輸電線路對市話通信系統影響的防護設計

熊萬洲，向寒冰，魯景星

( 1.中南電力設計院，湖北 武漢 430071；2.中國南方電網超高壓輸電公司，廣東 廣州 510620)

市話通信系統是由銅芯雙絞線電纜連接的包括交換設備、接入網設備相關部分和總配線架、終端設備等組成。我國使用的設備材料、技術指標不斷改進，已與國際接軌，通信行業根據ITU－T(國際電信聯盟標準化部)標準，制定了相應的防護規范。在輸電線路施工圖設計中，評估處理對市話通信系統的危險影響，是通信防護設計的主要工作；應根據影響程度，通過技術經濟比較，采取必要的防護措施。

由于各行業規范新老版本交叉重疊、表述方式及觀點存在差異，使得各設計、運行單位認識不盡統一。在防護設計過程中，允許值確定范圍在600～3600 V之間，選擇防護措施方案也存在很大差別。為確保市話通信系統設備及人身安全、降低防護費用、便于工程協調，規范輸電線路影響市話通信的防護設計是非常必要的。

1 市話通信系統的耐受性

1.1 終端保護設備的特性

為了防止過電壓過電流的危險影響，市話通信系統終端設備安裝有兩級保護，第一級指用于轉移進入設備的過強傳播能量的措施及物理裝置，第二級安裝在設備內特別設計的保護裝置。分別敘述如下：

(1)總配線架

總配線架為外線側連接銅芯雙絞線市話通信電纜，內線側連接電信交換或接入設備的用戶電路，可通過跳線進行線號分配接續，且具有過電壓過電流防護、告警功能及測試端口的配線架；保安單元為防止局內設備和操作者人身遭受過電壓過電流危害的第一級保護裝置，見圖1。

圖1 總配線架保安單元

總配線架的電力線感應試驗，其a+b對地最大試驗交流電壓Uac(有效植)需達到式(1)要求：

MDF保安單元耐電力線感應能力I(有效植)，明確要求達到式(2)要求(適于陶瓷氣體放電管)：

(2)交換設備

交換設備內設第二級保護裝置，其a+b對地最大試驗交流電壓Uac(有效植)需達到式(3)要求：

(3)接入網設備

接入網設備的第一級保護裝置，其a+b對地最大試驗交流電壓Uac(有效植)需達到式(4)要求：

(4)終端設備

終端設備內設第二級保護裝置，其a+b對地最大試驗交流電壓Uac(有效植)需達到式(5)要求：

從式(1)至(5)看出，市話通信系統終端的兩級保護，都采用了600 V交流試驗電壓，只是試驗持續時間有差異。

1.2 市話通信電纜的絕緣特性

市話通信系統中，幾乎全部采銅芯聚烯烴絕緣擋潮層聚烯烴護套市內通信電纜(HYA系列)，HYA系列電纜結構見圖2。

圖2 HYA系列電纜結構

HYA系列電纜導體與屏蔽絕緣電氣強度，直流試驗電壓Ud需達到式(6)、(7)要求：

或

2 確定危險影響允許值

輸電線路對市話通信系統危險影響的允許值，取決于市話通信系統對過電壓過電流的耐受性。

2.1 考慮終端設備安全

通信行業標準明確規定，對已建通信局(站)、接入網點，強電綜合危險影響允許值為300 V；新建通信局(站)、接入網點，強電綜合危險影響允許值為600 V。這是根據過電壓和過電流耐受性測試標準確定的允許值，從式(1)至(5)可知，市話通信系統的兩級保護都采用了600 V交流試驗電壓，只是試驗持續時間有差異，其中第二級保護交流試驗電壓已經達到了600 V·0.2s·5次。

市話通信系統終端保護設備分為兩級，第一級保護是將過電壓過電流降到第二級保護所承受的范圍內。可見第一級保護的耐受性比第二級保護要高的多，所以采用600 V作為允許值是偏保守的，有沒考慮輸電線故障持續時間的變化。

典型情況下，感應電壓允許值隨輸電線故障持續時間不同而變化的電壓允許值見表1。

電力行業標準[4]也采用了表1隨故障持續時間不同而變化的冊碼允許值，這一規定顯然比通信行業標準要寬松。

2.2 考慮市話電纜安全

在輸電線路故障狀態下，電信電纜芯線上的磁感應電壓(電動勢)E應符合式(8)規定，這一規定最早來源于國際電話電報咨詢委員會(Consultati Ve Committee on International Telephone and Telegraph，CCITT)導則的建議。

根據式(6)～(8)可得：

E=3 6 0 0 V·3 s或

2.3 考慮人身安全

國家標準規定人身安全電壓允許值，高可靠輸電線路為650 V；其它輸電線路為430 V 。文獻[4]、[11]稱這兩個規定值為基本電壓允許值，考慮輸電線路故障持續時間的安全電壓允許值見表2。

表2 人身安全電壓允許值

2.4 綜合考慮允許值

本節從市話通信系統的終端設備安全、電纜線路安全、人身安全上述三個方面敘述了各自的允許值，明顯有兩個特點：

(1)允許值與輸電線持續故障時間相關性較大；

(2)三個方面針對不同對象表述，允許值數據相差較大。

由于輸電線持續故障時間t≤0.2 s，綜合考慮這三個方面選取較低的值，即1030 V為輸電線對市話通信系統危險影響的允許值。

3 影響程度

3.1 通信電纜范圍

輸電線對市話通信系統的影響來源于對HYA電纜的感應，中南電力設計院對2005年～2007年設計的500 kV以上的交直流輸電線路工程間距2 km內的通信線路進行了調查統計，涉及的輸電線路工程23個(路徑走廊長度3150 km)、地區包含10個省市，統計通信線路889條，各長度范圍內HYA電纜條數見表3。

表3 各長度范圍內HYA電纜條數

表3表明，3 km以下的HYA電纜條數占97%，基本反映了當前高壓輸電線路路徑走廊對沿線通信線路影響的普遍情況。

3.2 縱電動勢計算

采用文獻[4]、[11]的計算方法，取輸電線故障影響電流IS=10 kA、大地導電率σ=5×10－3(s/m)，輸電線與HYA電纜不同相對關系的感應縱電動勢計算結果見圖3。

圖3 感應縱電動勢計算結果

由表3、圖3可知，2 km以下的HYA電纜條數占85%以上，當接近間距為500 m時，其感應縱電動勢小于2000 V，并不嚴重。

4 防護設計方案

4.1 傳統方案與改進

輸電線故障時，瞬時短路電流會在鄰近的市話通信系統產生感應電壓。對于HYA市話電纜的防護，目前采取的主要防護措施是在電纜兩端加裝電纜保安器，這種設計主要基于幾點：①考慮了長距離平行接近情況，感應電動勢可能極高；②兩端的電纜保安器動作時，將輸電線感應能量完全泄流；③忽略市話通信端局(交換設備、接入網設備、總配線架、終端設備)自身的第一級、第二級防護能力；④由于電纜保安器容量足夠大，一般不驗算每個放電管的耐流能力；⑤末端通信電纜保安器與第一級防保安單元內置放電管處于并聯狀態，功能重復設置。

市話通信技術逐步與國際接軌，端局的第一級防保安單元指標不斷改進，泄流器件經歷了炭精塊、陶瓷氣體放電管、半導體放電管、集成電路單元的逐步換代，保安性能大幅提升；由于接入網設備的批量建設，使得HYA型市話通信電纜的延伸長度大幅降低，85%在3 km以內，還有繼續縮短的趨勢，使其受電力線影響程度也大幅降低。

根據上述特點，提出取消末端電纜保安器，其防護功能由市話通信端局自身的第一級防護承擔。防護改進設計方案見圖4。

圖4 防護改進設計方案

4.2 放電管負荷電流的驗算

圖4保安器放電管動作時，回路中的總電流如式(10)：

式中：In為電纜保安器動作時，回路中的總電流(A)；E為HYA電纜上產生的感應電動勢( V)；Zn為HYA電纜線束阻抗(Ω/km)；lp為HYA電纜長度(km)；Rb為電纜保安器始端接地電阻(Ω)；Rq為通信機房接地電阻(Ω)。

那么每個保安器放電管中的工頻電流如式(11)：

式中：I為每個放電管中的工頻電流(A)；n為HYA電纜導線根數(如100對電纜，n=2×100)。

(1)與感應電動勢、電纜長度的關系

選擇芯線直徑為0.4 mm、對數為100(工程中使用最為廣泛)、Zn=1Ω/km，保守取Re+Rq為10Ω，按式(11) 計算各種工況下每個放電器負荷電流見圖5。

圖5 各種工況放電器的負荷電流

圖5計算結果表明，長度為500 m的電纜，當感應電動勢為6000 V時(這是極其少見嚴重的情況)，每個放電器通過的電流小于3 A；

(2)與電纜芯線對數、直徑的關系

不同HYA電纜芯線對數、芯線直徑情況下，每個放電器負荷電流按式(11)計算結果(取工程中常見的lp=1.5 km，E=1500 V)見表4。

表4 不同電纜型號每個放電器的電流/A

表4計算結果顯示，每個放電器通過的電流與電纜芯線對數、直徑的相關性很大。芯線直徑為0.4 mm任何對數的電纜，每個放電器通過的電流小于5 A。

4.3 改進設計方案的可行性

通過上述針對HYA電纜不同芯線對數、芯線直徑、接近長度以及受影響程度的計算，絕大多數情況下，每個放電器通過的電流滿足式(2)之容量，改進設計方案的可行的。

從1999年開始，市話通信系統MDF保安單元中的氣體放電管逐步被固體半導體放電管所代替，半導體固體放電管比較陶瓷氣體放電管具備體積小、穩定性好、殘壓低、響應速度快、發熱量低等優點，其中最小體積為φ4 mm×2 mm的固體半導體放電管，已能承擔10 A的工頻電流。

5 防護設計規范化

(1)輸電線路對市話通信系統的危險影響電壓(或縱電動勢)允許值，采用1030 V。

(2)當危險影響超過允許值時，只需在電纜始端(一般在交接箱或分線盒)加裝電纜保安器。

(3)極少數情況下(如電纜芯線直徑大于0.5 mm、芯線對數小于10、或嚴重超過允許值)，應驗算通過每放電器的電流，或采用固體半導體放電管器提高容量。

[1]YD/T695—2004，市話通信系統過電壓過電流防護原則及技術要求[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，輸電線路對電信線路危險和干擾影響防護設計規程[S]．

[5]YD/T694－2004，總配線架[S]．

[6]YD/T1082－2000，接入網設備過電壓過電流防護及基本環境適應性技術條件[S]．

[7]GB/T13849．1－1993，聚烯烴絕緣聚烯烴護套市內通信電纜 第1部分一般規定[S]．

[8]YD/T322－1996，銅芯聚烯烴絕緣鋁塑綜合護套市內通信電纜[S]．

[9]ITU－T K．53(2000)．確定電信運營者與交流電力及鐵道運營者責任時用的電信裝置上的感應電壓值[S]．

[10]GB 6830－86．電信線路遭受強電線路危險影響的容許值[S]．

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

[12]謝星，熊萬洲，胡守松．高壓直流輸電線路對通信線路影響的調查分析 [C]//輸變電設施電磁環境學術會議論文集(’ 11 EMI)．廈門: 中國電機工程學會電磁干擾專業委員會城市電磁環境學組,2011:123－ 127．

[13]李冬根．MDF保安單元的技術發展軌跡[J]．電信技術 , 2004，(03)．

[14]郭世忠．通信線路強電防護MDF保安單元新方案[J]．電信技術，2005，(09)．

[15]謝永東．MDF保安單元原理及其應用[J]．長沙通信職業技術學院學報，2004，3(01) ．