雷電防護(hù)技術(shù)在信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的應(yīng)用

王明磊

（赤峰市氣象局，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)受到的雷電危害較為嚴(yán)重，這類系統(tǒng)多由通信、計(jì)算機(jī)、控制、處理等設(shè)備和設(shè)施組成，很容易因快速升高的暫態(tài)電位、強(qiáng)電磁場(chǎng)、電涌而損壞。 為盡可能降低雷電對(duì)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的威脅，需要大力開展雷電防護(hù)技術(shù)的相關(guān)研究。

1 雷電對(duì)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的危害

雷電對(duì)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)帶來的危害較為嚴(yán)重，主要可細(xì)分為三個(gè)方面：1） 在信息網(wǎng)絡(luò)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(shè)備會(huì)受到雷電流的沖擊，較短的時(shí)間會(huì)出現(xiàn)快速升高的暫態(tài)電位，這可能導(dǎo)致信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的精密電子設(shè)備損壞，系統(tǒng)正常運(yùn)行也會(huì)受到影響；2） 擊中建筑物的雷電會(huì)導(dǎo)致瞬間產(chǎn)生巨大變化的雷電流出現(xiàn)，由此產(chǎn)生的強(qiáng)電磁場(chǎng)對(duì)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的威脅較大，如導(dǎo)體存在于該強(qiáng)電磁場(chǎng)周圍，高導(dǎo)體與高電位之間將形成感應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)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(xiàn)并侵入信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所在機(jī)房，電子信息設(shè)備運(yùn)行會(huì)直接受到影響，嚴(yán)重的還會(huì)引發(fā)損壞及安全事故。 考慮到雷電對(duì)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的危害較大，必須設(shè)法保護(hù)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，雷電防護(hù)技術(shù)需要充分發(fā)揮自身作用[1]。

2 信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中雷電防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用路徑

2.1 等電位連接技術(shù)

為保證雷電防護(hù)技術(shù)較好服務(wù)于信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的雷電方法，等電位連接技術(shù)需要得到科學(xué)應(yīng)用，以此實(shí)現(xiàn)雷電流在系統(tǒng)電子設(shè)備間電位差的大幅度降低，有效保護(hù)電子設(shè)備安全。 對(duì)于存在大量電子設(shè)備的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，等電位連接的實(shí)用性較高，現(xiàn)階段的應(yīng)用也較為廣泛，該雷電方法技術(shù)的應(yīng)用需結(jié)合信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)機(jī)房的防雷等級(jí)和建設(shè)規(guī)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的電子設(shè)備，同時(shí)還需要使用等電位銅帶與對(duì)金屬吊燈、 配電線路等裸露的金屬設(shè)施進(jìn)行可靠連接，同時(shí)需要連接地板的支托，系統(tǒng)電子設(shè)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(qū)、B 區(qū)為不同雷電防護(hù)區(qū)。

圖1 典型的等電位連接示意圖

2.2 電磁屏蔽技術(shù)

瞬變強(qiáng)電磁場(chǎng)會(huì)因雷電而出現(xiàn)，信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)因瞬變強(qiáng)電磁場(chǎng)而穿透將引發(fā)電子設(shè)備損壞問題，為實(shí)現(xiàn)雷擊電磁輻射能的削弱，實(shí)現(xiàn)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)受到的雷擊電磁脈沖干擾降低，電磁屏蔽技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用極為關(guān)鍵。 法拉第籠屬于典型的電磁屏蔽技術(shù)，其能夠基于雷電引發(fā)的瞬間感應(yīng)到電流實(shí)現(xiàn)快速分流，具備對(duì)稱性質(zhì)的屏蔽金屬可同時(shí)實(shí)現(xiàn)電磁脈沖干擾的降低。 電磁屏蔽包括線纜、 設(shè)備、機(jī)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(jī)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(shí)合理選用，如設(shè)置屏蔽電纜，對(duì)電纜的接頭、金屬護(hù)層、加強(qiáng)芯開展接地處理，同時(shí)可基于等電位連接處理屏蔽層兩端（雷電防護(hù)區(qū)交界處）。 機(jī)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(nèi)敷設(shè)引入線，電磁屏蔽效果可隨之優(yōu)化[2]。

2.3 浪涌保護(hù)器技術(shù)

浪涌保護(hù)器技術(shù)在信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)雷電防護(hù)中也能夠發(fā)揮不俗作用，該技術(shù)可基于能量分流的方式在大地中導(dǎo)入雷電過電壓，信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)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(hù)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(shè)置的高壓避雷裝置，但線對(duì)線的過壓無法由這類避雷裝置控制，因此需設(shè)置過壓保護(hù)措施于低壓線路上，以此強(qiáng)化對(duì)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的保護(hù)。 具體可在樓層配電箱、總配電房、精密設(shè)備前端安裝浪涌保護(hù)器，以此構(gòu)建三級(jí)保護(hù)體系，雷電入侵的概率可通過層層保護(hù)控制。 考慮到雷電波還能夠通過信號(hào)線入侵信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，因此需要在視頻信號(hào)、控制信號(hào)、語音信號(hào)等各種信號(hào)線上加裝信號(hào)浪涌保護(hù)器，進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全保護(hù)。 此外，需要關(guān)注浪涌保護(hù)器質(zhì)量、性能、安裝工藝對(duì)其防雷效果帶來的影響，以此強(qiáng)化對(duì)不同信號(hào)傳輸方式的了解，明確物理接口、阻抗特性、信號(hào)電平等參數(shù)，以此科學(xué)選擇浪涌保護(hù)器型號(hào)，為同時(shí)保證安裝質(zhì)量，還需要優(yōu)選具備資質(zhì)的施工隊(duì)伍[3]。

2.4 電源及網(wǎng)絡(luò)防雷技術(shù)

電源屬于信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重要組成部分，雷電防護(hù)技術(shù)在電源部分的應(yīng)用可采用三級(jí)防雷體系，以此保證遭受雷擊的電源不會(huì)出現(xiàn)故障和損壞問題，保證其安全穩(wěn)定運(yùn)行。 電源三級(jí)防雷體系可在電源配電柜中設(shè)置首級(jí)防雷模塊，為保證防雷保護(hù)效果達(dá)到預(yù)期，可設(shè)置B 級(jí)的4 個(gè)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(shí)在機(jī)房配電箱內(nèi)安裝二級(jí)防雷模塊，在單相電源進(jìn)線端設(shè)置三級(jí)防雷模塊，三級(jí)防雷體系可最終形成并有效保護(hù)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的電源設(shè)備。 遭受雷擊的系統(tǒng)可將雷電流通過每一級(jí)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(shè)備中，帶來的影響可以忽略不計(jì)；網(wǎng)絡(luò)防雷技術(shù)需關(guān)注路由器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)可能受到的雷電威脅，具體防護(hù)可選擇Rj45 接頭作為防雷接頭并設(shè)置二級(jí)防雷保護(hù)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可在耦合效應(yīng)下具備較為出色的防雷性能，輔以網(wǎng)絡(luò)防雷器調(diào)控雷電流的傳播方向，即可更好保證信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全[4]。

3 實(shí)例分析

3.1 案例概況

以位于山頂?shù)哪硽庀笮畔⑾到y(tǒng)作為研究對(duì)象，該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)機(jī)房和氣象鐵塔組成，鐵塔塔身高110m，屬于當(dāng)?shù)刈罡吆０螛?gòu)筑物，塔身的10m、32m、65m、98m 處設(shè)置有風(fēng)向、風(fēng)速、濕度等傳感器，用于梯度氣象要素觀測(cè)。 該系統(tǒng)的雷擊頻繁發(fā)生于雷雨季節(jié)，雷擊產(chǎn)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(shè)有數(shù)據(jù)機(jī)房，長、高、寬分別為6m、3m、4m，機(jī)房內(nèi)設(shè)置有2m高的機(jī)柜。 數(shù)據(jù)機(jī)房用于氣象數(shù)據(jù)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(hào)線和電源線侵入機(jī)房，引發(fā)設(shè)備損壞問題。 該信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，消除雷電威脅，案例在直擊雷防護(hù)、防雷擊電磁脈沖、接地系統(tǒng)建設(shè)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(jià)值。

3.2 直擊雷防護(hù)

基于 《自動(dòng)氣象站場(chǎng)室防雷技術(shù)規(guī)范》 要求，需在LPZ0B 防雷分區(qū)內(nèi)設(shè)置觀測(cè)設(shè)備，因此需要在避雷針45m滾球半徑內(nèi)設(shè)置所有的傳感器，結(jié)合實(shí)際情況，共設(shè)置避雷針兩根。 結(jié)合《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，需獨(dú)立安裝避雷針于橫擔(dān)上，在傳感器下層0.3m 處設(shè)置橫擔(dān)，具體采用16mm 直徑、1.5m 高的圓鋼作為避雷針，橫擔(dān)用絕緣桿的規(guī)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(duì)具體布置進(jìn)行了直觀展示。由于存在1.2m的最低保護(hù)高度，因此這一安裝符合要求。

圖2 避雷針安裝示意圖

同時(shí)采用屏蔽單芯多股電纜作為避雷針引下線，規(guī)格為50mm2，需要接入場(chǎng)地內(nèi)接地網(wǎng)，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(xiàn)為過電流、過電壓的瞬態(tài)波，源于雷擊電磁脈沖或閃電靜電感應(yīng)，防雷裝置或線路由雷電擊中往往因此導(dǎo)致信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及人身安全并導(dǎo)致設(shè)備損壞。 為保護(hù)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，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(jī)房15m 外塔桿處進(jìn)行更換，戶外型電涌保護(hù)器需同時(shí)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(hù)器一起接地，需同時(shí)保證存在30Ω 內(nèi)的沖擊接地電阻，同時(shí)選用屬于I 級(jí)試驗(yàn)產(chǎn)品的戶外電涌保護(hù)器，其每一保護(hù)模式應(yīng)選沖擊電流為27kA。電纜敷射需穿鍍鋅鋼管，規(guī)格為DN40，并保證存在70m 以上的埋地長度，進(jìn)入室內(nèi)電纜屏蔽層、鋼管中間和兩端需要接地。選用電壓開關(guān)型電涌保護(hù)器，其持續(xù)運(yùn)行電壓在253V 以上，有效電壓保護(hù)水平不大于4kV。 隔離變壓器設(shè)置于室內(nèi)，規(guī)格為380/380V，穿兩端接地鋼管（DN40）沿墻敷設(shè)隔離變壓器。 采用屏蔽電纜作為信號(hào)電纜，穿鍍鋅鋼管（DN40）于信號(hào)塔底進(jìn)行信號(hào)電纜埋地敷設(shè)，需保證存在70m 以上的埋地長度，進(jìn)入室內(nèi)電纜屏蔽層，鋼管中間和兩端需要接地，同時(shí)將高能量試驗(yàn)類型電涌保護(hù)器（D1類）設(shè)置于入戶處。 結(jié)合具體計(jì)算可以確定，上述雷電防護(hù)技術(shù)應(yīng)用能夠保證機(jī)房內(nèi)的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備不損壞，機(jī)房需同時(shí)設(shè)置格柵形屏蔽網(wǎng)絡(luò)，采用圓鋼直徑為12mm，具體設(shè)計(jì)規(guī)格為1m×1m，此時(shí)存在22dB 的屏蔽系數(shù)，同時(shí)保證室內(nèi)設(shè)備距離墻的距離在1m 以上，即可保證雷擊發(fā)生時(shí)機(jī)房內(nèi)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備不會(huì)受到輻射電磁場(chǎng)的影響，設(shè)備功能異常和損壞問題可有效規(guī)避。

3.4 接地系統(tǒng)建設(shè)

該信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及機(jī)房接地和氣象塔接地，為避免電壓差引發(fā)雷電反擊，采用共同接地系統(tǒng)，選擇人工水平接地體敷設(shè)于場(chǎng)地內(nèi)，規(guī)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(shè)置于基礎(chǔ)或墻體周圍，距離需控制為1m。需保證拉線基礎(chǔ)、氣象塔基礎(chǔ)、穿線管、機(jī)柜間基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋可靠連接接地網(wǎng)，人工水平接地體與機(jī)房接地網(wǎng)也需要可靠連接，并保證最少存在2 處連接點(diǎn)。

4 結(jié)論

綜上所述，信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行離不開雷電防護(hù)技術(shù)的支持。 在此基礎(chǔ)上，本文涉及的等電位連接技術(shù)、電磁屏蔽技術(shù)、浪涌保護(hù)器技術(shù)、電源及網(wǎng)絡(luò)防雷技術(shù)等內(nèi)容，則提供了可行性較高的雷電防護(hù)技術(shù)應(yīng)用路徑。 為更好服務(wù)于信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，雷電防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用還需要關(guān)注SPD 產(chǎn)品盲目使用、使設(shè)施強(qiáng)行機(jī)械共地、重產(chǎn)品輕施工等問題的規(guī)避。