调度台雷击事故分析及整改措施

 0 引言

某供电公司调度交换系统自投运后一直稳定运行,从未因恶劣天气造成大范围设备损坏或调度中断事故。2012年,该公司对调度大楼进行装修改造后,公司地调监控室部分调度台2次在雷暴雨天气出现故障,与调度交换机通信异常,影响电网正常调度。2次故障共造成8台调度台损坏,维修费用约20万。

 1 事故现场勘察及处理

1.1 现场设备损坏情况

通信专业人员第一时间赶赴现场查看,发现调度台故障情况如下：

1）故障调度台外观未发现异常;

2）调度台与调度交换机通信异常,现象1是部分故障调度台左右2个手柄均听不到拨号音,现象2是部分故障调度台仅一侧手柄听不到拨号音。

3）抢修人员对故障调度台进行重启操作,但故障现象依然存在。

为保障电网调度工作的正常运行,及时恢复调度台功能,抢修人员遵循“先抢通、后修理”的原则,采用对故障调度台进行逐一更换的方法,通过对新换调度台重新下发数据,恢复了调度台原有功能。

1.2 现场环境

该供电公司电网调度控制中心设有配调和地调监控2个调度室,分别位于调度大楼的9层和10层（顶层）,运行有15台调度台,其中10层地调监控室11台,9层配调室4台。对比大楼装修引起的环境变化发现：在大楼装修之前,地调监控室的窗户采用普通型双层铝合金窗,单扇窗体面积为1 000 mm×600 mm。而装修改造后,单扇窗户面积增加为1 500 mm×2 500 mm。

据当值调度员回忆,2次事故发生前,在调控室南窗户前上方50 m左右有强响雷发生。雷电出现后,故障调度台全部集中在大楼10楼地调监控室,而处于9楼的配调室内的4台调度台完好无损。在10楼地调监控室,故障调度台绝大多数分布在靠南边的窗户附近,远离窗户的调度台完好无损。

1.3 现场防雷措施检查

该大楼建造时屋顶架设了避雷装置,敷设了闭合均压网并与接地网连接等一系列防直击雷措施,多年来从未发生过雷击事故。通信专业人员对于此次调度台事故高度重视,事后专门组成隐患排查整改小组,对调度台电源、接地和接线等环节的防雷情况进行了逐一排查。

发现：调度台接地正常;地调监控室接地系统正常;室内其他电子设备正常;调度台的供电电源具有完备的防雷措施;调度台2B+D和录音接口对外连接的电缆加装的过压保安器正常。

 2 事故原因分析

2.1 雷击的危害

雷电是一种局部的强烈的自然灾害性现象。雷电发生时,雷云中的能量在极短的时间内释放出来,从而产生强大的雷击电流、炽热的高温、猛烈的冲击波和强烈的电磁辐射等综合物理效应,对建筑物、电子电气设备等造成伤害^[1-6]。

雷电的危害分为直击雷和感应雷^[7-10]。现代建筑一般具有完善的避雷系统,建筑外墙及避雷系统对室内电子设备做了第一道有效防护。所以,室内电子设备基本不会受到直击雷的危害。其受雷电干扰的途径有以下几种（见图1）。

1）雷电直击连接建筑物的各种金属管线或附近其他物体,在金属管线上产生过电压,并经过金属管线引入室内电子设备^[11]。

2）雷电直击建筑物的避雷系统,强大的雷电流沿建筑物的泄雷系统流向地面的过程中对室内电子设备产生过电压干扰^[12];而且流入的雷电流还会引起建筑物接地装置的地电位的升高,有可能造成对电子设备的反击^[13]。

3）雷电电磁波通过辐射方式从建筑物的外部穿透建筑物的屏蔽体而在室内电子系统中产生过电压干扰^[14-15]。

图1 雷电对室内电子系统的干扰途径Fig.1 The interference way of lightning on indoor electronic system

2.2 调度台防雷性能分析

调度台是电网调度系统的终端设备,为调度员提供操作界面,是调度员收发调度命令、完成电网调度的重要设备。调度台的防雷工作具有一定的困难。

1）调度台通常根据实际需要分布在不同的环境中。针对不同的环境需要制定相应的防雷措施,而环境的差异为调度台的防雷工作带来一定的困难。

2）调度台与外部连线较多,包括2B+DU口线、录音线、电源线等。雷电产生的高压会沿着未经防护的线路进入调度台,造成设备损坏。所以,调度台各线路的接地、防雷工作尤未重要。

3）调度台元件多采用集成电路（IC）,过电压耐受能力差,对电磁干扰敏感,容易受到雷电的影响,损毁调度台功能。

分析2次事故发生时的共同特点,调度室内除调度台发生故障外,室内其他40余台电子设备（如计算机终端、显示器、调度大屏等）均无异常,地调监控室的防雷接地系统也均符合规范要求。所以,调度台自身防雷性能较弱也是此次事故发生的原因之一。

2.3 楼体改造引起防雷环境的改变

此次事故仅造成10楼地调监控室部分调度台故障。通过对地调监控室周边环境进行勘察,发现故障调度台与非故障调度台的电源均来自同一UPS电源,且该UPS电源具有完备的防雷措施;故障调度台与非故障调度台的录音系统、2B+D线均从公司通信机房经地下管线引入,未暴露于室外,且屏蔽层接地良好,并加装保安模块。所以,基本可以排除电源线、录音线、2B+D线等连线引入雷电波造成此次故障。

在该大楼装修改造之前的十几年,调度台在运行过程中从未发生过因雷电天气引起的故障。通信专业人员仔细对比了地调监控室由大楼装修引起的变化,发现地调监控室窗户单体面积由原来的
1 000 mm×600 mm增大至1 500 mm×2 500 mm,铝合金窗户框架密集度大幅降低。分析此次雷击事故是由雷电感应电磁场从窗户辐射进室内引起。

铝合金窗户框架是良导体,对电磁波具有反射、吸收作用,雷电电磁波穿过铝合金窗体时,其强度会被削弱。而窗户玻璃是不良导体,对雷电电磁波的阻挡作用有限。多扇铝合金窗户框架形成金属网格,金属网格的尺寸越大,其对雷电的防护作用越弱,室内设备受雷击影响的概率越大。

大楼装修改造前,由于单扇铝合金窗户面积较小,框架较为密集,对雷电电磁波起到了一定的防护作用,削弱了雷电电磁波到达调度台时的强度,而其强度未达到损坏调度台的临界值,因此在过去十几年期间,未发生过由雷电而引起调度台故障。大楼装修改造后,窗户面积增大,铝合金窗户框架密集度较装修前大幅度降低（约6倍）,一定程度上降低了对雷电电磁波的阻挡作用,使雷电电磁波到达调度台时的强度有所增加,其强度值达到了调度台的抗电磁感应强度,导致调度台元器件受损,调度台故障。

 3 整改措施

3.1 增强调度室窗户防护性能

良好的接地是防雷中至关重要的一环,接地电阻值越小过电压值越低,保障地调监控室窗户良好接地,可以有效减弱雷电感应对室内设备的影响。将处于10楼的地调监控室整层所有窗户全部采用25 mm²编织铜带均压接地（见图2）,形成避雷带,泄流雷电感应电流,降低雷电感应强度。该措施有效削弱了雷电磁波到达调度台的强度,大大降低了调度台遭受雷击的可能性,提高了通信对电网调度的保障能力。

图2 窗体均压带安装示意Fig.2 Installation diagram of the ring conductor of window

3.2 增强调度台防雷性能

为增强调度台的防雷性能,可以从以下几方面做出改进：

1）做好公司各调度控制室调度台防雷接地的排查整改工作,保障各调度台良好接地,使得雷击时雷电流迅速导入大地,有效抑制雷击干扰;

2）为调度台做好有效的浪涌保护,将原始雷电威胁值减小至调度台的浪涌承受能力范围内,保护调度台内部电路;

3）在保证调度人员使用便捷的前提下,合理调整调度台的位置,使其远离窗口等雷电危险区,保证调度台远离感应雷危害。

3.3 提高防雷意识,做好事故预案

雷电的防护涉及范围广、影响范围大,要有效解决该问题还得从思想上重视雷击的危害,提升日常维护工作中的防雷意识。

1）机房建设、改造应充分考虑防雷性能,严格遵照相关规程。从接地与均压、屏蔽、限幅、隔离等各方面全面考虑通信机房的防雷问题。

2）雷雨季节前加强对通信机房、通信设备的巡视,提早发现、及时整改问题,防患于未然。

3）加强部门间协同工作,在日常生产工作中充分考虑电子设备的安全,对雷电的危害进行提前预判,在遵循防雷基本技术规范、规定的基础上,综合各种因素,做到针对性处理和防范。

 4 结语

以上一系列防雷措施有效解决了该公司调度台的防雷问题,在之后的雷雨天气中调度台运行稳定,没有再发生调度台雷击故障事件,减少了不必要的经济损失,保证了电网调度的有序进行和电网安全。

雷电感应不是一个崭新的课题,但却是一个很难彻底解决的问题。打雷的形式千差万别,有高空雷、地滚雷、穿墙雷等等,而且各种雷的强度也不一样,且由于电子产品所处地理位置、环境和外接电缆防护措施等不一样,因此遭受雷电感应的结果也不一样,必须具体事情具体分析、具体解决。总之设备防雷必须在遵循防雷基本技术规范、规定的基础上,特殊情况特殊处理,综合各种因素,做到针对性处理和防范,才能有效解决问题。