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光纜線路的防雷
通信光纜遭受雷擊是通信光纜產生故障的主要原因之一。按理說無金屬構件的光纜是不存在防雷的問題,但是為防止機械損傷,加強光纜的機械強度,節省工程成本,一般是採用了有金屬構件(金屬加強構芯、金屬擋潮層或金屬鎧裝)的光纜。因此,工程建設中必須考慮光纜線路的防雷、防強電的問題。
雷電流進入地下光纜的途徑
(1)雷擊光纜附近的大地
①雷擊光纜附近(或上方)大地發生電弧:雷擊在光纜附近(或上方)大地上,雷電流就會從落雷點向四面八方擴散,當地中雷電流達到一定數值(即超過落雷點與光纜之間土壤的擊穿強度)時,就會在落雷點與光纜之間形成電弧,此時土壤被電離,土壤成為良好的導體,使雷電流從落地點經過被擊穿的土壤流到光纜上。
②雷擊光纜附近(或上方)不發生電弧:當雷擊在光纜附近(或上方)大地上,如上所說雷電流就會從落雷點向四面八方擴散,當地中雷電流不足夠大時,落雷點與光纜之間的土壤不會被擊穿,但由於土壤不是絕緣體,所以仍有部分雷電流從落雷點流到光纜上,並在光纜外皮與金屬構件之間產生電壓。
雷擊光纜附近(或上方)大地,落雷點與光纜之間沒有產生電弧時,在光纜上產生的電壓值,在很大程度上受土壤結構的影響。
(2)雷擊光纜附近樹木(或其他建築物)
雷擊在光纜附近的樹木,雷電流就會經樹根、土壤流到光纜上。當雷電流足夠大時,也會使樹根和光纜間的土壤擊穿(樹立根與光纜間產生電弧)。光纜和落雷點(或樹木等)之間的土壤是否被擊穿,取決於三方面:一是雷電流的大小和陡度;二是光纜和落雷點間的距離;三是土壤的擊穿強度。通過對過去的地下通信電線遭受雷擊的調查,雷電直接落地到電纜上是比較少的,多數情況下是由於雷擊附近大樹、電力桿、通信桿等其他建築物,而使電纜發生故障。
上述兩種情況(雷擊光纜附近大地和樹木等)在發生電弧時均比不發生電弧時危害大得多。因為一旦發生電弧(即土壤被電離擊穿)土壤成為良好的導體,其雷電流大部分就會經土壤流到光纜上。
雷擊大地的規律
雷擊大地指的是雲對大地(包括對樹木和其他建築物等)放電。在什麼情況下雲會對大地放電,這是一個非常複雜的問題,還找不到有關雲對大地放電理論的資料。下文雷擊大地的規律,只是通過對部分雷擊現場調查、分析後得到的初步認識。因此,只能作為參考。
(1)雷擊大地的一般規律
①大地電阻係數普遍都比較大的情況下,電阻係數小的地方容易落雷。因為大地電阻係數較小的地方,可以為雷電提供阻力較小的放電通路。但當雷擊大地後,則又是在大地電阻係數大的地方,電纜容易產生故障。對於大地電阻係數這一因素,必須辯證的去看,一分為二的觀察問題。
②地形突變(或大地電阻係數突變)的地區,容易遭受雷擊。根據某一通信部門統計23次雷擊中有18次是發生在地形突變(或大地電阻係數突變)的地區。
③礦泉、沼澤地、河流岸灘部分,地下水出口處容易落雷。
④海邊、大湖旁邊落雷機會較小,但如果海濱有山嶽的話,則鄰海一面的山坡上落雷機會較多。
⑤地下礦藏較多的地區落雷機會多。
⑥地層結構變化較大的地區落雷機會較多。
(2)山區落雷的規律
①山的朝陽坡比較山的陰坡,落雷機會多,根據某一通信部門統計的23次雷擊中,有22次發生在向陽坡,這也與附近是否有水庫、河流、沼澤地等潮濕地帶有很大關係。
②山中盤地的落雷機會多於狹谷。
③石山(或大地電阻係數較大的山)地區雷擊大部分發生在山腰和山腳部分。
④土山(或大地電阻係數較大的山)地區雷擊大部分發生在山頂和山腰部分。
⑤山中盤地(尤其是水田)落雷機會較多。
⑥風口或順風的河谷落雷機會多。
值得注意的是如果山的頂部大地電阻係數比山腳部分的大地電阻係數還小,山的頂部最容易落雷,因為在這種情況下可以為雷電提供又近又好的通電通路。
(3)雷擊電纜線路的規律
①經常落雷的地區,電纜也容易遭到雷擊。
②電纜線路附近大樹電桿多的容易產生雷擊故障。
③直徑較小的電纜,比直徑較大的電纜易發生雷擊故障,而且故障也較嚴重。
④耐壓絕緣低的電纜,比耐壓絕緣高的電纜易發生雷擊故障,而且損壞也較嚴重。
⑤電纜上的雷擊故障大多數一次發生在幾處,彼此相距幾米甚至幾千米,電纜直徑越小,大地電阻係數越大,則故障段落越長,損壞越嚴重。
⑥施工質量不好,如覆土不實,出現深溝,孔洞或甚至電纜扭傷、拖傷等會增加故障的處數和損壞的嚴重性。
⑦電纜製造質量不好,特別是由於護套的材料不良造成電纜對地絕緣降低,將大大增加雷擊故障的次數和擴大故障的嚴重性。
地下光纜線路的防雷要求及措施
我國國土遼闊,各地的地理氣象有較大的不同,各地的雷暴活動規律和特點有較大的差異。因此,不同地區建設通信光纜線路時,要依照各地的具體情況具體分析,深入現場做好調查研究,摸清光纜線路路由地區的雷電活動規律,依照不同結構的光纜、不同的敷設方式和客觀外界的條件(如地形、地物、大地結構、土壤的溫度、水分等),仔細研究綜合分析,抓住主要矛盾,採取有效的防雷措施,避免或減少雷電對光纜線路的損壞。
光纜線路的防雷要求從光纜線路路由勘察設計到工程施工安裝的全過程中都應做好。首先要求合理地選擇光纜線路敷設位置,儘量避開雷擊,其次是對於從全局考慮,光纜線路敷設位置必須經過雷擊地段的,在設計中應採用有效的防雷措施。
(1)光纜線路路由位置選擇
選擇光纜線路路由位置應儘可能滿足下列要求。
①不論光纜線路是敷設在平原地區或者山區,在條件許可的情況下儘量避開雷擊區,避開雷暴的容易雷擊點,儘量避開有引雷危險的突出點,如單棵大樹、枯樹、電桿、高塔、礦泉、地下出水口處。在取得有關單位同意下可以採取伐樹、遷移電桿等,以做好光纜線路路由兩側的清理工作。平原地區的雷暴一般來說少于山區,平原地區的雷暴活動分布又比較均勻,敷設於平原地區的地下光纜線路遭受雷擊,較多的是由於雷擊大樹等,由樹根引來的雷電流使光纜損壞。
②光纜線路敷設在山嶺的陰面坡(北坡或西北坡)。我國東面、南面是海洋,潮濕空氣吹到陸地後,經太陽暴曬而潮熱,遇山阻擋加速抬升,即可出現雷電;或在西北方向吹來的冷而重的氣流遇山被抬升,翻山後又下降與地面較熱空氣產生對流,即可出現雷電。而平原地區形成熱雷電,尤其是地形雷電的條件比山區少,所以山區的雷暴多於平原。山區的東面、南面比較暖,當雨季到來,東面、南面吹來的海洋潮濕氣流易受熱和遇山抬升,所以山區的向陽坡雷電相對的比陰面坡多些,因此,光纜線路的敷設位置應儘量選區山的陰面坡。
③光纜線路敷設在兩山之間的峽谷中。兩山之間的峽谷地勢狹窄,受地形的影響,不易受太陽充分暴曬,因而不利空氣對流,形成雷電的條件不充分,落雷的機率就比較少。但兩山峽谷底部往往是夏季山洪沖刷的地方,所以光纜線路敷設的位置也應儘量避開山洪沖刷的地方,所以光纜線路敷設位置選擇要恰當,既要考慮滿足防雷要求又要滿足防洪的要求。
④光纜線路通過土山最好走山腳部分;光纜線路通過石山(或大地電阻係數很大的地方)最好走山腰部分。
土山的山頂、山腳部分大地電阻係數一般相差不多,在其上空出現雷雲時,山頂、山腳部分產生的異性感應電荷相差不多,但雷暴有選擇相對導電較好的突出地方而擊的特點,因為土山的山頂較突出就容易落雷。石山山頂雖然較突出,但比山腳部分的大地電阻係數大得比較多,石山的山腳部分較潮濕易於雷雲的感應電荷的大量積聚,使其附近的電場強度增強,雷電的先驅放電電場就較容易被吸引過來,石山的山腳部分就較山頂部分容易落雷。雖然石山的山頂部分較山腳部分較不易落雷,但石山山頂又比較高,光纜線路敷設在山頂又不便維護,因此,光纜線路通過石山時,最好敷設在山腰部分較適當。
⑤光纜線路路由選擇儘可能少穿越地形突變(包括大地電阻係數突變)之處。
雷電對地放電將選擇地面積聚異性感應電荷較多,電場強度較大的地方。當某一地區地形突變,地形結構變化較大,相應的大地電阻係數變化也較大(例如相差幾倍)。當上空出現雷雲時,地面及土壤深處由於靜電感應產生的異性電荷積聚的數量相差較大,電場強度也相差較大,因此,大地電阻係數小的地方由於異性感應電荷積聚的多,電場強度軟大,雷電就易擊在這裡,因此,光纜線路路由選擇儘可能不穿越地形突變處(包括大地電阻係數突變)。
(2)光纜線路的防雷措施
當光纜線路路由選擇不能滿足上述要求時,應采防雷措施,光纜線路工程設計中比較多的採用是敷設防雷線、消弧線、避雷針、避雷線等措施,設計中應根據具體情況(敷設方式和敷設的實際環境)採用適當的防護措施。
①在年平均雷暴日數大於20天的地區,以及有雷擊歷史的地段,光纜線路應採用防雷保護措施。
②無金屬線對、有金屬加強件的直埋光纜線路的防雷保護可採用下列措施,但是以對於雷電現象客觀規律的認識和防護技術水平而言,採取下列所列舉措施時可顯著降低雷害的頻度,但不能完全避免其發生,在光纜線路路由選擇時,以繞避雷害多發地點為首要考慮。
a.大地電阻係數小於100W·m的地段,可不設防雷線。
b.大地電阻係數為100~500W·m的地段,在光纜上方30cm處,連續敷設一條7/2.2鍍鋅鋼絞線作防雷線。
c.大地電阻係數大於500W·m的地段,在光纜上方30cm處,平行相距10~20cm連續敷設兩條7/2.2鍍鋅鋼絞線作防雷線。
d.防雷地線的連續布放長度應不小於2km。
e.“防雷地線”既是“地下排流線”也叫“地下禁止線”。它是在地中位於光/電纜上方與光/電纜平行的一條或二對裸導線,裸導線充分接地並比較接近落雷點,這一條/二條線如果不是雷電流襲擊的首要目標,也必然是與光/電纜同樣成為被擊目標之一,所以這一條/二條埋設的導線就叫做埋地光/纜地下禁止線,通常叫排流線。目前仍然沿用傳統的做法,採用兩條7/2.2鍍鋅鋼絞線或者兩條f6mm鍍鋅鋼筋為禁止線,做法有以下兩種。
一種是兩條禁止線平行埋設在光/電纜上方,埋深為1/2~1/3溝深,每隔200m以及始末兩端均用同樣質、徑的導線連線起來,並向左或向右橫向引至距離光/電纜15~20m左右做接地裝置一處。要求其接地電阻:當土壤電阻率在100W·m以下時,不大於5W;土壤電阻率在100W·m以上時,不大於10W,所有連線點均需確實焊固。另一種做法是:兩條禁止線平行埋設在光/電纜上方,埋深為1/2~1/3溝深,排流線只需將埋設處的覆土夯實,使之全部密貼接地,中間不能有連線,敷設時注重分開,將兩條鋼絞線儘量貼近溝邊。因為鋼絞線容易打扭,有必要時可採用支撐物將其分隔開,兩端鋼絞線引至土壤電阻率較小的地方。
③當光纜線路無法繞避孤樹、桿塔、高聳建築、樹林等時,應採用消弧法、避雷針等措施。光纜距電桿拉線較近時應穿放塑膠管保護。
④當光纜在野外長途塑膠管道中敷設時,可參照下列防雷線設定原則:
a.大地電阻係數<100W·m的地段,可不設防雷線;
b.大地電阻係數≥100W·m的地段,設一條防雷線。
⑤光纜接頭處兩側金屬構件不做電氣連通。
⑥局站內的光纜金屬構件連線到保護接地。
⑦雷害嚴重地段,可採用非金屬加強芯光纜或採用無金屬構件結構形式的光纜。
⑧架空光纜線路的防雷除採用上述e、f、g3條措施外,還可以選用下列防雷保護措施:
a.光纜吊線每隔300~500m距離,利用電桿避雷線或拉線進行接地處理,每隔1km左右加裝絕緣孔子進行電氣斷開。
b.目前長途明線已經基本退出電信服務,但仍有部分長途光纜線路是利用原有明線桿路進行架設,此時可保留明線線條,且將其間隔接地,作為一種防雷措施。光纜架掛在長途明線線條下方。
c.雷害特別嚴重或屢遭雷擊地段可裝設架空地線。
光纜線路的防強電
光纜線路的防強電就是說光纜線路對強電影響的防護,要尋找防護措施,首先有必要先了解強電線路的分類、強電影響的分類以及強電影響的容許標準,然後再討論防護措施。
強電線路及強電影響的分類
強電線路的連線方式有三角形連線、中性點絕緣星形連線、中性點直接接地星形連線、雙線大地系統、雙線~0~大地系統、接觸網系統和直流輸電線系統;三相高壓輸電線路結構型式有垂直型、水平型和三角型。
強電危險影響允許值
對於通信電纜,不僅要考慮強電危險的影響,還要考慮強電干擾的影響。但是對於通信光纜,除個別含有遠供線對外,通常光纜內是沒有金屬通信線對,因此可以不考慮強電干擾影響,只考慮強電危險影響及其防護。
當通信光纜線路與高壓電力線路、交流電氣化鐵道接觸網平行,或與發電廠或變電站的地線網、高壓電力線路桿塔的接地裝置等強電設施接近時,應主要考慮強電設施在故障狀態和工作狀態時由電磁感應、地電位升高等因素在遠供線對和金屬構件上產生的危險影響。
輸電線路對鄰近電信線路可能產生危險影響的故障狀態,應考慮下列幾種情況:
①三相對稱中性點直接接地系統的輸電線路一相接地短路。
②三相對稱中性點不直接接地系統的輸電線路兩相在不同地點同時接地短路。
③三相對稱中性點不直接接地系統的輸電線路一相接地短路。
中性點不直接接地系統的輸電線路一相接地短路,而人體碰觸鄰近電信導線時,由容性耦合引起流經人體的電流允許值為15mA。
在輸電線故障狀態下,電信明線上(含架空桿路的吊線)的磁感應電壓(包括磁感應縱電動勢和磁感應對地電壓)應符合下列規定:
①基本電壓允許值應符合規定。
②考慮輸電線路故障持續時間的人身安全電壓允許值應符合規定。
光纜線路防強電
有金屬構件的無金屬線對光纜線路,當其與高壓電力線路、交流電氣化鐵道接觸網平行,或與發電廠或變電站的地線網、高壓電力線路桿塔的接地裝置等強電設施接近時,應主要考慮強電設施在故障狀態和工作狀態時由電磁感應、地電位升高等因素在光纜金屬構件上產生的危險影響。
有金屬構件的無金屬線對光纜線路受強電線路危險影響允許標準應符合下列規定:
①強電線路故障狀態時,光纜金屬構件上的感應縱向電動勢或地電位升應不大於光纜絕緣外護層介質強度的60%。
②強電線路正常運行狀態時,光纜金屬構件上的感應縱向電動勢應不大於60V。
有金屬構件的無金屬線對光纜線路不考慮強電干擾影響。
高壓輸電線路在短期故障狀態或正常工作狀態,對接近的通信光纜線路,由電磁感應產生的縱電動勢(E)的有效值。
光纜線路對強電危險影響的防護措施
當輸電線路對光纜線路產生的危險影響電壓超過允許值時,應根據具體情況,採取必要的防護措施,以保證人身和電信設備的安全。可選用的防護措如下:
①在選擇光纜路由時,應與現有強電線路保持一定的隔距,當與之接近時應計算在光纜金屬構件上產生的危險影響不應超過本規範規定的容許值。
②光纜線路與強電線路交越時,宜垂直通過;在困難情況下,其交越角度應不小於45°。
③施工中應注意不要磨損光纜護套,確保光纜內金屬護層的對地絕緣符合要求。
④光纜接頭處兩側金屬構件不做電氣連通,縮短光纜線路金屬構件的連續長度,減少感應電壓的累積。金屬構件也不做接地。
⑤在輸電線路接地裝置與埋地光纜之間增設消弧線。
⑥當上述措施無法滿足安全要求時,可增加光纜絕緣外護層的介質強度,採用非金屬加強芯或無金屬構件的光纜。
⑦在與強電線路平行地段進行光纜施工或檢修時,應將光纜內的金屬構件做臨時接地。
光纜線路的其他防護
光纜線路的防凍害的措施
在寒冷地區由於氣候條件的差異和季節性的氣候變化,造成寒冷地區出現的永久凍土層或季節性凍土層。在這些地區敷設光纜,如果埋設的深度選擇不當或選用光纜不當,都有可能發生季節性的光纜線路故障,因此,在寒冷地區應針對不同氣候特點和凍土狀況採取防凍措施。
①在寒冷地區使用的光纖光纜應選用適用溫度範圍為A級(低限為−40℃)的光纖光纜。
②對於在季節凍土層(如:冬天是凍土,其他季節非凍土)中敷設光纜時可採用增加埋深的措施,增加埋深是為了避開不穩定的凍土,例如:東北的北部地區是屬於季節凍土層地區,工程中可將光纜埋深增加到1.5m。
③在有永久凍土層的地區敷設光纜時應注意不擾動永久凍土。一般採取降低光纜埋深的方法是為了保持永凍層的穩定,例如在青藏高原等永久凍土層地區敷設光纜時,將採取減小光纜埋深措施。
光纜線路的防腐蝕的措施
根據成都電信科學技術第五研究所長期對地下通信電纜、光纜土壤腐蝕及防護技術的研究,PE、PVC、PA外護套材料在土壤中老化速度較慢,耐土壤腐蝕性能良好,其中PE在土壤中防蝕性能最好。電纜、光纜塑膠外護層在土壤中老化緩慢,不受到意外的外力破壞,它的防蝕保護作用可靠,但一旦有所破壞(人工挖孔模擬加速試驗),僅埋藏一年金屬護套就發生腐蝕穿孔,因此線上纜的生產、運輸、敷設過程中必須確保外護層的完好無損。
為確保光纜線纜的外護層的完好無損,光纜線路的施工這道工序非常重要,一是光纜施放時,不管是機械施放或人工抬放,都應防止發生拖放與地摩擦造成破壞光纜外護套;二是回填土時應注意防止發生尖利的石塊刺傷光纜外護套。在施工圖設計時將這兩點要求寫在施工要求中以引起施工單位的重視。
光纜敷設後應做光纜金屬構件對地絕緣測試,確保光纜金屬構件對地絕緣符合設計要求,設計文本中必須提出對地絕緣的驗收標準。
光纜線路的防白蟻
(1)白蟻的生活習性和活動規律
白蟻屬不完全變態的漸變態類,生活史複雜。白蟻按其生活習性又可分為兩個類別。一是木棲性白蟻:群體大小不一,在木質建築物,如木製門窗、木製地板、木製屋、鐵道枕木、木製橋樑、枯樹等的齧空部分建巢,取食木質纖維,為木材製品的大害蟲,木材被蛀變空,建築物容易倒塌,鐵路枕木被蛀,影響使用壽命,對交通安全威脅極大。二是土棲性白蟻:在地面下土中築巢或巢高出地面成塔狀,稱為蟻冢,土棲性白蟻以樹木、樹葉和菌類等為食。
白蟻破壞電纜,主要是因為電纜擋住白蟻構築蟻巢和蟻路,白蟻遇到阻障不會避讓,所以白蟻啄穿電纜來打通蟻路,來尋得食物和水源。白蟻的破壞能力較強,不但能破壞電纜的橡膠和塑膠,甚至能破壞鉛包和鋁包層,造成傳輸故障。埋地塑膠電纜和通信設備也常遭白蟻蛀食。在南方,白蟻造成的通信電纜故障占總故障率的60%,廣東省則高達80%。電力電纜被白蟻咬穿護層後,還易引起短路,導致電力轉送中斷,甚至釀成火災。據原郵電部設計院、廣東電信研究所等單位統計報導,在廣東、廣西、湖南、湖北、福建、江西、浙江、安徽、四川、雲南、海南、上海、江蘇13個省、自治區、直轄市中,均有白蟻危害電纜的情況。我國南方曾發生白蟻危害鐵道系統埋地信號電纜,造成鐵路停運的事故。全世界危害電纜的白蟻屬澳白蟻科、木白蟻科、鼻白蟻科和白蟻科,共10屬18種。在我國危害電纜的白蟻,主要是鼻白蟻科中的乳白蟻屬和散白蟻屬。
(2)光纜線路的防白蟻措施
國內外用以電纜防白蟻的方法主要有兩種方法:藥物防治法和環保物理法。直埋光纜在有白蟻危害的地段敷設時,可採用物理防治法(防蟻護層的光纜),也可採用其他防蟻處理,但應保證環境安全。
①藥物防治法:就是毒土法,將有劇毒藥劑(滅蟻靈、氯丹)噴灑在光纜溝內的光纜周圍,然後再覆土,我們不建議採用這種措施,因為將劇毒品噴灑在地下將嚴重污染施毒光纜沿線的地下水源,將給施毒光纜沿線的人和牲畜帶來嚴重的身體傷害;
②環保物理法:即光纜外護套採用防蟻護層的光纜。直埋光纜在有白蟻危害的地段敷設時,建議選用聚醯胺11(簡稱尼龍11)、聚醯胺12(簡稱尼龍12)或聚烯烴共聚物塑膠護套的光纜(簡稱防白蟻光纜),雖然工程造價會提高一些,但它是既可以有效防止白蟻對光纜的傷害,又可以使光纜敷設沿線的環境不受破壞。
光纜線路的防鼠害
(1)老鼠的生活習性和活動規律
老鼠是屬齧齒性動物,有人的地方就有老鼠存在,特別是褐家鼠是最常見的和危害最大的一種家鼠,屬於世界性分布的鼠類,凡是有人類居住的場所幾乎都有它的蹤跡。
因此,在有糧倉、賓館、住宅區、鐵路、捷運、野外農田等場所敷設的電纜溝、電纜管、人井都有電纜被老鼠損壞的例子。
危害電纜的鼠類有:板齒鼠、黃毛鼠、中華鼢鼠、褐家鼠、小家鼠、竹鼠、黃胸鼠和黑線姬鼠等。
對於老鼠破壞光/電纜的原因現有兩種解釋:一是為了磨利尖齒,而光電纜塑膠護套的塑膠硬度卻正好合適,因而破壞電纜;二是老鼠打洞覓食過程中要掃除前進障礙,當光/電纜擋住它打洞覓食的前進道路時,它需掃除障礙而咬壞電纜。但最有說服力的為第一種。
根據有關研究部門的長期研究,發現雖然光/電纜大多採用塑膠護套材料,易受鼠類攻擊,造成故障。但對於外徑大於40mm的塑膠護套光/電纜,老鼠卻難以損壞,主要是因為外徑已超出鼠口張開距離。
(2)光纜線路防鼠害的措施
光/電纜防鼠的方法不多,因為老鼠牙齒非常尖銳,光/電纜防鼠非常難。現有的方法有兩種:一種是無毒的藥物“驅避劑”法;還有一種是環保物理法,即外護套採用鋼性材料或較硬塑膠。
通信光纜的外徑都不大,極少使用有外徑大於40mm的光纜。因此,如果光纜線路需在有鼠害的地區敷設,如果外徑是大於40mm的光纜,則要求光纜的護套采高密度聚乙烯(HDPE)護套料;對於外徑較小的光纜,可採用外徑不小於40mm的硬質塑造管或鋼管保護光纜。