雷電防護技術在信息網絡系統中的應用

王明磊

（赤峰市氣象局，內蒙古 赤峰 024000）

信息網絡系統受到的雷電危害較為嚴重，這類系統多由通信、計算機、控制、處理等設備和設施組成，很容易因快速升高的暫態電位、強電磁場、電涌而損壞。 為盡可能降低雷電對信息網絡系統的威脅，需要大力開展雷電防護技術的相關研究。

1 雷電對信息網絡系統的危害

雷電對信息網絡系統帶來的危害較為嚴重，主要可細分為三個方面：1） 在信息網絡所在建筑物的防雷裝置被雷電擊中后，接閃器、防雷引下線、接地裝置等設備會受到雷電流的沖擊，較短的時間會出現快速升高的暫態電位，這可能導致信息網絡系統中的精密電子設備損壞，系統正常運行也會受到影響；2） 擊中建筑物的雷電會導致瞬間產生巨大變化的雷電流出現，由此產生的強電磁場對信息網絡系統的威脅較大，如導體存在于該強電磁場周圍，高導體與高電位之間將形成感應，進而導致系統設備損壞；3）在電纜電路與防雷裝置直接由雷電擊中后，電涌將隨之出現并侵入信息網絡系統所在機房，電子信息設備運行會直接受到影響，嚴重的還會引發損壞及安全事故。 考慮到雷電對信息網絡系統的危害較大，必須設法保護信息網絡系統中的關鍵設備，雷電防護技術需要充分發揮自身作用[1]。

2 信息網絡系統中雷電防護技術的應用路徑

2.1 等電位連接技術

為保證雷電防護技術較好服務于信息網絡系統的雷電方法，等電位連接技術需要得到科學應用，以此實現雷電流在系統電子設備間電位差的大幅度降低，有效保護電子設備安全。 對于存在大量電子設備的信息網絡系統，等電位連接的實用性較高，現階段的應用也較為廣泛，該雷電方法技術的應用需結合信息網絡系統機房的防雷等級和建設規模，以此合理選擇等電位連接方式。 等電位連接不僅需要涉及信息網絡系統的電子設備，同時還需要使用等電位銅帶與對金屬吊燈、 配電線路等裸露的金屬設施進行可靠連接，同時需要連接地板的支托，系統電子設備可由此具備大幅提升的耐雷水平，圖1 為典型的等電位連接示意圖，圖中的A 區、B 區為不同雷電防護區。

圖1 典型的等電位連接示意圖

2.2 電磁屏蔽技術

瞬變強電磁場會因雷電而出現，信息網絡系統因瞬變強電磁場而穿透將引發電子設備損壞問題，為實現雷擊電磁輻射能的削弱，實現信息網絡系統受到的雷擊電磁脈沖干擾降低，電磁屏蔽技術的科學應用極為關鍵。 法拉第籠屬于典型的電磁屏蔽技術，其能夠基于雷電引發的瞬間感應到電流實現快速分流，具備對稱性質的屏蔽金屬可同時實現電磁脈沖干擾的降低。 電磁屏蔽包括線纜、 設備、機房、建筑物屏蔽，可采用格柵型大空間屏蔽作為建筑物屏蔽，具體可安裝防雷裝置于建筑物金屬部件部位，機房的屏蔽措施可在電磁屏蔽要求無法單純由建筑物滿足時合理選用，如設置屏蔽電纜，對電纜的接頭、金屬護層、加強芯開展接地處理，同時可基于等電位連接處理屏蔽層兩端（雷電防護區交界處）。 機房戶外引入線的引入需通過地下鋼管，等電位連接入戶處，可在管道和金屬線槽內敷設引入線，電磁屏蔽效果可隨之優化[2]。

2.3 浪涌保護器技術

浪涌保護器技術在信息網絡系統雷電防護中也能夠發揮不俗作用，該技術可基于能量分流的方式在大地中導入雷電過電壓，信息網絡系統安全可得到更好保障。 雷電波入侵中電源線路屬于主要通道，因此可將浪涌保護器安裝于電源線路部分。 雖然高壓電線路上一般存在電力部門設置的高壓避雷裝置，但線對線的過壓無法由這類避雷裝置控制，因此需設置過壓保護措施于低壓線路上，以此強化對信息網絡系統的保護。 具體可在樓層配電箱、總配電房、精密設備前端安裝浪涌保護器，以此構建三級保護體系，雷電入侵的概率可通過層層保護控制。 考慮到雷電波還能夠通過信號線入侵信息網絡系統，因此需要在視頻信號、控制信號、語音信號等各種信號線上加裝信號浪涌保護器，進一步強化對信息網絡系統的安全保護。 此外，需要關注浪涌保護器質量、性能、安裝工藝對其防雷效果帶來的影響，以此強化對不同信號傳輸方式的了解，明確物理接口、阻抗特性、信號電平等參數，以此科學選擇浪涌保護器型號，為同時保證安裝質量，還需要優選具備資質的施工隊伍[3]。

2.4 電源及網絡防雷技術

電源屬于信息網絡系統的重要組成部分，雷電防護技術在電源部分的應用可采用三級防雷體系，以此保證遭受雷擊的電源不會出現故障和損壞問題，保證其安全穩定運行。 電源三級防雷體系可在電源配電柜中設置首級防雷模塊，為保證防雷保護效果達到預期，可設置B 級的4 個防雷模塊，分別連接電源配電柜中的A 相線、B 相線、C 相線、零線N，雷電流的泄放能力可得到保障。同時在機房配電箱內安裝二級防雷模塊，在單相電源進線端設置三級防雷模塊，三級防雷體系可最終形成并有效保護信息網絡系統的電源設備。 遭受雷擊的系統可將雷電流通過每一級防雷模塊泄放至大地中，最終僅存在較為微弱的雷電流傳至設備中，帶來的影響可以忽略不計；網絡防雷技術需關注路由器、網絡交換機可能受到的雷電威脅，具體防護可選擇Rj45 接頭作為防雷接頭并設置二級防雷保護，網絡設備可在耦合效應下具備較為出色的防雷性能，輔以網絡防雷器調控雷電流的傳播方向，即可更好保證信息網絡系統安全[4]。

3 實例分析

3.1 案例概況

以位于山頂的某氣象信息系統作為研究對象，該系統由數據機房和氣象鐵塔組成，鐵塔塔身高110m，屬于當地最高海拔構筑物，塔身的10m、32m、65m、98m 處設置有風向、風速、濕度等傳感器，用于梯度氣象要素觀測。 該系統的雷擊頻繁發生于雷雨季節，雷擊產生的電火花、高電壓很容易損壞鐵塔上的傳感器。 鐵塔底部10m 處建設有數據機房，長、高、寬分別為6m、3m、4m，機房內設置有2m高的機柜。 數據機房用于氣象數據采集和傳輸，由于采用架空線引入電源，閃電電涌可能通過信號線和電源線侵入機房，引發設備損壞問題。 該信息網絡系統較為特殊且處于山頂，平均雷暴日、表層土壤電阻率分別為37.5d/a、1 000Ω·m。為保證信息網絡系統的安全穩定運行，消除雷電威脅，案例在直擊雷防護、防雷擊電磁脈沖、接地系統建設三方面投入了大量精力并取得了不俗成果，具備較高借鑒價值。

3.2 直擊雷防護

基于 《自動氣象站場室防雷技術規范》 要求，需在LPZ0B 防雷分區內設置觀測設備，因此需要在避雷針45m滾球半徑內設置所有的傳感器，結合實際情況，共設置避雷針兩根。 結合《建筑物防雷設計規范》要求，需獨立安裝避雷針于橫擔上，在傳感器下層0.3m 處設置橫擔，具體采用16mm 直徑、1.5m 高的圓鋼作為避雷針，橫擔用絕緣桿的規格為35kV（1.2/50μs），絕緣桿每邊凸出傳感器支架橫桿0.2m，圖2 對具體布置進行了直觀展示。由于存在1.2m的最低保護高度，因此這一安裝符合要求。

圖2 避雷針安裝示意圖

同時采用屏蔽單芯多股電纜作為避雷針引下線，規格為50mm2，需要接入場地內接地網，需沿鐵塔拉線就近連接。

3.3 防雷擊電磁脈沖

閃電電涌主要表現為過電流、過電壓的瞬態波，源于雷擊電磁脈沖或閃電靜電感應，防雷裝置或線路由雷電擊中往往因此導致信息網絡系統故障，嚴重時會危及人身安全并導致設備損壞。 為保護信息網絡系統，基于采用架空線的外電源，采用屏蔽電纜取代一部分架空線，從距機房15m 外塔桿處進行更換，戶外型電涌保護器需同時安裝于架空線與電纜的連接處。 金具、絕緣子鐵腳、鋼管、電纜金屬外皮、電涌保護器一起接地，需同時保證存在30Ω 內的沖擊接地電阻，同時選用屬于I 級試驗產品的戶外電涌保護器，其每一保護模式應選沖擊電流為27kA。電纜敷射需穿鍍鋅鋼管，規格為DN40，并保證存在70m 以上的埋地長度，進入室內電纜屏蔽層、鋼管中間和兩端需要接地。選用電壓開關型電涌保護器，其持續運行電壓在253V 以上，有效電壓保護水平不大于4kV。 隔離變壓器設置于室內，規格為380/380V，穿兩端接地鋼管（DN40）沿墻敷設隔離變壓器。 采用屏蔽電纜作為信號電纜，穿鍍鋅鋼管（DN40）于信號塔底進行信號電纜埋地敷設，需保證存在70m 以上的埋地長度，進入室內電纜屏蔽層，鋼管中間和兩端需要接地，同時將高能量試驗類型電涌保護器（D1類）設置于入戶處。 結合具體計算可以確定，上述雷電防護技術應用能夠保證機房內的信息網絡系統設備不損壞，機房需同時設置格柵形屏蔽網絡，采用圓鋼直徑為12mm，具體設計規格為1m×1m，此時存在22dB 的屏蔽系數，同時保證室內設備距離墻的距離在1m 以上，即可保證雷擊發生時機房內信息網絡系統設備不會受到輻射電磁場的影響，設備功能異常和損壞問題可有效規避。

3.4 接地系統建設

該信息網絡系統的接地系統設計涉及機房接地和氣象塔接地，為避免電壓差引發雷電反擊，采用共同接地系統，選擇人工水平接地體敷設于場地內，規格為185mm2，水平接地體的埋深、間距分別為0.5m、5m，水平接地體如設置于基礎或墻體周圍，距離需控制為1m。需保證拉線基礎、氣象塔基礎、穿線管、機柜間基礎內鋼筋可靠連接接地網，人工水平接地體與機房接地網也需要可靠連接，并保證最少存在2 處連接點。

4 結論

綜上所述，信息網絡系統的安全穩定運行離不開雷電防護技術的支持。 在此基礎上，本文涉及的等電位連接技術、電磁屏蔽技術、浪涌保護器技術、電源及網絡防雷技術等內容，則提供了可行性較高的雷電防護技術應用路徑。 為更好服務于信息網絡系統，雷電防護技術的應用還需要關注SPD 產品盲目使用、使設施強行機械共地、重產品輕施工等問題的規避。