計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)的雷電防護(hù)

1、計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)的雷電防護(hù)引 言隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展， 以計(jì)算機(jī)為代表的信息技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域， 滲透到社會(huì)和生活的各個(gè)角落。 信息技術(shù)給人們的工作和生活帶來了極大便利的同時(shí)，也帶來了隱患 ; 不少行業(yè)大量使用信息技術(shù)，正常的業(yè)務(wù)工作已離不開計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 這種依賴性呈越來越高的趨勢(shì)。 這就使得這些行業(yè)存在潛在的巨大風(fēng)險(xiǎn)： 一旦計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)出現(xiàn)故障， 將會(huì)造成相當(dāng)大的損失， 而產(chǎn)生這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)的隱患之一就是雷電對(duì)信息系統(tǒng)的危害。雷電作為干擾源是一個(gè)能量極高的大氣物理現(xiàn)象， 多次雷擊釋放出數(shù)百兆焦耳能量， 這一能量足可影響敏感的電子設(shè)備， 雷擊事故帶來的

2、損失和影響越來越大， 尤其是在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家和地區(qū)， 雷擊造成的電子設(shè)備直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)雷電災(zāi)害總損失的大約80% 以上。因此，人們把雷電災(zāi)害列為“電子時(shí)代的一大公害”。雷電的危害形式和現(xiàn)狀雷電對(duì)信息系統(tǒng)的侵害方式主要表現(xiàn)為： (1) 雷擊損壞線纜。 (2)雷擊電磁脈沖通過線纜侵入室內(nèi)損壞電子設(shè)備。(3) 雷擊電磁脈沖通過電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)損壞電子設(shè)備。雷擊危害的現(xiàn)狀： 因雷電災(zāi)害而損壞的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及設(shè)備大幅上升，雷電災(zāi)害不僅造成設(shè)備永久性損壞，重要的是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中斷和癱瘓會(huì)造成不可估量的直接與間接的巨大經(jīng)濟(jì)損失和影響，我國的雷電災(zāi)害損失 80% 以上涉及電子、通訊和配電系統(tǒng)。因此，越來越多的單位

3、開始重視計(jì)算機(jī)機(jī)房和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的雷電防護(hù)工作，為此做好這項(xiàng)工作尤為重要。但在雷電防護(hù)工程中對(duì)電源系統(tǒng)保護(hù)、信號(hào)保護(hù)、等電位連接和各種接地中任何一個(gè)環(huán)節(jié)疏漏都可能帶來防護(hù)的失敗。雷電的入侵形式雷電入侵信息系統(tǒng)的形式有直擊雷、感應(yīng)雷、電波侵入、雷電的地電位反擊等。直擊雷是雷電直接擊中設(shè)備或線路;感應(yīng)雷、雷電波侵入是雷電擊中供電線路、信號(hào)線路而產(chǎn)生的過電壓;雷電的地電位反擊是通過接地體入侵信息系統(tǒng)。因此，對(duì)計(jì)算信息系統(tǒng)的雷電防護(hù)要從這幾個(gè)方面入手，在雷電有可能入侵的各個(gè)關(guān)口層層設(shè)防。信息系統(tǒng)的防護(hù)措施防護(hù)措施分外部防雷和內(nèi)部防雷，外部防雷主要措施有是包括直擊雷防護(hù)、分流、屏蔽、等電位連接等;內(nèi)部防雷

4、主要措施有：共用接地、等電位連接 (注：電涌保護(hù)器是等電位連接的組成部分)和屏蔽 ;外部防雷和內(nèi)部防雷的一些措施是共用的。4.1直擊雷防護(hù)直擊雷防護(hù)是計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)LEMP 防護(hù)的基礎(chǔ)，其作用是有效地保護(hù)建筑物本身不受直擊雷的破壞，為建筑物內(nèi)部的設(shè)備起到一個(gè)良好的初級(jí)電磁屏蔽作用。一般來說，如果計(jì)算機(jī)機(jī)房選址得當(dāng)，設(shè)備擺放規(guī)范，各種線路鋪設(shè)間距合理， 計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)遭受直擊雷的可能性較小。但是與機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備有線路連接的衛(wèi)星天線等通常安裝在建筑物的頂部，由于高出建筑物的防雷設(shè)施，而不足以對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，一旦遭受直擊雷后，會(huì)將強(qiáng)大的雷電流沿天線、信號(hào)線引入機(jī)房，將計(jì)算網(wǎng)絡(luò)設(shè)備毀壞。如：山東省費(fèi)縣氣象局

5、2004 年 8 月 14 日 14 時(shí) 20 分，多媒體電視天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)遭到一次雷擊，導(dǎo)致與其相連的電視機(jī)、錄像機(jī)、計(jì)算機(jī)、顯示器等全部設(shè)備都受到不同程度的損害，后經(jīng)專家認(rèn)定是由于辦公樓遭受直擊雷后， 強(qiáng)大的雷電流沿著破損的有線電視天線侵入機(jī)房，將設(shè)備毀壞。因此，在考慮建筑物直擊雷防護(hù)設(shè)施時(shí)，也要對(duì)建筑物頂部的設(shè)備采取防護(hù)， 可以在與設(shè)備有一定安全距離處，根據(jù)有關(guān)規(guī)定計(jì)算好高度架設(shè)避雷針，引下線與建筑物原有的避雷帶 (網(wǎng))做好多點(diǎn)連接。此外，架空電纜、信號(hào)線等要采取屏蔽措施，或做埋地處理，其埋地長(zhǎng)度應(yīng)大于 15 米。4.2 等電位連接與共用接地為了減少防雷空間內(nèi)各種金屬部件和各個(gè)系統(tǒng)之間的電

6、位差，保證建筑物內(nèi)信息系統(tǒng)、電氣設(shè)備、電子設(shè)備的正常工作，抑制外部干擾，并保證電氣、電子設(shè)備和操作人員的人身安全，所有各類電氣、電子信息設(shè)備均應(yīng)采取等電位連接與接地措施，形成一個(gè)電氣連續(xù)的整體，這樣可以避免在不同金屬外殼或構(gòu)架之間出現(xiàn)電位差，而這種電位差往往是產(chǎn)生電磁干擾和造成雷電反擊的原因。在現(xiàn)代建筑物中，為了節(jié)省室內(nèi)空間， 電子信息系統(tǒng)中各設(shè)備的布置往往是相當(dāng)緊湊的，設(shè)備之間難以隔開足夠的空間距離。當(dāng)建筑物受到雷擊時(shí)，其防雷系統(tǒng)各部分均會(huì)出現(xiàn)暫態(tài)電位升高，如果各設(shè)備之間沒有進(jìn)行等電位連接，則有可能會(huì)引起雷電反擊而使設(shè)備損壞。如圖2(a) 所示，兩臺(tái)電子設(shè)備 1 和 2 的信號(hào)電纜屏蔽層分別

7、在遠(yuǎn)處接地，當(dāng)建筑防雷系統(tǒng)受雷擊后， 雷電流沿引下線經(jīng)接地體入地，在此暫態(tài)傳輸過程中，引下線上 A 的電位可按下式估算： UA=Rimi+lLodi/dt上式中，LO引下線單位長(zhǎng)度電感，可取1.2uH/m 。由于雷電流及其波頭陡度 di/dt 具有很高的數(shù)值， UA 是相當(dāng)高的， 而設(shè)備 1 和設(shè)備 2 此時(shí)基本上處于零電位，于是在 A 和 B 兩點(diǎn)之間將出現(xiàn)較高的電位差，當(dāng)這一電位超過了 A、B 之間空氣絕緣強(qiáng)度時(shí)，這里的空氣間隙隨即放電擊穿，設(shè)備 1 受到來自 A 點(diǎn)的雷電高電位反擊。當(dāng)設(shè)備 1 受到反擊后，它將帶上高電位， 而此時(shí)設(shè)備 2 還基本上處于零電位， 這樣在設(shè)備 1 與設(shè)備 2

8、 之間又出現(xiàn)了高電位差，可能會(huì)使這里的空氣間隙再次電擊穿，設(shè)備 2 遭到反擊。如果預(yù)先在引下線、設(shè)備 1 和設(shè)備 2 之間用導(dǎo)體作等電位連接，如圖 2(b) 所示，則在雷擊時(shí)，引下線上的 A 點(diǎn)、設(shè)備 1 和設(shè)備 2 的金屬外殼均會(huì)升高到基本相等的電位水平，它們彼此之間就不會(huì)出現(xiàn)空氣間隙的放電擊穿，從而設(shè)備1和設(shè)備 2 也不會(huì)受到雷電反擊。根據(jù) IEC 和 GB 有關(guān)計(jì)算機(jī)機(jī)房的標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)房地線有二類：獨(dú)立地線和共用地線。但從防雷角度來看，必須使用共地，目的是減少雷電的高壓反擊。 但由于計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的飛速發(fā)展， 許多新機(jī)器對(duì)用電環(huán)境要求非?？量?，如果強(qiáng)行機(jī)械地把機(jī)房直流地、靜電地、保護(hù)地、交流

9、地、防雷地等統(tǒng)統(tǒng)連接一起，就會(huì)發(fā)現(xiàn)：服務(wù)器、小型機(jī)不工作 ;局域網(wǎng)速度較慢，不適應(yīng)工作 ;主板莫名其妙的被燒毀。原因很簡(jiǎn)單，由于系統(tǒng)的用電環(huán)境不好，三相嚴(yán)重不平衡，零地混接，導(dǎo)致地線電流過大， 造成零地電壓大于1 伏，是上述后果的根本原因。 共地的基本目的是希望達(dá)到等電位， 防止雷電的反擊，如果強(qiáng)行等電位，必將造成不良的后果。4.3屏蔽屏蔽是利用各種金屬屏蔽體來阻擋和衰減施加在信息技術(shù)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上的電磁干擾或過電壓能量， 具體分為：建筑物的初級(jí)屏蔽、設(shè)備級(jí)屏蔽、各種線纜 (含穿線金屬管 )屏蔽。建筑物內(nèi)部信息系統(tǒng)的主要電磁干擾源是由一次閃擊時(shí)的幾個(gè)雷擊的瞬時(shí)電流造成的瞬態(tài)磁場(chǎng)，通過屏蔽可以

10、使瞬時(shí)電磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)減少到一個(gè)足夠低的值。建筑物外部設(shè)屏蔽措施所有與建筑物組合在一起的大尺寸的金屬件都應(yīng)等電位連接在一起 ,并與防雷裝置相連 ,如屋頂金屬表面、立面金屬表面、混凝土內(nèi)部鋼筋和金屬門窗框架，組成一個(gè)法拉第籠體系。應(yīng)根據(jù)設(shè)備的耐壓水平做多級(jí)屏蔽。 屏蔽效果取決于初級(jí)屏蔽網(wǎng)的衰減程度、屏蔽層厚度 (最好接近電磁波的波長(zhǎng) )、網(wǎng)孔密度 (密度越大效果越好 )、屏蔽材料 (低頻時(shí)采用高導(dǎo)磁材料，高頻時(shí)采用銅材、鉛材等 )。屏蔽中要特別注意對(duì)各種空洞的密封，如門、窗、金屬管道、通信線路、電力線纜的入口及線纜的金屬線編織網(wǎng)、軟硬導(dǎo)管、橋架等。線路屏蔽采用屏蔽線纜或?qū)⒕€纜穿金屬管，其屏蔽層或屏蔽

11、鋼管至少在兩端,并宜在防雷區(qū)交界處做等電位連接。使用金屬絲編織屏蔽電纜在電磁波頻率較高時(shí)，其波長(zhǎng)接近編織網(wǎng)孔尺寸，波的投入增加，因此最好再穿一層金屬管。光纜的屏蔽不應(yīng)忽略。一般地，直埋光纜很少受雷擊，但是光纜的金屬保護(hù)層和內(nèi)部加固金屬芯則有被雷擊的可能， 因此也有必要采取屏蔽措施，并在光纜進(jìn)入光端機(jī)之前應(yīng)將金屬芯和防護(hù)金屬層斷開，進(jìn)行等電位連接，埋地光纜有必要安裝屏蔽線。 4.4 合理布線雷電磁場(chǎng)變化必對(duì)金屬導(dǎo)體形成感應(yīng)，產(chǎn)生感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流。另外金屬導(dǎo)體間的電磁耦合也將形成電磁干擾， 都將對(duì)信息系統(tǒng)構(gòu)成威脅。因此， 除綜合布線自身的安全防護(hù)外，還必須合理控制線纜間安全距離和線路的走向，消除

12、不必要的電磁耦合。4.5 電涌防護(hù)電涌防護(hù)可分信號(hào)部分的防護(hù)和電源部分的防護(hù)， 電涌防護(hù)的主要措施是加裝電涌保護(hù)器 (SPD)。信號(hào)部分 SPD 的選擇對(duì)于信號(hào) SPD，由于信號(hào)避雷器串接在通信線路中，所以信號(hào)避雷器除了滿足防雷性能特征外， 還必須滿足信號(hào)傳輸帶寬等網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的要求。 因而選擇相關(guān)產(chǎn)品時(shí)， 應(yīng)充分考慮防雷性能指標(biāo)及網(wǎng)絡(luò)帶寬、傳輸損耗、接口類型等網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，滿足信號(hào)傳輸帶率、工作電平、網(wǎng)絡(luò)類型的需要，選用插入損耗較小的 SPD，同時(shí)接口與被保護(hù)設(shè)備兼容。 例如：PSDN 調(diào)制解調(diào)器有帶鈴壓和不帶鈴壓二類，帶鈴壓調(diào)制解調(diào)器工作電壓為48V至 54V ，鈴壓為175V至180v，

13、防雷器的保護(hù)電壓應(yīng)大于180V;不帶鈴壓的調(diào)制解調(diào)器工作電壓為 48V 至 54V ，防雷器的保護(hù)電壓應(yīng)不小于 54V 。如果兩類防雷器混裝，將對(duì)前者造成通訊信號(hào)短路， 對(duì)后者造成防雷工作能力喪失。電源部分 SPD 的選擇電源系統(tǒng)屬于設(shè)備與外界有直接聯(lián)系的通路， 也是計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)容易遭受雷電損害的主要途徑。 電源防雷的主要作用是防止雷電產(chǎn)生的過電壓、過電流從電源輸入端進(jìn)入計(jì)算機(jī)設(shè)備。電源部分原則上應(yīng)采用多級(jí) SPD 進(jìn)行保護(hù)，至少進(jìn)行三級(jí)以上的防護(hù)：第一級(jí)保護(hù)在供電系統(tǒng)入口處如總配電室的總空氣開關(guān)下端，安裝大容量的能承受大電流和高能量浪涌的電涌保護(hù)器，將大量的浪涌電流分流到大地;第二級(jí)保護(hù)在

14、被保護(hù)設(shè)備的房間電源安裝電涌保護(hù)器，以進(jìn)一步吸收通過第一級(jí)電涌保護(hù)器的剩余浪涌能量，起到抑制瞬態(tài)過電壓的作用;第三級(jí)保護(hù)在電氣設(shè)備的電源輸入端安裝電涌保護(hù)器，以達(dá)到完全消除微小瞬態(tài)過電壓的目的，做為設(shè)備的末級(jí)精細(xì)保護(hù)。因?yàn)樾畔⑾到y(tǒng)電源的敏感性，所以必須采用較低的殘壓值。同時(shí)還必須考慮到電磁干擾對(duì)信息系統(tǒng)的影響，因此帶濾波的分流設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)更加理想。第一、二級(jí)采用殘壓較低的SPD，主要作用是限壓，將雷電壓降低到設(shè)備可以耐受的程度。多級(jí) SPD 應(yīng)當(dāng)考慮能量配合和電壓配合，使各級(jí)之間的限制電壓相互協(xié)調(diào)。配合的目的：(1) 防止過電壓波可能在線路上形成反射，產(chǎn)生震蕩電壓疊加到線路上，使限制電壓超過被保護(hù)設(shè)備的耐壓水平;(2) 保證逐級(jí)先后動(dòng)作 ;(3)避免出現(xiàn)盲區(qū) ;(4)各個(gè) SPD 的額定荷載電涌能力不被超過。5 結(jié) 語5.1 在計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)中采用屏蔽、等電位連結(jié)、合理布線、加裝電涌保護(hù)器是信息系統(tǒng)防雷擊電磁脈沖的有效方法。這些措施聯(lián)合使