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簡述《機場雷達站》電子設備雷電及過電壓防護設計方案
南京寧翔防雷
◆背景描述
雷電實際上是一個不斷變化的高頻電流，當它發(fā)生時其電流周圍會產生相應頻率的高頻電磁場。雷電對現代電子設備的破壞主要是因為雷電電磁場通過空間輻射在周圍金屬線纜上產生的感應過電壓脈沖通過傳輸線進入到建筑內，從而造成電子設備發(fā)生損壞�！稒C場雷達站》是電子設備集中使用的場所之一，由于雷電的功率強大、雷電發(fā)生的時間很短，因此雷電電磁脈沖對電子設備的破壞效果十分強大。為了《機場雷達站》電子設備正常的運行和保證航班的安全起降，在氣象條件下有效地防止《機場雷達站》電子設備不受雷電的侵害，LPS防護裝置系統(tǒng)是防護雷電侵害電子設備的有效途徑之一。
◆挑戰(zhàn)與需求
1、《機場雷達站》電子設備系統(tǒng)遭受雷害的途徑
1）遭受雷害的途徑：《機場雷達站》電子設備系統(tǒng)遭受雷害的途徑有直擊雷、反擊和雷電電磁脈沖的侵害。
2）直擊雷侵害途徑：直擊雷產生的電涌對《機場雷達站》電子設備系統(tǒng)的危害主要以其熱效應、機械效應、反擊電壓和電磁感應使電子設備系統(tǒng)遭受破壞。
3）雷電侵入波途徑：雷擊的主要物理表征是雷電流和伴隨雷電流脈沖產生的雷擊電磁脈沖（LEMP），雷電流的波型是一個前沿非常陡、后沿較長、能量極高的脈沖電流波，由于《機場雷達站》電子設備的功率很高，機場雷達站周圍空間的電磁場強度遠遠大于附近地區(qū)，造成機場雷達站周圍空間空氣的電離程度遠遠大于正常的強度，給雷電提供了一個良好的泄放通路，從而增加了雷擊損壞電子設備的概率，機場雷達站電子設備耐過電壓的能力都比較差，電子設備大部分通過各種傳輸線相互關聯(lián)，在傳輸線上出現過電壓時線纜連接設備的接口部分很容易直接受到感應而損壞。
4）地電位反擊：《機場雷達站》電子設備系統(tǒng)的供電電源系統(tǒng)、微電子（信號）系統(tǒng)的電子設備工作電壓等級多而不一，電子設備的地電阻值（工作接地、保護接地、防雷專用接地）技術參數要求也不同，在氣象條件下直擊雷產生的閃絡現象形成的雷電流通過各自的接地系統(tǒng)造成了電壓差使電子設備之間相互反擊損壞設備。
2、《機場雷達站》電子設備系統(tǒng)防雷分類設計思想與防護措施
1）設計理念：雷電防護措施設計分為雷電流和雷擊電磁脈沖對設備的雷擊損害進行分項保護，對雷電流進行防護稱為（LPS）雷電防護系統(tǒng)，對雷擊電磁脈沖的防護稱為LEMP雷電防護系統(tǒng)。
2）防護模式：采用LPS系統(tǒng)（是對極高能量的雷電流脈沖產生的損害，防止或減少實體的損害和人身傷害，LPS由外部LPS和內部LPS組成）和LEMP防護系統(tǒng)（是對剩余的雷電流脈沖和因LEMP感應產生的雷電流形成的浪涌和電磁場的輻射進行防護）兩種防護模式。
3）地電位反擊：均壓和等電位連接是防地電位反擊的有效方法，等電位連接是將設備和裝置外露可導電部分的電位基本相等的電氣連接，用連接導線或過電壓保護器將處在需要防雷的空間內的防雷裝置、建筑物的金屬構物、金屬裝置、外來的導體物、電氣和電訊裝置等連接起來，目的在于減小需要防雷的空間內各金屬物與系統(tǒng)之間的電位差。
◆方案與解決
1、《機場雷達站》電子設備系統(tǒng)結構組成：
1）建筑物（體）直擊雷
2）電源系統(tǒng)（高、低壓）配電裝置
3）電子信息設備系統(tǒng)（網絡系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、火災報警裝置、消防系統(tǒng)、通信系統(tǒng)）
4）均壓（等電位）裝置
5）接地泄流系統(tǒng)
2、《機場雷達站》電子設備系統(tǒng)雷電防護內容：
1）直擊雷裝置
2）雷電電磁脈沖防護裝置
3）均壓（等電位）裝置
4）泄流裝置
3、《機場雷達站》電子設備系統(tǒng)雷電及過電壓防護措施采用規(guī)范標準和技術依據：
1）GB50057-2010《建筑物防雷設計規(guī)范》：本規(guī)范適用于為使建筑物防雷設計因地制宜的采用防雷措施，防止或減少雷擊建筑物所發(fā)生的人身傷亡和文物、財產損失，做到安全可靠，技術先進，經濟合理。
2）GB50343-2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》：本規(guī)范主要對建筑物電子信息系統(tǒng)綜合防雷工程的設計、施工、驗收、維護與管理作出規(guī)定和要求。
3）GB50174-2008《電子計算機機房設計規(guī)范》：本規(guī)范適用于陸地上新建、改建和擴建的電子計算機機房的設計，為了使電子計算機機房確保電腦網絡系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行和保障機房安全使用，應符合現行有關標準規(guī)范的規(guī)定。
4）GB7450-87《電子設備雷擊保護導則》：本導則論述了電子設備防雷擊保護原則，供從事電子設備設計、生產及使用人員考慮設備質量、成本、人身安全時，將在電子設備上產生的雷電沖擊限制到設備容許范圍內提出技術要求，以達到GB3482－83《電子設備雷擊試驗方法》所規(guī)定的技術要求。本導則適用于與外線相聯(lián)接的電子設備的雷擊保護，對雷電直擊設備不能提供保護。
5）GB50054-95《低壓配電設計規(guī)范》：本規(guī)范適用于新建和擴建工程的交流、工頻500V以下的低壓配電設計。
6）GA173-1998《計算機信息系統(tǒng)防雷保安器》：計算機信息系統(tǒng)加裝有效可靠的防雷保安器，是國際上通用的最有效的防護措施。防雷保安器是保證計算機信息系統(tǒng)安全的專用產品，因此它應符合本標準的技術要求、實驗方法、檢驗規(guī)則、標志、包裝、運輸及儲存，并能有效防止感應雷電破壞該系統(tǒng)受保護設備。
7）IEC1312《雷電電磁脈沖及其防護》：本標準為建筑物內或建筑物頂部信息系統(tǒng)有效的雷電防護系統(tǒng)的設計、安裝、檢查、維護，并對裝有這些系統(tǒng)（如電子系統(tǒng)）的建筑物評估LEMP屏蔽措施的效率的方法。針對防雷器（SPD）應用在防雷區(qū)概念安裝上提出相關要求。
8）QX 2-2000《新一代天氣雷達站防雷技術規(guī)范》：本標準規(guī)定了新一代天氣雷達站的防護原則、雷電防護區(qū)及防護等級的劃分、雷達站建筑結構防雷設計及施工要求、雷達站各裝置的防護措施等。
9）FAA-STD-019D《設施和電子設備的雷電及浪涌防護、接地、等電位連接及屏蔽要求》：
本標準是提供系統(tǒng)性的雷電（在新建、改建、升級、新設備安裝等工程中，用來規(guī)范雷擊保護、瞬變保護、靜電放電保護、接地、等電位連接、屏蔽處理的配置和實施程序的強制性標準）防護方法，最大限度地降低由雷擊、電涌、靜電放電、電源失效可能導致的人身傷害、電磁干擾和對設施設備的損壞。
10）《民用航空通信導航監(jiān)視設施防雷技術規(guī)范》：本標準規(guī)定了民用航空通信、導航、監(jiān)視地面設施的雷電防護原則、雷電防護分區(qū)及防護等級劃分、綜合防雷保護措施、施工、維護管理要求。
4、《機場雷達站》電子設備系統(tǒng)雷電及過電壓防護措施設計與施工原則：
1）設計原則：綜合以上規(guī)范標準內容進行實際對比，《民用航空通信導航監(jiān)視設施防雷技術規(guī)范》是采用了GB50057-2010《建筑物防雷設計規(guī)范》、GB50174-2008《電子計算機機房設計規(guī)范》、GB50054-95《低壓配電設計規(guī)范》，參考了GB50343-2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》和IEC1312《雷電電磁脈沖及其防護》、FAA-STD-019D《設施和電子設備的雷電及浪涌防護、接地、等電位連接及屏蔽要求》的有關標準及相關材料，根據民用航空通信、導航、監(jiān)視地面設施的特殊要求而制定的�！睹裼煤娇胀ㄐ艑Ш奖O(jiān)視設施防雷技術規(guī)范》的要求是行業(yè)性的，更細致更具體，對民航工程更具有明確的指導性。因此，《機場雷達站》電子設備系統(tǒng)雷電及過電壓防護措施的設計將主要依據此規(guī)范的要求為設計原則，結合《機場雷達站》電子設備及防雷裝置實際情況來制定《機場雷達站》電子設備雷電及過電壓防護方案。
2）施工原則：電子設備是《機場雷達站》集中使用的地方之一，雷擊災害特別是感應雷擊災害對電子設備帶來的危害性無處不在，雷擊災害直接影響到《機場雷達站》電子設備系統(tǒng)的正常工作，完善的雷電防護裝置方案設計是防雷保護措施的基石，高質量的防雷施工是體現防雷設計的要求和達到防雷效果的保證。防雷工程施工中將依據這些標準、規(guī)定和設計要求為施工原則進行防雷工程的施工。
5、《機場雷達站》電子設備系統(tǒng)雷電及過電壓防護措施具體內容：
1）《雷達站》機房及天線的直擊雷防護
2）《雷達站》設備電源系統(tǒng)及障礙燈電源的防雷保護
3）《雷達站》電子信息設備系統(tǒng)（網絡系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、火災報警裝置、消防系統(tǒng)、通信及電話線路系統(tǒng)、MODEM、232串口、天饋信號系統(tǒng)）防雷保護
4）《雷達站》等電位連接裝置
5）《雷達站》接地網絡裝置
6、《機場雷達站》電子設備系統(tǒng)雷電及過電壓防護措施設計方案：
☆設計方案中心內容：雷電接閃、限壓保護、等電位連接、屏蔽、接地系統(tǒng)。
1）《雷達站》機房及天線直擊雷防護設計方案：雷達站機房建筑物直擊雷防護應符合建筑物防雷標準GB50057-2010第4.2.1條、第4.2.4條、第4.3.1條、第4.4.1條、第4.4.8條、第4.5.2條技術要求。天線系統(tǒng)設備直擊雷防護依據建筑物防雷標準GB50057-2010《附錄D：滾球法確定接閃器的保護范圍》第D.0.2條技術參數確定接閃器高度的計算公式，作為有效保護半徑技術措施（民用航空通信導航監(jiān)視設施防雷技術規(guī)范要求：1. 第5.2.2條指出“所有通信導航監(jiān)視設備的天線應放在LPZ0B 區(qū)內，即應安裝防直擊雷裝置”。2. 第7.1.1條指出“通信導航設施與所在建筑物直擊雷的防雷設計應按GB50057 第二類防雷建筑物的要求進行設計施工”。3、第7.2.1.1條指出“雷達站避雷針數量不宜少于三支”）。直擊雷防護裝置材料需符合GB11032-89防雷器材指標要求。
2）《雷達站》設備電源系統(tǒng)及障礙燈電源的防雷保護設計方案：按照電源系統(tǒng)浪涌分級泄放原理和依據GB50057/GB50343防雷規(guī)范要求和《民用航空通信導航監(jiān)視設施防雷技術規(guī)范要求》，在《雷達站》設備電源系統(tǒng)380V低壓配電室總電源、支回路電源裝置、末端設備電源裝置和障礙燈電源系統(tǒng)輸入端安裝相對應的電源浪涌保護器作為電源線路、設備電源系統(tǒng)及障礙燈電源設備的電涌保護裝置。
3）《雷達站》電子信息設備系統(tǒng)防雷保護設計方案：根據GB50057-2010建筑物防雷設計規(guī)范第5.4.條規(guī)定，參照5.4.1-1圖、5.4.1-1表和GB50343-2012建筑物電子信息系統(tǒng)的防雷設計規(guī)范（5.4.1-2表、5.4.2條、5.4.2-1表、5.4.2-2表、5.4.3條、5.4.4條、5.4.5條、5.4.6條、5.4.7條、5.4.8條、5.4.9條之技術參數）的要求和《民用航空通信導航監(jiān)視設施防雷技術規(guī)范要求》，在電源系統(tǒng)輸入/出控制端、電子（信號）設備系統(tǒng)的線路終端設備、網絡系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、火災報警裝置、消防系統(tǒng)、通信及電話線路系統(tǒng)、MODEM、232串口、天饋信號系統(tǒng)的終端設備加裝相對應的防雷器（SPD）防止傳輸線路中感應雷的雷電波/流侵害電子設備及人員的操作安全。
4）《雷達站》等電位連接裝置設計方案：根據GB50343-2012 建筑物電子信息系統(tǒng)的防雷設計規(guī)范的要求，參照規(guī)范第5.2.1條、第5.2.2條、第5.2.3條、第5.2.4條、第5.2.5條、第5.2.6條、第5.2.7條、第5.2.8條、第5.2.9條、第5.2.10條之規(guī)定和《民用航空通信導航監(jiān)視設施防雷技術規(guī)范要求》設計（電源系統(tǒng)、微電子信號設備）等電位（均壓環(huán)）保護措施。
《機場雷達站》建筑物均壓裝置依據GB50057-2010第4.2.1條、第4.2.4條、第4.3.1條、第4.4.1條、第4.4.8條、第4.5.2條技術要求實施）采用建筑物外圍結構鋼筋圈梁外邊上下兩根鋼筋（搭接頭可靠連接并與柱主鋼筋引下連接）作為建筑物的均壓帶（環(huán)）防護裝置。電源設施（加油機設備）地電位均壓裝置采用PE匯流排與建筑物柱主鋼筋可靠連接構成有效地法拉第籠保護裝置。
5）《雷達站》接地網絡裝置設計方案：建筑物體接地裝置（泄流體）利用建筑物整體砼鋼筋基礎作為雷電感應泄放通道體。《機場雷達站》電源供電模式為TN-S系統(tǒng)，電源浪涌保護措施PE點線接至被保護的電源裝置的（箱、柜、設備、設施）的接地PE點作為雷電防護泄流系統(tǒng)的裝置（接地阻抗值參照電氣設施設計值應符合規(guī)范要求和使用條件）。電子（信號）設備雷電（靜電）感應泄放通道體應符合地電阻設計值的技術要求，采用匯流排（或等電位）連接（在條件允許前提下應采用公共接地裝置系統(tǒng)或法拉第籠保護模式）作為防雷接地泄流裝置（防雷接地電阻值設計值為R≤1Ω）。
7、《機場雷達站》電子設備系統(tǒng)雷電及過電壓防護措施防雷電裝置工藝要求：
1）直擊雷防護工藝要求：
A：接閃裝置引下線布線于建筑物、構筑物外，不穿透或侵入建筑物、構筑物。
B：接閃裝置引下線的彎曲或連接不能形成小于90度的夾角，引下線與電力（包括障礙物標志燈電纜）或信號導體之間的間距＞2m。
C：接閃裝置的引下線與接地裝置可靠連接，接閃（引下）裝置工藝應符合D501-1~4規(guī)范要求。
D：直擊雷防護裝置安裝應符合設計和《民用航空通信導航監(jiān)視設施防雷技術規(guī)范》要求，有效保護半徑應符合建筑物防雷標準GB50057-2010《附錄D：滾球法確定接閃器的保護范圍》第D.0.2條技術參數確定接閃器高度的計算公式為標準。
E：直擊雷防護（引下）裝置材料應符合GB11032-89防雷器材指標要求。
2）SPD工藝要求：
A：電源系列SPD裝置安裝在盡可能接近（＜300mm之內）被防護裝置設施拆分處的地方。
B：電源系列SPD裝置的位相采用絕緣銅芯導線（線徑符合GB50343-2012規(guī)范標準或設計要求）與公共設施拆分處的位相端子相連接，連接線盡可能的短和直接，不允許盤成環(huán)形、直角或打結，各位相絕緣護套的顏色與國家電工編碼標準相一致。
C：電源系列SPD的PE線取最直接路徑與接地裝置連接點可靠連接（連接長度應符合GB50057-2010和GB50343-2012規(guī)范要求）。從SPD元件輸出終端到公共設施拆分處接地總線間不可有回環(huán)、劇烈的彎頭或死扣。
D：信號、天饋和控制線的設施等級瞬態(tài)抑制部件（SPD限壓分流裝置）安裝在線路進入設施之處，或線路傳輸到控制的分界點處，其要求與作用：
a、提供高能抑制部件或裝置，以去除每條線路上大部分瞬態(tài)能量，
b、提供低能抑制部件，以降低每條線路的瞬態(tài)能量和電壓至電子設備靈敏等級之下。
E：《機場雷達站》電子設備中使用同軸電纜的電子設備在設施和電子設備入口處都應安裝相對應的SPD裝置對電子設備和傳輸線路提供瞬態(tài)防護。
F：電源線路與設備SPD逐級防護和信號設備（控制線）SPD等級防護的技術參數應符合設計及《民用航空通信導航監(jiān)視設施防雷技術規(guī)范》要求，SPD通流容量（波形）應符合GB50057-2010與GB50343-2012規(guī)范要求。
G：SPD裝置安裝材料應符合GB11032-89防雷器材指標要求。
3）等電位連接與屏蔽工藝要求：
A：等電位連接的結合面之間的接觸面積不小于200mm2。
B：等電位連接點（焊接點）均可靠緊固，目的是確保過電流流經等電位連接點時暢通無阻。
C：電子設備機房內封裝信號線纜、電源線的屏蔽槽就近與多點接地系統(tǒng)連接。
D：電子設備機房內管道的端接以及管道與裝配件、走線架，通過螺栓緊固連接，以保持電連續(xù)。
E：無護套跳接線不得用在電纜管道或電纜槽的內部。
F：等電位裝置和屏蔽裝置的制作應符合設計和《民用航空通信導航監(jiān)視設施防雷技術規(guī)范》要求，技術參數應符合GB50057-2010與GB50343-2012規(guī)范要求。
G：等電位連接與屏蔽裝置材料應符合GB11032-89防雷器材指標要求。
4）接地系統(tǒng)工藝要求：
A：接地極屏蔽間隔距離不可以小于極的長度，極間的額定間隔為極長的2到3倍之間。
B：接地極頂端在整平地面下不小于500mm，接地極位于建筑物基礎或外底腳外600mm到1800mm之間。
C：接地極的連接、接地連線與地網的連接，全部采用熱焊接，操作時需疊加焊接，水平接地極之間采用扁鋼的長邊搭接，搭接長度不小于6mm，不少于三面施焊，水平接地極與垂直接地極之間不允許” T”型焊接，而是要采用扁鋼長邊搭接，搭接長度不小于60mm，不少于三面施焊。所有焊接點均采取防腐措施。
D：接地系統(tǒng)裝置的制作應符合設計和《民用航空通信導航監(jiān)視設施防雷技術規(guī)范》要求，技術參數應符合GB50057-2010與GB50343-2012規(guī)范要求。
E：接地系統(tǒng)裝置材料應符合GB11032-89防雷器材指標要求。
5）敷設布線工藝要求：《機場雷達站》建筑物內的供電電源系統(tǒng)、電子（信號）系統(tǒng)的線路布線施工時，為減小雷害風險任何導線/金屬線路均應盡可能避免與直擊雷防護系統(tǒng)平行捆扎（布線應實施屏蔽措施），而應依有關規(guī)范要求合理布線。
6）整體防御體系工藝要求：《機場雷達站》電子系統(tǒng)設備的防雷保護是一項系統(tǒng)工程，必須以雷電防護原理為基礎對《機場雷達站》電子系統(tǒng)作概要分析，對實際運行的各個電子系統(tǒng)在保護配置上應根據保護原則具體問題具體分析，根據電子系統(tǒng)設備的重要程度和防雷保護的要求進行多層次、全方位的整體防御，建立完善的雷電防御體系。
◆方案實施（產品選型）
1、直擊雷防護裝置
1）GFL系列接閃塔
2）普通接閃器
3）優(yōu)化接閃器
4）提前放電接閃器
2、雷電電磁脈沖防護裝置（SPD）
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序號
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材料名稱
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規(guī)格型號
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安裝位置
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1
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電源防雷器
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電源第一級浪涌防護
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供電電源配電室低壓端總開關
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2
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電源防雷器
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電源第二級浪涌防護
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供電電源配電室低壓端支回路
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3
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電源防雷器
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電源第二級浪涌防護
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總配電箱
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4
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電源防雷器
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電源第三級浪涌防護
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分配電箱(UPS電源)
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5
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電源防雷器
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電源第三級浪涌防護
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重要電子設備電源箱
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6
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PDU電源裝置
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電源第四級浪涌防護
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電子（信號）設備電源裝置前端
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7
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信號防雷器
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信號線路浪涌防護
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電子設備線纜端口
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8
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信號防雷器
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信號電源浪涌防護
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火災報警、消防控制、控制器電源
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9
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信號防雷器
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網絡信號浪涌防護
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機房網絡核心交換機IN端
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10
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信號防雷器
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網絡信號浪涌防護
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機房路由器、服務器線纜端口
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11
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信號防雷器
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視頻信號浪涌防護
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監(jiān)控攝像機（定位槍機）
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12
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信號防雷器
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視頻信號浪涌防護
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監(jiān)控攝像機（高速全球）
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13
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信號防雷器
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音頻信號浪涌防護
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程控交換機端口
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14
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信號防雷器
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信號線路單級防護
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數據存儲器端口
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15
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信號防雷器
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視頻信號浪涌防護
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機房視頻矩陣IN端
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16
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天饋防雷器
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天饋信號浪涌防護
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通訊、電視、導航設備與線纜端口
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17
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等電位連接器
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接地系統(tǒng)防護
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匯流排、引下與法拉第籠連接點
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3、泄流（接地）裝置
1）銅包鋼接地極
2）離子接地極
3）石墨接地模塊
4）等電位連接器
南京寧翔防雷工程科技有限公司
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客服部