信息系统的雷电电磁脉冲防护问题

The Problem on LEMP Protection for Information Systems

张纬钹
Chang-Weibo

（ 清华大学 北京 100084）

一、前言

随着微电子技术的高速发展，以大规模集成电路元器件为核心的信息系统已广泛应用于各行各业及现代生活的各个领域。信息系统（设备）因其元器件的集成度愈来愈高，信息存储量愈来愈大，速度和精度不断提高，工作电压仅有几伏，信息电流仅有微安级，故对外界干扰极其敏感，对雷电电磁脉冲的耐受能力很低。当雷电电磁脉冲达到某一阀值时，轻则引起系统失灵，重则导致系统或其元器件永久性损坏。多年来，国内外有关航空航天飞行器、微波站、调度通信站、气象中心、计算机网络、广播电视系统等遭受雷电干扰而失效、损坏的事例屡见不鲜；造成巨大的直接损失和不可估量的间接损失。用一般电气设备的避雷器具、防雷经验已不足于解决信息系统（设备）的防雷问题；用对一般分立固态电子器件行之有效的保护措施，对集成度愈来愈高而耐受能力愈来愈低的信息系统（设备），已不足于将雷电电磁脉冲干扰和过电压限制到足够小的程度。因此，加强和改进信息系统（设备）的防护，已成为当今急待解决的问题。
　　本文拟以大量翔实的资料，着重介绍信息系统（设备）可能面临的各种冲击电磁干扰和过电压的威胁，信息系统设备及其元器件抗干扰的耐受能力，国内外信息系统遭受雷电电磁脉冲损害的实例；说明其严重性和加强与改进信息系统防护的必要性与迫切性，以唤起人们的重视。

二、危害信息系统的各种冲击电磁干扰和过电压

（1）雷电 雷电是自然界频繁的大气放电现象，地球上平均每秒发生100次左右；雷电脉冲功率可达2亿kW；脉冲电流上升很快（波头时间1—5ms），持续时间很短（波长20—100ms），峰值高达数kA到300kA以上。雷电流强大的冲击机械效应和热效应将使信息系统设备遭受严重毁坏。尽管雷电直击信息系统的可能性不大，但是雷击附近大地、建筑物、交流供电线路或空中雷云放电时感应形成的冲击过电压，都有可能通过与之相连的电源线、信号传输线或接地系统，侵入信息系统，酿成严重的干扰或事故。
　　（2）操作过电压 在电力网内部，由于各种开关电器的操作、负荷的投入和切除，或故障的发生与排除等运行状态的突然变化，都可能产生频率较高、持续时间毫秒级、几倍幅值的操作过电压, 通过电源渠道侵入电子系统，影响信息系统设备的安全运行。
　　（3）核致电磁脉冲 核爆炸在地面产生强大的电磁场。场强峰值可达50kV/m，功率密度峰值可达6.6MW/m ,约为雷电的100倍；其破坏范围大，400km高空核爆炸，地面的破坏半径约为2200km。核致电磁脉冲将在信息系统中耦合产生很高的暂态过电压，只要耦合能量大于10 —10 焦耳，就会导致许多集成电路等半导体器件工作失效或损坏。
　　（4）静电放电 当两种介电常数不同的绝缘材料直接接触，互相摩檫时，会发生电荷转移而各带不同电荷，称为静电充电。人体同样会发生静电充电，电荷量通常有0.5—5微库仑，充电电压可达12—30kV。气候愈干燥，电荷量愈大，充电电压愈高。带有上述电荷的人员触及计算机等信息设备，就会发生放电现象。放电火花产生的电磁干扰可能使信息系统（设备）失灵或损坏。

三、信息系统（设备）的冲击耐受能力

美国研究报告（AD—722675）指出，当雷电感应形成的磁通密度达到0.07Gs时，无屏蔽的计算机即发生误动；超过2.4Gs时，将发生永久性损坏。就是说，按安培环路定律估算，离无屏蔽的计算机800m处落一个100kA的雷，就会发生误动；离83m落雷就要损坏。
　　表3-1是以上述AD报告介绍的电子元器件损坏磁场阀值（2.4Gs）及误动阀值（0.07Gs）为依据，给出了雷击时使信息设备失效和损坏的雷电流与雷击距离。

表3-1 信息设备的失效及损坏与雷电流及雷击距离的关系

雷电流（kA）

失效的雷击距离(m) B≥ (B≥0.07Gs)

损坏的雷击距离(m) (B≥2.4Gs)

10

280

8.6

50

1060

41.6

100

1960

83.4

200

3250

166.0

　　表3-2列出了在电磁脉冲作用下，各种电子元器件失效或烧毁前，允许承受的作用时间为1ms的功率容限（单位：W）。

表3-2 电子元器件失效或烧毁前允许承受的功率容限

大规模集成电路元器件采用亚微米工艺，更经不起过电压大电流的冲击。对耐压影响最大的是沟道长度及栅氧化层的厚度。预计CMOS新器件的最短沟道长度可达0.25mm，栅氧化层的最薄厚度小于0.1mm，而氧化层的最大耐压是1kV/mm，因此这些器件在冲击电压作用下十分易损。
　　对计算机及其他电子元器件抗电磁干扰能力和损坏机理的实验研究结果表明：低频稳态场几乎没有不利影响，对元器件造成损坏的主要是高频及瞬态电磁场；集成电路芯片（如CPU、PIO、ROM、RAM等）所受影响较三极管、晶闸管等分立元件为大，而且芯片管脚愈多所受影响愈严重；CMOS器件的内部结构特点与TTL器件不同，易受外界作用而使特性变坏或损坏；运算放大器件的放大倍数高，对外来干扰比较敏感，一旦被外界能量激发，常会发生恶性循环而损坏；非屏蔽的有源器件如74LS124等，在2.6/50ms单次冲击波的短时间作用下未见损坏，或不一定马上损坏，但在f=0.9MHz的衰减振荡波的较长时间作用下就发生损坏；有一些器件的损坏是由于内部存在工艺缺陷，当外界磁通密度大于2.4Gs时，内部缺陷被激活就导致功能性损坏。
　　实验结果说明，如果计算机没有任何屏蔽措施，所有芯片和电路直接暴露在外界电磁场中，所受影响比较明显比较严重。现代计算机虽然具有较好屏蔽效能的机壳，但在瞬态磁场强度达到一定值时，仍会发生误动、死机等现象。比对实验表明这是因为干扰磁场仍能通过键盘、电源电缆和主机与显示器的连接电缆等渠道，感应耦合侵入机内。
　　一般建筑物对电磁波的屏蔽作用很小。表3-3给出了广西某微波站现场试验的结果。由表可见，除有特别屏蔽措施的计算机房内的电磁干扰水平低一些外，其它机房的冲击磁场都高于.07Gs，说明建筑物内多数场合的信息设备都会受到不同程度的影响。
　　表3-5是根据国家标准GB3482～3483—83，对VAX系列计算机通信接口的驱动器、接收器、IBM/PC通信板，施加10/700ms冲击波进行耐压试验的结果。

表3-3 广西某微波站空间冲击电磁场测试值

序 号

测量地点

冲击波头

(μs)

冲击电流 峰值(kA)

B (Gs)

E (V/m)

1

继电器室

8

8.0

0.076

1.012

2

载波机房

8

8.2

*

0.55

3

微波机房

8

8.4

0.212

2.8

4

计算机房

8

8.4

0.056

0.325

5

办公室

8

8.4

0.134

1.325

表3-5 通信接口（芯片）冲击击穿电压（V）试验记录

试 品

加压位置

第1次

第 2 次

第 3 次

第 4 次

第 5 次

平 均 值

MC1488(VAX机)

Y—G

115

110

90

100

/

103.75

MC1489(VAX机)

A—G

104

81

86

117

109

99.4

IBM/PC通信板

90

92

/

/

/

91

四、信息系统的雷害事故案例

据美国的保守估计，主要由于雷电电磁脉冲导致计算机网络失效或损坏，平均每年约占全部故障的70％。我国近几年雷害事故也频繁、激增，损失巨大。据一些省市统计，信息系统设备因雷害的直接损失约占雷害总损失的80％，造成无法估量的间接损失与社会影响。例如：
　　（1）国家气象中心大楼 1992年6月22日傍晚，北京城区下了一阵中雨。8点左右，一个落地雷击中国家气象中心大楼楼顶，楼内的大型计算机与小型计算机网络中断，6条同步线路和一条国际同步线路被中断。整个计算机系统停止工作46小时，气象业务受到严重影响，损失数十万元。大楼装有避雷针。闪电由避雷针引入大地，大楼、人员及普通设备安然无恙，但雷电流在四周产生的巨大脉冲电磁场，却使具有极为灵敏的微电子器件的计算机系统毁坏了。
　　又如某气象中心1987年和1982年两次发生雷击，造成进口的M-150计算机和两台M­-160II型计算机算题失效。
　　（2）银行、证券行业 1995年6月，广东省中国人民银行清算中心一座33层高楼遭雷击，导致网络停止工作3天，几亿元资金无法运行，仅利息损失就达200多万元。
　　1997年6月13日广州申银万国证券江南营业部，先后三次遭雷击，损坏大屏幕处理机、电话多路处理机、讯号收发器、通讯卡等，直接经济损失3万多元，影响了近700万元股票交易，间接经济损失无法估计。
　　（3）微波通信系统 华中大电网有微波站近百个，其中进口设备站65个。事故统计表明，造成设备损坏、导致长时间通信中断的主要原因是雷害。武—衡线段的15个站有12个站曾遭受雷击影响正常通信，甚至损坏多台设备。1987—1990年全网有17个站22次遭受雷击损坏通信设备；黄石微波站几乎每年都遭雷击，损坏接收机、远动室计算机和接口板。
　　（4）计算机网络 某国际机场航材供应中心计算机网络有主机2台，IBM6000/550安装在机房二楼，带若干终端；中心大楼（九层）有一台服务器及若干微机，构成一个局域网；737、747、777三个机库均有微机；五栋楼房的计算机通过一根粗缆连成一个总的计算机网络。1995年7月，在一场暴雨中近区落雷，计算机网络瞬即全部停运，同时市电、电话中断。粗缆上连接的8个收发器全部损坏；两台主机的数据库被冲乱，RS232接口和两台仿真终端损坏；中心大楼HUB损坏，用细缆与HUB连接的5台微机和服务器网卡损坏；737、747、777三个机库的HUB或网卡损坏。事后检查发现，损坏的收发器、HUB外观良好，损坏的网卡、电路板无放电、烧伤疤痕，有个别小元件表面焦黑，各楼内计算机的UPS电源完好无损。从事故范围和设备元器件损坏情况分析判断，这是一起雷电感应过电压从信号传输线侵入，危害在线运行计算机网络的典型事例。
　　（5）仪表监测系统 1994年4月19日夜间，华东输油管理局仪征输油站地区雷雨交加。23点0分一阵强烈的闪电，损坏了全站11个储油罐的液位数字变送器、温度变送器；进出站泵房的压力、温度变送器，装于35kV自备变电所的电压、电流、功率变送器全部损坏；锅炉房、加热炉的压力、差压、流量、温度变送器大部分损坏；中心计算机房的25点液位数字信号巡检仪、100点模拟信号智能巡检仪、以及与之相连的微机串口卡损坏；设备损坏直接经济损失45万元。
　　事故分析表明罐区消雷塔遭到了雷击；虽然无迹象说明直接雷击仪表系统信息设备，锅炉房加热炉仪表盘的DDZ型等分立元件仪表，计算机房的UPS、稳压电源等普通设备也未损坏，但是输油站地面及上空强烈雷电所感生的感应雷过电压，却通过站内的各种缆线反复传播四方，几乎击毁了所有微电子信息设备，使整个输油站的仪表微机监测系统完全瘫痪。
　　（6）天安门地区要害部门 1994年5月23日，一场普通雷雨，北京天安门地区竟有4个机要部门的高科技设备同时损坏，其影响的严重性不难估计。

五、信息系统的雷电电磁脉冲防护策略

自18世纪弗兰克林著名的风筝实验以来，人们致力于雷电防护的研究实践已有200年的历史，对建筑物及电力系统的防雷保护已经取得了很大成绩，积累了丰富的经验。现在的问题是，用一般建筑物一般电气设备的防雷装置防雷经验，已不足于解决信息系统设备的防雷问题。所以
　　首先在思想上，人们的习惯观念亟须扭转更新。当今雷害往往与高科技的普及应用同步，其危害程度远不能以雷击物的直接经济损失来估量。人类正在进入信息社会，雷害的后果常常牵一发而动全身。但是许多人总以为信息系统设备都在楼里，楼房装了避雷针就万事大吉！殊不知正如前面所举雷击国家气象中心大楼等事例那样，闪电由避雷针引入大地，大楼、人员和普通设备安然无恙，但雷电流在周围产生的巨大脉冲电磁场，却使整个计算机系统毁坏停止工作46小时，气象业务受到严重影响。许多人不了解埋地电缆甚至光缆也会出现感应过电压侵入。实践表明不少屏蔽良好的计算机网络在雷雨季节也发生故障，就是因为即使屏蔽系数达到90%，雷电感应过电压仍有几百、上千伏，超过计算机接口元器件允许承受的冲击耐压10V数量级。银行从未听说发生过雷害，但当采用计算机网络后，灾害就可能跟踪而至。远方闪电的冲击电磁波会在通信线上感应产生过电压，侵入银行系统。若无必要的防护措施，灾祸就可能临头。
　　雷害是一种随机性很强的小概率事件，决不可存在侥幸心理。如果缺乏必要的防护措施，灾害迟早总会发生。因而对此切不可 “亡羊补牢”，而应“防范于未然”，从系统规划设计开始就要一并考虑。在防雷上必要的前期投入不能吝啬，何况这部分投入与整个建筑物及信息系统的投资相比可能微不足道。人们总习惯于拿被保护物价值的大小与投入作比较，来左右自已的决策。殊不知一次灾害造成不可估量的社会影响和间接经济损失，比设备损坏的直接损失要严重得多。
　　其次在技术上，应充分理解信息系统的雷电电磁脉冲防护是一项系统工程，必须贯彻整体防护思想，综合运用分流（泄流）、均压（等电位）、屏蔽、接地和保护（箝位）等各项技术，构成一个完整的防护体系，才能取得明显的效果。所谓分流（泄流）指的是对于可能出现的的直击雷，要做好建筑防雷，靠接闪器经引下线和接地装置，或通过导电连接和接地良好的结构钢筋、金属构架，将雷电流分流流散入地，而不流过被保护设备和部件。所谓均压（等电位）是指对于同一楼层同一部位的不同的电缆外皮、设备外壳、金属构架（构件）、管道做好电气搭接，以均衡电位。所谓屏蔽指的是采用屏蔽电缆，利用各种人工的屏蔽箱盒、法拉第屏蔽笼等和各种可以利用的自然屏蔽体来阻挡、衰减施加在系统设备上的过电压能量。所谓接地是指将所有金属构架（构件）、管道、电缆金属屏蔽层、穿线铁管连在一起，与屏蔽笼及总接地网就近连接；信息系统设备的防雷接地、工作接地、保护接地宜采用共地方式；或者计算机的逻辑接地采用引外接地，为防反击再将其与主接地网暂态共地。所谓（箝位）保护指的是在电源线、信号线、接地线等过电压可能侵入的所有端口，装设必要的浪涌过电压防护装置；在系统引出的信号线、电源线上装设多级保护，包括粗保护和细保护，将侵入系统的冲击过电压箝制到设备耐压允许的水平。
　　上述综合分流（泄流）、均压（等电位）、屏蔽、接地、保护（箝位）各项技术的整体防护原则，是适用于建筑防雷、电力系统和各种信息系统设施的统一防护模式。而对于一个特定的信息系统及整个建筑物等的防护，还需根据具体系统及其所在建筑物的实际情况，灵活应用，采取具体措施，构成一个完整的防护体系，才能收到预期的效果。

六、信息系统的雷电电磁脉冲防护问题

目前，部门垄断地方割据情况严重，亟需统一标准统一领导。“防雷”这块蛋糕很大，潜在市场很大，需要的首先是服务，而不是抢滩割据、发灾害财。
　　标准问题，要的是技术先进经济适用，不是盲目追求愈新愈大才愈好。
　　与国际接轨问题，要学习要消化，要结合实际因地制宜，不迷信，不照搬照抄。