵电动势计算结果

由表3、图3可知，2 km以下的HYA电缆条数占85%以上，当接近间距为500 m时，其感应纵电动势小于2000 V，并不严重。

4 防护设计方案

4.1 传统方案与改进

输电线故障时，瞬时短路电流会在邻近的市话通信系统产生感应电压。对于HYA市话电缆的防护，目前采取的主要防护措施是在电缆两端加装电缆保安器，这种设计主要基于几点：①考虑了长距离平行接近情况，感应电动势可能极高；②两端的电缆保安器动作时，将输电线感应能量完全泄流；③忽略市话通信端局(交换设备、接入网设备、总配线架、终端设备)自身的第一级、第二级防护能力；④由于电缆保安器容量足够大，一般不验算每个放电管的耐流能力；⑤末端通信电缆保安器与第一级防保安单元内置放电管处于并联状态，功能重复设置。

市话通信技术逐步与国际接轨，端局的第一级防保安单元指标不断改进，泄流器件经历了炭精块、陶瓷气体放电管、半导体放电管、集成电路单元的逐步换代，保安性能大幅提升；由于接入网设备的批量建设，使得HYA型市话通信电缆的延伸长度大幅降低，85%在3 km以内，还有继续缩短的趋势，使其受电力线影响程度也大幅降低。

根据上述特点，提出取消末端电缆保安器，其防护功能由市话通信端局自身的第一级防护承担。防护改进设计方案见图4。

图4 防护改进设计方案

4.2 放电管负荷电流的验算

图4保安器放电管动作时，回路中的总电流如式(10)：

式中：In为电缆保安器动作时，回路中的总电流(A)；E为HYA电缆上产生的感应电动势( V)；Zn为HYA电缆线束阻抗(Ω/km)；lp为HYA电缆长度(km)；Rb为电缆保安器始端接地电阻(Ω)；Rq为通信机房接地电阻(Ω)。

那么每个保安器放电管中的工频电流如式(11)：

式中：I为每个放电管中的工频电流(A)；n为HYA电缆导线根数(如100对电缆，n=2×100)。

(1)与感应电动势、电缆长度的关系

选择芯线直径为0.4 mm、对数为100(工程中使用最为广泛)、Zn=1Ω/km，保守取Re+Rq为10Ω，按式(11) 计算各种工况下每个放电器负荷电流见图5。

图5 各种工况放电器的负荷电流

图5计算结果表明，长度为500 m的电缆，当感应电动势为6000 V时(这是极其少见严重的情况)，每个放电器通过的电流小于3 A；

(2)与电缆芯线对数、直径的关系

不同HYA电缆芯线对数、芯线直径情况下，每个放电器负荷电流按式(11)计算结果(取工程中常见的lp=1.5 km，E=1500 V)见表4。

表4 不同电缆型号每个放电器的电流/A

表4计算结果显示，每个放电器通过的电流与电缆芯线对数、直径的相关性很大。芯线直径为0.4 mm任何对数的电缆，每个放电器通过的电流小于5 A。

4.3 改进设计方案的可行性

通过上述针对HYA电缆不同芯线对数、芯线直径、接近长度以及受影响程度的计算，绝大多数情况下，每个放电器通过的电流满足式(2)之容量，改进设计方案的可行的。

从1999年开始，市话通信系统MDF保安单元中的气体放电管逐步被固体半导体放电管所代替，半导体固体放电管比较陶瓷气体放电管具备体积小、稳定性好、残压低、响应速度快、发热量低等优点，其中最小体积为φ4 mm×2 mm的固体半导体放电管，已能承担10 A的工频电流。

5 防护设计规范化

(1)输电线路对市话通信系统的危险影响电压(或纵电动势)允许值，采用1030 V。

(2)当危险影响超过允许值时，只需在电缆始端(一般在交接箱或分线盒)加装电缆保安器。

(3)极少数情况下(如电缆芯线直径大于0.5 mm、芯线对数小于10、或严重超过允许值)，应验算通过每放电器的电流，或采用固体半导体放电管器提高容量。

[1]YD/T695—2004，市话通信系统过电压过电流防护原则及技术要求[S]．

[2]ITU－T，Recommendation K.11-2009. Principles of protection against overvoltages and overcurrents[S]．

[3]ITU－ T，Recommendation K.44-2008.Resistibility tests for telecommunication equipment exposed to overvoltages and overccurrents-Basic recommendation[S]．

[4]DL/T5033－2006，输电线路对电信线路危险和干扰影响防护设计规程[S]．

[5]YD/T694－2004，总配线架[S]．

[6]YD/T1082－2000，接入网设备过电压过电流防护及基本环境适应性技术条件[S]．

[7]GB/T13849．1－1993，聚烯烃绝缘聚烯烃护套市内通信电缆 第1部分一般规定[S]．

[8]YD/T322－1996，铜芯聚烯烃绝缘铝塑综合护套市内通信电缆[S]．

[9]ITU－T K．53(2000)．确定电信运营者与交流电力及铁道运营者责任时用的电信装置上的感应电压值[S]．

[10]GB 6830－86．电信线路遭受强电线路危险影响的容许值[S]．

[11]ITU－ T，Directives concerning the protection of telecommunication line against harmful effects from electric power and electrified ralway line[S]．

[12]谢星，熊万洲，胡守松．高压直流输电线路对通信线路影响的调查分析 [C]//输变电设施电磁环境学术会议论文集(’ 11 EMI)．厦门: 中国电机工程学会电磁干扰专业委员会城市电磁环境学组,2011:123－ 127．

[13]李冬根．MDF保安单元的技术发展轨迹[J]．电信技术 , 2004，(03)．

[14]郭世忠．通信线路强电防护MDF保安单元新方案[J]．电信技术，2005，(09)．

[15]谢永东．MDF保安单元原理及其应用[J]．长沙通信职业技术学院学报，2004，3(01) ．