探讨电力信息系统的雷电电磁脉冲防护

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摘要：根据现代雷灾新特点，探讨了如何从外部无源保护、内部防护和接地处理等方面采取有效措施，确保电力信息系统安全。

　　关键词：电力信息系统；雷电电磁脉冲防护LEMP；防雷保护区LPZ

　　1、引言

　　《国际建筑物防雷规范》（IEC61024－1－11998）第一部分通则，其导言一开始就指出：“应该注意到，到目前为止还没有任何一种装置或方法能阻止雷电的产生，也没有能阻止雷击到建筑物上的器具和方法”。因此在电力信息系统设计之初就应该充分估计到防雷的必要性。自富兰克林发明避雷针后，建筑物得到有效保护。然而在信息时代的今天，电脑网络和通讯设备越来越精密，对其工作环境的要求越来越高。雷电以及大型电气设备的瞬间过电压会越来越频繁的通过电源、信号等线路侵入网络设备，容易造成设备或元器件损坏、人员伤亡、传输或储存的信号（或数据）受到干扰（或丢失），甚至使电子设备产生误动作或暂时瘫痪、系统停顿、数据图象传输暂停、局域网乃至广域网遭到破坏。

　　其危害触目惊心，间接损失一般远远大于直接经济损失。我国WTO的加入，各种现代科技在电力系统的全面推广运用，电力信息系统进一步完善，这些信息系统以高功能、高速度、低电压和低功耗的微电子技术为基础。微电子设备对电磁干扰有着固有的敏感性，而电力系统又是一个高能量的电磁污染环境，在这严酷的电磁环境中运行的信息设备的电磁兼容性（EMC）问题就显得更为突出。所有电磁兼容问题都涉及到干扰源、耦合机理和敏感部件三个方面。本文探讨的目的是使三者之间在技术先进和经济合理的前提下作出恰当选择，使电力信息系统安全、可靠、稳定运行。

　　2、现代雷灾新特点[1]

　　我国大部分地区于2、3月份就进入了雷电期。城市高楼的增加使雷电击穿空气的距离缩短，因为雷击概率与建筑高度成正比，所以雷击概率加大。同时，由于全球气候变暖，城市热岛现象增多，使城市的大气环流出现了新特点，夏季雷暴期延长。而更重要的是，随着科技的进步，微电设备被广泛应用，城市通信电源大幅增多，电磁场发生变化，特别是微电子产品普遍绝缘强度低，过电压耐受力差，容易遭受雷电侵袭，其中电脑网络、通讯指挥系统和公用天线都是重灾区。据统计，在各种灾害造成的损害中，感应雷击造成的损害高居榜首，占全部灾害损失的33.8％。当人类社会进入电子信息时代后，雷灾出现的特点与以往将有极大的不同，可以概括为：

　　（1）受灾面扩大。从电力、建筑这两个传统领域扩展到几乎所有行业，尤其是与高新技术关系最密切的领域，如航天航空、国防、邮电通信、计算机、电子工业、石油化工、金融证券等。

　　（2）从二维空间入侵变为三维空间入侵。从闪电直击和过电压波沿线传输变为空间闪电的脉冲电磁场，从三维空间入侵到任何角落，无孔不入地造成灾害。防雷工程已从防直击雷、感应雷进入防雷电电磁脉冲（Lightning Electro-magnetic Pulse Protection，LEMP），即雷电灾害的空间范围扩大了。

　　（3）雷灾的经济损失和危害程度显著增加。被袭击对象本身的直接经济损失有时并不太大，而由此产生的间接经济损失和影响就难以估计。例如1999年8月27日00：02左右，某寻呼台遭受雷击，导致该台中断寻呼数小时，其直接损失是有限的，但间接损失远远超过直接损失。

　　（4）雷灾的主要对象已集中在微电子器件设备上。这是产生上述特点的根本原因，也是关键特点。雷电本身并没有变，而是科学技术的发展，使得人类社会的生产生活状况变了。微电子技术的应用渗透到各种生产和生活领域，微电子器件极端灵敏这一特点很容易受到无孔不入的LEMP的作用，造成微电子设备的失控或者损坏。当今时代防雷工作的重要性、迫切性、复杂性增加了，雷电的防御已从直击雷防护到系统防护，所以必须站到历史时代的新高度来认识和研究电力信息系统的现代防雷技术，提高防御雷灾的综合能力。

　　3、雷电冲击波的入侵途径

　　雷击可分为直击雷和感应雷。随着经济的发展，感应雷和雷电波侵入造成的危害却越来越大。一般建筑物上的避雷针只能预防直击雷，而强大电磁场产生的感应雷和脉冲电压却能潜入室内危及各种弱电设备。对于电力信息系统来说，通常情况下，重点考虑感应雷的防护。常见雷电冲击波的入侵途径有[2]：

　　① 雷电击在外部建筑物的防雷系统上；

　　② 浪涌在接地电阻上引起电压降；

　　③ 环路感应过电压；

　　④ 雷电击在远处架空电力线上；

　　⑤ 雷云之间放电在电力线上引起感应雷电波及过电压；

　　⑥ 雷击通信线、电力线附近地面或地面上其它设施在线路上引起感应雷电波及过电压；

　　⑦ 电磁脉冲场穿透建筑物，直接作用于电力信息系统。

　　4、电力信息系统对雷电电磁脉冲的防护措施

　　电力信息系统是指电力系统内各种形式的电子系统，包括计算机、通信设备、控制系统等。因为从EMC观点看，电子设备、信息设备和信息系统是同一类型的设备和系统，故本文中未严格区别。雷电电磁脉冲防护LEMP将直击雷之外的雷击灾害的防护也包括在内。电力信息系统雷电电磁脉冲的防护所涉及的防雷范围、技术措施等要比直击雷的防护更复杂，两者具有不可分割的内在联系，但又有分工，只是考虑的角度和方法不同。

　　电力系统建筑物本身的防雷装置是建筑物内信息设备及系统防雷的第一道屏障，建筑物本身的防雷性能直接影响其内在信息系统的防雷，因此要搞好信息系统防雷，首先应重视建筑物本身的防雷。因此在建筑物设计和施工时就要考虑到作为网状接闪器、引下线和接地体的钢筋网络之间的电器联结，使之成为较理想的“法拉第笼”式避雷体[3].建筑物防雷设计、施工和管理必须严格执行国家标准《建筑物防雷设计规范（GB 50057-94）》。电力信息系统微电子设备对雷电电磁脉冲的防护是一项较复杂的系统工程，它涉及到建筑物结构、屏蔽、接地、等电位联结（或通过浪涌保护器做等电位联结）、供电、设备与线路布置及外部电磁环境都有密切关系。我国还未出台完整的电子设备防雷国家标准，故可参照IEC-1312-1（雷电电磁脉冲的防护）和有关行业标准进行工作。

　　根据IEC-1312-1雷电电磁脉冲防护（LEMP）的防雷保护区LPZ（Lightning Protection Zones）原则（即根据不同信息系统对电磁场环境的不同要求，设置分层次、分级保护区或保护空间的措施），对电力信息系统的防雷保护必须实行可靠的多层分级（类）保护的避雷装置。所谓多层分级（类）保护原则就是根据电气、微电子设备的不同功能及不同受保护程序和所属保护层确定防护要点作分类保护；电器设备对外联系的所有通道（从电源线到数据通信线路）都应做多级（层）保护[4].

　　（1）外部无源保护 在0级保护区即外部作无源保护，主要有避雷针（网、线、带）和接地装置（接地线、地极）。 建筑物内金属门窗、玻璃幕墙、吊顶龙骨架、灯线、管线等，通常予以忽视，未作接地。二次回路使用的直流蓄电池作浮点运行（特别是旧式电池体积庞大），这些都是雷电二次效应的推波助澜者，是电子设备潜在杀手。建筑物的所有外露金属构件（管道）都应与防雷网（带、线）有良好的连接[5].

　　（2）内部防护 电源部分防护 雷电侵害主要是通过供电线路侵入。高压部分电力局有专用高压避雷装置，而低压线路部分则无法控制。所以对380V低压线路应进行过电压保护，按国家规范应分三部分：

　　① 建议在高压变压器后端到楼宇总配电盘间的电缆内芯线两端应对地加避雷器，作一级保护；

　　② 在楼宇总配电盘至楼层配电箱间电缆内芯线两端应对地加装避雷器，作二级保护；

　　③ 在所有重要、精密设备以及UPS的前端应对地加装避雷器，作为三级保护。其目的是用分流（限幅）技术即采用高吸收能量的分流设备（避雷器）将雷电过电压（脉冲）能量分流泄入大地，达到保护目的，所以分流（限幅）技术中采用的防护器的品质、性能好坏是直接关系网络防护的关键，因此选择优良的避雷器至关重要[4]. 信号部分保护 对于信息系统，应分为粗保护和精保护。粗保护量级根据所属保护区的级别确定，精保护要根据电子设备的敏感度进行确定，主要考虑卫星接收系统、电话系统、网络专线系统、监控系统等。建议在所有信息系统进入楼宇的电缆内芯线端，对地加装避雷器，电缆中的空线对应接地，并做好屏蔽接地，其中应注意系统设备的在线电压、传输速率、接口类型等，以确保系统正常工作[4].

　　多重屏蔽、多重防护 微电子设备工作电压低，击穿功率小，靠单一屏蔽难以达到预期效果，必须采取多重屏蔽。利用建筑物钢筋网组成的法拉第笼及设备屏柜金属外壳、装置金属外壳等逐级屏蔽，有条件的话，在重要进出设备的同一条信号线上应安装多个防雷保安单元。等电位连接，为彻底消除雷电引起损坏的电位差，需实行等电位连接。电源线、信号线、金属管道等都要通过过压保护器进行连接，各个内层保护区的界面处同样要依此进行局部等电位连接，各个局部等电位互相连接，最后与主等电位连接棒相连。做好等电位联结比追求小接地电阻更实用，如果真正做到处处电位相等或电位差很小，就不会损坏任何微电子设备[2].

　　（3）接地处理[4] 在电力信息系统的建设中，一定要有一个良好的接地系统，因所有防雷系统都需要通过接地系统把雷电流泄入大地，从而保护设备和人身安全。如果接地系统做得不好，不但会引起设备故障，烧坏元器件，严重的还将危害工作人员的生命安全。另外还有防干扰的屏蔽问题和防静电问题都需要通过建立良好的接地系统来解决。一般整个建筑物的接地系统有建筑物地网（与法拉第网相接）、电源地（要求地阻小于10W）、逻辑地（也称信号地）、防雷地等，有的公司（如IBM）要求另设专用独*立地，要求地阻小于4W（根据实际情况可能也会要求小于1W）。然而，当各地必须独*立时，如果相互之间距离达不到规范的要求，则容易出现地电位反击事故。因此当各接地系统之间的距离达不到规范的要求时，应尽可能连接在一起，如实际情况不允许直接连接，可通过地电位均衡器实现等电位连接。为增加接地装置的可靠性，建议使用专业公司生产的专用接地棒，并使用无公害降阻剂。接地装置的选材和施工应由专业人员执行。

　　5、实效分析

　　本局调度大楼建于1987年，占地总面积1680m2（包括附房），共8层，建筑总高度为33.20m.其中1、2层为“钢混”结构，3～8层为“砖混”结构。调度室位于第8层，室内高度为4.8m.本楼建成最初，附近没有更高的楼层。 由于本地处于沿海地带，土壤导电性好，当时全大楼“接地网”地网结构采用标准“梅花桩”形状，埋地垂直接地体采用5×50×2500热镀锌角钢，水平接地体采用5×50热镀锌扁钢，垂直接地体与水平接地体的连接采用双面焊接，水平接地体与水平接地体的搭接采用双面焊接，焊接长度不小于10cm，焊接处用沥青油做防腐处理。接地线用5×50的热镀锌扁钢，预留接地测试点。

　　连接各层均压网及房顶避雷带的接地引线采用直径为14的热镀锌圆钢，汇接点用扁钢连接，在扁钢上预留连接孔，配备相应规格的铜螺丝。完工后实测接地电阻为0.31W.（本段中没有带单位的数字的单位为毫米，mm） 1994年对调度室（包括通信、自动化机房）进行全面整改，整改后的接地将防雷地、工作交流地、静电地、屏蔽地、绝缘地、安全保护地采用同一大楼的接地体。采用防静电地板、金属门（窗）、全封闭金属墙等将室内所有设备（包括金属门窗、地板、金属墙、吊顶龙骨架、灯线、管线等）全部与大楼接地网相连，形成可靠的等电位屏蔽网。

　　临海是个多雷区，自从采取以上可靠的多重屏蔽和多重防护措施后，由于所有微电子设备（如总机、光端机等）进出信号线基本上都是通过“音频配线架”，因而把受雷击的薄弱环节集中到“音频配线架”内的两个相对应的防雷保安单元。近8年的实际运行中，雷击打坏的总是“音频配线架”内的防雷保安单元，而局调度室内各微电子设备（如总机、光端机、计算机等）从未遭雷击直接损坏。多年来，受雷击影响最严重的一次是1997年8月的一次雷击中，同时打坏了“音频配线架”内的27个防雷保安单元，其中18个是同一信号线上安装的两个对应的防雷保安单元，而其所保护的调度总机设备则安然无恙。

　　6、结束语

　　雷电灾害被国际电工委员会（IEC）称为“电子化时代的一大公害”。

　　从某种意义上说，科技越发达，雷击对人们的威胁就越大。电力信息系统防雷工作是一项较复杂的系统工程，根据浙江省临海市供电局的经验，只要认真执行有关标准和上述几点要求，一般情况下就能使其达到安全可靠和稳定运行的要求。

　　参考文献

　　[1] 上海市防雷中心网站。防雷知识[DB/OL].http://www.lightning.sh.cn/flzsf.htm，2002-02-20.

　　[2] 蔡益宇。探讨发电厂、变电站自动化系统的防雷保护[J].电气世界，2002（2）：23-24.

　　[3] DL 548-94，电力系统通信站防雷运行管理规程[S].

　　[4] 深圳市擎天怡防雷技术开发有限公司网站。小君工作室防雷知识[DL/OL].http：/www.thor-china.com/t3.html，2002-02-20.

　　[5] 郭兆中。雷击对变电所电子设备的危害及其防护[J].电力自动化产品信息，2001，4（12）：32-36.