論有線電視傳輸系統的防雷設計

摘 要:本文介紹了有線電視傳輸系統(以光纜傳輸為主)的防雷方案設計。文章介紹了雷電對人類生活的危害和有線電視傳輸系統的組成，根據雷電的形成過程和雷擊大地時雷電流的分布規律，分析了光纜遭遇雷擊的原因，提出了避開雷區、雷點，阻止光纜誘導雷電，引接雷電入地的光纜防雷設計思路，介紹了光纜的防雷設計與安裝的方法、架空和埋地光纜防雷措施的不同之處，討論了架空和埋地光纜的幾種防雷接地方法，提出其優缺點，總結出有線電視傳輸系統的防雷措施。

關鍵詞:雷電 光纜 架空 埋地 避雷線 接地 避雷器

中圖分類號:TN913文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)04(b)-0019-03

1 引言

每年春夏季，由于雷雨較多，氣候異常，是有線電視系統發生故障的高峰季節。雷電對有線電視系統的危害十分強烈，所以防雷、避雷與接地問題，就成了有線電視維護人員征服自然，減少災害損失的一個重要課題。

1.1 雷電產生原理

雷電是發生在雷雨云中的電學現象，并且，也只有雷雨云才可能造成雷電。因此，雷雨云的存在就成了雷電發生的先決條件。在大多數情況下，雷雨云在產生雷電的同時，還伴隨著降水，雷雨云在氣象學里叫積雨云。只有發展成熟并伸展得很高的積雨云才有雷電現象出現。積雨云是空氣強對流的產物。由于地面吸收太陽輻射的升溫遠高于大氣層，所以白天地面溫度升高較多，夏日這種升溫更為明顯，所以近地面氣層由于熱傳導和熱輻射的作用，溫度也隨之升高。氣體升溫必然膨脹，密度減小，壓強也隨著降低，根據動力學原理大氣就產生上升運動，而對流層上部的氣層相對說來密度較大，就產生下沉運動，這就是所謂對流。熱氣流在上升過程中膨脹降壓，與高空低溫下沉氣流進行熱交換，于是上升氣流中的水汽逐漸凝結而形成云。在強對流過程中，云中的霧滴進一步降溫，變成過冷卻水滴、冰晶，并隨高度逐漸增多，在凍結高度(-10℃)，由于過冷水滴大量凍結，從而釋放潛熱，使云頂向上發展，達到對流層頂(大約10km)附近后，向水平方向展開，形成云砧，這是積雨云的顯著特征，積雨云發展到鼎盛時期，氣象學上稱之為禿積雨云。

積雨云形成過程中，在大氣電場、溫差起電效應、破碎起電效應的共同作用下，正負電荷分別在云的不同部位積聚。當電荷積聚到一定程度時，就會在云與云之間或云與地之間發生放電現象，即雷電。

1.2 雷電危害

雷電，是伴有閃電和雷鳴的一種雄偉壯觀而又有點令人生畏的自然現象。雷電災害是“聯合國國際減災十年”公布的最嚴重的10種自然災害之一。全世界平均每分鐘發生雷暴2000次，每年因雷擊造成的人員傷亡超過1萬人，導致火災、爆炸、信息系統癱瘓等事故頻繁發生.每年因雷擊造成的直接經濟損失達20億美元以上。德國每平方公里土地上每年平均出現5次閃電。德國每年遭雷擊身亡的人數雖然不多，但對登山旅游者和室外游泳者來說，雷電是一個嚴重的威脅，人被雷電擊中的死亡率高達40%。

雷電一般產生于對流發展旺盛的積雨云中，因此常伴有強烈的陣風和暴雨，有時還伴有冰雹和龍卷。一個中等強度雷暴的功率可達1000萬W，相當于一座小型核電站的輸出功率。放電過程中，由于溫度驟增，使空氣體積急劇膨脹，從而產生沖擊波，導致強烈的雷鳴。由此可見雷電能量巨大，所帶來的災害損失不可估量，雷電防護在日常生活、工作中的重要性和必要性。

2 有線電視傳輸系統

干線傳輸系統是有線電視系統的重要子系統，它位于前端和分配系統之間，其作用是將前端系統輸出的各種信號不失真地穩定地傳輸給分配系統。干線傳輸系統由傳輸媒介組成，目前常見的傳輸媒介有:同軸電纜，微波，光纜以及多種混合型。

2.1 同軸電纜傳輸系統

干線放大器、同軸電纜是構成同軸電纜傳輸系統的主要設備和器材，它們質量的優劣將直接影響到傳輸信號的質量和穩定性。因此，在傳輸系統中一定要選用技術性能好、品質優良的設備和器材。同軸電纜的型號、長度及干線放大器的型號、臺數，則與系統規模、傳輸頻道及帶寬等因素有關，需要進行合理設計。

同軸電纜的主要技術指標如下:特性阻抗、衰減常數、溫度系數、回路電阻、屏蔽特性和最小彎曲半徑等。

2.2 光纜傳輸系統

隨著有線電視系統在我國及世界上的迅速發展，系統規模越來越大，前面兩種傳輸媒介已不能滿足有線電視的要求了，制約了有線電視系統的發展，在這種情況下光纖的應用就成了必然，從各種參數來看光纖無疑是一種理想的傳輸媒介。

目前所有的光纜有線電視系統都是光纜與電纜的混合網絡，稱為HFC網(HFC，Hybrid Fiber Cable)。這里主要介紹的是AM-IM/FDM方式的HFC網，即調幅光纖光纜混合網。

HFC網絡的構成:

HFC網絡的構成隨著光纜的使用比例、網絡的結構多樣化等因素變化。目前，在國內的HFC網中，前端到光節點之間采用光纜傳輸，在光節點和用戶之間再用同軸電纜分配入戶。一般包括光接收機、上行光發射機、多個橋接放大器、網絡監控的設備叫做光節點，它實際上是光-電、電-光的轉換點，它具有雙向傳輸功能，與前端的光端機構成光纖雙向鏈路，光節點和用戶之間的分配網仍用同軸電纜樹枝型及星型結構。HFC網絡構成示意圖如（圖1)所示。

光纜傳輸系統的主要設備

對光纜傳輸不可缺少的是沿著光纖進行從光到電、從電到光的信號形態變換的技術，以及相應的設備，這些設備、器材主要有光纖(光纜)、光發射機、光發射機、光放大器、光耦合器、光接收機等。

3 有線電視傳輸系統防雷設計

隨著人類社會實踐的不斷深入，人們發現雷電的破壞性不僅僅表現在易被感受到的直接雷擊，還有感應雷擊、雷電波入侵及地電位反擊;而雷電對某一對象的破壞渠道也包括空間通道、電源通道、信號和天饋通道、地電位反擊通道等;人類社會發展至今防雷技術水平還局限于任何單一的防雷器件都無法保證某一特定空間所有保護對象的成功保護，要科學、經濟、可靠地保護電子設備，只有采用現代綜合防雷技術。

3.1 情況簡介

(1)由于現今及將來電視傳輸系統采用的是以光纜傳輸為主，微波和同軸電纜傳輸為輔的方式，綜合考慮，雷電防護的重點是光纜傳輸方式。

(2)無論是光纜傳輸還是同軸電纜傳輸都有兩種傳輸方式:架空和埋地。

(3)由于在傳輸路線中用了大量的電子器件，如:光纜上的光放大器、光耦合器，電纜上的干線放大器，橋接放大器等以及兩端的發射機和接收機。因此在防雷方案的設計中必須考慮這些元器件的防護。

3.2 設計說明

雷電是一個突發性、隨機性很強的事件，雷擊通道沒有一個固定模式，可通過靜電感應、電磁脈沖感應、地電位反擊等很多渠道進入，不但有直擊雷，還有雷電感應及雷電電磁脈沖感應，因此雷電防護是一個綜合性的系統的工程，應該遵循“綜合治理，整體防御，多重保護，層層設防”的方針，在雷電有可能進入的部位加以防護，通過屏蔽、等位、隔離、合理布線、正確接地、加裝電子避雷器和防直擊雷裝置等措施進行綜合防雷，是比較有效的防雷方法，這些措施聯合使用，互相配合，各行其責，密不可分，以達到減少雷擊造成的損失。

(1)雷電風險評估

QX3-2000風險評估 QX3-2000是氣象信息系統雷擊電磁脈沖防護規范，其中風險評估的適用范圍是由雷擊電磁脈沖(LEMP)對氣象信息系統造成損失的風險的評估。該標準中風險評估的中心是確定年平均直擊雷次數N和年平均允許雷擊次數。

1)建筑物年預計平均直擊雷擊次數應按式(a1)確定

(a1)

式中:N—— 建筑物預計雷擊次數，次/a

K—— 校正系數，在一般情況下取1，在下列情況下取相應的數值:位于曠野孤立的建筑物取2:金屬屋面的磚木結構建筑物取1.7;位于河邊、湖邊、山坡下或山地中土壤電阻率較小處、地下水露頭處、土山頂部、山谷風口等處的建筑物，以及特別潮濕的建筑物取1.5;

—— 建筑物所處地區雷擊大地的年平均密度，也稱為地面落雷密度，次/()

—— 與建筑物截收相同雷擊次數的等效面積，

電子信息系統雷電電磁脈沖防護等級的確定

2)雷電電磁脈沖防護等級應按下列公式計算:

E=1－Nc/N (b)

式中:E為防雷裝置(LPS)的攔截效率:

當E>0.98時 定為A級;

當0.90

當0.80

當E≤0.80時 定為D級。

根據(表1）公式計算確定出防護等級，按照相應等級做出防雷設計方案，以中雷區為例，本文按照C級大中型有線電視系統來設計。

(2)保護對象

1)同軸電纜傳輸系統

2)光纜傳輸系統

3.3 設計方案

(1)同軸電纜傳輸系統的防護:

電纜網的防雷要從兩個方面考慮:一是通過同軸電纜感應使設備受到雷擊;二是市電受雷擊時，異常高電壓產生的脈沖電流對設備造成損壞。電纜網防止這兩方面雷擊受損壞的措施是:

1)電纜的架設及供電方式

有線電視系統中的同軸電纜屏蔽網和架空支撐電纜用的鋼絞線應都有良好的接地，在每隔10個桿檔處設接地保護，可用1根(根據土壤電阻率可選擇多根)1.5 m長的50 mm×50 mm×5 mm的角鋼作為接地體打入地下，避雷線與支撐鋼絞線用鐵扎頭扎緊成為一體。這樣，整個網絡多點接地，組成接地網，線路受感應雷的機會相對較小。同時要科學選擇放大器的供電方式，盡可能采用集中供電方式。雷電最容易從電源線進入電子設備，由于有線電視的電子設備的耐受過電壓的能力比電力設備差得多，因此必須在進戶線上安裝避雷器，電源線在進入電子設備前可繞幾個圈以形成小電感，對50HZ電流沒有什么影響，對阻擋雷電波侵入設備卻有一定作用。在系統接地時，一定注意接地電阻的最小化，接地電阻大防雷效果就差，盡量的減小接地電阻、控制在8Ω以下為最好。

2)放大器及分支分配器的防雷

在放大器選用方面盡可能采用接頭兩端都有防雷器件的放大器，每個放大器箱應裝避雷地線，地線接地電阻應小于10Ω，使雷電產生的能量釋放地線上，對放大器起保護作用，使用市電的放大器，還要防止市電引入的感應雷損壞放大器，因此可采取在經常有雷擊的地區加裝電源防雷器，220V供電的放大器的電源端應有過壓保護裝置，目前市面上的放大器魚龍混雜，為了降低成本，甚至省去了防過壓措施， 220V供電的放大器電源端只有過流保護，而無過壓保護，在選用干線器材時，應把防過壓保護作為一個重要的前提條件來考慮。

(2)光纜傳輸系統的防護:

光纜良好的防護性能使它的防雷工作不像同軸電纜和明線電路那樣明顯，因而在光纜線路迅速發展的過程中，安全接地往往被誤解，甚至被遺忘。隨著光纜的大量采用，近幾年光纜線路遭雷擊的情況時有發生。光纜線路具有很大的通信容量，而且最容易受雷擊的是直埋線路，搶修較為困難，因此一旦發生障礙，將會造成巨大損失。

1)光纜遭遇雷擊的機理

雷電閃擊大地:

雷電是電荷積聚的云堆，它隨著大氣的環流變化而演進，直到離開地面一定高度時才確定雷電對地閃擊目標，閃擊的目標往往是有利于電荷迅速堆積的地貌，如礦藏區、高聳地形、古樹和鐵塔等。

雷電閃擊大地時，它具有尋找最小阻抗泄放雷云電荷的趨勢。當大地中有與大地接觸良好的金屬導線類物體存在時，如金屬構件接地良好的光纜，就相當于在高地電阻率地區存在著局部低電阻率的土壤帶，它能及時輸送雷云電荷至大地，以完成一次雷電活動;倘若該金屬類物質對地是絕緣的，如對地電氣浮空的光纜，則因絕緣的金屬導線與大地不能形成通路，而不能輸送雷云所帶的電荷至大地，不對雷電活動產生影響，因此對地接觸良好的光纜對雷電有很強的誘導作用。

雷電閃擊大地時，雷擊點的電位顯著升高，并隨著與雷擊點的距離的漸遠，其電位逐漸下降，形成所謂“電位漏斗”，如圖2所示。雷擊點的電位是最高的，若土壤的電阻率均勻，并且圍繞著雷擊點形成一個導電的半球，該導電半球體的電位為:

U0= (1)

式中為土壤電阻率(·m);I為雷電流(kA).E0為土壤臨界擊穿場強(kV/m)。

隨著與雷擊點的距離r的改變，地中各點的電位Ur為:

Ur= (2)

式中r為與雷擊點的距離(m)。隨著r的增大，地電位呈漏斗形急劇下降。

雷電閃擊光纜:

設位于電位漏斗區域內的光纜，其塑料外護套的耐壓為UD，當護套所在的地電位Ur≥UD，時便可能將外護套絕緣擊穿，根據式(2)，如Ur=UD，可得出導致擊穿發生的距離L為:

L=(3)

式中L為擊穿點至雷擊點的距離(m);UD為塑料外護套的耐壓(kV)。當土壤電阻率為500·M，外護套耐壓為200kV的光纜，在8m外的大地遭遇標準雷(20kV)雷擊時，外護套有可能被擊穿。

當光纜內的金屬構件接地，或光纜外護套損傷而接地，雷擊點與光纜間便出現極大的電位差，如果這一電位差超過了雷擊點與光纜間的土壤耐電壓，便擊穿土壤，形成從雷擊點至光纜的電弧通道。

雷擊點可能對光纜放電的距離R為:

R=K (4)

式中K為常數，隨著的變化而定。當I為20kA，P為500·m時，R=5.6m，即雷電可能對半徑5.6m內的外護套損傷接地的光纜產生放電破壞。當光纜中的金屬構件對大地處于浮空狀態時，光纜對雷電無誘導作用，即使光纜在雷擊大地所產生的“漏斗電位”區內，也不會發生電弧擊穿。

架空光纜遭遇雷擊的機理與埋地光纜遭遇雷擊的機理相同，只不過前者所處的環境介質是空氣，后者的環境介質是土壤。由于光纜對地電阻遠大于電桿避雷線的對地電阻，因此雷電發生時，雷電直奔電桿放電。

雷電是一個非周期性、非對稱性的脈沖波，它有極大峰值，陡峭的上升沿和下降沿，因而雷電對大地閃擊時瞬間能釋放出巨大的能量。光纜遭遇雷擊通常有兩種情況:雷電直擊光纜和雷電閃擊點附近大地物體對光纜發生放電。光纜會承受以下兩種破壞性的機械損害:雷擊點與光纜間的電弧和雷電流通過光纜金屬構件進入大地而形成的雷擊熱效應;雷電在入地通道中產生的高溫，使大地中的水分和一些物質汽化，瞬間發出氣流，產生的強沖擊力即汽錘效應。

2)雷電閃擊光纜的規律

根據光纜遭遇雷擊的機理和大量的統計資料證明，光纜遭遇雷擊有以下規律:

(1)光纜內金屬構件對地絕緣較低的光纜容易遭受雷擊(參見式(3))。

(2)土壤電阻率普遍比較大，個別土壤電阻率小的地方容易形成入地雷電通路，在路由上土壤電阻率突變的地區較易遭受雷擊。

(3)光纜線路附近大樹和電桿多的地方，光纜容易遭受雷擊。

(4)光纜施工后回填土壤不實，出現深溝，土壤耐壓力降低，光纜容易遭受雷擊。

3)防雷的主要措施

對光纜線路進行防雷保護，可以針對當地的天氣和地形等自然條件，有針對性地進行。通過對幾例光纜雷擊故障的分析，我們發現在光纜線路的施工和維護中應注意以下幾個問題。

對于架空光纜:

①接頭盒通常具有加強芯可斷可連的結構，無論采用電氣連接還是斷開方式，金屬壓板連接結構要優于螺栓連接，而螺栓橫向開孔優于縱向開槽結構，這是選用接頭盒時應注意的問題。

②架空吊線應電氣連接并每隔0.5～1km進行一次接地，接地時可直接接地或通過合適的浪涌保護裝置接地。這樣吊線具有架空地線的保護作用。

對于埋式光纜線路的防雷:

①局內接地方式，光纜中的金屬件在接頭部位均應連通，使中繼段光纜的加強芯、防潮層、鎧裝層保持連通狀態。在兩端局(站)內錯裝層，加強件應接地，防潮層應通過避雷器接地。

②對于無業務銅線的光纜，依照YDJ14-91的規定，在光纜接頭處防潮層、鎧裝層和加強芯應作電氣斷開處理，且都不接地，對地呈絕緣狀態，可避免光纜中感應雷電流的積累，也可避免由于防雷排流線和光纜金屬構件對地回路阻抗差異而導致大地中雷電流由接地裝置引入光纜。實踐證明這種方法簡單有效，因為通常情況下，光纜(無絕緣不良點和接頭進水)中的金屬構件對地絕緣值較高，雷電流不易進入光纜。

③終端盒的接地裝置一定要良好，接地電阻要符合要求。因為終端接地，同②中分析相反，光纜中的金屬護套對地電位為零，若室外光纜有護層破損點，相同條件下雷電流易進入光纜，如果接地裝置不好，雷電流不能迅速放掉，就起不到保護作用。

另外，埋設排流線和消弧線也是一種較好的防雷方法。根據落雷規律，在易雷擊地段按要求(原理和實施方案不再論述)埋設一定長度的排流線(消弧線)，并作良好接地，同是排流線(消弧線)要盡量選用阻抗小、耐腐蝕的金屬。實踐證明，這種保護方法防雷效果較好，但是成本較高。

4 結語

針對雷電突發性、隨機性很強的特點，在面對有線電視傳輸這樣一個傳輸方式多樣、規模較大的系統雷電防護，我們應該采取多樣化、綜合性、系統化的雷電防護措施，要做到“綜合治理，整體防御，多重保護，層層設防”，采取正確合理的雷電防護方法，針對具體的有線電視系統各項措施聯合使用，相互配合，盡最大能力減少雷擊對有線電視傳輸系統的影響，降低雷擊造成的損失。

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