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YDC 086-2010 电信线路及设备对雷击放电的防护措施.pdfYDC0862010
5.1电荷分布状态产生的物理现象
YY/T 0813-2010 交联超高分子量聚乙烯(UHMWPE)分子网状结构参数的原位测定标准方法（a）负极性雷击发展机理
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图4雷击峰值电流的统计曲线
雷击峰值电流的统计曲线
图5不同波形的脉冲电流包含的电荷量
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5.4介质的冲击击穿电压
对处于空气中的一对电极施加指定波形的脉冲电压并逐步增加其峰值，分别记录到电极击穿之前曾 经达到的峰值电压（见图6中a点）。波形起点至a点之间的时间被称为击穿时间或击穿滞后时间。如果 曾加施加的脉冲电压幅值，击穿点会提前，例如到达b点。进一步增加脉冲电压的幅值击穿点会移到波 形的峰值点c，甚至会移到波形的上升沿如点d和点e。为了实际使用，图7只给出了不同击穿电压下的击 穿时间并用一条曲线连接起来，这条曲线被称为典型击穿特性曲线，
6由脉冲电压曲线推出的脉冲击穿滞后特性曲
曲线1是以空气作为介质时的典型击穿特性曲线。 曲线2是以非气态物质作为绝缘介质时的典型击穿特性曲线
1是以空气作为介质时的典型击穿特性曲线。 2是以非气态物质作为绝缘介质时的典型击穿特性曲
图7典型击穿特性曲线
6大气电场与雷暴、雷击放电及其影响的关联
气电场与雷暴、雷击放电及其影响的关联
针对大气电场对通信领域影响的研究包括：雷电对大气电场的影响，雷电对架空线路和地下电缆的 影响，也包括对发生在电信设施安装地的雷击所引起的地电位上升的影响。 影响架空导体中电压的因素：悬挂在地面以上的单根水平导体中的电压取决于大气电场的影响，在 不存在导体遭受直接雷击的情况下电压值取决于下列因素： a）电场强度对时间的变化率
YDC086—2010 根小则感应电压将是微不足道的，因此电荷不会集聚并产生可觉察的电压。 b）导体的长度 电荷在一根长导体上的传播速度是300m/μs并最终消耗在导体内部或终端设备上。在一根两端开路 的短导体上，传输波在很短的时间内在端部被反射。因此在电场梯度相同的条件下，短导体中将产生更 高的电压。一根导体是划分成长导体还是短导体取决于反射波的累积效果是否足以显著地影响线路上的 对地电压。 c）导体的泄漏电流 如果导体的绝缘电阻较低，电荷将迅速的泄漏掉，导体上的电压将会下降。除非电场梯度对时间的 变化率非常高，否则绝缘电阻较低的导体上的电压将是可以被忽略的。导体的总泄漏电流近似的与它的 长度成比例。 d）导体的高度 感应电压是与导体的高度成比例的，除非另有规定，用于通信的电缆高度一般不超过6m
6.2大气中的电场强度
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在天气良好的条件下，地面上的电场强度大约是0.1kV/m。在有缓慢移动云层的天气下电场强度大 约是1kV/m。而在有一般积雨云的天气下电场强度可以达到4kV/m。暴雨云层像一个垂直的电偶极子，负 电荷位于较低的位置而正电荷位于较高的位置。当暴雨云层靠近时地表面的电场强度可能超过4kV/m， 处于暴雨云层正下方时电场强度可能达到5kV/m甚至10kV/m。地面向上越接近云层电场强度会越强。 即使是在正常天气条件下，这些大气电场强度可以在一个绝缘的导体和地面间产生高电压。在风暴 形成期间位于高处的导体上聚集的静电荷显著高于其他地方。 如果一个中等长度（例如3000m长）的导体（大略相当于一个雷雨云的宽度），当雷雨云掠过上 空时由于电场强度梯度发生变化使整个长度范围内都会受到影响。考虑到导体与地面之间的电容C和泄 漏电导G，导体的电压可表示为：
u= h.C. dE Gdt
式中E为电场强度，h为导体距离地面的高度。 对于这个长达3000m的导体，假如离地6m高则有0.007uF/km的对地电容和3×10°S/km的单位长度下 的泄漏电导，假设云团中的电场强度在1s内上升到15kV/m则可以计算出导体上产生的电压为21kV。如果 导体的绝缘电阻减少，则导体上的电压会相应减小可能只有数百伏。这个电压数值一般不会被超过，因 为电场强度梯度一般不会超过15kV/m，电场建立时间也不会只有1s这么短，也不会有长达3000m的导体。 如果导体一端接到大地，相应的上面提到的21kV电压在导体上产生的对地电流大约只是2mA。因此， 然在云团内电荷增加的期间一个具有良好绝缘的短导体上可以测量到一个上升的电压，但它包含的能量 是很小的。 晴朗天气下电场梯度的变化相对于上述条件下的变化是非常微弱的，以致在短导体上产生的电压可 以忽略不计。 在晴好、干燥的天气下，吹向通信线路的带电灰尘和沙粒会带来静电，这个现象在干旱地区的大风 期间表现得更为明显。虽然在缺乏防护的情况下会产生很高的电压，但产生的过程与闪电相比是缓慢的， 且线路对地放电时产生的电流也是非常微弱的。类似的情况在干燥天气下雪的时候也会出现。
G6. 2. 2闪电发生时的电场
当雷电放电从云团向地面发展的时候位于下行先导下方的电场强度迅速增加。地面上距先导末端水 距离数百米的位置，测量到的电场强度高达每厘米数千伏特 图8给出了在云团和地面形成放电通道时地面上电场强度的变化规律，它是对地雷击时地面电场强 与距离的关系，也是放电电荷量的函数。 与云地放电时相比云间放电形成的电场强度是非常小的
6.3架空导体上沿水平方向的电压
土壤电阻为零）下对约3km长的导
图8对地雷击时地面电场强度与距离的关系
6.3.1对地雷击在假定理想地面条件（土壤电阻为零）下对药3km长的导体的影响 如图9所示，在雷电反击电流作用期间电场变化率是非常高的，因而在临近的导体上产生的电压、 电流不能忽略。当负极性电场减弱时产生的电场强度变化率是正的，因而在一个水平导体中感应出正电 玉并形成浪涌电流向导体的两端传播。位于或接近内电通道的导体上的感应电压最高。沿看导体传播的 降值电流在被削弱之前比其最大值仅有轻微的减少。如图10所示，随看与放电通道距离的增加，峰值时 间和半峰值时间都随之增加。 图11给出了无电压参数的感应电流峰值关系，对于雷电防护方面它是一个更为重要的特性。其中的 对地峰值电流值是在单个1000m或更长的导体末端测量得到的。在一个长导体上，两个方向传输的峰值
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图中用于曲线计算的参数取值： 梯形先导的有效速度：0.15m/μs 电荷中心的高度：2.5km 反击的速度：50m/μs 先导上的电荷分布：0.4C/1000m 箭式先导的速度：1.5m/μs 反击电流峰值：20kA 云团内总电荷量：35C
图9首次雷击期间地电位是时间和与雷击点距离的函数
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在土壤电阻不为零时对地雷击对约3kM长的导
土壤电阻率=1000Qm
图121kA，5/65uls电流冲击时地电位与距离的关系
随看离雷击中心距离的增加梯度会迅速下降，因此除非导体长度小于300m至400m，否则导体两端的 电位差主要取决于导体两端中最接近于雷击中心的那一端的电位。短导体的冲击阻抗取决于多个因素 包括反射、传输阻抗的迅速减小，以及在这种场合下接地电极的电阻。导体越短，其冲击阻抗会更快的 成小从而流过更大的电流。图13中给出了300m长的导体的电流的典型曲线。考虑雷击电流的峰值的统计 分布（见图4）以及在某些地区土壤电阻率有可能超过1000Q·m的情况，有可能在短导体上通过5000A至 0000A的峰值电流，这些数值比在图11中给出的那些数据更大一些。 这么大的电流在长导体上不常见，因为它们的冲击阻抗直到来自导体末未端的第一次反射之后才开始 减小。一条30km长的线路大约是在200μs之后，而在这期间主冲击波已经通过。此外，当电信线路安装 广保护器的线路的远端，只有在首次冲击电压波到达保护器后才将线路末端接地，一条30km长的线路需 要100us。因为雷击的大电流部分通常在100μs至200us内结束，线路上剩下的只有小幅值的电流。在高 土壤电阻率地区，与上述的短导体上发生的情况相类似，发生在一条长导体的末端附近并非常接近导体 的对地雷击会引起闪络并在导体中感应出很高的电流。 在雷电反击期间的小电流的放电也会引起电流流入一个短导体的接地端。在高地电阻率地区，在接 近和强烈雷电反击情况时，这种电流的持续时间是在1ms至20ms之间变化的，幅值可能高达50A或100A。 这种电流由干持续时间长有一定的危害性
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在雷击点这个导电半球体可以被认为是一个等效的接地体。雷击电流通过这个“接地体”散布流》 土壤中。 导电半球体的边界电阻R。等于：
积土壤条件下，例如当一个低导电性土壤层上堆积有一层厚度为d的高导电性腐质层土壤时， 面将形成圆盘状的导电结构并具备以下参数 （dro
pl pE. 70 和R。 4E. 41
在土壤电阻率p=100Q·m，土壤表面临界电场强度为250kV/m的条件下，当一个峰值I=100kA的 击放电电流进入大地时，我们有
ro=2.5m、Ro=6.3 Q。 ro=3. 1 m、R=7. 9 2 。
如果土壤是非均质的，击穿现象将会发生在比限值r。远得多的地方并形成长的击穿通道。 形或半球形导电结构周围电位会急剧下降形成了一个“电位漏斗”。考虑到边界电阻，半球形 导电结构的边界电压是：
Uo.= Pl.! 2元
导体的存在会增加半球形结构和电缆之间的击穿通道的长度ro，电缆四周也会构成导电区域。考 虑了这些因素后可以得到下列临界击穿距离的平均数值（其中I为电流峰值，单位：kA）
因此对于一个峰值电流达100kA的雷击放电来说我们可以得到雷击地点到电缆的临界击穿距离 是：
=5. 6m （对应于p=100Q·m的土壤） =12. 6 m （对应于p=1000Qm的土壤）
因此对于表面电阻较低的土壤，d～0.3ro。 而对于表面电阻率较高的土壤，d～0.7ro。 可风、地下由缴埋设深度·和球体半径的临
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因此对于表面电阻较低的土壤，d～0.3r。 而对于表面电阻率较高的土壤，d～0.7ro 可见，地下电缆埋设深度r和球体半径的临界值r。对于雷击的防护并不起决定性的影响。
6.5由雷击放电引起的其它影响
在雷电直接落在导体的情况下，即使是在雷击点也极少发生大面积金属融化情况。 在一个天线导体上的雷击点产生的热能W由下面的表达式确定
W =U[I(t)dt =U·Q
电弧与金属相接触的部位将会产生儿十伏特（例如50V）的电压降U。因此一个包含20C电荷的闪内电 将会释放1000J的能量相当于250ca1的热量。如果忽略雷击期间热量的损失，这个热量可以融化一颗直 经为5mm的钢珠。由于电缆外套采用的材料铅具有的比热系数和更低的熔化温度使它比其他金属对热量 更为敏感。 同时，如果电缆铅制护套的绝缘外皮上被过电压击穿破孔，将使能量集中，从而在铅制外套上破坏 成孔的程度更大。在这种情况下，大约1C的电荷就足以将铅制护套击穿。 雷击电流在导体中流动将会产生热量，在电弧和导体中产生的总热量与下式相关：
上式的平均值约为10°As，而最大值约为5X10°A's 如果金属导体的横截面足够大则它的温度不会显著上升。导体是否融化取决于它的横截面积、电流 值和电流持续的时间。综合这些参数可以得出下式表示的经验融化系数S：
A=导体的横截面积，单位：mm。 T2=冲击电流的半峰值时间，单位：S。 根据这个公式可以计算出使导体温度上升到融
在峰值电流170kA，半峰值时间65μs的雷电流作用下，直径为2.4mm（横截面积=4.4mm）的铜导线 会达到熔化温度。一个相同直径的铁导线只要电流达到上述的一半就会融化。一个横截面积大约为10mm （直径约为4mm）的铜导体可以承受任何雷击电流而不会出现温度达到融化点的情况。
6.5. 1. 2机械应力的影响
除了雷电流的温度效应以外，机械应力取决于磁场能量并且与自感和电流的平方成比例。在观察中 发现，当雷击电流通过一个横截面积为50mm并带有90直角弯曲结构的导体时，由于直角形状的放电 通道具有较高的自感因而会在弯曲处产生闪络现象，同时该处的机械应力也会上升。 安装在理地管道内的同轴电缆在承受大电流的对地雷击时由于环绕电缆四周的潮气瞬时蒸发产生 压力，有时能将电缆压扁。参见7.2.1的内容。
6.5.2在非导电材料上的影响
当雷电击中一个非金属材料时（如木材、砖石建筑物等），在电流通过期间巨大的分布能量以热的 式被释放出来，从而使材料内部包含的水分被加热汽化。由于这一过程很短暂，在极高的压力影响下 导致木桩、横梁、树木以及围墙象爆炸般爆裂开来
7雷击放电对架空和理地通信线路的影响
7.1在架空线路上的雷击
对直接雷击对高压线路的影响进行了大量的理论研究和测量，所获得的机理和结果同样适用于通信 线路。下面对通信线路的雷击影响作简单描述。 在离通信线路25m以内的对地雷击可能会对线路产生影响。如果导线被击中，在临近的电线杆绝缘 子会产生火花击穿，但不会损坏。大多数在通信线路上发生的直接雷击会产生绝缘子闪络，但是不会损 害线路。 由铁质电线杆或水泥电线杆与加固桩一起形成雷击接地体，雷击一般情况下通过电线杆入地。当电 线杆被击中之后，雷电流在接地电阻上产生的电压降使绝缘子闪络。主干电缆的绝缘子在80kV到100kV 时会击穿，用户线路绝缘子在50kV到70kV时会击穿，但是该绝缘子或许不会受到物理损伤。 雷击电流和线路已定时，架空线缆受到直接雷击，通过保护装置的入地电流大小主要取决于雷击的 部位。因为雷击的跨度一般是两到三个杆区，所以雷击电流一般情况下都是倾向于通过通信线路的末端 流向大地。在离线路末端一定距离的雷击有时候会产生一个行波，对于在铁质电线杆、水泥电线杆上以 及有接地线的木质电线杆的一条导线来说，当雷击发生地离线路末端1000m左右的地方时，将不会产生 峰值超过200A的电流。 当木质电线杆没有接地线时，电流（的峰值）将会大一些。 架空线在转接埋地电缆前两、三个杆区遭受直击雷时，大部分会通过保护装置或击穿线缆的绝缘而 入地。在前述最严酷情况下，架空线路的保护装置应与预测的雷电流强度相匹配（参看7.2.2）
7.1.1雷击浪涌在多对架空线路上的传播及反
前面的章节已经叙述了单一导线的情况，而且完全忽略了其它平行导线对传播和反射的影响。实际 上，这些外界条件都会明显地改变线路末端电压、电流值（参看附录C.1）
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7.1.2(对)架空线缆的影响
并没有证据显示，有或者没有金属外壳的架空线缆对直接雷击比架空电缆裸线更加敏感。这是因为 在一根线缆的导体与一根架空电缆的导体相比非传导性强度的减弱。当然，电缆的导体一般都具有较小 的直径，在遭遇雷击影响的时候比架空电缆的导体更容易被融化。无论如何，雷击对直接领近电缆或是 对地的影响取决于电缆的类型以及此电缆是如何安装的。 没有外壳以及金属屏蔽的高空电缆与架空电缆描述的现象比较一致。如果他们被载波电缆所延退或 者安装了地下导体，这些线路都将会为线缆提供防护雷击的保护。 没有外壳以及金属屏蔽的高空电缆将不会被所谓的由大气中的电场所产生的静电影响所影响。在绝 层产生的放电电流与下面章节所要叙述的地下电缆的放电电流现象有很多相似之处， 由于电缆都是在不同的地点接地，所以相当大的电流会沿着外壳传播一段距离。 除非电缆具备足够的抗电能力，在外壳产生的电压将会足够击穿导体与外壳
7.2在埋地通信线缆附近发生的雷击
在离地面有一定距离的雷击放电到地表时， 将会对理地通信线缆产生一 的影叫。 的距离将会严重地影响到电缆的传输，在6.4中详细讲述 当雷电流通过地表，尤其是当砂石的电抗很高的时候，将会通过砂石的烧结形成管状分支路径
7.2.1对有金属外壳的线缆的影响
如果雷电流进入了线缆的末端（比如在连接到高地的发射站的点），所有的电流都将沿看电缆的金 属外壳传播。在另一个角度来讲，如果，雷电流在到达中途的时候，它（指电流）将被在有影响的两个 点的两端大致分为两部分，因此，我们在研究雷击中的这些影响的时候，只需要考虑一半的电流就可以 尽管电缆的金属外壳持续不断地接触地表，雷电流将会在分流到地表之前，在很大一段距离上在金 禹外壳表端流动。图14显示了正弦波电流和含有效电压频率的冲击电流的衰减。雷电流要通过比较长的 半衰期，（雷电流）含有低频频率的频谱，具有更低的损耗，尤其在地表电抗较高的地区传输距离更大。 在外壳上雷电流将在外壳的内表面产生一个电压点。这个雷击电压表现为在外壳和电缆导体之间的 个冲击电压。这个电压将会超过电缆芯电介质击穿的力度并会导致破坏性的放电。（在电缆芯和外
YDC086—2010 壳之间绝缘的纸质绝缘线缆需要经过2000Vr.=：50Hz的条件下，平均冲击击穿电压在4到6kV的测试。5kV 的平均电压将被视为最佳。） 下面的这些参数决定了在外壳与地表接触的情况下，外壳和导体之间的平均冲击电压。 a)雷电流的幅度； b)雷电流的持续时间； c）线缆外壳的传输阻抗： d）砂石的阻抗； e）在线缆上产生雷电流的点
虚线：在x点的电流峰值与在冲击电流接入点的值的，在不同冲击电流的波形下，砂石电抗p=10002m的比 值。
4显示了正弦波电流和含有效电压频率的冲击目
YDC0862010 图15和图16所示的函数曲线以及用附录C.2中的公式统计出的数据显示出在外壳和导体之间的电压 受参数c）和d）的影响程度。它们显示了在受雷击点同一方向上的金属外壳里传导1kA的冲击电流所影 响的值 图17显示了在导体和金属外壳之间最大冲击电压下的变化（金属外壳纵向电阻R=12/km）以外壳 引入线上的点的距离为x的一个函数。从x=0时的最大值得到距离为x的长度中电压在减小。这些曲线是 在电压最大值以时间为一个参数的时候得出的。图18给出了一个在5/65QXSB 0007S-2015 香格里拉市圣宝食品进出口有限责任公司 配制酒，地表阻抗为10002*m条件下的 示例波形。 当击穿发生在导体以及离雷击影响较近点的外壳时，外壳与导体将会因此接触到雷击防护装置，在 该接触点瞬间放电（尽管大多数情况下这种现象只发生于架空线缆和电缆之间），部分雷电流将随着电 宽流间导体。尽管导体/外壳电路上的电流装减比外壳/地表之间的装减小很多，在外壳和导体之间的 电压却随着离受击点（短路点）的距离而增加。
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15在通信线路金属外壳和导体之间的最大浪涌电压，在雷电流（波形5/65）接入点作为外壳 函数（线缆始端雷击电流）
116在雷击电流进入点的金属外壳和导体之 波形5/65）作为地表阻抗和不同的 阻抗的函数（ （雷击电流在线缆始端进入
在两个衰减指数与实际砂石阻抗间不同所影响的点随着距离x的增加而电压增加，见图19。 如果导体/外壳环路的衰减比较小，比如，多个导体和外壳短路，或者，电缆芯包含了一个有可作 为优质导体的外壳的同轴电缆，在电缆一定距离上，导体/外壳回路的最大电压或许会达到超过最大电 玉90%的值。这个最大电压值能够达到当导体和外壳之间没有绝缘体被击穿或者没有保护装置起火花的 临界最大值。当离雷击再次发生电压的点几百米和几千米的之间的距离时达到最大值之后，电压再次升 。 当电缆的金属护套直接或通过潮湿的黄麻编织切口与地表连续接触，见6.4（由雷击形成的球体半 径临界值ro的电位漏斗），金属护套形成了扭曲电场分布的等电位平均线。金属外壳吸收了部分雷电流 并逐渐将其分流，通常情况下不损坏电缆本身。
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波形l=5/65NY/T 2447-2013 椰心叶甲啮小蜂和截脉姬小蜂繁殖与释放技术规程，峰值1kAR=1ohm/km （雷电流在线缆始端的值）
图17在冲击电流进入点，在外壳和导体之间的最大电压值作为距离×的一个函数
图17在冲击电流进入点，在外壳和导体之间的最大电压值作为距离×的一个函数