电力通信系统雷电防护解决方案
1前言
当今人类科学技术的发展已进入了高度信息化的发展阶段。信息化建设和高新技术的发展，尤其是电子技术的飞速发展，各种先进的卫星通信、保护监控、计算机系统和测量等电子设备产品更加广泛地应用于我国电力行业中，尤其在电力变电站这样设备高度集中的地方，含有大量的微电子仪器设备，这些设备大大提高了我国电力行业整体的自动化水平，对国计民生有着至关重要的意义。但另一方面，这些微电子仪器设备普遍存在着绝缘强度低，过电压耐受能力差等致命弱点，一旦遭受雷击过压的冲击，轻则造成这些电子系统的运行中断，设备永久性损坏，更重要的是这些系统所承负的那些须实时运行的后续工作的中断和瘫痪，所造成的不可估量的直接与间接的影响和巨大经济损失，尤其是对于电力这类国家重要关键部门，更为重要。
为此，我们认为对关键的系统和设备进行防雷害和过电压保护，不但是必要的，而且是必须实施的。
通过我们为电力通信机房及二次变电系统防范雷害、保障系统安全运行等工作方面所做出的大量艰苦、细致的工作。我们根据贵处防护现场的实际基础环境情况,及进行保护的工艺设备情况的要求,本着\"经济、实用、高标准、高起点、高可靠性\"的原则，为贵处做出设计方案，供各位领导和专家评审。
2设计说明 2.1项目的提出
根据省广电集团有限公司领导指示,由市供电分公司通信公司提出，对通信机房及电力变电站进行防雷和整改工作。
对通信机房和变电站内设备供电系统进行雷电防护加固对通信改造机房增加防雷型双电源自动切换配电柜对机房接地与变电站接地实施等电位隔离和地线优化等措施增设雷电环境在线监测记录装置对通信机房平面布置图、机柜正面、背面图、机房外部接线图、电源接线图、机房接地图等资料进行编制、存档对机房内线缆、光缆等制作标识进行区分整理通过防雷改造、机房整改确保通信设备和电气设备运行更安全、更可靠,为日后维护工作的顺利、快速、方便奠定基础。 2.2设计原则
由于雷电防护是一个综合性系统工程，防雷工程的系统设计、电涌保护器选型、安装、维护对所保护的设备关系重大，对业务正常运行具有非常重要的作用。因此，防雷保护系统设计应具有先进性、可靠性、易维护性和经济合理性。防雷工程设计及防雷器件的选择应遵从以下的原则： (1)客户利益原则
无论防护工程的大小，防护设备数量选用多少都应以用户对安全期望值为原则，以用户需求为宗旨。本着务实,实用有效的思想，以科学严谨的态度，充分考虑用户设备的可扩展性，通过相互间深层次的技术交流和沟通，达到目标的一致性，取得双赢。 (2)安全、可靠性原则
防雷工程的设计应首先考虑的问题就是科学性、合理性、安全性和可靠性。在防雷工程的设计中防护产品应是成熟可靠的产品。
电力通信设备是电力调度与电网控制的关键设备，对人民生活与生产息息相关，任何时刻的系统故障都有可能给用户带来不可估量的损失,以及相关的社会影响。这就要求系统具有高度的可靠性。如何提高系统可靠性是防雷工程师必须关注的首要问题。因此，防雷产品满足以下要求： a)满足系统正常运行，系统传输无损耗和衰减，不出现\"乱套\"或\"暂乱套\"；
b)满足在规定的技术条件下的防感应雷、防浪涌过电压的冲击，且能自动复位； c)防护器件失效或损坏时，产品具有声光报警或遥讯接口、自动脱扣装置； d)防护器件失效或损坏时，可在线热维护（热插拔），故障处理无须停机； (3)先进性原则
采用当今国内、国际上最先进和成熟的工业设计技术，使系统能够最大限度地适应今后技术发展变化和业务发展变化的需要。从国家电力及电力通信发展来看，系统总体设计的先进性原则，主要体现在以下几个方面：
防雷系统的设计考虑电力系统的基础设施及装备特点，对高压输变电网、电力调度控制网和电力通信网开放的体系结构中的强电设备、弱电设备的安全接地系统的兼容性和协调性；防护设计中的梯度性；
采用产品技术应当是有效的，可扩充的，能满足今后日益扩充的需要。 (4)实用性原则
本着安全最大化原则，配置防雷保护系统的投入与安全的期望值成正比，投入所带来的经济效益是显著的，能减少每年的运行维护费用、提高和延长设备工作时间、避免雷电灾害或重大事故造成的重大经济损失，为用户的系统设备增值，有效的保护用户的投资，保证整个系统的正常运行；实用性就是能够最大限度地满足用户的需要，从实际应用的角度来看,这个性能更加重要。
(5)开放性，可扩充、可维护性原则
防雷保护技术是不断发展变化的，为了保证用户的投资，所选产品必须满足行业的有关技术标准；符合国家或国际有关标准。这样才能对电力网络的未来发展提供保证。
因为系统雷电防护设计是一项系统工程，那么从系统论的角度上讲，系统结构越合理，系统的各个部份（要素）之间的有机结合就越合理，相互之间的作用就越协调，从而才能使整个系统在总体上达到最佳的运行状态。 2.3设计依据
SDJ2-92《变电所设计技术规程》
GB/T15153-1994《远动设备及系统工作条件环境条件及电源》 GB/T13729-1992《远动终端通用技术条件》
GB501269-1992《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》 GB50057-94(2000版)《建筑物防雷设计规范》
GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》 GB18802.1-2002《低压配电系统用的电涌保护器》 GB18802.2-2003《电信和信号网络的冲击保护装置》 GA173-2002《计算机信息系统防雷保安器》
GA267-2003《计算机信息系统防雷电电磁脉冲安全保护规程》 IEC1024－1∶1990《建筑防雷》
IE1312－1∶1995《雷电电磁脉冲的防护．通则》
2.4电力通信及变电站建筑物防雷和建筑物电子信息系统防雷分类
依据GB50057-94（2000版）建筑物分类
变电站划为第一类防雷建筑物，建筑物内的电源设备、远动控制设备、通信设备防雷应划为A级防雷保护。
其防护措施应有：直击雷防护、侧击雷防护、雷电浪涌入侵的防护、雷击电磁脉冲的防护和等电位联接的措施。 3雷击的分类和危害
防护雷电灾害工作的第一步就是首先应确认雷害侵入所保护系统的各种途径，在这个基础上，依据系统防雷的科学理论和我们丰富的防雷设计安装经验，采取相应的防护措施，进行有针对性的防护，从而达到在雷电入侵时能够保障系统安全运行的目的。
为此，首先对于电力变电站的雷电入侵和危害，我们分别从以下几点进行分析： 3.1电力线是雷电入侵的重要渠道 3.1.1雷电远点袭击电力线
我国电力线输电方式是由发电厂通过升压变压器升压后，输电至低压变压器，经低压变压器的输出给用户。由于我国的电压基本波形是每秒50Hz的正弦波形曲线，在电力线上形成每秒50次的交变磁场。如遇雷害发生时，在雷电未击穿大气时，将呈现出高压电场形式。根据电学基本原理，磁场与电场之间是相互共存可逆变化的，那么，雷击高压电场通过静电吸收原理，向大地方向运动。雷电首先击在电力线上，并从电力线的负载保护地线入地释放，这样就击穿了设备。在高压线上的表现为击穿变压器的绝缘，在变压器低压端与负载的连线上遭雷击，损失的是用电设备。为此，在选择防雷器时，首先考虑远点雷击。 3.1.2雷电近点电力线的侵入
所谓雷电近点袭击电力线，实际上是雷电袭击被保护设备所在的建筑物避雷针或金属屋面（区域管制中心主楼为金属屋面），从而引起的雷电电磁脉冲的保护问题。雷电打在建筑物避雷装置上，按照GB50057－94《建筑物防雷设计规范》规定，定义建筑物接闪电能力为波形10′350mS三角波，雷击电流为150KA。避雷针引下线由于线路电感的作用，IEC61312定义最多只能将50％的电流引入大地。也就是说，10′350mS直击雷引下线只能引下50%的电流，余下的电流将通过电力线屏蔽槽、水管、暖气管、金属门窗等与地面有连接的金属物质联合引雷，但也只引下少部分雷电流，余下总电流的25％在大楼流窜至UPS输入输出负载的电源线、局域网线、各类信号线等。结果将击穿UPS输出对地线和输入对地线、终端设备电源对逻辑地线、网口对逻辑地线等。 3.1.3错相位雷害
美国空军电磁兼容手册中，描述雷电发生时用肉眼可识别闪电为一组雷击，每次不少于26个雷，它有大小和发生先后的区别，如果一个高能量雷打在一条火线上，而另一个低能量雷打在另一条火线上，线线之间就会产生一个电压差，侵入设备。这种侵害设备的现象，称错相位雷击，又称雷电的二次破坏。
小结：堵死雷电由电力线入侵电子设备，应该从远点雷击、近点雷击和错相位雷击三种雷击现象入手，实施全方位的保护，才能在发生雷击时，实施有效的保护设备。 3.2建筑物内感应雷害
雷电击在建筑物避雷针或金属屋面上，由避雷针或金属屋面通过引下线，将雷电流泄放大地，引下线自上而下产生一个变化旋转快速运动磁场，建筑物内的电源线、网络线等相对切割磁力线，产生感应高压并沿线路传输击毁设备。建筑物内感应雷击对微电子设备，特别是通讯设备和电子计算机网络系统的危害最大，据统计资料显示，微电子设备遭雷击损坏，80%以上是由感应雷击引起的。
以变电站为例，避雷针引下线或主钢筋距机房约10米，假设机房为7′7m2。 di=75KAdt=10mS
则感应高压U＝2′10－7′7′Ln＝5571V
由此可知由雷电产生的感应电压无孔不入，它可以危及机房内所有的用电设备，感应雷的能量虽小，但电压较高。所以，对感应雷害的防护，应该是全面的防护。 3.3雷电作用下的网络雷害 3.3.1广域网络
一般讲，广域网络通常不遭受直击雷的破坏，1mm2的铜线遭受10KA的雷电袭击，它自身就断了。所以，广域网的雷害主要是感应雷害，击穿方式为线对线和线对机壳（地）。在GA173-1998《计算机信息系统防雷保安器》标准中，广域网保护的最大雷电流为5KA，连接广域网一般有以下几类，一类是DDN专线，一类是ISDN专线，一类是帧中继以及微波通讯方式。对于专线的接收端口，它的耐压应为5倍工作电压，即Vdc25V，传输速率小于等于2M，插入防雷器，使之在雷电作用下，短路保护5KA电流，而端口残压小于25V；
而对于话线备份来说，它的工作电压为48V加93V振铃电压共计175V，插入防雷器，防雷器的启动电压185V，残留电压小于Vdc330V，因为调制解调器的耐压为Vdc330V。保护模式为线对地和线对线，广域网遭受雷击的概率较大，一般在28％左右。 3.3.2局域网
在局域网的传输电缆中，常常采用UTP电缆，UTP电缆的4对线中两对线（1-2，3-6线对）一对线接收一线发送，采用RJ45接口方式。既然局域网电缆采用RJ45型是一收一发，那么，就应按两对线进行雷电保护。
我们做过一次试验，在一条连接服务器的网线旁边，约距网线0.5米处，采用雷击发生器对网线0.5米处一条金属线发射雷电流。由小到大，发射电流为10KA，周边磁场污染了网线，瞬间服务器端口、芯片被击穿，这时，示波器记忆感应高压为100V。
在变电站的综合布线中，施工人员为了布线工程的美观漂亮，把很多网线放在墙壁内，没有考虑对UTP电缆的屏蔽处理，一旦建筑物某些钢筋泄放雷击电流都将引起感应高压，从而击毁设备。
另外，对于网络系统，由于雷电引起的电磁脉冲，在机房内产生3Gs(高斯)的变化电磁场，必然引起网卡端口芯片的烧毁。 3.3.3综合布线
从防雷角度上考虑，布线一定要明确表示：
a)电源线不要与网络线同槽架设，数据插座与电源插座保持一定距离； b)广域网线缆不要与局域网线缆同槽架设； c)网线与墙壁布置时，有条件应远距离安装； d)屏蔽槽有厚度要求，并要求两点接地.3.4雷电高压反击(又称地电位反击)
雷电袭击建筑物避雷针、金属顶面、女儿墙的避雷带，由引下线将雷电流引入大地，由于大地电阻的存在，雷电电荷不能快速全部的与大地负电荷中和，必然引起局部地电位升高，这种反击电压少则数千伏，多则数万伏，直接烧坏用电器的绝缘部分。
另外一点值得非常注意的是：防雷的概念不仅仅是对雷电灾害的防护，还有由于大型设备起停，切投等引起的电网波动，而产生的浪涌过电压是目前电子系统最大的威胁，其危害的比例绝对高于自然雷击的比例。雷电过电压，浪涌过电压，均归于瞬态过电压（瞬态浪涌电流）的范畴之内。
在通过具体分析了雷害入侵被保护系统的各种途径后，我们得出的结论是：防雷保护设计工作不是简单的避雷设施的安装和堆砌，而是一项要求高、难度大的系统工程，涉及多方面的因素。为此我们的设计指导思想的主旨是，本着\"经济、实用、高标准,严要求、高起点、高可靠性\"的原则，在遵照执行国际有关标准，国家有关行业标准的基础上，还参考和引入IEC国际电工委员会的有关防雷技术标准要求，以期达到更好的防护效果。 4设计具体说明
经过对多个变电站的实地勘察，当前变电站中所采用的防雷措施(外部避雷)是比较可靠的，但是,随着电力网容量的增大，电压等级的提高，综合自动化水平的需求，单靠传统的避雷针、避雷带等外部避雷设施已不足以防护雷电或开关过电压对微电子设备的冲击，进行内部系统的雷击浪涌防护和加装SPD（电涌保护器）是迫切的和必须的。
本设计主要内容为: (1)所有通信机设备线缆整理、打标签、平面图、走线图、设备明细表等设计绘图 (2)110KVA变电站：
电源系统雷电浪涌防护、远动信号端口浪涌防护 (3)110KVB变电站：
更换电源柜、增加接地铜排、电源系统雷电浪涌防护、串口信号端浪涌防护 (4)农电所总站：
接地改造、设置地线铜排、配线箱改造、增加防雷保安单元、电源系统雷电浪涌防护 (5)生产综合楼客服中心：
增加直流电源配电柜、接地改造、增设接地铜排 (6)220KV变电站：
交流配电系统设计及改造，电源系统雷电浪涌防护、数据线防雷 (7)110KV变电站：
电源系统雷电浪涌防护、数据线防雷 (8)220KVC变电站：
交直流配电柜的设计制造、接地线的引入、电源系统雷电浪涌防护、串口信号端浪涌防护
(9)110KVD变电站：
增加交流配电柜、引上接地铜排、电源系统雷电浪涌防护、信号端浪涌防护 (10)110KVE变电站：
交流电源系统雷电防护、信号端浪涌防护、接地均压环处理.(11)旧供电局：
地线引入、增设接地铜排、电源系统雷电浪涌防护、信号端浪涌防护 (12)供电所：
电源系统雷电浪涌防护、信号端浪涌防护 (13)供电大厦15楼交换机房：
交流电源系统雷电防护、接地均压环处理 (14)供电大厦16楼通信主机房：
地线引入、增设接地铜排、电源系统雷电浪涌防护、信号端浪涌防护 4.1建筑物防雷、二次弱电设备系统防雷及电气安全设计指标 4.1.1电气安全技术指标
(1)供电方式（采用TN或TN-C-S系统）及电网要求
电源电压：380V/220V波动不大于±5%
电源频率：50Hz波动不大于±0.5%
波形失真率：应小于±5%
电压漂移：（N-PE）应小于1V。
