電力通信信息系統(tǒng)雷電防護(hù)技術(shù)探討

雒新萍，陳 雯，李曉磊

陜西省突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，陜西西安 710015

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種精密弱電設(shè)備被廣泛應(yīng)用于電力通信信息系統(tǒng)機房。這些電子設(shè)備由于其耐壓水平低、抗干擾性能差、電磁兼容性弱等原因，往往成為雷電電磁脈沖的主要干擾對象。如何提高防雷技術(shù)是保證信息系統(tǒng)安全必不可少的重要環(huán)節(jié)。電力通信信息系統(tǒng)是由大量的電子設(shè)備組成，但信息系統(tǒng)在運行過程中容易受到外界電磁干擾。微電子設(shè)備在運行狀態(tài)下被雷擊侵害的情況，也使得電子設(shè)備在應(yīng)用過程中考慮雷電保護(hù)組織。通過明確電力通信信息系統(tǒng)獨特的系統(tǒng)特點，在了解這種雷電危害的基礎(chǔ)上，尋求電力通信信息系統(tǒng)的防雷措施[1-2]。

1 雷擊對電力通信信息系統(tǒng)的損害

雷電災(zāi)害是我國十大自然災(zāi)害之一。據(jù)統(tǒng)計，全國21個省、市、區(qū)雷暴日數(shù)均在50 d以上，最多可達(dá)134 d。在夏季，大氣中經(jīng)常出現(xiàn)強烈的閃電，通常伴有強烈的轟鳴聲，這種現(xiàn)象通常稱為閃電現(xiàn)象。當(dāng)一部分帶電的云層和另一部分帶異種電荷的云層或帶電的云層對大地突然放電時，這個過程會產(chǎn)生強烈的閃電，并伴隨著巨大的轟鳴聲，這種現(xiàn)象被稱為雷擊。當(dāng)然，云層之間的排放主要對飛機構(gòu)成威脅，對地面上的建筑物和人沒有重大影響。然而，地面上的云的排放將對地面上的建筑物、電氣設(shè)備、人和動物卻會造成巨大的危險。

我國雷電災(zāi)害損失80%以上為通訊、電子和配電系統(tǒng)。雷電對電力通信信息系統(tǒng)機房的影響主要發(fā)生在以下4個方面：一是局域網(wǎng)絡(luò)元器件與不同電壓等級的供電電路或電氣設(shè)備直接接觸；二是累積靜電對局域網(wǎng)電纜及組件的影響；三是將高能量密度的暫態(tài)電流與當(dāng)?shù)仉娏€系統(tǒng)耦合；四是連接在一起的網(wǎng)絡(luò)部件之間的接地端子之間有不同的電氣差異。這些影響將導(dǎo)致機房電氣設(shè)備的損壞、信息系統(tǒng)的癱瘓和不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。因此，電力通信信息系統(tǒng)機房的防雷措施應(yīng)兼顧安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、耐受性和可維護(hù)性。

電力通信信息系統(tǒng)在運行過程中工作環(huán)境復(fù)雜，系統(tǒng)設(shè)備容易受到雷電干擾，導(dǎo)致整個設(shè)備損壞。直流電不僅能產(chǎn)生感應(yīng)閃電，還能產(chǎn)生特殊類型的電磁脈沖。目前，電力通信信息系統(tǒng)設(shè)備廣泛應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境中，容易受到外界干擾和復(fù)雜環(huán)境的影響。電力通信信息系統(tǒng)設(shè)備難以正常運行，影響到其他工作的順利開展。

電力通信信息系統(tǒng)運行狀態(tài)下設(shè)計信息的傳遞和數(shù)據(jù)的處理，以及電力通信信息系統(tǒng)的接口也是風(fēng)險的主要渠道。電力通信信息系統(tǒng)內(nèi)部的多樣化系統(tǒng)設(shè)備不僅具有信號采集功能，還具有數(shù)據(jù)處理、傳輸、存儲和處理的功能。整個電力通信信息系統(tǒng)的多鏈路、多接口、長線路也使得其在運行過程中更容易受到外界干擾。感應(yīng)脈沖通過電力通信信息系統(tǒng)接口侵入系統(tǒng)，使整個系統(tǒng)無法正常運行。雷擊發(fā)生時，設(shè)備過電壓損壞也是整個電力通信信息系統(tǒng)防雷應(yīng)注意的一種特殊風(fēng)險類型[3]。

2 電力通信信息系統(tǒng)雷電風(fēng)險評估

風(fēng)險評估主要是指電力通信信息系統(tǒng)運行過程中對整個環(huán)境因素活動、雷電活動規(guī)律、設(shè)備防雷區(qū)域干擾程度、事故損害程度等參數(shù)的信息收集。對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計算后，對雷電造成的電子信息損害進(jìn)行風(fēng)險評估，并在準(zhǔn)確掌握外部工況的基礎(chǔ)上，優(yōu)化防雷設(shè)計，調(diào)整防雷措施。目前，風(fēng)險評估有不同的類型。

對電力通信信息系統(tǒng)進(jìn)行評價，應(yīng)在準(zhǔn)確分析數(shù)據(jù)結(jié)果的基礎(chǔ)上確定不同的防雷等級，并在確定防雷等級的基礎(chǔ)上構(gòu)建防護(hù)措施。電子信息技術(shù)的防雷一般有A、B、C三個層次，保護(hù)工作應(yīng)始終堅持分級保護(hù)的原則，通過確定電子信息設(shè)備的防雷選擇保護(hù)裝置和方式。目前，電力通信信息系統(tǒng)的防雷設(shè)計方法多種多樣。在防雷中，可以用普通避雷針、避雷帶等方式，將強大的雷電流導(dǎo)向大地，也可以通過引下線疏通雷擊電流。電力通信信息系統(tǒng)采取的防雷措施多種多樣，在對電力通信信息系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險評估后，應(yīng)結(jié)合具體情況，不斷優(yōu)化開發(fā)防雷設(shè)計方案。

3 電力通信信息系統(tǒng)常見問題及防護(hù)措施

建筑物外的直接防雷措施分為接閃裝置、引下線、接地裝置。避雷接收裝置一般采用能接收雷電的接閃帶、接閃桿、避雷網(wǎng)格、避雷線或者可接閃的金屬構(gòu)件等；建筑物的主鋼筋常作為隱蔽的下引線，連接避雷裝置和接地裝置；接地裝置由預(yù)埋接地電極和地基加固2個部分組成。當(dāng)雷電電流發(fā)生時，雷電電流將通過雷電接收裝置、引下線和接地裝置排放到地面。

《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB 50057—2010規(guī)范要求建筑物所有避雷設(shè)施均應(yīng)可靠相連，形成共用接地，共用接地電阻不大于1 Ω?，F(xiàn)代建筑的屋頂往往配備外置空調(diào)、水箱、信號塔等設(shè)施。規(guī)范要求屋頂金屬設(shè)施應(yīng)與附近的避雷接收裝置可靠連接，形成共同接地。屋頂設(shè)施高于避雷裝置時，應(yīng)單獨設(shè)置避雷裝置（避雷針）作為輔助設(shè)施，保護(hù)屋頂設(shè)施。避雷接桿敷設(shè)時，也應(yīng)與附近的引下線可靠連接，形成共同接地[4-5]。

4 電力通信信息系統(tǒng)雷電防護(hù)技術(shù)設(shè)計

電力通信信息系統(tǒng)機房中的電子元器件極其敏感，易受感應(yīng)雷擊的影響。損壞電子元件主要有2種方式：第一，由于雷雨云的感應(yīng)，周圍金屬導(dǎo)體上有極性相反的電荷。雷雨云放電后，放電通道內(nèi)的正負(fù)電荷會迅速中和，導(dǎo)體上的電荷會產(chǎn)生較高的靜電感應(yīng)電壓，從而損壞元件。第二，當(dāng)閃電發(fā)生時，閃電電流變化迅速，在周圍空間產(chǎn)生強烈的電磁場。金屬導(dǎo)體在磁場中會產(chǎn)生強大的電動勢，然后產(chǎn)生放電，導(dǎo)致元件損壞。

防雷是一項綜合性的系統(tǒng)工程。感應(yīng)雷擊的防護(hù)主要集中在電磁屏蔽、等電位連接、綜合布線、接地和安裝防雷裝置等方面。電力通信信息系統(tǒng)的防雷設(shè)計應(yīng)結(jié)合信息系統(tǒng)的特點和信息系統(tǒng)的整體運行環(huán)境。在內(nèi)部防雷措施與外部防雷措施協(xié)同設(shè)計、共同應(yīng)用的環(huán)境下，應(yīng)綜合規(guī)劃防雷工作，確保整體防雷效果的可靠性。電力通信信息系統(tǒng)的防雷設(shè)計應(yīng)采用避雷器、引下線、共接地裝置、屏蔽、等電位連接，合理布線，在多種措施共同應(yīng)用下保障設(shè)計的可靠性，同時也保障整個電力通信信息系統(tǒng)具有良好的雷電防護(hù)效果。

4.1 建筑物外設(shè)置避雷器

避雷器主要是指常用避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)、避雷線等設(shè)施設(shè)備。這種避雷器可以使電力通信信息系統(tǒng)在遇到強電流時將電流引入地面，避免強雷擊電流對電力通信信息系統(tǒng)的負(fù)面影響。由于避雷針具有雷擊的二次效應(yīng)，電力通信信息系統(tǒng)的防雷設(shè)計應(yīng)盡量采用避雷帶加避雷網(wǎng)的方式。通過對電流的有效引導(dǎo)和處理，盡量減少小電流對電力通信信息系統(tǒng)的沖擊和損害。電力通信信息系統(tǒng)可采用下引線防雷。

在雷電電流的情況下，下行引線用于將雷電電流與電力通信信息系統(tǒng)高度隔離。在減少它們之間的接觸和雷電對電力通信信息系統(tǒng)的干擾的基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)電力通信信息系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運行。電力通信信息系統(tǒng)的下行引線可根據(jù)系統(tǒng)整體運行情況進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)通信系統(tǒng)的移動性特點，與設(shè)備匹配的下行引線可以在不同環(huán)境下有效應(yīng)用，通過適當(dāng)?shù)陌惭b方法也可以保證整個系統(tǒng)在不同工作環(huán)境下的穩(wěn)定運行[6]。

4.2 做好電源線路防雷電波侵入措施

雷電波侵入的主要途徑是電力線和信號線。首先，確保變壓器的接地電阻滿足防雷技術(shù)規(guī)范的要求。其次，變壓器低壓端應(yīng)安裝防雷器。最后，在下一液位線上安裝防雷器，確保防雷器與接地網(wǎng)連接。SPD兩端的連接線應(yīng)短直，以避免由于導(dǎo)線較長而引起的大感應(yīng)電流。雷電波入侵的主要對象是輸電線和信號線。對于信號傳輸網(wǎng)絡(luò)，信號防雷也是必不可少的。在傳輸設(shè)備的每個端口都要安裝信號防雷器。在選擇防雷器時，除了要注意保護(hù)設(shè)備本身的性能外，還要注意保護(hù)設(shè)備的傳輸速率、插入衰減極限、駐波比、工作電壓、工作電流等相關(guān)指標(biāo)。如果在同一系統(tǒng)（或網(wǎng)絡(luò)）中采用多級保護(hù)，還應(yīng)考慮相互協(xié)作。

4.3 做好等電位連接，防止電位反擊

電力通信信息系統(tǒng)應(yīng)通過共同的接地系統(tǒng)與防雷裝置、金屬元件、保護(hù)導(dǎo)線、連接線等裝置連接在一起，形成一個整體的接地系統(tǒng)電力通信信息系統(tǒng)應(yīng)通過共同的接地系統(tǒng)與防雷裝置、金屬元件、保護(hù)導(dǎo)線、連接導(dǎo)線等裝置連接在一起，形成整體接地系統(tǒng)，構(gòu)建更加可靠的防雷空間。電子設(shè)備采用公共接地系統(tǒng)，可在運行環(huán)境中形成閉合電路，有效消除外部靜電場干擾。在防雷設(shè)計中，通過考慮設(shè)備對接地電阻值的要求，確定相關(guān)參數(shù)，也保證了共同接地系統(tǒng)良好的保護(hù)效果。對電力通信信息系統(tǒng)進(jìn)行防雷時，應(yīng)考慮各金屬部件等電位連接的穩(wěn)定性和可靠性。通過合理的電力通信信息系統(tǒng)內(nèi)部布線，在電力通信信息系統(tǒng)線纜與其他線纜良好配合的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化安裝布線方式，在保證各系統(tǒng)獨立運行的基礎(chǔ)上，盡量減少距離過近引起的小干擾[7]。

4.4 做好電磁屏蔽工作

電磁屏蔽的主要目的是防止或減少外部電磁輻射對機房的傳輸，提高信息系統(tǒng)的抗干擾能力，減少設(shè)備損壞。其次，機房電磁能量的限制是為了防止信號中斷和數(shù)據(jù)丟失。電磁屏蔽主要分為區(qū)域屏蔽和電路屏蔽。

電磁屏蔽是指必須在一定強度下降低電磁場強度的區(qū)域。上述區(qū)域位于金屬層上，按其各自的方向可靠連續(xù)連接，防止電磁波的侵入，將屏蔽面上的電磁場能量轉(zhuǎn)換為能量，將磁場能量轉(zhuǎn)換為電能，通過接地排氣。屏蔽效果取決于材料、開口密度、電連續(xù)性和隱藏材料的網(wǎng)格尺寸。此外，建筑本身具有基本的保護(hù)功能。根據(jù)排雷的原則，通常規(guī)定更多的雷區(qū)和更低的電磁場強度。因此，系統(tǒng)服務(wù)器應(yīng)設(shè)在排雷面積較大的地區(qū)。建筑底部四層的隔斷系數(shù)相同且最小。這是根據(jù)建筑物各層的分布規(guī)律。因此，信息系統(tǒng)的放置應(yīng)在四層以下一層進(jìn)行。

根據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)的要求，電信系統(tǒng)機房應(yīng)位于強電磁場不能干擾的地方。根據(jù)規(guī)范第5.2.3條，最好的磁場干擾的主要引擎和輔助面積大于800 m。根據(jù)需求按照GB 50343—2012標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)代碼構(gòu)建信息系統(tǒng)，計算機房應(yīng)位于大樓的一樓的中心，其設(shè)備應(yīng)放置在遠(yuǎn)離墻體外支撐柱的防雷區(qū)頂部。電路屏蔽主要是防止電磁脈沖對金屬電路的電磁探測造成阻礙。電路屏蔽是指將金屬電路通過金屬管（槽）布線，并在連續(xù)金屬管（槽）兩側(cè)形成屏蔽。除具有空間屏蔽功能外，電路中的過壓還可以產(chǎn)生反向電壓，消除電路中的過壓。若要將金屬電纜引入建筑物在客戶面前滾動布線，空線應(yīng)轉(zhuǎn)換成至少2 m長的金屬線。

電磁脈沖干擾可以通過屏蔽來降低。在電力通信信息系統(tǒng)的運行環(huán)境中，通過建立屏蔽空間可以阻斷電磁脈沖的能量傳輸。對于可能對電力通信信息系統(tǒng)造成強烈干擾的雷電，這種屏蔽措施可以降低瞬時電流。通過減少外部電磁波干擾，保證電力通信信息系統(tǒng)的穩(wěn)定運行空間。

4.5 浪涌保護(hù)（SPD）的綜合防護(hù)

配電系統(tǒng)采用多級浪涌防護(hù)，對侵入電源線的雷電電流分段放電。各級保護(hù)之間實現(xiàn)能源合作，逐步降低剩余電壓，將過電壓限制到較低水平，對后端設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。主要保護(hù)措施有：一是在低壓總配電柜處安裝的一級防護(hù)浪涌保護(hù)器；二是在樓層配電柜處安裝二級防護(hù)浪涌保護(hù)器；三是在機房配電柜處安裝三級防護(hù)浪涌保護(hù)器；四是在機房內(nèi)設(shè)備端安裝防雷插座。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)均配備相應(yīng)的電涌保護(hù)裝置進(jìn)行綜合防護(hù)。每條進(jìn)線進(jìn)入路由器前安裝相應(yīng)的浪涌保護(hù)器，作為數(shù)據(jù)專線的保護(hù)；在網(wǎng)絡(luò)交換機前端安裝機架式網(wǎng)絡(luò)浪涌保護(hù)器，對交換機進(jìn)行保護(hù)；在重要設(shè)備（服務(wù)器）和未受網(wǎng)絡(luò)開關(guān)電涌保護(hù)器保護(hù)的計算機前端安裝計算機網(wǎng)絡(luò)電涌保護(hù)器，加強保護(hù)；網(wǎng)絡(luò)傳輸光纖不需要保護(hù)，但金屬加強芯需做好接地。

4.6 等電位連接

機房內(nèi)所有設(shè)備，如開關(guān)柜、服務(wù)器柜、網(wǎng)絡(luò)打印設(shè)備、路由器、網(wǎng)管工作站柜、監(jiān)控設(shè)備柜、低壓配電柜等均應(yīng)等電位連接。主機室常以星型（S型）和柵格型（M型）連接。S型為單點接地，M型為多點接地。除參考點（ERP）外，輔機室內(nèi)所有金屬部件與共接地系統(tǒng)各部件之間的絕緣強度均大于10 kV、1.2/50 μs。

4.7 接地

良好的接地連接器對于能夠吸收電壓驟降、雷電、靜電等危險源的電氣電子設(shè)備的保護(hù)是非常重要的。同時可以大大減少電壓波動對設(shè)備造成的損壞。實踐表明，雷暴電流在建筑線路中分布不均勻，會導(dǎo)致節(jié)點間差異較大，連接在不同接地端口的薄弱設(shè)備可能因接地變化而損壞。使信息系統(tǒng)空間能在電力不足的情況下向地下結(jié)構(gòu)提供多重（通常為三相）下行螺旋，從而提高電路的吸收能力?？臻g環(huán)境技術(shù)是空間設(shè)計的重要組成部分，它包括各種各樣的計算技術(shù)。接地通常有6種類型：通信接地、直流操作接地、安全接地、靜電接地連接器接地、屏蔽接地和掃雷方案接地。合理配置資源是滿足不同接地要求的功能。在開展排雷行動時，應(yīng)注意信號和電源、高壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)不應(yīng)采用共用電路。信息系統(tǒng)各功能區(qū)的接地必須進(jìn)行隔離或屏蔽，以防止反向傳輸或靜電放電的危險源。部件必須適應(yīng)接地網(wǎng)，機柜單元的連接件必須連接到接地網(wǎng)。接地電阻增大時，要求接地電阻（接地、保護(hù)等級、接地模塊等）。

作為一種嚴(yán)重的自然災(zāi)害，雷電在發(fā)生時會形成強電場和磁場，對建筑物和各種設(shè)備造成破壞，嚴(yán)重時會造成人身傷害。如果電力通信信息系統(tǒng)遭遇雷電襲擊，將使電力通信信息系統(tǒng)無法穩(wěn)定運行。因此，加強電力通信信息系統(tǒng)的防雷工作顯得尤為必要。電力通信信息系統(tǒng)的安全離不開防雷措施的保護(hù)。防雷不可操之過急。應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求采取適當(dāng)?shù)钠帘未胧?，正確安裝電源和信號浪涌保護(hù)器，并對設(shè)備進(jìn)行等電位連接，以減少雷電對電力通信信息系統(tǒng)的危害。

5 結(jié)束語

在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，電子信息技術(shù)在社會生產(chǎn)生活中得到了廣泛的應(yīng)用。為了更好地維持電力通信信息系統(tǒng)的穩(wěn)定運行狀態(tài)，有必要明確雷電對電力通信信息系統(tǒng)的危害，并對已使用的電力通信信息系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險評估。在根據(jù)實際情況進(jìn)行防雷設(shè)計時，要從避雷器、引下線、接地裝置、屏蔽、合理布線等方面入手，通過全面合理的對于整個的電力通信信息系統(tǒng)同設(shè)計使用情況進(jìn)行充分的考量，在減少信息系統(tǒng)雷擊事故概率的基礎(chǔ)上，也盡可能提高電力通信信息系統(tǒng)防雷保護(hù)的有效性，以信息系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行來保障其他生產(chǎn)生活穩(wěn)定開展。