ZT：高速公路光缆如何防雷击

大胡子

高速公路光缆如何防雷击
作者： 林雪华

　　近年，高速公路机电工程中的电子设备和通信电缆等遭雷击现象时有发生，已经引起有关部门的重视和采取相应的措施防范。但是高速公路机电工程中使用的光缆和光传输设备的防雷，尚未得到足够的认识而加以防范。

　　不少人认为，光纤是非金属材料制成，其传输的是光信号，不是电信号，不受电磁干扰，亦不会受到雷电的袭击。一般说来，就光纤本身而言，是可以不考虑雷电灾害和强电影响，但是，作为通信线路使用的实际媒质--光缆，考虑到其在通信管道、直埋乃至架空等的施工方式，要经受各种的拉伸、冲击、挤压、弯曲、扭转和高低温的影响和各种环境下的应用，因此，在制造光缆时，就要增加金属铠装或钢丝加强芯线等工艺，形成适应各种环境下使用的多种光缆。

　　实践证明：雷电也会对光缆造成破坏。据报道某电信局架空光缆09+1号接头内的3号光缆被雷电流熔断，4号光缆有长约2CM涂覆层被烧光，玻璃纤维裸露，其光纤被烟熏黑，密封胶膏溶化，接头盒两端固定加强芯螺栓处有明显的电弧灼痕迹。究其原因，光缆被雷电破坏主要有两种：一是雷电直接对光缆的金属铠装护层（或光缆的金 属芯线）发生作用，从而造成光缆损坏，此种情况多见于光缆架空场合；二是雷电袭击光缆附近的金属件，即雷电对地放电，造成雷电峰值电流在光缆周围大地流过，致使土中产生巨大的热能，并形成一股巨大的冲击力，使光缆变形造成损坏，此种情况多见于埋地光缆场合。

　　随着通信技术的发展，高速公路机电工程中，将越来越多地使用光缆代替金属线缆，特别是高速公路的通信干线线缆被光缆替代是必然趋势。因此，在高速公路机电工程中，光缆的防雷电袭击不可掉以轻心，也须引起足够的重视，采取必要的防护措施。一般来说，在高速公路机电工程中使用的普通金属线缆的防雷电措施，也都适用于光缆。但是，对于具体场合的应用，还应该注意光缆自身的特点，采取相应措施方能达到事半功倍的效果。

　　按雷电环境选光缆

　　对于雷电多发地区的通信线路，应注意选择具有高强度绝缘介质的、防雷特性较好的光缆。一般线缆绝缘强度达到20KV以上时，才能保持5S不被雷电击穿而损坏。又如多层金属护套结构的光缆，其防雷疏流能力明显优于普通光缆，承受雷击峰值电流可达100KA以上。在雷击特别严重的路由，也可选用无金属的光缆，它的加强芯是高强度的尼龙线，能防雷电，但是此类光缆抗拉防潮和防虫咬性能不理想，所以没有得到广泛使用。

　　金属护套接地

　　将直埋光缆的金属护套在接头处集中接地，使金属护套连通并形成多点重复接地的模式，有助于防雷击。一般光缆每2KM左右作一次接地，接地电阻应在10欧姆以下。另外，在每段光缆的终端，还应将光缆的金属护套直接或通过避雷器接地。

　　多雷区应设避雷针天线

　　对于雷击多发地区（雷暴区）适合此法。一般说来，当避雷针天线高度为H时，其保护范围的半径为3~5H，其避雷针天线防雷原理与普通防雷相同，但要注意避雷针天线的接地点应距离直埋光缆20M左右，以免雷电入地泄放时危及光缆。

　　在直埋光缆上方敷设屏蔽线

　　直埋光缆应尽量避开杆塔和孤立的大树，实在避不开时，可采取在光缆上方30CM左右敷设屏蔽线（排流线），布放一条或多条6~8MM的镀锌钢线或镀锌钢条。在采取两条排流线时，一般放在光缆上方的两侧。排流线的作用是降低地电位，屏蔽以减弱光缆附近的感应电动势，达到分流目的，以减少雷电流对光缆的侵害。

　　架空光缆的吊线绝缘和接地

　　在架空光缆的使用场合，光缆悬挂钢绞线下，由于钢绞线与光缆相距很近，且经挂钩与光缆接触，因此钢绞线遭雷击时，也会因放电而烧毁光缆，因而要注意光缆与吊线间采用绝缘线绑缚。且要将吊线作接地处理。两端接地或多点（间隔）接地的吊线具有架空地线的磁屏蔽作用，能减轻光缆遭雷击的可能性和损坏程度。

　　光缆金属加强芯的电气断开

　　依照YDJ-91规定，现使用光缆线路的金属加强芯一般采用电气断开方式，即在光缆施工过程中防止加强芯与其他金属构件搭碰，避免雷电对加强芯线的放电而损坏光缆。从彼德逊规则可知，雷电波对终端开路的不均匀点发生作用时，其折射波电压比入射波电压要高2倍，击穿耐压不高的绝缘。因此，还应注意选用绝缘强度高和承受机械压力大的光缆

大胡子

高速公路机电设备的多级防雷体系
作者：肖振鹏

　　编者按：由于高速公路机电系统造价较高，所建位置易遭雷击，再加上灯杆等高处物体容易引雷，对机电系统破坏很大，经济损失严重。因此，加大对多雷地区防雷的经济投入尤为重要。为保证人身及设备安全，本文作者提出了采用多级防雷体系的具体措施及建议，共同行交流与参考。

　　据调查，高速公路机电设施在运营时，常受到不同程度的雷击破坏，严重影响机电设施正常运行，建设一个良好的防雷系统十分重要。

雷电对机电设备造成的影响

　　研究表明，雷电对机电设备造成的影响主要有以下几方面：

　　1、直击雷：巨大的电流，瞬间使地电位升高，巨大的电位差对设备造成损坏;雷电由室外电源线和通信链路传至电气设备。

　　2、感应雷：雷电流产生强大的电磁波，可使电源线、信号线感应极高的脉冲电压，雷电流在流经电气设备时产生高热，对设备造成破坏。

机电设备通常采用的防雷手段

　　针对上述雷电的破坏形式，机电设备通常采用的防雷手段，主要有分流、接地、屏蔽、等电位连接和过电压保护等五种方法，下面简要介绍这几种防雷方法：

　　1、分流。利用避雷针、网、带等将雷电流沿引下线接入大地。

　　2、屏蔽。通信电缆、电力电缆线等均采用屏蔽线或空金属管屏蔽，机房中采用金属材料进行屏蔽。

　　3、等电位连接，将机房中所有金属物体，包括电缆屏蔽层、金属管道、金属门窗、设备外壳进行电气连接。

　　4、接地。为保证机电设施稳定可靠工作，保护设备和人身安全，需建一个良好接地系统。

　　5、过电压保护，在电子设备的信号线、电源线上安装相应的过电压保护器，利用非线性原理，将线路上过高脉冲电压滤掉，保护设备不被过电压破坏。单一的防雷已不能很好地对设备进行保护，多级防雷已被普遍采用。

机电设备的多级防雷

　　多级防护理论就是综合以上几种防雷方法，根据不同自然环境，不同设施的抗雷击性及各机电设施的布设功能，工作原理所采用的不同级别的防护，可以达到一个良好的整体防雷效果。

　　根据电磁脉冲的防护标准，机电设备的多级防雷保护一般分四级防护：

　　A区：直击雷作用区，此处雷电磁场最强，破坏最大

　　B区：感应雷区，处于避雷系统保护内，但未经空间电磁屏蔽，处于此空间的可导电体均可感应较强雷电流。

　　C区：建筑物屏蔽区：本区内物体不可能遭受直击雷，流经各导体的雷电流也减少，但对敏感器件仍有破坏作用。

　　D区：处于屏蔽机房内，本身采用屏蔽措施，安装相应过电压保护器，减少了空间电磁干扰。

　　以某收费站采用的多级防护为例：

　　首先，在建筑物外围埋设环形地网，同时地网与建筑物梁、柱内钢柱相连，在建筑物顶外围建设环线地网，且与建筑物地下地网相连，且与避雷针或消雷针相连，形成外围防雷体系。

　　其次，在建筑物配电箱前安装电源防雷器，接在进入大楼的电力电缆末端，可对整个大楼的用电设备进行有效保护。

　　再次，对建筑物内电气设备采用C级防雷器，针对建筑物内机电设备分散的特点，可在各楼层的配电箱处安装电源防雷器，对楼内用电设备进行保护，如采用发电机供电，则在发电机组全自动控制屏上安装电源防雷器，保护控制屏的市电监测电路。

　　最后，对于建筑物内对电压要求较高，较重要的设备前端如UPS输出端可安装精密电源防雷器，作最后一级防护。机电设备防雷采用多级防护，并严格遵守各项技术标准，符合防雷规范，可以达到一个良好的防雷效果。

高速公路机电设备防雷的几点建议

　　1、尽可能减低接地电阻。随着时间的推移，接地电阻会逐年增加，防雷效果会逐年减低。

　　2、在变压器高低压侧都应安装避雷器，且变压器高低压侧避雷器及变压器中性点层三点共地。

　　3、引入机房的电力线应用屏蔽电缆或穿铁管，埋地15米以上并埋深0.6米以上进机房，屏蔽屏或铁管两端应接地。

　　4、低压配电屏及直流系统应接相应的保护装置。

　　5、地网应采用共地式，即工作地、保护地接在同一地网。

有关防雷技术的理论依据

　　以下为有关防雷技术的理论依据，建议参考；

　　建筑物防雷规范（GB50057-94）

　　计算机房防雷设计规范（GB50174-93）

　　电子设备雷击保护导则（GB7450-87）

　　计算站场安全要求（GB9361-88）

　　工作与民用电力装置的过电压保护设计规范（GB64-83）

　　电信专用房屋设计规范（YD5003-94）

　　移动通信基站防雷与接地设计规范（YD5068-98）

　　计算机信息系统防雷保安器（GA173-1998）

　　雷电电磁脉冲的防护（ICC1312）

　　过电压保护器（VDE0675）

大胡子

高速公路紧急电话遭雷击分析与防雷建议
作者：林雪华

编者按

　　高速公路路侧紧急电话分机遭雷击的现象时有发生，但是如果我们能够根据分机所在位置的地形地貌、故障现象、损坏器件等进行仔细分析，从中找出规律，然后有的放矢有针对性地采取措施，使分机在雷击时得到有效的保护，那么就能在一定程度上降低雷击对紧急电话系统的影响，将雷电对设备侵害所造成的损失减至最低。

　　2002年3月29日晚，福泉高速公路上空电闪雷鸣、风雨交加，23:30福泉高速公路话务员例行紧急电话系统自动巡检，发现号码为A261（B261）、A263（B263）、A265 (B265)、A267（B267）、A269（B269）顺序排列的5对电话分机故障 [注：A表示福州往泉州方向车道，B表示泉州往福州方向车道，数字表示国道同三线（闽）里程桩号] ，并发现A259电话呼叫接通后一通话就断线，B259电话能正常通话。3月30日，技术员赶到现场，查找故障原因，发现A259电话有被雷击的迹象，A261电话与其副机（B261）严重被雷击坏。
　　据此可以断定此次紧急电话系统设备故障是遭雷击引起。雷击发生在国道同三线福泉高速公路261公里处紧急电话主机A261、副机B261内，由于这5对电话分机是由紧急电话系统控制中心同一远供电源供电， B261电话内的电源保护器件被雷电击穿造成短路，下拉了远供电源电压，从而导致其后续的4对电话分机因供电电压不足产生故障。
　　这也是紧急电话系统集中供电方式不可避免的弊病。
　　紧急电话系统方框图见图1。

　　经认真检查，雷击造成电话副机B261机芯、防雷电路板和电缆接线、电话主机A261内的机芯、路板大部分电子器件与印刷线路损坏，具体损坏情况如下：
一、电话副机机芯
　　①机箱上固定机芯印刷电路板的四个螺栓（这些螺栓与印刷电路板工作地接触）中，三个螺栓有明显的电弧灼伤痕迹；
　　②喇叭线圈烧爆，喇叭纸盆熏黑；
　　③印刷电路板上与喇叭连接的线路烧毁；
　　④起保护5V工作电压作用的瞬态二极管（1.5KE6.8A）被强大的雷电流击穿短路；
　　⑤驻极体话筒及其后级音频放大器（集成块MC34119）器件损坏；
　　⑥印刷电路板上非大面积的工作地（与大地连接）线路均被烧毁，可见泄放电流之大。

二、电缆接线板（在主机电话亭内）
　　①主机连至副机的横穿电缆，接线板上与副机SK、Vcc、SPK1、SPK2、SMIC2这5芯线连接的印刷线路严重毁坏，与副机SMIC1芯线连接的印刷线路轻微破损 [注：SK（副机呼叫按键）、Vcc（副机5V工作电压正极）、SPK1（副机喇叭接点1）、SPK2（副机喇叭接点2）、SMIC2（副机话音输出负极，与工作地连接），SMIC1（副机话音输出正极）] ；
　　②与UP（上行，即路侧分机至控制中心）通道一对电缆（平衡输出）连接的印刷线路，一条印刷线路严重毁坏，另一条印刷线路轻微破损；
　　③与DOWN（下行，即控制中心至路侧分机）通道一对电缆（平衡输入）连接的印刷线路，一条印刷线路烧毁，另一条印刷线路轻微破损；
　　④印刷电路板上非大面积的工作地（与大地连接）线路被烧毁；
　　⑤印刷电路板有很浓的烧焦气味；
　　⑥电缆接线箱被烟熏黑，可见通过电缆感应的雷电波之大。

三、电话主机机芯
　　①与副机喇叭相连的下行话音电路，音频放大器N7、N8（MC34119）和自恢复保险丝RC2（300mA）爆裂损坏；
　　②与副机喇叭相连的下行指令电路，运算放大器N2（LM324N）和滤波器N3（MAX275ACPP）损坏；
　　③与副机话音放大器相连的上行话音电路，电话集成电路N4（MC33219AP）、滤波器N9（MAX293）和音频放大器N10（MC34119P）损坏；
　　④控制电路中CPU芯片D4（MC68HC705C8A）、上电复位电路D7（MC34164P5）、反相器D1（HD74HC04N）、计数器D2（HD74HC393N）、计数器D5、D6（HD74LS161AP）损坏，可见雷电对机电系统外场设备危害之严重。
四、防雷板（在主机电话亭内）
　　①与副机（SPK1、Vcc、SK）连接的印刷线路被烧毁；
　　②印刷电路板上非大面积的工作地（与大地连接）线路被烧毁。

　　现有的高速公路紧急电话系统，紧急电话分机的机箱保护接地、防雷接地和工作接地，基本上一起接到紧急电话平台接地点上，福州段高速公路紧急电话系统也不例外，其防雷板、电话主机、电话副机与系统的连接如图2。

　　按照交通部高速公路施工设计规范要求，高速公路紧急电话平台接地电阻＜10Ω。从2002年2月该紧急电话平台接地电阻的测试数据得知：电话B261接地电阻7.3欧姆，电话A261接地电阻4.6欧姆，都小于10欧姆，基本符合要求。从雷害事故地点附近的地形来看，这两部电话周围是比较平坦宽阔低洼的田野，紧急电话分机立于高速公路路侧，位置突出，极易遭雷击。
　　从系统受雷击迹象及损坏器件分析，应是电话副机B261首先受到了雷的侵害，理由是：
　　第一，从系统受雷击迹象看，雷电波是从副机机箱安装喇叭、驻极体话筒的条形开口处感应到紧急电话系统中。雷电波首先危害位于电话机箱高处的喇叭，因喇叭是平衡接入系统，没有强电流直接泄放通路，喇叭线圈经不起强电流的冲击，发热膨胀然后爆裂，喇叭纸盆熏黑；强电流还烧毁与喇叭连接的印刷线路，并通过横穿电缆进一步危害前端电路--对主机机芯起保护作用的自恢复保险丝和音频放大器，导致这两个器件爆裂。
　　第二，从电路分析得知，副机驻极体话筒是不平衡接入系统，其工作地与系统保护地（大地）连在一起，驻极体话筒遭雷击后，感应电流通过驻极体话筒迅速向地泄放，电弧灼伤了固定机芯印刷电路板的螺栓，感应电流除烧毁驻极体话筒以及与其连接的印刷线路外，还侵入其后续的话音放大电路。正是由于电流的泄放，导致地电位升高，5V电源保护器件（瞬态二极管）发挥作用（限压6.8V），但其经受不住强电流长时间的泄放而被击穿短路，因此下拉了远供电压，影响了远供电压向其后续几对电话供电。
　　第三，从电缆接线板损坏的情况看，正是由于副机首先遭到雷击（其机内没有装置全方位的防雷保护器件），导致雷电波通过横穿电缆直接串入主机电缆接线板电路。从图2可以看出，来自副机的雷电波除了直接危害与副机连接的电缆接线板印刷线路外，还危害了与其直接相连的主机机芯板。
　　第四，从防雷板的损坏部位看，来自副机的雷电波经主机防雷板对地泄放，因来不及泄放强大电流导致部分印刷线路烧毁；同时雷电波直接串入电话主机机芯板，主机机芯板上的电子器件多为集成电路，功耗小，极易损坏，此次雷击共造成主机机芯板上14只集成电路损坏。

　　从上述分析可以看出，紧急电话系统防雷措施还有很多不足之处，主要体现在：一，副机防雷措施考虑不周。仅考虑5V电源防护是不够的，还应考虑暴露器件（喇叭、麦克风）和横穿线缆的防雷保护；二，紧急电话分机保护地与系统工作地连在一起是否稳妥值得探讨。一般紧急电话分机不单独设防雷保护地，多与分机平台的保护地共用，一般接地电阻较大，而紧急电话平台接地电阻的设计仅考虑防止电话机箱（金属外壳）带电伤人，因此如果将紧急电话系统分机的工作地与平台的保护地连接在一起，一旦有感应电流向地泄放，容易形成电位差，势必将雷电波引入系统，危害设备；三，横穿电缆接入工艺尚需改进。由图2可以看出，横穿电缆直接通过电缆接线板与系统主机连接，容易将缆线上感应的雷电波直接引入系统。
　　针对系统防雷措施上存在的以上不足，笔者认为应从如下三点加以整改：
　　一，电话无论主副机，其暴露器件（喇叭、话筒）均应在其接入系统点加装泄放电流保护器件（如瞬态二极管），或将暴露器件与机箱（壳）绝缘隔离；
　　二，将紧急电话平台保护地、系统防雷保护地与紧急电话分机工作地分开，采用独立的大地作为泄放雷电流的保护地。考虑到实际操作中三地分开有一定的难度，可实际采用联合地的接地模式，建议按照联合接地规范，其接地电阻应小于1Ω；
　　三，电话副机应先经过保护器件（如气体放电管）隔离之后，再由横穿电缆接入系统，阻断雷电通过副机和横穿电缆危害系统设备（这一点应引起紧急电话系统设计单位的重视，因为他们往往仅考虑主干电缆的防护）。

ASP

顶懒

居然把转贴省成 ZT ???

下次还是用“转贴”吧

害我想了半天 ：（

webfair

呵呵，转的够快的！

通天雷神

那是当然。胡子总是胡子啊。：）