电力通信系统电源配电及防雷方案设计

电力通信系统电源配电及防雷方案设计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(1)第一类建筑物：a)凡制造、使用或储存炸药、火药、起爆药、火工品等大量爆炸物质的建筑物，因电火花而引起爆炸，会造成巨大破坏和人身伤亡者。b)具有0区或1区爆炸危险环境的建筑物。c)具有1区爆炸危险环境的建筑物，因电火花而引起爆炸，会造成巨大破坏和人身伤亡者。(2)第二类建筑物：a)国家级重点文物、国家级的会堂、宾馆等等。b)国家级计算中心、国际通信枢纽、重要的大量电子设备的建筑物。c)制造、使用或储存炸药、火药、起爆药、火工品等大量爆炸物质的建筑物，因电火花而引起爆炸，会造成巨大破坏和人身伤亡者。d)具有1区爆炸危险环境的建筑物，因电火花而引起爆炸，会造成巨大破坏和人身伤亡者。e)工业企业内有爆炸危险的露天钢制封闭气罐。f)预计雷击次数大于0.06次/a的部、省级办公建筑物。g)预计雷击次数大于0.03次/a的住宅部、办公楼等一般性民用建筑物。依据GB50343-20045电子系统雷电防护等级选择(1)A级防护：a)大型计算中心、大型通信枢纽、国家金融中心、银行、机场、大型港口、火车枢纽站等。b)甲级安全防范系统，如国家文物、档案库的闭路电视监控和报警系统。c)大型电子医疗设备、五星级宾馆。(2)B级防护：a)中型计算机、中型通信枢纽、移动通信基站、大型体育场（管）监控系统、证券中心。b)乙级安全防范系统，如省级文物、档案库的闭路电视监控和报警系统。c)雷达站、微波站、高速工路监控和收费系统。中型电子医疗设备。d)四星级宾馆。(3)C级防护：（小型）因此，对电力通信机房建筑物内通信设备、电源设备、RTU远动控制设备、通信MODEM设备防雷应划为第一类建筑物，电子系统雷电防护等级选择应划为A级。其防护措施应有：a)建筑物直击雷防护；b)建筑物側击雷防护；c)建筑物内的设备、管道、构架、电缆金属外皮、钢屋架、钢窗等均应接到防感应雷的接地装置上；d)低压线路、通信线路应采用全线穿管屏蔽以防止雷电浪涌入侵；e)在电源引入的总配电箱处安装电涌保护器；f)在通信I/O接口端处安装电涌保护器防止雷击电磁脉冲的防护；g)对设备接地的等电位联接。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