王 媛，張 偉，肖 威，秦暢暢，李 陽

(1.貴州省普安縣氣象局，貴州 普安 561500，2.貴州省黔西南自治州氣象局，貴州 興義 562400，3.貴州省安龍縣氣象局，貴州 安龍 552400，4.貴州省黔東南自治州氣象局，貴州 凱里 556000)

1 引言

隨著信息化時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的依賴越來越嚴(yán)重。當(dāng)1982年趙梓森院士研發(fā)出第一條光纜就標(biāo)志著中國具有了自主研發(fā)、自主生產(chǎn)光纜的能力，并由此打開了光通信建設(shè)的時(shí)代。現(xiàn)在光纜正取代各大營業(yè)商接入網(wǎng)的主干線、配線、市話主干線，并同時(shí)進(jìn)入室內(nèi)綜合布線系統(tǒng)和局域網(wǎng)。光纜還正進(jìn)入有線通信的各個(gè)領(lǐng)域，成為通信網(wǎng)的重要組成部分[1-3]。光纜的介入促進(jìn)了國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，同時(shí)也給人民生活帶來了極大便利。然而，雷電發(fā)生后，直接或間接的影響著埋地電纜的壽命和使用情況[4-7]。因此，研究雷擊對(duì)埋地電纜危害及影響是非常有必要的。

國外對(duì)埋地電纜過電壓的研究十分的重視，所建立的仿真模型均以經(jīng)典理論為基礎(chǔ)[8-9]，主要是將土壤電阻率作為單一均勻的情況。然而實(shí)際情況，埋地電纜耦合過電壓與埋地深度、電纜間距等都有較大的相關(guān)性，且經(jīng)典理論中忽略了閃電先導(dǎo)通道等情況[10]。國內(nèi)對(duì)埋地電纜雷擊危害以及過電壓的研究相對(duì)較少，張水平等[11]針對(duì)雷擊大地時(shí)測量不同埋地電纜深度處的土壤電阻率的變化情況，研究其感應(yīng)雷擊過電壓變化趨勢，指出通過增大埋地深度、降低土壤電阻率等方法，可以減小雷擊對(duì)通信電纜的影響。李萌等[12]利用8/20μs雷電流波形沖擊試驗(yàn)，通過建立的埋地電纜、閃電通道、大地一體化模型，主要研究了其對(duì)雷電波抑制過程的研究。于暉等[13]通過實(shí)際的測量觀測手段，研究了不同類型的電纜對(duì)雷電過電壓的影響。指出了，電纜屏蔽層能夠降低過電壓峰值。

雖然部分學(xué)者對(duì)埋地電纜雷擊感應(yīng)過電壓進(jìn)行了研究，但基本都是借助實(shí)際的觀測、沖擊試驗(yàn)，并沒有研究埋地電纜不同的環(huán)境因素對(duì)雷擊過電壓的影響，且不能定量的給出電纜埋地最合適的方式及位置。因此，本文通過2.6/50 μs計(jì)算理論雷電流波形，建立埋地電纜和閃電通道幾何關(guān)系模型，研究不同埋地深度、雷擊點(diǎn)水平距離、電纜接地間隔因素對(duì)金屬護(hù)套層和金屬芯線間產(chǎn)生雷電感應(yīng)過電壓的影響，定量的分析出埋地電纜最合適的環(huán)境因素。本文研究所得結(jié)論能夠?qū)Ψ览坠こ烫峁┳钪苯拥墓こ讨笇?dǎo)意義，具有實(shí)際的應(yīng)用前景。

2 雷電流計(jì)算模型

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)《IEC1312-1雷電電磁脈沖防護(hù)》[14]中，提出了供學(xué)者分析用的雷電流模型，即Heidler函數(shù)模型。1985年，Heidler提出了自己研創(chuàng)的Heidler雷電流解析函數(shù)模型[15-16]，相對(duì)于雙指數(shù)函數(shù)優(yōu)點(diǎn)就在于該表達(dá)式很好的反映了雷電的各種特征并且利用自身變換式中相關(guān)雷電流參數(shù)得出雷電流中的特征參數(shù)。

首先Heidler提出的表達(dá)式因本文需要寫成：

(1)

根據(jù)國內(nèi)采用的雷電流參數(shù)2.6/50 μs的雷，取雷電流峰值I=10 kA使用matlab仿真軟件得出了圖1本文所采用的雷電流波形。

圖1 雷電流2.6/50 μs波形圖Fig.1 2.6/50 μs waveform diagram of lightning current

3 雷擊埋地電纜過電壓計(jì)算模型

討論埋地電纜金屬護(hù)套層和金屬芯線間因巨大雷電流產(chǎn)生感應(yīng)過電壓可能造成其絕緣外護(hù)套層擊穿的具體因素，采用如圖2所示的計(jì)算通信電纜金屬護(hù)套層和金屬芯線之間雷電感應(yīng)過電壓時(shí)將埋地電纜等間距D接地進(jìn)行分析的方式，具有絕緣外護(hù)套層并以等間隔D接地的埋地通信電纜。

圖2 埋地電纜以等間隔D進(jìn)行接地Fig.2 Grounding cables are grounded at equal intervals

埋地電纜和雷電通道的幾何關(guān)系如圖3所示。

圖3 埋地電纜和雷電通道計(jì)算幾何模型Fig.3 Geometric model of buried optical cable and lightning channel

本文根據(jù)宋聲浩等[17]所提出的地下電纜與雷擊點(diǎn)最近處電壓變化計(jì)算公式中，并結(jié)合本文所采用的2.6/50 μs波形，對(duì)計(jì)算過電壓進(jìn)行改進(jìn)，得出距離雷擊點(diǎn)最近處電壓瞬時(shí)值的計(jì)算表達(dá)式為：

(2)

上述表達(dá)式中，R為集中埋地電纜接地單元段上金屬護(hù)套的電阻(Ω)，G為各個(gè)埋地電纜接地體的電導(dǎo)率(S)，D為埋地電纜接地間隔(km)，L1為集中埋地電纜接地段每千米金屬護(hù)套的電感(mH/km)，d為埋地電纜和雷擊大地入點(diǎn)的水平距離(m)，Ze為埋地電纜的埋地深度(m)。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 電纜埋地深度與感應(yīng)過電壓關(guān)系

為了研究埋地電纜金屬護(hù)套層和金屬芯線間感應(yīng)過電壓與埋地電纜埋地深度Ze的關(guān)系,假定參數(shù)取值為：I=10 kA，ρ=500 kA，D=1 km，G=0.2 s/m，d=10 m，t=150 μs，埋地電纜絕緣外護(hù)套層耐壓值U2=100 kV。通過改進(jìn)的距離雷擊點(diǎn)最近處電壓瞬時(shí)值計(jì)算公式(2),通過改變埋地深度Ze的值，可以計(jì)算出埋地電纜金屬護(hù)套層和金屬芯線間不同深度所對(duì)應(yīng)的感應(yīng)過電壓值。圖4為計(jì)算出的感應(yīng)過電壓與電纜埋地深度關(guān)系變化趨勢，圖中顯示出埋地電纜金屬護(hù)套層和金屬芯線間感應(yīng)過電壓隨電纜埋地深度呈遞減形式，在埋地深度0.5～2.5 m的范圍內(nèi)，感應(yīng)過電壓遞減的幅度相對(duì)較大，在2.5 m后其埋地電纜絕緣外護(hù)套層和金屬護(hù)套層間感應(yīng)電壓趨于平和。

圖4 感應(yīng)過電壓與電纜埋地深度關(guān)系變化趨勢Fig.4 The changing trend of the relationship between the induced overvoltage and the buried depth of the cable

4.2 雷擊大地入點(diǎn)的水平距離對(duì)電纜感應(yīng)過電壓的影響

為了研究雷擊大地入點(diǎn)的垂直距離對(duì)埋地電纜金屬護(hù)套層和金屬芯線間感應(yīng)過電壓的影響,所設(shè)定的計(jì)算參數(shù)值與4.1中一致，同時(shí)假定電纜埋地深度為5 m。利用公式(2),通過改變雷擊大地入點(diǎn)的水平距離d的值,可以計(jì)算出埋地電纜金屬護(hù)套層和金屬芯線間不同雷擊大地入點(diǎn)的水平距離所對(duì)應(yīng)的感應(yīng)過電壓值。圖5為計(jì)算出的感應(yīng)過電壓與雷擊點(diǎn)關(guān)系變化趨勢，由圖可知，埋地電纜金屬護(hù)套層和金屬芯線間感應(yīng)過電壓與雷擊點(diǎn)的水平距離在20 m前遞減陡度最大，20 m之后感應(yīng)過電壓變化趨勢相對(duì)較小。因此，綜上分析，在實(shí)際的電纜敷設(shè)過程中埋地電纜和孤立大樹等物體水平距離大于20 m時(shí)，雷擊對(duì)埋地電纜造成的危害最小。

圖5 感應(yīng)過電壓與雷擊點(diǎn)關(guān)系變化趨勢Fig.5 The relationship between the induced overvoltage and the lightning strike point

4.3 埋地電纜接地間隔對(duì)電纜感應(yīng)過電壓的影響

為了研究埋地電纜接地間隔對(duì)埋地電纜金屬護(hù)套層和金屬芯線間感應(yīng)過電壓的影響,所設(shè)定的計(jì)算參數(shù)值與4.1中一致，同時(shí)假定電纜埋地深度為5 m，與雷擊點(diǎn)的水平距離為20 m。利用公式(2),通過改變埋地電纜接地間隔D的值,可以計(jì)算出埋地電纜金屬護(hù)套層和金屬芯線間不同埋地電纜接地間隔所對(duì)應(yīng)的感應(yīng)過電壓值。圖6為感應(yīng)過電壓與埋地電纜接地間隔變化趨勢，圖中可以看出，埋地電纜金屬護(hù)套層和金屬芯線間感應(yīng)過電壓與埋地電纜接地間隔呈遞增，在2 km處趨于平緩，所以埋地電纜敷設(shè)過程中一般按每隔2 km做一次接地。

圖6 感應(yīng)過電壓與埋地電纜接地間隔變化趨勢Fig.6 Change trend of grounding interval between overvoltage and buried cable

5 結(jié)論

正如今隨著互聯(lián)網(wǎng)的極速發(fā)展，光纜的構(gòu)造十

分復(fù)雜且價(jià)格成本高昂，對(duì)于后期維護(hù)也十分困難。本文就埋地光纜的防雷進(jìn)行了深入研究。本文通過2.6/50 μs計(jì)算理論雷電流波形，建立埋地電纜和閃電通道幾何關(guān)系模型，研究不同環(huán)境因素對(duì)金屬護(hù)套層和金屬芯線間產(chǎn)生雷電感應(yīng)過電壓的影響。主要得出：埋地電纜金屬護(hù)套層和金屬芯線間感應(yīng)過電壓隨電纜埋地深度呈遞減形式，與雷擊點(diǎn)的水平距離在20 m前遞減陡度最大，同時(shí)與埋地電纜接地間隔呈遞增，在2 km處趨于平緩。