埋地通信光缆遭遇雷击原理及实例分析
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摘要：雷电是一种自然的现象 。强大的雷电电流可使其产生的热、电、机械效应具备极大的破坏性。随着近年来通信产业的迅猛发展 ，光缆的应用越来越广泛，通信光缆被雷电击中导致传输线路中断时有发生 。与管道伴行的埋地通信光缆，如遭雷击后，严重影响长输管道通信安全 ，且抢修难度较大，亦会造成较大经济损失。本文讨论雷击大地时雷电电位变化规律，分析了埋地通信光缆遭遇雷击的原理及实例分析，并提出相应的避雷措施。
关键词：雷电；管道光缆；中断；原理；实例；防雷措施
引言
常规光缆主要成分是二氧化硅，本身不导电，不受雷电干扰。但当雷电瞬间电流达到一定程度，闪击大地时，则有可能损伤光缆，造成通信中断。本文意在探讨雷击光缆原理，分析雷击光缆实例，探讨相关的防雷措施，以期为长输天然气管道光缆防雷提供有意义的参考。
1、雷击埋地光缆原理
1.1光缆遭雷击的原因
为防止埋地光缆遭老鼠齿咬、牵引敷设产生的机械拉力、以及人为因素等的破坏，光缆内需要放置如金属铠装层、加强芯等加强件，加强件均为金属材料 。
雷电具有寻找阻抗最小路径以泄放雷云电荷与地下异性电荷中和的趋势。当雷击附近大地或建筑物时，落雷点的电位瞬间升高，并随着与闪击点距离的渐远，电位差越来越大，形成“电位漏斗”（见图1）。这一电位差若超过雷电闪击点与光缆外护层间的耐压强度（包含土壤），便会击穿外护层，形成从闪击点到光缆金属构件（加强芯或铠装层）的电弧通道，使大量雷电电流涌向光缆，造成光缆严重损坏（烧毁），这是雷击光缆的总体原理。具体分析如下：
从图1可看出雷击大地时的地电位分布，其中落地点的电位是最高的，若土壤的电阻率均匀，并且围绕着雷击点形成一个导电的半球 。
随着与雷击点的距离 r 的改变 ， 地中各点的电位 Ur 将按下列规律变化 ：
可见，随着 r 的增大 ，地电位呈现出漏斗形急剧下降 。
设位于电位漏斗区域内的光缆，其套管（硅管或塑料管）的耐压为UD，当护套所在地电位Ur≥UD时，便可能使外护套绝缘击穿。在上式中，如令Ur=UD，即可求出发生这种危害的边缘危险距离r为：r= Iρ/2πUD （2）
式中 ： r - 击穿点至雷击点的距离 m
UD - 塑料外护套的耐压 kV
注：即落雷闪击点距光缆距离在小于等于r时，光缆套管则有被击穿的可能，光缆则有被损毁的风险。
注：雷电闪击点的电位升高，而光缆则延伸到远方，远端电位可以视为0，所以雷击点附近光缆本体电位也视为0。
此外，光缆线路在施工中难免损伤光缆套管（硅管）与线皮，另外鼠咬、外力等均可能造成光缆中金属构件暴露。这些暴露点也易将强雷引入光缆中，造成损伤。故在光缆敷设时，应避免损伤光缆套管，避开鼠、蚁较多的地带。
1.2雷击埋地光缆易发区
了解雷击光缆原理之后，不难总结出光缆遭雷击的易发区
（1）雷暴天气频繁的地区；
（2）光缆敷设处地势较高的地区，该类地区易招雷；
（3）光缆敷设处附近有建筑物、大树、电线杆（塔）等引雷物，雷暴天气下，容易将雷电引入地下损伤光缆；
（4）从公式2可以看出，当埋地光缆套管耐压UD一定时，土壤电阻率ρ越大，则边缘危险距离r越大，也就说光缆被雷击的概率越大。此外土壤电阻率有突变的地区，因为雷电要寻着最小阻抗途径来释放，光缆也容易被雷击。
（5）光缆在石方段敷设时，其套管或线皮易被损伤，产生缺陷，雷击大地时，易通过缺陷口进入光缆，造成损伤。
2、实例分析
2017年4月13日晚20：10，伴隨着一道闪电，烟台市某长输天然气管道输气站办公生活区电力供应发生了一次闪断，室内电灯闪灭一次，办公电脑全部断电关机。同时，通信工程师发现烟台至威海段埋地通信光缆中断，随后其利用OTDR测出断缆位置为距输气站7.1km。输气站管道管理人员赶赴现场后，未发现任何第三方施工迹象，且该段管道、光缆埋深近4m。后经连夜开挖验证，该线路段20m长光缆，每个4-6m即有一处断点，共有4处断点，且断缆处线皮等均有烧糊的味道，线芯也有不同程度损坏。
断缆处地貌为丘陵山地，且为附近村庄的制高点，管道所经土地为沙土地，属土壤电阻率较高土地。管道与光缆同沟敷设在丘陵山脊。断缆当晚、当时附近村庄集体失电，且全村电表均被该次闪雷击坏，甚至有村民在家中玩手机时，雷电闪过，手机即直接黑屏。距管道300m处的同属某山地制高点葡萄酒厂内的两台变压器当晚亦被雷电击坏，附近村民亦表示多年未见如此威力的闪雷。
调查人员发现距断缆处560m处有光缆井，平日有光缆测试线（连接接线盒光缆加强芯）引出，但埋在地下20cm处，经开挖验证，光缆接线盒完好，内部光缆没有损坏、烧毁迹象。故雷电亦不是通过此接线头进入光缆。
最后管理人员发现，在距断缆点5.6m处有当地政府的森林防火宣传墙1面。高5.3m，宽5.7m，整体框架钢制，其主支撑为水泥浇筑为底的两根直径为17cm的钢管。
光缆遭击断的线路段，多位于广告牌正前方。宣传墙的两支主支撑钢管为很好引雷体。
雷电标准电流约为30KA（雷电流只有波形标准值，没有幅值标准值，雷电流幅值和概率见后面附图），而当晚造成变压器、电表烧毁及光缆遭击断的孤立闪雷，其瞬间电流能达到50-100kA（该电流幅值是实际测量值？有没有记录依据？），甚至更高。断缆处平均土壤电阻率实测为378Ω*m，标准光缆套管耐压为200 kV，若该雷电闪击电流按50kA算，代入公式（3）r= Iρ/2πUD，计算出r=15m，即在距广告牌15m半径范围内的光缆均有可能遭受雷击损坏，符合现场断缆实际情况。
综合分析可知，此次雷击断缆事件，管道光缆附近的宣传墙有“最大嫌疑”，建议拆除该宣传墙及其接地，以削减光缆遭雷击风险。
3、埋地光缆避雷、防雷措施
3.1光缆路由的选择
埋地光缆受雷击的概率，主要取决于通过地区的落雷密度、雷电幅值、附近建筑物、土壤电阻率等，因此在路由选择时应尽量避开易遭雷击的地方，避免走山顶或山脊。
3.2光缆与建筑物的安全距离
光缆应与独立建筑物、电力线杆等保持一定的净距离L：当土壤电阻率ρ≤100Ω*m时，L>10m，当ρ>100Ω*m时，L>15m。此外在后期运维过程中，应注意埋地光缆附近的各类新建建筑物、电线杆塔等一定要符合安全距离要求。
3.3合理选择光缆
在雷害严重地段，应选择具有高强度绝缘介质的防雷特性较好的光缆。
3.4光缆与建筑物的安全距离
对已经发生过雷击的地段，应测试光缆线路的土壤电阻率，且在该地段增加防雷线或者消弧线，防止再次发生雷击事件。
（作者单位：中石油山东天然气管道有限公司）
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