论供电系统的防雷接地保护及安全.doc

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论供电系统的防雷接地保护及安全 ljk hkiugh

毕业论文

中图分类号：TP

论供电系统的防雷接地 保护及安全

专业名称:电气自动化技术
学生姓名:
导师姓名:
职 称：副教授

中图分类：TP272 密级：无
UDC： 单位代码：11522

论供电系统的防雷接地
保护及安全
And Safety Grounding Lightning Protection of Power System

姓　 名

学　　制

专 业
电气自动化技术
研究方向
自动化技术
导　 　师

职　　称
副
论文提交日期
2013.12
论文答辩日期
20

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摘 要
随着现代电子技术的不断发展，各种高、精、尖的电子设备不断推广和普及应用，各种网络系统广泛应用于电力、政府机关、学校、交通、公安、银行、证券、邮政等企事业单位中。这其中，发电厂、变电站直流系统是十分重要的电源系统，它是一个独立的电源，不受发电机、厂用电、站用变以及系统运行方式改变的影响，为电力系统的控制回路、信号回路、继电保护、自动装置及事照明等提供可靠稳定的不间断电源，它还为断路器的分、合闸提供操作电源。由于直流电源在二次系统所处的重要地位，直流系统自身的可靠及安全直接影响到整个系统的安全，尽管直流电源十分稳定可靠，但实际应用中，由于电力系统应用直流电源的特殊性，特别是控制回路和保护回路的应用，使直流系统的故障成为电力系统更大故障的事故隐患，这即是电力系统直接接地故障危害。准确把握电力系统直接接地的危害，并采取切实可行的预防措施，对确保电力系统正常运行意义重大。自从人类进入到电气化时代以后，雷电的破坏由主要以直击雷击毁人和物为主，发展到以通过金属线传输雷电波破坏电气设备为主。
随着近年来电子技术的飞速发展，计算机系统的网络化程度越来越高,人类对电气设备尤其是计算机设备的依赖越来越严重。而电子元器件的微型化、集成化程度越来越高，各类电子设备的耐过电压能力下降，遭雷电和过电压破坏的比例呈不断上升的趋势，对设备与网络的安全运行造成严重威胁。
在供电系统的的运行过程中,由于雷击、操作、短路等原因,产生危及电气设备绝缘的过电压,严重危害供电系统,需要进行电气设备的防雷、接地、防腐蚀。还需要注意静电的防护及防爆和防腐蚀。在供电系统运行时,人们得知道触电后该怎么样做才安全。必须认识电流对人体的危害,人体触电的形式和触电后脱离电源的方法,同时还得了解电后急救的知识。

关键词：防雷，接地，危害，故障，保护，安全

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Abstract
With the continuous development of modern electronic technology, all kinds of high, refined, sharp constantly promote and popularize application of electronic equipment, a variety of network system is widely used in electricity, government agencies, schools, transportation, public security, banking, securities, postal and other enterprises and institutions.This among them, the power plant and substation dc system is very important power system, it is an independent power supply, and is not affected by generator auxiliary power, and stand with change and the influence of system operation mode change, for the power system control circuit, signal circuit, relay protection and automatic device and lighting to provide reliable and stable uninterrupted power supply, it also offers operation of circuit breaker points, closing power supply.Due to the dc power supply in the secondary system's important position, the reliability and safety of dc system directly affects the safety of the system, although the dc power supply is very stable and reliable, but in practical application, due to the particularity of power system application of dc power supply, especially should control circuit and protection circuit.
With the rapid development of electronic technology in recent years, the degree of network computer system is higher and higher, human dependence on electrical equipment, especially the computer equipment is more and more serious.And electronic miniaturization, integration degree more and more high, all kinds of electronic equipment protection against overvoltage, damaged by lightning and overvoltage ratio showed a trend of rising and cause serious threat to the safe operation of equipment to the network.
During the operation of the power supply system, because the reason such as lightning, operation, short circuit, overvoltage endanger electric equipment insulation, serious damage to the power supply system, the need for lightning protection and grounding of electrical equipment, anti-corrosion.Also need to pay attention to the protection and static explosion proof and corrosion resistance.In the power supply system is running, people need to know how do after getting an electric shock to safety.Must understand current to the harm of human body, the human body in the form of electric shock and electric shock after out of the way of power supply, at the same time also will

learn electricity after first aid knowledge.

Key words:Lightning Protection，Ground Fault，Harm，Failure, Protection， Safety

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目 录
目录
引 言....................................................................................................................................1
1雷电的形成及防护..........................................................................................................3
1.1雷电的形成................................................................................................................3
1.2防雷的原因................................................................................................................4
1.3 雷电分类...................................................................................................................4
1.4雷电危害....................................................................................................................6
2、 防雷保护措施...............................................................................................................8
3 接地保护措施.............................................................................................................11
3.1交流接地系统..........................................................................................................12
3.2 TN系统的几种方案.................................................................................................13
3.3联合接地系统..........................................................................................................14
4供电系统的安全............................................................................................................16
4.1供电系统面临的威胁和存在的问题 .....................................................................16
4.2供电系统安全的建设 ............................................................................................16
5供电系统的安全使用....................................................................................................18
5.1 直流系统接地的危害与故障排除.......................................................................18
5.2 使用正压型电气设备及通风系统时要求..........................................................19
6 小 结.............................................................................................................................21
7参考文献 ......................................................................................................................22
致 谢..................................................................................................................................23

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引 言
自从地球上有了人类，人们就一直未停止过对雷电的产生、雷电的灾害及其活动规律的认识和探索。
雷电的产生是由云层中的尘埃、水晶等物质在云层中翻滚运动的时候，经过一些复杂的过程，使这些物质分别带上正电荷与负电荷，带上相同电荷的质量较重的物质会达到云层的下部（一般为负电荷），带上相同质量较轻的物质会到达云层的上部，（一般为正电荷），这样，同性电荷的汇集就形成了一些带电中心，当异性带电中心之间的空气被其强大的电场击穿，便会出现“放电”（即闪电）。
带负电荷的云层向下靠近地面时，地面的凸出物，金属物等会感应出正电荷，随着电场的逐步增强，雷云向地面的物体形成向上闪流，二者相遇即形成对地放电。在迅猛的放电过程中，不仅会产生强大的雷电流（可达数十至数百KA），还会伴随有强烈的闪光和巨大的声响。这种雷电流具有发生时间短（微秒级的突变）、幅度值高（几百KA）的特点，其瞬间功率是巨大的，有极大的破坏力。
早在二百多年前，美国科学家富兰克林，在雷雨天通过放风筝实验，证明了雷击现象，并建立了雷电学说。二百年以来人们一直在探索研究、消除减轻雷电对人类活动带来的破坏，随着国民经济建设的日益发展，雷电造成的灾害越来越严重，各行各业遭受雷电灾害的频率越来越高，经济损失越来越大，尤其是城市高层建筑物、电力设施、通信设施及场、计算机及其场地等极容易遭受雷电袭击。
地球每年因雷电灾害造成的人员伤亡、财产损失不计其数，导致火灾、爆炸，信息系统瘫痪等事故频繁发生。从计算机网络及至每个家庭的家用电器都会受到雷电灾害的严重威胁，美国每年雷电造成的损失约50—60亿美元，仅1998年就使10万多台计算机受损。
通过雷电灾害造成的损失，人们越来越认清了雷电灾害的严重性，所以也就不断地增强防雷意识，加强雷电的防护。如今，雷电防护的技术日趋成熟，手段更加先进，产品更加安全可靠；雷电防御的领域更加广泛，它涉及到高层建筑，电力、电信、金融、石油、、教育、气象、航天、旅游、弹药库等。而且现代防雷更要求综合性防护措施，这是相对于局部防雷电和单一措施防雷电的一种综合性防雷电。
随着电力体制改革的推进，变电站数字化改造与建设也不断深入发展，综合自动化变电站的不断增多，雷电对弱电设备的危害问题日益突显出来。从国内有关报
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引 言
道和变电站运行的实际来看，供电系统遭受到雷击，造成设备损坏、通信中断、系统退出等情况普遍存在。这不仅严重威胁电网的安全运行，而且给人们的生活带来了诸多的不便。笔者结合工作实践，针对供电系统的特点，通过对雷电波危害的途径分析，结合当今弱电防雷的一些技术和供电局变电站的情况，探讨供电系统防雷接地保护及安全措施。
随着社会的不断进步，电能已成为人们生产生活中最基本的不可代替的能源。然而，当电能失去控制时，就会引发各类电气事故，其中对人体的伤害即触电事故是最常见的，而人们最忽视的就是间接触电。保护接地和保护接零是防止间接触电最基本的措施。为此，建设部曾下达了有关接地及接地系统的强制性条文标准及严格的质量验收标准，故此在设计和施工中必须引起充分的重视。

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1雷电的形成及防护
1雷电的形成及防护

1.1雷电的形成
大气过电压产生的根本原因，是雷云放电引起的。要知道雷电的形成，首先让我们来了解一下雷云的产生。雷雨季节里，太阳把地面一部分水分蒸发成蒸汽，向上升。由于太阳不能直接使空气变热，所以上部空气仍为冷空气。上升的蒸汽遇到冷空气，凝成水滴，大、小水滴在气流的吹袭下产生摩擦和碰撞，形成带正、负不同电荷的雷云。当带电的雷云快临近地面时，由于静电感应，大地感应出与雷云极性相反的电荷，两者组成了一个巨大的电容器。电荷在肋云中的分布不是均匀的，当云中电荷密集处的电场强度达到25-30KV/cm时，就会使附近空气电离形成导电通道。电荷就沿着这个通道由电荷密集中心向地面发展，称先导放电。当先导放电通道到达地面时，大地的电荷与雷云中的电荷产生强烈的中和，出现了极大的电流，伴随着雷鸣和闪光，这就是主放电阶段。主放电存在时间机短，约为50-100μs，电流可达数千安至数百千安，是全部雷电流的最主要部分。主放电的过程是逆着先导通路发生的，其速度约为光速的1/20-1/2，当主放电到达云端时，主放电就结束。主放电结束后，云中的参与电荷还会沿着主放电通道进入地面，称为余光放电。此阶段约为0.03-0.15s，余光放电电流是雷电流的一部分，约为数百安。
雷云中可能存在的几个电荷密集中心，当第一个电荷密集中心的上述放电完成之后，可能引起第二个、第三个中心向第一个中心形成的通道放电。因此。雷电往往是多重性的，称为重复雷击。每次放电相隔600μs-0.8s，放电数目平均为2-3次，最多曾记录到42次。但第二次及以后的放电电流一般较小，不超过30kA。
（1）波阻抗：在主放电时，雷电通道充满带电离子，像导体一样，对电流波呈一定的阻抗，称为波阻抗。波阻抗为主放电通道的电压波和电流波的幅值之比。其表达式为
Z=U/I
式中 U——电压波幅值；
I——电流波幅值
Z——波阻抗
（2）雷电波的陡度
主放电时雷电流中由零开始到达幅值所用的时间为2-6 μs。由零开始经过电流幅值后，降到电流幅值一般共需用的时间为40-50μs。
（3）雷电流的幅值
雷电流一般是指雷击于接地电阻小于30Ω的物体时流过物体的电流。 当雷直接击中地面时，由于没有人为的接地体，故被击点的电阻很高，约达1000Ω多一点。此时雷电流只有低接地电阻时的70%或更低些。但击中接地电阻小于30Ω的物体时，雷电流的幅值超过200kA的很少，故雷击地面时的雷电流幅值可按200kA的50%，即100kA考虑。

1.2防雷的原因
雷击是年复一年的严重自然灾害之一。随着我国现代化建设的不断提高，电子设备越来越多，规模越来越大。一方面大型电子计算机网络，程控交换机组等系统设备耐过电流，耐雷电压的水平越来越低，另一方面由于信号来源路径增多，系统较以前更容易遭受雷电波的侵入，致使雷电灾害频频发生。据统计，雷电对电子设备的损坏占设备损坏因素的比例高达26%，防雷过电压已成为具有时代特点的一项迫切要求。而江山处于浙江的西南部，一到春季雷雨天气较平凡，加上大楼里面的电气设备又很多，像通讯、电脑、网络等电子设备，一旦被雷电所破坏，整座大楼的损失必将很大。

1.3 雷电分类
直击雷
直击雷蕴含极大的能量，电压峰值可达5000KV，具有极大的破坏力。如建筑物直接被雷电击中，巨大的雷电流沿引下线入地，会造成以下三种影响：
（1）巨大的雷电流在数微秒时间内流下地，使地电位迅速抬高，造成反击事故， 危害人身和设备安全。
（2）雷电流产生强大的电磁波，在电源线和信号线上感应极高的脉冲电压。
（3）电流流经电气设备产生极高的热量，造成火灾或爆炸事故。
传导雷
远处的雷电击中线路或因电磁感应产生的极高电压，由室外电源线路和通信线路传至建筑物内，损坏电气设备。
感应雷
云层之间的频繁放电产生强大的电磁波，在电源线和信号线上感应极高的脉冲电压，峰值可达50KV。
比如：点位反击引入感应雷击
通过电阻性耦合方式经数据线破坏设备，如下图：

通过电阻性耦合方式经中线及地线破坏设备，如下图：

上述各种耦和会产生高达6000伏（根据BS6651，CCITT，LIT，IEEE及我国相关标准）的瞬间电压而破坏电子设备。
1.4雷电危害
雷电是一种非常壮观的自然现象，它具有极大的破坏力，对人类的生命、财产安全造成巨大的危害。1987年联合国确定的“国际减灾十年”中，雷电为对人类危害最大的十种灾害之一。
自从人类进入到电气化时代以后，雷电的破坏由主要以直击雷击毁人和物为主，发展到以通过金属线传输雷电波破坏电气设备为主。
随着近年来电子技术的飞速发展，计算机系统的网络化程度越来越高,人类对电气设备尤其是计算机设备的依赖越来越严重。而电子元器件的微型化、集成化程度越来越高，各类电子设备的耐过电压能力下降，遭雷电和过电压破坏的比例呈不断上升的趋势，对设备与网络的安全运行造成严重威胁。据统计，全世界每年因雷害造成的损失高达十亿美元以上。当人类社会进入电子信息时代后，雷灾出现的特点与以往有极大的不同，可以概括为：
(1)受灾面大大扩大，从电力、建筑这两个传统领域扩展到几乎所有行业，特点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)雷灾的经济损失和危害程度大大增加了，它袭击的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2005年8月29日凌晨2点，某市电信遭受雷击，导致信号中断数小时，其直接损失是有限的，但间接损失将大大超过直接损失。
产生上述特点的根本原因，也就是关键性的特点是雷灾的主要对象已集中在微电子器件设备上。雷电的本身并没有变，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。
为此，当今时代的防雷工作的重要性、迫切性、复杂性大大增加了，雷电的防御已从直击雷防护到系统防护，我们必须站到历史时代的新高度来认识和研究现代防雷技术，提高人类对雷灾的预防措施。
线路传导过电压的形成可分为三种：
1)远点雷电的侵入
远点雷电的侵入对于远距离埋地敷设或存在架空线路的通信系统危害最为
严重。处于建筑物内部的通信系统由于建筑物的保护，室内和建筑物近旁不可能遭受直接雷击，但若通信系统内的电力线、信号线为架空引入，则在建筑物远处可能遭受直接雷击，沿线路传导的雷电过电压就会侵入设备内部，造成设备损坏。
2)近点雷电磁场耦合
近点雷电磁场感应是近年通信系统设备损坏的主要途径。当建筑物遭受雷击
或在建筑物近旁发生雷击时，强大的脉冲电流会在周围空间产生交变磁场(以雷电中心1.5km-2km的范围内都可产生危险的过电压)，处于磁场中的导体因此而耦合出高电压，沿线路产生的过电压窜入设备，造成设备损坏。
3)电感、电容性负载的起动
即通常所说的开关操作过电压。电压在极短的时间内发生瞬变，电压时间特
性曲线的陡度较高，形成幅值较高的脉冲电压加载在供电线路上，沿线路窜入设备，造成设备损坏。

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2 防雷保护措施
2、防雷保护措施
概括地说，当今电子设备的防雷手段，主要采用分流、接地、屏蔽、等电位和过电压保护五种方法。
利用避雷针、避雷带和避雷网等将雷电流沿引下线安全地流入大地，防止雷电直接击在建筑物和设备上。
避雷针的作用实质上是主动引雷入地，防止被保护物遭雷击。避雷针尖（又称接闪器）引入雷雨云上的电荷，引下线将电荷引到接地体上，接地体将电荷快速释放到大地中。

图2-1 单根避雷针剖面图和保护范围
避雷针由接受器、接地引下线和接地体（接地极）三部分串联组成。避雷针的接受器是指避雷针顶端部分的金属针头。接受器的位置都高于被保护的物体。

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2防雷保护措施

图2-2 双根等高避雷针保护范围剖面
接地引下线是避雷针的中间部分，是用来连接雷电接受器和接地体的。接地引下线的截面积不但应根据雷电流通过时的发热情况计算，使其不会因过热而熔化，而且还要有足够的机械强度。接地体是整个避雷针的最底下部分。它的作用不仅是安全地把雷电流由此导入地中，而且还要进一步使雷电流在流入大地时均匀地分散开去。
当单支或双支避雷针不足以保护全部设备或建筑物时，可装三支或更多支形成更大范围的联合保护。需要注意的是，雷电时期内，在避雷针接地装置附近，由于跨步电压甚高，人员接近时有触电的危险，一般在避雷针接地装置附近约10米的范围内是比较危险的。
避雷针的保护范围：避雷针保护其附近比它矮的建筑物或设备免受雷击是有一定范围的。这范围像一顶以避雷针为中心的圆锥形的帐篷，罩在帐篷里面空间的物体，可以免遭雷击，这就是避雷针的保护范围。
在计算机网络系统中，为保证其稳定可靠的工作、保护计算机网络设备和人身安全，解决环境电磁干扰及静电危害，需要一个良好的接地系统。接地和等电位连接方式，可参看下图：

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2防雷保护措施

图2-3 接地和等电位连接

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3接地保护措施
3 接地保护措施
在电力系统中，接地是用来保护人身及电力、电子设备安全的重要措施。通常我们将接地分为工作接地、系统接地、防雷接地、保护接地，用他们来保护不同的对象，这几种接地形式从目的上来说是没有什么区别的，均是通过接地接地导体将过电压产生的过电流通过接地装置导入大地，从而实现保护的目的。现代工厂在接地上都要求形成一张严密的网，而所有的被保护对象都挂在这个安全的接地网上，但不同的接地都需要从接地装置处的等电位点连接。
保护接地是当前低压电力网中的一种行之有效的安全保护措施。通常有两种做法，即接地保护和接零保护。将设备和用电装置的中性点、外壳或支架与接地装置用导体作良好的电气连接是电气工作的一个重点，也就是我们通常说的接地。将电气设备和用电装置的金属外壳与系统零线相接叫做接零。由于电力系统中采用保护接地，是我们对用电设备、金属结构及电子等设备采取的接地保护措施，这样就可以避免电器设备漏电、线路破损或绝缘老化漏电等漏电事故造成的伤害。通过接地导体将可能产生的线路漏电、设备漏电及电磁感应、静电感应等产生的过电压通过接地回路导入大地，而避免设备等的损坏及保证人生的安全。保护接地中的接零保护与接地保护有几个方面的不同。一是保护原理不同。接地保护的基本原理是限制漏电设备对地的泄露电流，使其不超过某一安全范围，一旦超过某一整定值保护器就能自动切断电源；接零保护的原理是借助接零线路，使设备在绝缘损坏后碰壳形成单相金属性短路时，利用短路电流促使线路上的保护装置迅速动作。二是适用范围不同。根据负荷分布、负荷密度和负荷性质等相关因素。来选择TT系统或TN系统（TN系统又可分为TN-C、TN-C-S、TN-S三种）不同的接地系统。我国现行的低压公用配电网络，通常采用的是TT或TN-C系统，实行单相、三相混合供电方式。即三相四线制380/220V配电，同时向照明负载和动力负载供电。三是线路结构不同。接地保护系统只有相线和地线，三相动力负荷可以不需要中性线，只要确保设备良好接地就行了，系统中的中性线除电源中性点接地外，不得再有接地连接；接零保护系统要求无论什么情况，都必须确保保护中性线的存在，必要时还可以将保护中性线与接零保护线分开架设，同时系统中的保护中性线必须具有多处重复接地。
3.1交流接地系统
交流接地系统有工作接地和保护接地。
(1)所谓工作接地，在低压交流电网中就是将三相电源中的中性点直接接地。
(2)所谓保护接地，就是将受电设备在正常情况下与带电部分绝缘的金属外壳部分与接地装置作良好的电气连接

图3-1-1 交流工作接地

图3-1-2 交流保护接地
(3) 低压交流接地保护方式
可分为：接零系统（TN系统）、接地系统（TT系统）和不接地系统（IT系统）三类。
3.2 TN系统的几种方案
①TN－C系统 :它为三相电源中性线直接接地的系统，通常称为三相四线制电源系统，其中性线与保护线是合一的。

图3-2-1 TN-C系统
②TN－S系统 :它为三相五线制配电系统。这是目前通信电源交流供电系统中普遍采用的低压配电网中性点直接接地系统。

图3-2-2 TN-S系统
③ TN－C－S系统 :它是TN－C和TN－S组合而成 ,整个系统中有一部分中性线和保护线是合一的系统。往往用于环境条件较差的场合。

图3-2-3 TN-C-S系统
3.3联合接地系统
联合接地示意图联合接地系统由接地体、接地引入、接地汇集线、接地线所组成。

图3-4
①地电位均衡，同层各地线系统电位大体相等，消除危及设备的电位差。
②公共接地母线为全局建立了基准零电位点。当发生地电位上升时，各处的地电位一齐上升，在任何时候，基本上不存在电位差。
③消除了地线系统的干扰。通常依据各种不同电特性设计出多种地线系统。彼此间存在相互影响，而今采用一个接地系统之后，使地线系统作到了无干扰。
④电磁兼容性能变好。由于强、弱电，高频及低频电都等电位，又采用分屏蔽设备及分枝地线等方法，所以提高了电磁兼容性能。
供电系统根据与大地连接方式而定。一般有不接地方式、消弧线圈接地方式、电阻接地方式、电感补偿、并联电阻接地方式、直接接地方式。
消弧线圈接地方式
采用消弧线圈接地方式时，最好能达到调谐的要求，也就是由消弧线圈所产生的接地电流的电感分量与电力系统的电容电流分量相抵消，此时故障电流仅由调谐后的电阻值、绝缘泄漏和电晕所产生。此电流值甚小，因此这种接地方式也称小接地电流系统。由于接地电流很小，不会烧毁发电机定子线圈，也不致产生火灾和爆炸的危险。而且调谐后的电流与相电压同相，在同一时间过零，因此可以减少间歇重燃过电压和加速故障点的降压速度，故障相上恢复电压上升率也很低，因此电弧容易熄灭且不易重燃，闪络也受到限制，可以防止和减少电气设备击穿，也不易产生两相短路。为了尽可能在不同运行方式下与系统电容电流调谐，必须采用调整消弧线圈分接头的方法获得适当电抗值。当系统运行方式经常改变时，调谐工作量很大且不易达到要求，而且这种接地方式，寻找故障点也比较困难，并且工业和民用建筑中熟练人员比较少，因此近年来有改用电阻接地或采用微机综合保护接地的趋势。

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4供电系统的安全
4供电系统的安全
近年来随着通信技术和信息技术的飞速发展，信息网络已经渗透到社会每一个角落。电力企业是最早实现生产经营信息化的企业之一，电网调度自动化、网络运营市场化和管理现代化等都与电力信息系统密切相关，电力负荷控制、MIS、资费管理、客户服务等信息网络技术也成功应用到各级电力企业。同时网络的负面影响也渗透到电力企业生产的各个方面，对电力系统的安全稳定、优质运行构成了严重威胁。电力信息系统安全和电力生产安全同等重要，是国家安全的重要组成部分。因此研究信息安全技术，建立电力信息系统的安全防护体系和安全模型，对确保电力系统安全稳定、经济优质运行，加速实现“数字电力系统”的进程具有重要的现实意义，