雷电防护技术在信息网络系统中的应用

王明磊

（赤峰市气象局，内蒙古 赤峰 024000）

信息网络系统受到的雷电危害较为严重，这类系统多由通信、计算机、控制、处理等设备和设施组成，很容易因快速升高的暂态电位、强电磁场、电涌而损坏。 为尽可能降低雷电对信息网络系统的威胁，需要大力开展雷电防护技术的相关研究。

1 雷电对信息网络系统的危害

雷电对信息网络系统带来的危害较为严重，主要可细分为三个方面：1） 在信息网络所在建筑物的防雷装置被雷电击中后，接闪器、防雷引下线、接地装置等设备会受到雷电流的冲击，较短的时间会出现快速升高的暂态电位，这可能导致信息网络系统中的精密电子设备损坏，系统正常运行也会受到影响；2） 击中建筑物的雷电会导致瞬间产生巨大变化的雷电流出现，由此产生的强电磁场对信息网络系统的威胁较大，如导体存在于该强电磁场周围，高导体与高电位之间将形成感应，进而导致系统设备损坏；3）在电缆电路与防雷装置直接由雷电击中后，电涌将随之出现并侵入信息网络系统所在机房，电子信息设备运行会直接受到影响，严重的还会引发损坏及安全事故。 考虑到雷电对信息网络系统的危害较大，必须设法保护信息网络系统中的关键设备，雷电防护技术需要充分发挥自身作用[1]。

2 信息网络系统中雷电防护技术的应用路径

2.1 等电位连接技术

为保证雷电防护技术较好服务于信息网络系统的雷电方法，等电位连接技术需要得到科学应用，以此实现雷电流在系统电子设备间电位差的大幅度降低，有效保护电子设备安全。 对于存在大量电子设备的信息网络系统，等电位连接的实用性较高，现阶段的应用也较为广泛，该雷电方法技术的应用需结合信息网络系统机房的防雷等级和建设规模，以此合理选择等电位连接方式。 等电位连接不仅需要涉及信息网络系统的电子设备，同时还需要使用等电位铜带与对金属吊灯、 配电线路等裸露的金属设施进行可靠连接，同时需要连接地板的支托，系统电子设备可由此具备大幅提升的耐雷水平，图1 为典型的等电位连接示意图，图中的A 区、B 区为不同雷电防护区。

图1 典型的等电位连接示意图

2.2 电磁屏蔽技术

瞬变强电磁场会因雷电而出现，信息网络系统因瞬变强电磁场而穿透将引发电子设备损坏问题，为实现雷击电磁辐射能的削弱，实现信息网络系统受到的雷击电磁脉冲干扰降低，电磁屏蔽技术的科学应用极为关键。 法拉第笼属于典型的电磁屏蔽技术，其能够基于雷电引发的瞬间感应到电流实现快速分流，具备对称性质的屏蔽金属可同时实现电磁脉冲干扰的降低。 电磁屏蔽包括线缆、 设备、机房、建筑物屏蔽，可采用格栅型大空间屏蔽作为建筑物屏蔽，具体可安装防雷装置于建筑物金属部件部位，机房的屏蔽措施可在电磁屏蔽要求无法单纯由建筑物满足时合理选用，如设置屏蔽电缆，对电缆的接头、金属护层、加强芯开展接地处理，同时可基于等电位连接处理屏蔽层两端（雷电防护区交界处）。 机房户外引入线的引入需通过地下钢管，等电位连接入户处，可在管道和金属线槽内敷设引入线，电磁屏蔽效果可随之优化[2]。

2.3 浪涌保护器技术

浪涌保护器技术在信息网络系统雷电防护中也能够发挥不俗作用，该技术可基于能量分流的方式在大地中导入雷电过电压，信息网络系统安全可得到更好保障。 雷电波入侵中电源线路属于主要通道，因此可将浪涌保护器安装于电源线路部分。 虽然高压电线路上一般存在电力部门设置的高压避雷装置，但线对线的过压无法由这类避雷装置控制，因此需设置过压保护措施于低压线路上，以此强化对信息网络系统的保护。 具体可在楼层配电箱、总配电房、精密设备前端安装浪涌保护器，以此构建三级保护体系，雷电入侵的概率可通过层层保护控制。 考虑到雷电波还能够通过信号线入侵信息网络系统，因此需要在视频信号、控制信号、语音信号等各种信号线上加装信号浪涌保护器，进一步强化对信息网络系统的安全保护。 此外，需要关注浪涌保护器质量、性能、安装工艺对其防雷效果带来的影响，以此强化对不同信号传输方式的了解，明确物理接口、阻抗特性、信号电平等参数，以此科学选择浪涌保护器型号，为同时保证安装质量，还需要优选具备资质的施工队伍[3]。

2.4 电源及网络防雷技术

电源属于信息网络系统的重要组成部分，雷电防护技术在电源部分的应用可采用三级防雷体系，以此保证遭受雷击的电源不会出现故障和损坏问题，保证其安全稳定运行。 电源三级防雷体系可在电源配电柜中设置首级防雷模块，为保证防雷保护效果达到预期，可设置B 级的4 个防雷模块，分别连接电源配电柜中的A 相线、B 相线、C 相线、零线N，雷电流的泄放能力可得到保障。同时在机房配电箱内安装二级防雷模块，在单相电源进线端设置三级防雷模块，三级防雷体系可最终形成并有效保护信息网络系统的电源设备。 遭受雷击的系统可将雷电流通过每一级防雷模块泄放至大地中，最终仅存在较为微弱的雷电流传至设备中，带来的影响可以忽略不计；网络防雷技术需关注路由器、网络交换机可能受到的雷电威胁，具体防护可选择Rj45 接头作为防雷接头并设置二级防雷保护，网络设备可在耦合效应下具备较为出色的防雷性能，辅以网络防雷器调控雷电流的传播方向，即可更好保证信息网络系统安全[4]。

3 实例分析

3.1 案例概况

以位于山顶的某气象信息系统作为研究对象，该系统由数据机房和气象铁塔组成，铁塔塔身高110m，属于当地最高海拔构筑物，塔身的10m、32m、65m、98m 处设置有风向、风速、湿度等传感器，用于梯度气象要素观测。 该系统的雷击频繁发生于雷雨季节，雷击产生的电火花、高电压很容易损坏铁塔上的传感器。 铁塔底部10m 处建设有数据机房，长、高、宽分别为6m、3m、4m，机房内设置有2m高的机柜。 数据机房用于气象数据采集和传输，由于采用架空线引入电源，闪电电涌可能通过信号线和电源线侵入机房，引发设备损坏问题。 该信息网络系统较为特殊且处于山顶，平均雷暴日、表层土壤电阻率分别为37.5d/a、1 000Ω·m。为保证信息网络系统的安全稳定运行，消除雷电威胁，案例在直击雷防护、防雷击电磁脉冲、接地系统建设三方面投入了大量精力并取得了不俗成果，具备较高借鉴价值。

3.2 直击雷防护

基于 《自动气象站场室防雷技术规范》 要求，需在LPZ0B 防雷分区内设置观测设备，因此需要在避雷针45m滚球半径内设置所有的传感器，结合实际情况，共设置避雷针两根。 结合《建筑物防雷设计规范》要求，需独立安装避雷针于横担上，在传感器下层0.3m 处设置横担，具体采用16mm 直径、1.5m 高的圆钢作为避雷针，横担用绝缘杆的规格为35kV（1.2/50μs），绝缘杆每边凸出传感器支架横杆0.2m，图2 对具体布置进行了直观展示。由于存在1.2m的最低保护高度，因此这一安装符合要求。

图2 避雷针安装示意图

同时采用屏蔽单芯多股电缆作为避雷针引下线，规格为50mm2，需要接入场地内接地网，需沿铁塔拉线就近连接。

3.3 防雷击电磁脉冲

闪电电涌主要表现为过电流、过电压的瞬态波，源于雷击电磁脉冲或闪电静电感应，防雷装置或线路由雷电击中往往因此导致信息网络系统故障，严重时会危及人身安全并导致设备损坏。 为保护信息网络系统，基于采用架空线的外电源，采用屏蔽电缆取代一部分架空线，从距机房15m 外塔杆处进行更换，户外型电涌保护器需同时安装于架空线与电缆的连接处。 金具、绝缘子铁脚、钢管、电缆金属外皮、电涌保护器一起接地，需同时保证存在30Ω 内的冲击接地电阻，同时选用属于I 级试验产品的户外电涌保护器，其每一保护模式应选冲击电流为27kA。电缆敷射需穿镀锌钢管，规格为DN40，并保证存在70m 以上的埋地长度，进入室内电缆屏蔽层、钢管中间和两端需要接地。选用电压开关型电涌保护器，其持续运行电压在253V 以上，有效电压保护水平不大于4kV。 隔离变压器设置于室内，规格为380/380V，穿两端接地钢管（DN40）沿墙敷设隔离变压器。 采用屏蔽电缆作为信号电缆，穿镀锌钢管（DN40）于信号塔底进行信号电缆埋地敷设，需保证存在70m 以上的埋地长度，进入室内电缆屏蔽层，钢管中间和两端需要接地，同时将高能量试验类型电涌保护器（D1类）设置于入户处。 结合具体计算可以确定，上述雷电防护技术应用能够保证机房内的信息网络系统设备不损坏，机房需同时设置格栅形屏蔽网络，采用圆钢直径为12mm，具体设计规格为1m×1m，此时存在22dB 的屏蔽系数，同时保证室内设备距离墙的距离在1m 以上，即可保证雷击发生时机房内信息网络系统设备不会受到辐射电磁场的影响，设备功能异常和损坏问题可有效规避。

3.4 接地系统建设

该信息网络系统的接地系统设计涉及机房接地和气象塔接地，为避免电压差引发雷电反击，采用共同接地系统，选择人工水平接地体敷设于场地内，规格为185mm2，水平接地体的埋深、间距分别为0.5m、5m，水平接地体如设置于基础或墙体周围，距离需控制为1m。需保证拉线基础、气象塔基础、穿线管、机柜间基础内钢筋可靠连接接地网，人工水平接地体与机房接地网也需要可靠连接，并保证最少存在2 处连接点。

4 结论

综上所述，信息网络系统的安全稳定运行离不开雷电防护技术的支持。 在此基础上，本文涉及的等电位连接技术、电磁屏蔽技术、浪涌保护器技术、电源及网络防雷技术等内容，则提供了可行性较高的雷电防护技术应用路径。 为更好服务于信息网络系统，雷电防护技术的应用还需要关注SPD 产品盲目使用、使设施强行机械共地、重产品轻施工等问题的规避。