电力通信信息系统雷电防护技术探讨

雒新萍，陈 雯，李晓磊

陕西省突发事件预警信息发布中心，陕西西安 710015

随着科学技术的飞速发展，各种精密弱电设备被广泛应用于电力通信信息系统机房。这些电子设备由于其耐压水平低、抗干扰性能差、电磁兼容性弱等原因，往往成为雷电电磁脉冲的主要干扰对象。如何提高防雷技术是保证信息系统安全必不可少的重要环节。电力通信信息系统是由大量的电子设备组成，但信息系统在运行过程中容易受到外界电磁干扰。微电子设备在运行状态下被雷击侵害的情况，也使得电子设备在应用过程中考虑雷电保护组织。通过明确电力通信信息系统独特的系统特点，在了解这种雷电危害的基础上，寻求电力通信信息系统的防雷措施[1-2]。

1 雷击对电力通信信息系统的损害

雷电灾害是我国十大自然灾害之一。据统计，全国21个省、市、区雷暴日数均在50 d以上，最多可达134 d。在夏季，大气中经常出现强烈的闪电，通常伴有强烈的轰鸣声，这种现象通常称为闪电现象。当一部分带电的云层和另一部分带异种电荷的云层或带电的云层对大地突然放电时，这个过程会产生强烈的闪电，并伴随着巨大的轰鸣声，这种现象被称为雷击。当然，云层之间的排放主要对飞机构成威胁，对地面上的建筑物和人没有重大影响。然而，地面上的云的排放将对地面上的建筑物、电气设备、人和动物却会造成巨大的危险。

我国雷电灾害损失80%以上为通讯、电子和配电系统。雷电对电力通信信息系统机房的影响主要发生在以下4个方面：一是局域网络元器件与不同电压等级的供电电路或电气设备直接接触；二是累积静电对局域网电缆及组件的影响；三是将高能量密度的暂态电流与当地电力线系统耦合；四是连接在一起的网络部件之间的接地端子之间有不同的电气差异。这些影响将导致机房电气设备的损坏、信息系统的瘫痪和不可估量的经济损失。因此，电力通信信息系统机房的防雷措施应兼顾安全性、可靠性、经济性、耐受性和可维护性。

电力通信信息系统在运行过程中工作环境复杂，系统设备容易受到雷电干扰，导致整个设备损坏。直流电不仅能产生感应闪电，还能产生特殊类型的电磁脉冲。目前，电力通信信息系统设备广泛应用于复杂环境中，容易受到外界干扰和复杂环境的影响。电力通信信息系统设备难以正常运行，影响到其他工作的顺利开展。

电力通信信息系统运行状态下设计信息的传递和数据的处理，以及电力通信信息系统的接口也是风险的主要渠道。电力通信信息系统内部的多样化系统设备不仅具有信号采集功能，还具有数据处理、传输、存储和处理的功能。整个电力通信信息系统的多链路、多接口、长线路也使得其在运行过程中更容易受到外界干扰。感应脉冲通过电力通信信息系统接口侵入系统，使整个系统无法正常运行。雷击发生时，设备过电压损坏也是整个电力通信信息系统防雷应注意的一种特殊风险类型[3]。

2 电力通信信息系统雷电风险评估

风险评估主要是指电力通信信息系统运行过程中对整个环境因素活动、雷电活动规律、设备防雷区域干扰程度、事故损害程度等参数的信息收集。对数据进行处理计算后，对雷电造成的电子信息损害进行风险评估，并在准确掌握外部工况的基础上，优化防雷设计，调整防雷措施。目前，风险评估有不同的类型。

对电力通信信息系统进行评价，应在准确分析数据结果的基础上确定不同的防雷等级，并在确定防雷等级的基础上构建防护措施。电子信息技术的防雷一般有A、B、C三个层次，保护工作应始终坚持分级保护的原则，通过确定电子信息设备的防雷选择保护装置和方式。目前，电力通信信息系统的防雷设计方法多种多样。在防雷中，可以用普通避雷针、避雷带等方式，将强大的雷电流导向大地，也可以通过引下线疏通雷击电流。电力通信信息系统采取的防雷措施多种多样，在对电力通信信息系统进行风险评估后，应结合具体情况，不断优化开发防雷设计方案。

3 电力通信信息系统常见问题及防护措施

建筑物外的直接防雷措施分为接闪装置、引下线、接地装置。避雷接收装置一般采用能接收雷电的接闪带、接闪杆、避雷网格、避雷线或者可接闪的金属构件等；建筑物的主钢筋常作为隐蔽的下引线，连接避雷装置和接地装置；接地装置由预埋接地电极和地基加固2个部分组成。当雷电电流发生时，雷电电流将通过雷电接收装置、引下线和接地装置排放到地面。

《建筑物防雷设计规范》GB 50057—2010规范要求建筑物所有避雷设施均应可靠相连，形成共用接地，共用接地电阻不大于1 Ω。现代建筑的屋顶往往配备外置空调、水箱、信号塔等设施。规范要求屋顶金属设施应与附近的避雷接收装置可靠连接，形成共同接地。屋顶设施高于避雷装置时，应单独设置避雷装置（避雷针）作为辅助设施，保护屋顶设施。避雷接杆敷设时，也应与附近的引下线可靠连接，形成共同接地[4-5]。

4 电力通信信息系统雷电防护技术设计

电力通信信息系统机房中的电子元器件极其敏感，易受感应雷击的影响。损坏电子元件主要有2种方式：第一，由于雷雨云的感应，周围金属导体上有极性相反的电荷。雷雨云放电后，放电通道内的正负电荷会迅速中和，导体上的电荷会产生较高的静电感应电压，从而损坏元件。第二，当闪电发生时，闪电电流变化迅速，在周围空间产生强烈的电磁场。金属导体在磁场中会产生强大的电动势，然后产生放电，导致元件损坏。

防雷是一项综合性的系统工程。感应雷击的防护主要集中在电磁屏蔽、等电位连接、综合布线、接地和安装防雷装置等方面。电力通信信息系统的防雷设计应结合信息系统的特点和信息系统的整体运行环境。在内部防雷措施与外部防雷措施协同设计、共同应用的环境下，应综合规划防雷工作，确保整体防雷效果的可靠性。电力通信信息系统的防雷设计应采用避雷器、引下线、共接地装置、屏蔽、等电位连接，合理布线，在多种措施共同应用下保障设计的可靠性，同时也保障整个电力通信信息系统具有良好的雷电防护效果。

4.1 建筑物外设置避雷器

避雷器主要是指常用避雷针、避雷带、避雷网、避雷线等设施设备。这种避雷器可以使电力通信信息系统在遇到强电流时将电流引入地面，避免强雷击电流对电力通信信息系统的负面影响。由于避雷针具有雷击的二次效应，电力通信信息系统的防雷设计应尽量采用避雷带加避雷网的方式。通过对电流的有效引导和处理，尽量减少小电流对电力通信信息系统的冲击和损害。电力通信信息系统可采用下引线防雷。

在雷电电流的情况下，下行引线用于将雷电电流与电力通信信息系统高度隔离。在减少它们之间的接触和雷电对电力通信信息系统的干扰的基础上，可以实现电力通信信息系统的可靠、稳定运行。电力通信信息系统的下行引线可根据系统整体运行情况进行设计。根据通信系统的移动性特点，与设备匹配的下行引线可以在不同环境下有效应用，通过适当的安装方法也可以保证整个系统在不同工作环境下的稳定运行[6]。

4.2 做好电源线路防雷电波侵入措施

雷电波侵入的主要途径是电力线和信号线。首先，确保变压器的接地电阻满足防雷技术规范的要求。其次，变压器低压端应安装防雷器。最后，在下一液位线上安装防雷器，确保防雷器与接地网连接。SPD两端的连接线应短直，以避免由于导线较长而引起的大感应电流。雷电波入侵的主要对象是输电线和信号线。对于信号传输网络，信号防雷也是必不可少的。在传输设备的每个端口都要安装信号防雷器。在选择防雷器时，除了要注意保护设备本身的性能外，还要注意保护设备的传输速率、插入衰减极限、驻波比、工作电压、工作电流等相关指标。如果在同一系统（或网络）中采用多级保护，还应考虑相互协作。

4.3 做好等电位连接，防止电位反击

电力通信信息系统应通过共同的接地系统与防雷装置、金属元件、保护导线、连接线等装置连接在一起，形成一个整体的接地系统电力通信信息系统应通过共同的接地系统与防雷装置、金属元件、保护导线、连接导线等装置连接在一起，形成整体接地系统，构建更加可靠的防雷空间。电子设备采用公共接地系统，可在运行环境中形成闭合电路，有效消除外部静电场干扰。在防雷设计中，通过考虑设备对接地电阻值的要求，确定相关参数，也保证了共同接地系统良好的保护效果。对电力通信信息系统进行防雷时，应考虑各金属部件等电位连接的稳定性和可靠性。通过合理的电力通信信息系统内部布线，在电力通信信息系统线缆与其他线缆良好配合的基础上，通过优化安装布线方式，在保证各系统独立运行的基础上，尽量减少距离过近引起的小干扰[7]。

4.4 做好电磁屏蔽工作

电磁屏蔽的主要目的是防止或减少外部电磁辐射对机房的传输，提高信息系统的抗干扰能力，减少设备损坏。其次，机房电磁能量的限制是为了防止信号中断和数据丢失。电磁屏蔽主要分为区域屏蔽和电路屏蔽。

电磁屏蔽是指必须在一定强度下降低电磁场强度的区域。上述区域位于金属层上，按其各自的方向可靠连续连接，防止电磁波的侵入，将屏蔽面上的电磁场能量转换为能量，将磁场能量转换为电能，通过接地排气。屏蔽效果取决于材料、开口密度、电连续性和隐藏材料的网格尺寸。此外，建筑本身具有基本的保护功能。根据排雷的原则，通常规定更多的雷区和更低的电磁场强度。因此，系统服务器应设在排雷面积较大的地区。建筑底部四层的隔断系数相同且最小。这是根据建筑物各层的分布规律。因此，信息系统的放置应在四层以下一层进行。

根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》标准的要求，电信系统机房应位于强电磁场不能干扰的地方。根据规范第5.2.3条，最好的磁场干扰的主要引擎和辅助面积大于800 m。根据需求按照GB 50343—2012标准的技术代码构建信息系统，计算机房应位于大楼的一楼的中心，其设备应放置在远离墙体外支撑柱的防雷区顶部。电路屏蔽主要是防止电磁脉冲对金属电路的电磁探测造成阻碍。电路屏蔽是指将金属电路通过金属管（槽）布线，并在连续金属管（槽）两侧形成屏蔽。除具有空间屏蔽功能外，电路中的过压还可以产生反向电压，消除电路中的过压。若要将金属电缆引入建筑物在客户面前滚动布线，空线应转换成至少2 m长的金属线。

电磁脉冲干扰可以通过屏蔽来降低。在电力通信信息系统的运行环境中，通过建立屏蔽空间可以阻断电磁脉冲的能量传输。对于可能对电力通信信息系统造成强烈干扰的雷电，这种屏蔽措施可以降低瞬时电流。通过减少外部电磁波干扰，保证电力通信信息系统的稳定运行空间。

4.5 浪涌保护（SPD）的综合防护

配电系统采用多级浪涌防护，对侵入电源线的雷电电流分段放电。各级保护之间实现能源合作，逐步降低剩余电压，将过电压限制到较低水平，对后端设备进行保护。主要保护措施有：一是在低压总配电柜处安装的一级防护浪涌保护器；二是在楼层配电柜处安装二级防护浪涌保护器；三是在机房配电柜处安装三级防护浪涌保护器；四是在机房内设备端安装防雷插座。

网络系统、安防系统、监控系统均配备相应的电涌保护装置进行综合防护。每条进线进入路由器前安装相应的浪涌保护器，作为数据专线的保护；在网络交换机前端安装机架式网络浪涌保护器，对交换机进行保护；在重要设备（服务器）和未受网络开关电涌保护器保护的计算机前端安装计算机网络电涌保护器，加强保护；网络传输光纤不需要保护，但金属加强芯需做好接地。

4.6 等电位连接

机房内所有设备，如开关柜、服务器柜、网络打印设备、路由器、网管工作站柜、监控设备柜、低压配电柜等均应等电位连接。主机室常以星型（S型）和栅格型（M型）连接。S型为单点接地，M型为多点接地。除参考点（ERP）外，辅机室内所有金属部件与共接地系统各部件之间的绝缘强度均大于10 kV、1.2/50 μs。

4.7 接地

良好的接地连接器对于能够吸收电压骤降、雷电、静电等危险源的电气电子设备的保护是非常重要的。同时可以大大减少电压波动对设备造成的损坏。实践表明，雷暴电流在建筑线路中分布不均匀，会导致节点间差异较大，连接在不同接地端口的薄弱设备可能因接地变化而损坏。使信息系统空间能在电力不足的情况下向地下结构提供多重（通常为三相）下行螺旋，从而提高电路的吸收能力。空间环境技术是空间设计的重要组成部分，它包括各种各样的计算技术。接地通常有6种类型：通信接地、直流操作接地、安全接地、静电接地连接器接地、屏蔽接地和扫雷方案接地。合理配置资源是满足不同接地要求的功能。在开展排雷行动时，应注意信号和电源、高压系统和低压系统不应采用共用电路。信息系统各功能区的接地必须进行隔离或屏蔽，以防止反向传输或静电放电的危险源。部件必须适应接地网，机柜单元的连接件必须连接到接地网。接地电阻增大时，要求接地电阻（接地、保护等级、接地模块等）。

作为一种严重的自然灾害，雷电在发生时会形成强电场和磁场，对建筑物和各种设备造成破坏，严重时会造成人身伤害。如果电力通信信息系统遭遇雷电袭击，将使电力通信信息系统无法稳定运行。因此，加强电力通信信息系统的防雷工作显得尤为必要。电力通信信息系统的安全离不开防雷措施的保护。防雷不可操之过急。应严格按照规范要求采取适当的屏蔽措施，正确安装电源和信号浪涌保护器，并对设备进行等电位连接，以减少雷电对电力通信信息系统的危害。

5 结束语

在科学技术飞速发展的背景下，电子信息技术在社会生产生活中得到了广泛的应用。为了更好地维持电力通信信息系统的稳定运行状态，有必要明确雷电对电力通信信息系统的危害，并对已使用的电力通信信息系统进行风险评估。在根据实际情况进行防雷设计时，要从避雷器、引下线、接地装置、屏蔽、合理布线等方面入手，通过全面合理的对于整个的电力通信信息系统同设计使用情况进行充分的考量，在减少信息系统雷击事故概率的基础上，也尽可能提高电力通信信息系统防雷保护的有效性，以信息系统的安全稳定运行来保障其他生产生活稳定开展。