埋地通信光纜遭遇雷擊原理及實(shí)例分析

李康裕

摘要：雷電是一種自然的現(xiàn)象 。強(qiáng)大的雷電電流可使其產(chǎn)生的熱、電、機(jī)械效應(yīng)具備極大的破壞性。隨著近年來(lái)通信產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展 ，光纜的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，通信光纜被雷電擊中導(dǎo)致傳輸線路中斷時(shí)有發(fā)生 。與管道伴行的埋地通信光纜，如遭雷擊后，嚴(yán)重影響長(zhǎng)輸管道通信安全 ，且搶修難度較大，亦會(huì)造成較大經(jīng)濟(jì)損失。本文討論雷擊大地時(shí)雷電電位變化規(guī)律，分析了埋地通信光纜遭遇雷擊的原理及實(shí)例分析，并提出相應(yīng)的避雷措施。

關(guān)鍵詞：雷電；管道光纜；中斷；原理；實(shí)例；防雷措施

引言

常規(guī)光纜主要成分是二氧化硅，本身不導(dǎo)電，不受雷電干擾。但當(dāng)雷電瞬間電流達(dá)到一定程度，閃擊大地時(shí)，則有可能損傷光纜，造成通信中斷。本文意在探討雷擊光纜原理，分析雷擊光纜實(shí)例，探討相關(guān)的防雷措施，以期為長(zhǎng)輸天然氣管道光纜防雷提供有意義的參考。

1、雷擊埋地光纜原理

1.1光纜遭雷擊的原因

為防止埋地光纜遭老鼠齒咬、牽引敷設(shè)產(chǎn)生的機(jī)械拉力、以及人為因素等的破壞，光纜內(nèi)需要放置如金屬鎧裝層、加強(qiáng)芯等加強(qiáng)件，加強(qiáng)件均為金屬材料 。

雷電具有尋找阻抗最小路徑以泄放雷云電荷與地下異性電荷中和的趨勢(shì)。當(dāng)雷擊附近大地或建筑物時(shí)，落雷點(diǎn)的電位瞬間升高，并隨著與閃擊點(diǎn)距離的漸遠(yuǎn)，電位差越來(lái)越大，形成“電位漏斗”（見(jiàn)圖1）。這一電位差若超過(guò)雷電閃擊點(diǎn)與光纜外護(hù)層間的耐壓強(qiáng)度（包含土壤），便會(huì)擊穿外護(hù)層，形成從閃擊點(diǎn)到光纜金屬構(gòu)件（加強(qiáng)芯或鎧裝層）的電弧通道，使大量雷電電流涌向光纜，造成光纜嚴(yán)重?fù)p壞（燒毀），這是雷擊光纜的總體原理。具體分析如下：

從圖1可看出雷擊大地時(shí)的地電位分布，其中落地點(diǎn)的電位是最高的，若土壤的電阻率均勻，并且圍繞著雷擊點(diǎn)形成一個(gè)導(dǎo)電的半球 。

隨著與雷擊點(diǎn)的距離 r 的改變 ， 地中各點(diǎn)的電位 Ur 將按下列規(guī)律變化 ：

可見(jiàn)，隨著 r 的增大 ，地電位呈現(xiàn)出漏斗形急劇下降 。

設(shè)位于電位漏斗區(qū)域內(nèi)的光纜，其套管（硅管或塑料管）的耐壓為UD，當(dāng)護(hù)套所在地電位Ur≥UD時(shí)，便可能使外護(hù)套絕緣擊穿。在上式中，如令Ur=UD，即可求出發(fā)生這種危害的邊緣危險(xiǎn)距離r為：r= Iρ/2πUD （2）

式中 ： r - 擊穿點(diǎn)至雷擊點(diǎn)的距離 m

UD - 塑料外護(hù)套的耐壓 kV

注：即落雷閃擊點(diǎn)距光纜距離在小于等于r時(shí)，光纜套管則有被擊穿的可能，光纜則有被損毀的風(fēng)險(xiǎn)。

注：雷電閃擊點(diǎn)的電位升高，而光纜則延伸到遠(yuǎn)方，遠(yuǎn)端電位可以視為0，所以雷擊點(diǎn)附近光纜本體電位也視為0。

此外，光纜線路在施工中難免損傷光纜套管（硅管）與線皮，另外鼠咬、外力等均可能造成光纜中金屬構(gòu)件暴露。這些暴露點(diǎn)也易將強(qiáng)雷引入光纜中，造成損傷。故在光纜敷設(shè)時(shí)，應(yīng)避免損傷光纜套管，避開(kāi)鼠、蟻較多的地帶。

1.2雷擊埋地光纜易發(fā)區(qū)

了解雷擊光纜原理之后，不難總結(jié)出光纜遭雷擊的易發(fā)區(qū)

（1）雷暴天氣頻繁的地區(qū)；

（2）光纜敷設(shè)處地勢(shì)較高的地區(qū)，該類地區(qū)易招雷；

（3）光纜敷設(shè)處附近有建筑物、大樹、電線桿（塔）等引雷物，雷暴天氣下，容易將雷電引入地下?lián)p傷光纜；

（4）從公式2可以看出，當(dāng)埋地光纜套管耐壓UD一定時(shí)，土壤電阻率ρ越大，則邊緣危險(xiǎn)距離r越大，也就說(shuō)光纜被雷擊的概率越大。此外土壤電阻率有突變的地區(qū)，因?yàn)槔纂娨獙ぶ钚∽杩雇緩絹?lái)釋放，光纜也容易被雷擊。

（5）光纜在石方段敷設(shè)時(shí)，其套管或線皮易被損傷，產(chǎn)生缺陷，雷擊大地時(shí)，易通過(guò)缺陷口進(jìn)入光纜，造成損傷。

2、實(shí)例分析

2017年4月13日晚20：10，伴隨著一道閃電，煙臺(tái)市某長(zhǎng)輸天然氣管道輸氣站辦公生活區(qū)電力供應(yīng)發(fā)生了一次閃斷，室內(nèi)電燈閃滅一次，辦公電腦全部斷電關(guān)機(jī)。同時(shí)，通信工程師發(fā)現(xiàn)煙臺(tái)至威海段埋地通信光纜中斷，隨后其利用OTDR測(cè)出斷纜位置為距輸氣站7.1km。輸氣站管道管理人員趕赴現(xiàn)場(chǎng)后，未發(fā)現(xiàn)任何第三方施工跡象，且該段管道、光纜埋深近4m。后經(jīng)連夜開(kāi)挖驗(yàn)證，該線路段20m長(zhǎng)光纜，每個(gè)4-6m即有一處斷點(diǎn)，共有4處斷點(diǎn)，且斷纜處線皮等均有燒糊的味道，線芯也有不同程度損壞。

斷纜處地貌為丘陵山地，且為附近村莊的制高點(diǎn)，管道所經(jīng)土地為沙土地，屬土壤電阻率較高土地。管道與光纜同溝敷設(shè)在丘陵山脊。斷纜當(dāng)晚、當(dāng)時(shí)附近村莊集體失電，且全村電表均被該次閃雷擊壞，甚至有村民在家中玩手機(jī)時(shí)，雷電閃過(guò)，手機(jī)即直接黑屏。距管道300m處的同屬某山地制高點(diǎn)葡萄酒廠內(nèi)的兩臺(tái)變壓器當(dāng)晚亦被雷電擊壞，附近村民亦表示多年未見(jiàn)如此威力的閃雷。

調(diào)查人員發(fā)現(xiàn)距斷纜處560m處有光纜井，平日有光纜測(cè)試線（連接接線盒光纜加強(qiáng)芯）引出，但埋在地下20cm處，經(jīng)開(kāi)挖驗(yàn)證，光纜接線盒完好，內(nèi)部光纜沒(méi)有損壞、燒毀跡象。故雷電亦不是通過(guò)此接線頭進(jìn)入光纜。

最后管理人員發(fā)現(xiàn)，在距斷纜點(diǎn)5.6m處有當(dāng)?shù)卣纳址阑鹦麄鲏?面。高5.3m，寬5.7m，整體框架鋼制，其主支撐為水泥澆筑為底的兩根直徑為17cm的鋼管。

光纜遭擊斷的線路段，多位于廣告牌正前方。宣傳墻的兩支主支撐鋼管為很好引雷體。

雷電標(biāo)準(zhǔn)電流約為30KA（雷電流只有波形標(biāo)準(zhǔn)值，沒(méi)有幅值標(biāo)準(zhǔn)值，雷電流幅值和概率見(jiàn)后面附圖），而當(dāng)晚造成變壓器、電表燒毀及光纜遭擊斷的孤立閃雷，其瞬間電流能達(dá)到50-100kA（該電流幅值是實(shí)際測(cè)量值？有沒(méi)有記錄依據(jù)？），甚至更高。斷纜處平均土壤電阻率實(shí)測(cè)為378Ω*m，標(biāo)準(zhǔn)光纜套管耐壓為200 kV，若該雷電閃擊電流按50kA算，代入公式（3）r= Iρ/2πUD，計(jì)算出r=15m，即在距廣告牌15m半徑范圍內(nèi)的光纜均有可能遭受雷擊損壞，符合現(xiàn)場(chǎng)斷纜實(shí)際情況。

綜合分析可知，此次雷擊斷纜事件，管道光纜附近的宣傳墻有“最大嫌疑”，建議拆除該宣傳墻及其接地，以削減光纜遭雷擊風(fēng)險(xiǎn)。

3、埋地光纜避雷、防雷措施

3.1光纜路由的選擇

埋地光纜受雷擊的概率，主要取決于通過(guò)地區(qū)的落雷密度、雷電幅值、附近建筑物、土壤電阻率等，因此在路由選擇時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)易遭雷擊的地方，避免走山頂或山脊。

3.2光纜與建筑物的安全距離

光纜應(yīng)與獨(dú)立建筑物、電力線桿等保持一定的凈距離L：當(dāng)土壤電阻率ρ≤100Ω*m時(shí)，L>10m，當(dāng)ρ>100Ω*m時(shí)，L>15m。此外在后期運(yùn)維過(guò)程中，應(yīng)注意埋地光纜附近的各類新建建筑物、電線桿塔等一定要符合安全距離要求。

3.3合理選擇光纜

在雷害嚴(yán)重地段，應(yīng)選擇具有高強(qiáng)度絕緣介質(zhì)的防雷特性較好的光纜。

3.4光纜與建筑物的安全距離

對(duì)已經(jīng)發(fā)生過(guò)雷擊的地段，應(yīng)測(cè)試光纜線路的土壤電阻率，且在該地段增加防雷線或者消弧線，防止再次發(fā)生雷擊事件。

（作者單位：中石油山東天然氣管道有限公司）