電力通信信息系統雷電防護技術探討

雒新萍，陳 雯，李曉磊

陜西省突發事件預警信息發布中心，陜西西安 710015

隨著科學技術的飛速發展，各種精密弱電設備被廣泛應用于電力通信信息系統機房。這些電子設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。如何提高防雷技術是保證信息系統安全必不可少的重要環節。電力通信信息系統是由大量的電子設備組成，但信息系統在運行過程中容易受到外界電磁干擾。微電子設備在運行狀態下被雷擊侵害的情況，也使得電子設備在應用過程中考慮雷電保護組織。通過明確電力通信信息系統獨特的系統特點，在了解這種雷電危害的基礎上，尋求電力通信信息系統的防雷措施[1-2]。

1 雷擊對電力通信信息系統的損害

雷電災害是我國十大自然災害之一。據統計，全國21個省、市、區雷暴日數均在50 d以上，最多可達134 d。在夏季，大氣中經常出現強烈的閃電，通常伴有強烈的轟鳴聲，這種現象通常稱為閃電現象。當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，這個過程會產生強烈的閃電，并伴隨著巨大的轟鳴聲，這種現象被稱為雷擊。當然，云層之間的排放主要對飛機構成威脅，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、電氣設備、人和動物卻會造成巨大的危險。

我國雷電災害損失80%以上為通訊、電子和配電系統。雷電對電力通信信息系統機房的影響主要發生在以下4個方面：一是局域網絡元器件與不同電壓等級的供電電路或電氣設備直接接觸；二是累積靜電對局域網電纜及組件的影響；三是將高能量密度的暫態電流與當地電力線系統耦合；四是連接在一起的網絡部件之間的接地端子之間有不同的電氣差異。這些影響將導致機房電氣設備的損壞、信息系統的癱瘓和不可估量的經濟損失。因此，電力通信信息系統機房的防雷措施應兼顧安全性、可靠性、經濟性、耐受性和可維護性。

電力通信信息系統在運行過程中工作環境復雜，系統設備容易受到雷電干擾，導致整個設備損壞。直流電不僅能產生感應閃電，還能產生特殊類型的電磁脈沖。目前，電力通信信息系統設備廣泛應用于復雜環境中，容易受到外界干擾和復雜環境的影響。電力通信信息系統設備難以正常運行，影響到其他工作的順利開展。

電力通信信息系統運行狀態下設計信息的傳遞和數據的處理，以及電力通信信息系統的接口也是風險的主要渠道。電力通信信息系統內部的多樣化系統設備不僅具有信號采集功能，還具有數據處理、傳輸、存儲和處理的功能。整個電力通信信息系統的多鏈路、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。感應脈沖通過電力通信信息系統接口侵入系統，使整個系統無法正常運行。雷擊發生時，設備過電壓損壞也是整個電力通信信息系統防雷應注意的一種特殊風險類型[3]。

2 電力通信信息系統雷電風險評估

風險評估主要是指電力通信信息系統運行過程中對整個環境因素活動、雷電活動規律、設備防雷區域干擾程度、事故損害程度等參數的信息收集。對數據進行處理計算后，對雷電造成的電子信息損害進行風險評估，并在準確掌握外部工況的基礎上，優化防雷設計，調整防雷措施。目前，風險評估有不同的類型。

對電力通信信息系統進行評價，應在準確分析數據結果的基礎上確定不同的防雷等級，并在確定防雷等級的基礎上構建防護措施。電子信息技術的防雷一般有A、B、C三個層次，保護工作應始終堅持分級保護的原則，通過確定電子信息設備的防雷選擇保護裝置和方式。目前，電力通信信息系統的防雷設計方法多種多樣。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。電力通信信息系統采取的防雷措施多種多樣，在對電力通信信息系統進行風險評估后，應結合具體情況，不斷優化開發防雷設計方案。

3 電力通信信息系統常見問題及防護措施

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、避雷網格、避雷線或者可接閃的金屬構件等；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；接地裝置由預埋接地電極和地基加固2個部分組成。當雷電電流發生時，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。

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

4 電力通信信息系統雷電防護技術設計

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

防雷是一項綜合性的系統工程。感應雷擊的防護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。電力通信信息系統的防雷設計應結合信息系統的特點和信息系統的整體運行環境。在內部防雷措施與外部防雷措施協同設計、共同應用的環境下，應綜合規劃防雷工作，確保整體防雷效果的可靠性。電力通信信息系統的防雷設計應采用避雷器、引下線、共接地裝置、屏蔽、等電位連接，合理布線，在多種措施共同應用下保障設計的可靠性，同時也保障整個電力通信信息系統具有良好的雷電防護效果。

4.1 建筑物外設置避雷器

避雷器主要是指常用避雷針、避雷帶、避雷網、避雷線等設施設備。這種避雷器可以使電力通信信息系統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的負面影響。由于避雷針具有雷擊的二次效應，電力通信信息系統的防雷設計應盡量采用避雷帶加避雷網的方式。通過對電流的有效引導和處理，盡量減少小電流對電力通信信息系統的沖擊和損害。電力通信信息系統可采用下引線防雷。

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的干擾的基礎上，可以實現電力通信信息系統的可靠、穩定運行。電力通信信息系統的下行引線可根據系統整體運行情況進行設計。根據通信系統的移動性特點，與設備匹配的下行引線可以在不同環境下有效應用，通過適當的安裝方法也可以保證整個系統在不同工作環境下的穩定運行[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規范的要求。其次，變壓器低壓端應安裝防雷器。最后，在下一液位線上安裝防雷器，確保防雷器與接地網連接。SPD兩端的連接線應短直，以避免由于導線較長而引起的大感應電流。雷電波入侵的主要對象是輸電線和信號線。對于信號傳輸網絡，信號防雷也是必不可少的。在傳輸設備的每個端口都要安裝信號防雷器。在選擇防雷器時，除了要注意保護設備本身的性能外，還要注意保護設備的傳輸速率、插入衰減極限、駐波比、工作電壓、工作電流等相關指標。如果在同一系統（或網絡）中采用多級保護，還應考慮相互協作。

4.3 做好等電位連接，防止電位反擊

電力通信信息系統應通過共同的接地系統與防雷裝置、金屬元件、保護導線、連接線等裝置連接在一起，形成一個整體的接地系統電力通信信息系統應通過共同的接地系統與防雷裝置、金屬元件、保護導線、連接導線等裝置連接在一起，形成整體接地系統，構建更加可靠的防雷空間。電子設備采用公共接地系統，可在運行環境中形成閉合電路，有效消除外部靜電場干擾。在防雷設計中，通過考慮設備對接地電阻值的要求，確定相關參數，也保證了共同接地系統良好的保護效果。對電力通信信息系統進行防雷時，應考慮各金屬部件等電位連接的穩定性和可靠性。通過合理的電力通信信息系統內部布線，在電力通信信息系統線纜與其他線纜良好配合的基礎上，通過優化安裝布線方式，在保證各系統獨立運行的基礎上，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，提高信息系統的抗干擾能力，減少設備損壞。其次，機房電磁能量的限制是為了防止信號中斷和數據丟失。電磁屏蔽主要分為區域屏蔽和電路屏蔽。

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

根據GB 50174—2017《數據中心設計規范》標準的要求，電信系統機房應位于強電磁場不能干擾的地方。根據規范第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。根據需求按照GB 50343—2012標準的技術代碼構建信息系統，計算機房應位于大樓的一樓的中心，其設備應放置在遠離墻體外支撐柱的防雷區頂部。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，并在連續金屬管（槽）兩側形成屏蔽。除具有空間屏蔽功能外，電路中的過壓還可以產生反向電壓，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，空線應轉換成至少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的運行環境中，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的穩定運行空間。

4.5 浪涌保護（SPD）的綜合防護

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

網絡系統、安防系統、監控系統均配備相應的電涌保護裝置進行綜合防護。每條進線進入路由器前安裝相應的浪涌保護器，作為數據專線的保護；在網絡交換機前端安裝機架式網絡浪涌保護器，對交換機進行保護；在重要設備（服務器）和未受網絡開關電涌保護器保護的計算機前端安裝計算機網絡電涌保護器，加強保護；網絡傳輸光纖不需要保護，但金屬加強芯需做好接地。

4.6 等電位連接

機房內所有設備，如開關柜、服務器柜、網絡打印設備、路由器、網管工作站柜、監控設備柜、低壓配電柜等均應等電位連接。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，輔機室內所有金屬部件與共接地系統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備的保護是非常重要的。同時可以大大減少電壓波動對設備造成的損壞。實踐表明，雷暴電流在建筑線路中分布不均勻，會導致節點間差異較大，連接在不同接地端口的薄弱設備可能因接地變化而損壞。使信息系統空間能在電力不足的情況下向地下結構提供多重（通常為三相）下行螺旋，從而提高電路的吸收能力。空間環境技術是空間設計的重要組成部分，它包括各種各樣的計算技術。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，應注意信號和電源、高壓系統和低壓系統不應采用共用電路。信息系統各功能區的接地必須進行隔離或屏蔽，以防止反向傳輸或靜電放電的危險源。部件必須適應接地網，機柜單元的連接件必須連接到接地網。接地電阻增大時，要求接地電阻（接地、保護等級、接地模塊等）。

作為一種嚴重的自然災害，雷電在發生時會形成強電場和磁場，對建筑物和各種設備造成破壞，嚴重時會造成人身傷害。如果電力通信信息系統遭遇雷電襲擊，將使電力通信信息系統無法穩定運行。因此，加強電力通信信息系統的防雷工作顯得尤為必要。電力通信信息系統的安全離不開防雷措施的保護。防雷不可操之過急。應嚴格按照規范要求采取適當的屏蔽措施，正確安裝電源和信號浪涌保護器，并對設備進行等電位連接，以減少雷電對電力通信信息系統的危害。

5 結束語

在科學技術飛速發展的背景下，電子信息技術在社會生產生活中得到了廣泛的應用。為了更好地維持電力通信信息系統的穩定運行狀態，有必要明確雷電對電力通信信息系統的危害，并對已使用的電力通信信息系統進行風險評估。在根據實際情況進行防雷設計時，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同設計使用情況進行充分的考量，在減少信息系統雷擊事故概率的基礎上，也盡可能提高電力通信信息系統防雷保護的有效性，以信息系統的安全穩定運行來保障其他生產生活穩定開展。