电力信息系统的雷电电磁脉冲防护

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].