通信機房與設備的防雷技術與實踐研究

鄭岳偉?何佳賓

摘要：夏季頻繁的雷電對大部分地區的通信機房與設備產生了嚴重的影響，怎樣盡可能地減少雷擊，以確保通信機房與設備的運行安全，避免對日常生活生產造成不利影響，已經成為通信行業最為重視的課題之一。本文從雷電的形成及其危害著手，說明通信機房與設備防雷的必要性及其思路，并列舉出了目前運用最普遍的幾種防雷技術，旨在為加強通信機房與設備運行安全做出貢獻。

關鍵詞：通信機房；設備；防雷技術

雷電雖然是一種十分常見的自然現象，然而卻會對人們的生活生產造成嚴重的影響。為了盡量避免雷電對人們的生命財產安全產生危害，確保人們的日常生活生產穩定進行，如何根據實際情況采取適當的防雷技術就顯得越發重要。就通信機房與設備而言，防雷更傾向于多技術融合使用，需要嚴格遵循相關規范要求進行各項操作。只有采取有效的預防措施，才可以建立完善且有效的防雷體系。

一、雷電的形成及其危害

（一）雷電的形成

雷電的形成原因十分復雜，帶電積云是產生雷電的重要條件。如果帶不同電荷的積云靠近到特定程度，抑或是帶電積云和地面凹凸物接近到一定程度的情況下，便會出現強烈的放電現象，從而產生耀眼的閃光。加之放電瞬間四周空氣溫度會超過上萬攝氏度，四周空氣因為受熱快速膨脹，產生轟隆隆的雷聲，即我們常說的電閃雷鳴。雷電可以引發火災與爆炸，促使人為觸電的情況發生，從而對設備與人員安全產生破壞。在雷電出現瞬間，物理破壞作用較強，電磁感應危害性較強，電涌傳播速度加快，閃電沖擊波傳播速度較快。雷電種類包含直擊雷、球形雷與感應雷，其中直擊雷與感應雷能夠在空間范圍內產生輻射較強的電磁波，同時對人類產生嚴重的影響。所以就必須借助有效方法予以防范，以避免雷電對人們和企業的生活生產造成嚴重的影響。

（二）雷電的危害

①直擊雷的危害。直擊雷的形成主要是由于帶電積云在靠近地面時會在地面凸出物頂端感應出一定的異性電荷，若是帶電積云和地面凸出物之間的電場強度達到一定程度時，便會出現由帶電積云向大地發展的跳躍式先導放電現象，通常情況下放電時間長達幾毫秒。大多數直擊雷都具有重復放電的特性，平均每次雷擊都包含三四個沖擊，最多可以產生數百個沖擊，但是每次雷擊的總放電時間通常不會大于500ms。直擊雷所產生的沖擊能夠直接作用于建筑與電氣設備。在雨季若是雷擊直接作用于通信機房與設備的金屬部件上，便極易產生嚴重的后果，促使設備損壞、電路短路等問題發生，甚至會引發火災，為企業帶來無法挽回的損失。

②感應雷的危害。感應雷主要指的是閃電感應，包含靜電感應雷與電磁感應雷兩類。其中靜電感應雷通常是因為帶電云層靠近金屬導體時，金屬導體感應到其中存在帶電電荷引發的。而電磁感應雷主要是因為雷電快速放電促使四周磁場立即改變，此種快速改變的磁場可以在四周的導體上感應出一定的電動勢，導致相互之間不鄰近的導體中存在電荷，同時這種電荷還會在金屬導體中產生一定的沖擊電流。

③球形雷的危害。球形雷主要指的是球狀閃電，又被稱為電光火球，通常會從高空直接墜向地面，在靠近地面后進行水平運動。由于火球本質屬于一團帶電的氣體，因此球形雷的產生極易導致火災出現。若是球形雷直接作用在通信機房中的設備，則極易使設備受到損壞，甚至還會出現通信機房爆炸的情況。然而球形雷出現的可能性并不大，因此人們通常并未對其予以足夠的重視。

二、通信機房防雷的必要性及其思路

（一）通信機房防雷系統

就通信機房來講，防雷系統通常涉及內、外防雷系統兩個部分。首先，外部防雷系統涉及接閃器、引下線以及接地體等一系列接地裝置。其中在外部防雷系統中安裝接閃器是避免直擊雷出現的重要手段，通常避雷帶、避雷針、避雷網以及避雷線等都是接閃器。其次，內部防雷系統主要是避免由于雷電與電涌進入通信機房與設備產生破壞而采取的相應處理，通常涉及天饋防雷器、等電位連接、信號防雷器、涌浪保護器及交直流電源防雷器等多種專用設施的安裝。

（二）通信機房防雷的必要性

雷電主要有電流大、電壓高以及時間短等多種特性，每種類型的雷電破壞性與損毀性都很強，許多災害與事故的出現和波及范圍都是我們無法預料的。雷擊現象能夠讓高昂的通信設備與精密儀器立即被擊穿損毀，同樣能夠讓通信基站立即失去其作用，對人們與企業的生活生產造成不利影響，帶來無法挽回的經濟損失。所以，通信企業需要不斷加強自身防雷意識，并借助有效手段，確保企業的經濟效益不受負面影響。

（三）防雷思路

①考慮電荷的疏導。此種防雷思路主要是將電荷轉移到大地，以此防止直擊雷與感應雷對通信機房與設備破壞。其主要原理就是帶電積云接近地面的情況下，避雷針借助磁場極變效應，控制雷電電流發展方向，再通過接地引下線、導體裝置或是接地裝置把電流導入大地，以此防止雷擊電流對通信機房與設備產生嚴重破壞。

②考慮設備隔離。其主要思路就是把需要獲得保護的對象予以隔離處理，避免雷電產生的電流和通信機房中的設備直接接觸，減小設備受雷擊損壞的概率。實際操作為：對于系統內的網絡系統、電力系統、傳輸系統及天饋系統，借助分流、限流、接地及布線等方法予以適當的防護。同時，還可以把室內的信號系統安裝在和大地相接觸的電源盒或金屬箱之中，確保其良好接地，讓電源盒與金屬箱展現出實質效用。

③考慮等電位連接。借助金屬導線與電壓保護設備，將防雷系統和建筑物電源、機電設備及金屬外漏部件等予以連接，同時確保其處在相同電位，不產生電動勢差值。若是通信機房各種接地系統之中的接地電阻缺少均衡性，那么在出現雷擊情況時，電阻和雷擊電流的乘積獲得不一樣的電勢差值，便會導致電位反擊的情況出現，促使通信設備受到損毀或發生故障。

④應用放電中和效應。雷電中包含大量的極性電荷，借助正負極電荷綜合技術能夠讓雷電流消除。避雷針不僅有金屬導線的功能，還包含中和電荷的功能。云層內的電荷接近建筑物時，建筑物就能夠感應出與之相反的電荷，此時避雷針便可以通過吸引空氣內極性相反的離子，借助尖端放電綜合作用讓雷電流消除，盡可能地減小通信機房與設備受到雷擊的可能性。

三、通信機房與設備的防雷技術

（一）通信機房防雷接地技術

需要在通信機房防雷建筑物頂端設置避雷帶、避雷針及避雷網等一系列裝置充當接閃器使用，同時把建筑物頂端的所有金屬管道、中央空調管線及設施裝置等予以全面連接，以免雷擊效應時發生雷擊的情況。避雷帶、避雷針及避雷網通常會選擇圓鋼與扁鐵材質，需要確保防雷裝置與接地導體的有效面積，從而讓電流快速導入地下。通信企業需要定期組織技術人員對防雷裝置予以全面檢驗，聘請專業機構或專業人士判斷接地電阻數值是否處于標準范圍，并出具規范的檢測報告與合格標簽。通信企業必須保證接地網與接地電阻符合國家要求、行業要求與對應的規范標準。地面網絡需要借助聯合接地的形式進行設置，全部基礎部件都應該保證有效接地，并按照等電位要求，將保護地線、防雷地線以及工作地線一起連接到相同的接地網絡。

（二）通信基站防雷接地技術

在對通信機房配套基站進行防雷處理時，應該對變壓器接地、信號線纜接地以及電源線接地予以高度重視。變壓器通常會選擇安全性能更強的TN-C-S接地系統，該系統安全系數很高，通常在石油石化等各種火災爆炸風險較高的地區應用較為廣泛。在變壓器高壓側，雷電波的出現方向必須安裝避雷裝置，也就是說將避雷裝置設置在被保護建筑的引入端。常規情況下避雷裝置的電路是關閉的，雷電入侵時可以立即打通電路，擊穿放電，同時切斷電壓，以展現出良好的保護效用，把雷電流立即釋放，再將雷電流導入大地。雷擊情況出現后，避雷裝置恢復運行，促使對應的耦合回路關閉。做好電源防雷保護工作也十分關鍵，通信電源通常是冗余設置，好似通信系統的心臟。在對通信電源系統進行防護時，應該先使用電壓保護設備讓系統中快速提升的脈沖能量馬上導通，同時導入大地，讓所有設備電位差都處于系統的承受范圍內。在對信號線纜進行防雷時，需要合理選擇避雷器，以減小雷擊浪涌對設備產生不利影響。

（三）通信光纜線路防雷技術

在對通信光纜進行防雷設計時，首先需要對光纜質量及其性能予以高度重視，積極選擇質量符合要求且防雷效果較強的光纜。對于需要進行埋地處理的光纜而言，金屬部件必須在光纜接頭位置予以適當的處理。由于受到光纜屏蔽線的影響，光纜斷開接頭雖然無需對電氣設備予以連接與接地處理，卻需要在光纜接頭位置對金屬部件做出電氣連接或是金屬導線跨接等各種電位連接處理。在雷擊事故高發位置，需要使用具有鎧裝的屏蔽線光纜，并對光纜進行防護接地處理。光纜終端位置及處在通信機房之中的配電架與其他物件同樣應該做好防雷處理。

對于長途光纜通信線路而言，如果想加強光纜線路的防雷效果，就需要對光纜防護層進行合理設計，在對PE防護層進行選擇時，需要積極選取防腐性較強、防水性較強的材料。此外，許多區域土壤中具有一定的電阻，如果想確保光纜傳輸全線的安全性，應該避免采用人工接地處理的方式，從而取得更理想的防雷效果。

四、通信機房與設備防雷新技術

在科學技術不斷發展的背景下，防雷技術越發成熟，現如今主動防雷思想逐漸貫徹到氣象防災部門，促使人們能夠借助氣象分析了解云層電荷，利用向天空發射火箭彈等方法，加快云層電荷的下降，以此減少雷擊事故出現的可能性。不僅如此，一些智能化防雷技術也在許多領域都獲得了廣泛運用。

（一）等離子電荷遷移技術

等離子狀態主要指的是物質原子中的電子在高溫效應下擺脫原子核的吸引，出現游離狀態。借助等離子析出的電荷和積云內的電荷出現中和作用，能夠消散雷擊情況。使用過程中借助鍍上等離子體的金屬球和受保護物質的引下線進行連接處理，在雷電云層接近等離子體時，受到云層電磁場的影響，等離子體會出現對應的物理變化與化學變化，析出極性相反的電荷，同時和云層內的電荷產生中和反應，由此一來便可以從根源上消除雷電流，以此展現出防雷的重要作用。

（二）雷擊監測預警技術

在出現雷擊情況時，積云內的電荷已經積累到一定數量時，那么云層間、云層和地面間就會產生極強的場強。若是電荷處于飽和狀態就會出現放電現象。按照場強強度改變情況，可以利用電磁感應原理能夠對積云內分布密度、電磁極性、發展狀態等多方面的實際情況對雷擊進行判斷與預測，也可以借助多普勒雷達、磁場儀、衛星云圖及電場儀等一系列專業設備作為輔助支持。預測監控系統涉及軟硬件兩個部分，由監測、處理及報警三個方面構成，借助計算機算法編制運行程序，并結合數據庫圖形處理等方式，對云層狀態進行實時監測與模擬。借助人機對話系統能夠與可視化操作系統確立監測設置，以掌握雷雨天氣狀態下雷擊事故的發展趨勢，以此為人工監測提供輔助。系統能夠對監測到的結果展開運算，若是達到設定值立即發出警報。

（三）接閃器自啟動技術

借助接閃器自動升降，能夠讓自動引擎防雷技術得以使用。接閃器自啟動技術中包含了一些自動化技術與機電自動升降原理，并借助計算機予以控制。在雷電預警系統發出報警時，這一位置極易出現雷電活動與雷電電荷放電趨勢，自動升降避雷裝置便會進入工作狀態，同時作出相應的反應，若是避雷針上升到指定高度，就能夠對保護范圍內的對象予以全面保護。在雷云消散與電場場強下降到特定程度時，雷電報警系統隨即解除警報，而自動升起的避雷針也會下降到原來的位置。

（四）供電回路自啟動切換技術

供電回路自啟動切換技術借助現代智能化技術，實現電源系統的自動切換。這一切換過程實現了供電電源與蓄電UPS電源之間的轉換，在出現雷擊情況時能夠盡可能地避免在用回路遭受雷擊，以此對通信機房設備以及系統信息進行有效保護。在對系統設計時，電源狀態能夠進行自動控制，減少了成本支出。系統通常涉及電源自動切換、遠程手動切換、就地切換及實時監測等多種功能。在雷云逐步產生時，系統自動感應，同時切斷電源線，以此對電源系統進行保護；雷云逐步消除時，系統并未受到雷擊威脅，那么系統便能夠自動轉換，對開關進行合閘處理，以恢復供電。在實際應用中，這類系統設置具有一定的靈活性，技術人員能夠根據實際情況使用合閘形式，以此為防雷工作提供許多支持。

（五）防雷智能在線監測技術

此技術能夠借助物聯網、信息化、云儲存及大數據等多種現代化技術的融合，對防雷狀態進行智能化的在線監測。防雷智能在線檢測系統通常會對接地設施的浪涌保護器、接地組織、雷擊電壓與電流等多個部分進行監測。這一技術的合理運用可以對接地阻值、雷擊電壓、保護器漏電情況、累積能量、累積電荷、電勢強度與空氣開關的運行情況等一系列數據信息進行全面收集。防雷智能在線監測技術的合理運用能夠幫助技術人員更直觀、更及時、更合理地防御雷擊事故，以確保通信機房與設備不受到破壞。

五、結束語

總而言之，通信企業應該對雷電的危害有一個清晰的認識，相關人員必須對雷電防護技術進行更深入的研究，盡可能減少雷擊事故的可能性，以確保企業與人們的生產生活正常進行。與此同時，通信企業還應該對科技創新發展予以足夠的重視，加大資金投入力度，積極引入前沿的技術和產品，促使智能檢測技術、自切換技術與自啟動避雷技術等的運用范圍得以擴大，加強通信企業的防雷效果，以此促進通信企業的持續發展。

作者單位：鄭岳偉 何佳賓 中國鐵路呼和浩特局集團有限公司

參? 考? 文? 獻

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