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计算机信息系统雷电防护技术初探

龚细明1 ，苗　健2 ，段和平2
（1.安义县气象局，江西南昌　330500；2.江西省防雷中心，江西南昌　３30046）

　　摘　要：在分析计算机信息系统遭受雷击损害原因的基础上，结合多年的实践经验，提出了计算机信息系统雷电防护的具体措施。认为计算机信息系统的雷电防护应作为系统工程来考虑，要强调全面防护、综合治理。在具体的防护技术上，应采用“躲－分流－均压－屏蔽－接地”系统，以防止雷电及雷电电磁脉冲危害，并有效地解决雷电磁兼容性问题。
　　关键词：计算机　信息系统　雷电防护　技术
中图分类号：P427.32；TP307 　文献标识码：B　文章编号：1007-9033（2005）0３-0049-03

1　计算机信息系统遭受雷击损害的原因分析
　　除直击雷外，雷电作为电磁干扰源，主要以雷电电磁脉冲（LEMP）的形式入侵计算机信息系统。其传播途径主要有传导耦合及辐射耦合2类。一般来讲，计算机信息系统遭受雷击损坏的原因主要有5个方面：一是直接雷击；二是雷电通过各种通信线路（天卫星馈线、电话线、网络线、数据专线等）传入系统而损坏设备；三是雷击建筑物或邻近地区雷电放电，强大的交变电磁场，将导致内部计算机系统网络环路中由于空间电磁感应产生瞬态过电压而造成损坏；四是雷电通过供电线路的感应而引入系统电源，导致设备损坏；五是电位反击造成设备损坏。
2　雷电防护系统的组成
　　上述分析可知，雷击对计算机信息系统是从空中、线路、地下等全方位而入侵的。因此，计算机信息系统的雷击防护应作为系统工程来考虑。它涉及到机房电气性能、计算机网络系统、卫星收发系统、通信系统等多个子系统，要强调全面防护、综合治理。根据国内外防雷专家提出的解决方案，结合多年的工作实践，可以认为“躲—分流—均压—屏蔽—接地”系统，即A(Avoiding)—D(Dividing)—B(Bonding)—S(Shielding)—G(Grounding)，是计算机信息系统防止雷电和雷电电磁脉冲，以及解决电磁兼容性问题的有效手段，且在实际应用中可使防雷安全的可靠性达到令人满意的效果。
　　雷电防护系统由外部保护、过渡保护、内部保护3部分组成。这3部分相互独立、相互渗透又相互配合，都起着重要的作用。它与ADBSG系统的关系如图1所示。

3　雷电防护设计
3.1　遵循的标准
　　雷电防护设计主要遵循以下标准：《建筑物防雷设计规范》GB50057-1994、IEC61312，《电子计算机机房设计规范》GB50174-1993，《计算机场站安全要求》GB9361-1988，《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2004等。
3.2　外部防雷
　　外部防雷主要指直击雷的防护，它是防雷技术的主要组成部分。1个良好的外部防雷系统，可以大大减小内部防雷的压力。外部防雷的有效措施主要包括躲（A）和分流（D）2种。
3.2.1　躲（A）
　　这是非常重要且经济有效的措施。正确线路的路由、站址（计算机机房场地及设备安放点），应从以下几个方面，尽量避开在理论上、经验上和实践中证实的雷击区或雷击点：一是计算机机房尽可能选择在雷击少的位置，并尽量放在楼顶3层以下；二是卫星收发天线尽量不放于楼顶最高处；三是各种线管（电源线、网线、专线等）尽可能埋地而不高架入室。
3.2.2　分流（D）
　　事实上，几乎所有机房所处建筑物都无法完全避开雷击区，因此防直击雷技术措施是计算机信息系统雷电防护中不可缺少的一部分。根据GB50057-1994，由于计算机信息系统的特殊性，要解决计算机信息系统所处建筑物的雷电流分流问题，就应按第二类防雷建筑物进行防雷设计。
　　根据实际情况装设避雷针及避雷带后，分流技术可以起到分流50%和降低电位的作用。因此，内部有计算机信息系统的建筑物，在利用分流技术防直击雷设计时，应注意以下事项：一是接闪器的保护范围应按滚球法予以确定，以保证LPZ0区内所有被保护系统均处在接闪器的保护范围之内；二是对卫星接收系统而言，应注意使接闪器与系统外置部分（如接收天线）的保护角和防闪络安全距离>3 m。另外，在楼面有完善的避雷带的情况下，可以考虑以屋面作为相对地面，必要时进行搭接处理（图2）。

3.3　内部防雷
　　内部防雷就是分层次对入侵的雷电能量进行均衡泄放，以减弱或消除瞬态现象所产生的电位差，保证信息系统与人员的安全。其有效的技术措施就是屏蔽（S）与均压（B）。其中均压又叫等电位连接。
3.3.1　雷电防护区的划分
　　按电磁兼容的原理，把信息系统所在建筑物按人、物和信息系统对雷电及雷电电磁脉冲的感受强度的不同，由外到内分为不同的雷电防护区（图3），以采取不同的防护措施。
3.3.2　屏蔽（S）
　　屏蔽就是利用各种金属屏蔽体，阻挡和衰减施加在信息系统设备上的电磁干扰或过电压能量。其具体措施又可分建筑物屏蔽、设备屏蔽和金属线缆屏蔽。对于金属线缆屏蔽，由于相对于波长，线缆是系统中电气长度最长的元件，最易受耦合。对计算机信息系统来说，特别是具有卫星、各种通信线路的信息系统，雷电电磁脉冲有很大一部分是通过各种线路侵入的。因此，必须从以下几个方面，做好线路屏蔽。
　　（1）所有金属线缆（包括电源线、各种通信数据线等）在引入建筑物时，宜采用金属屏蔽线缆或穿金属管埋地引入方式，并将金属屏蔽层在两头可靠接地，且要求在入户前埋地的水平长度≥15 m（图4）。这种措施不但可以有效阻塞通过线缆引入的雷电波，而且具有一定的防直击雷效果。
　　（2）正如图4所示，由于雷电流的“集肤效应”，使得相当大的一部分电流沿屏蔽层接地端口泄入大地。
　　（3）建筑物内部的线缆（网线等），宜采取屏蔽措施，并穿专用弱电线路走线槽或金属管道，走线槽或金属管道全线应电气连通，并进行可靠接地。
　　（4）天馈线或露在LPZ0区的信号线，最有可能遭到电磁脉冲的干扰，应穿金属管引入，并进行良好的可靠接地。
3.3.3　均压（B）
　　系统防雷击电磁脉冲（LEMP）的另一重要技术措施就是均压。
3.3.3.1　等电位连接的目的及方法
　　等电位连接的目的，就是减少信息系统设备所在建筑物金属构件与设备之间，或设备与设备之间因雷击产生的电位差。
　　将分开的导电装置进行等电位连接的方法有2种：一是用金属导体直接连接，二是用浪涌保护器（SPD）间接连接。信息系统设备的金属外壳、机柜、机架、金属管、槽、屏蔽线缆外层、设备防静电接地、安全保护接地、浪涌保护器（SPD）接地端等，均应以最短距离与等电位连接网络的接地端子连接。
　　等电位连接网络的结构形式有S型、M型，或2种结构混合形式的组合。根据经验，对小型机房，适宜采用S型结构；对中、大型机房，宜采用M型或混合形结构。
3.3.3.2　等电位连接带的设置
　　一般等电位连接带应设置在防护区的交界处，后续防护区的等电位连接带可以从前级等电位连接带引入，使得防护的层次分明（图5）。
　　事实上，几乎所有机房（如证券公司的卫星通信系统机房等）均处在LPZ1区内，处在LPZ2或更高级区的则较少见。因此，机房等电位连接带只有EB1，系统所有接地都应接至这个连接带上。
3.3.3.3　SPD（浪涌保护器）的选择与安装
　　SPD的主要作用，就是用以限制沿线路传导的瞬态过电压及电磁脉冲电流。在等电位连接网络中，无法使用导体直接连接的部位，要实行等电位连接时，应使用SPD。

3.4　过渡防雷保护
　　过渡防雷介于外部防雷与内部防雷之间，其作用就是为外部及内部防雷提供良好的基础环境。
3.4.1　共用接地系统（G）
　　（1）雷电流流经接地网时，会在地网上产生压降，形成地电位升高。接地电阻越小，地电位升高越小，对微电子设备的危害就越小。由于土壤电导率和接地网面积等条件的限制，仅靠降低接地电阻使地电位升高来达到微电子设备的耐受水平是不现实的。因此，通常建议用有较小的接地电阻。
　　（2）IEC标准指出，1个建筑物内只允许有1个接地系统。即在建筑物内，各种用途的接地极都应纳入等电位范围，形成1个共用接地系统，其他如独立、专用等接地方案都是不妥的。IEC推荐的等电位连接和共用接地系统，是计算机信息系统接地的最佳方案。如果接地不妥，很容易造成如图6所示的地电位反击现象。
　　由图6可知，当10 kA的雷电流通过引下线入地时，我们假设接地电阻为10 Ω。根据欧姆定律可知，在入地点A处，电压为100 kV。因A点与C、D点相连，所以这几点电压都为100 kV。而E点接地，其电压值为0，设备的D点与E点间有100 kV的电压差，足以将设备损坏。
　　（3）共用接地系统不允许在地面以上进行两地网均衡连接。
　　（4）如果不是利用建筑物基础及钢架结构作为共用接地系统，接地网宜绕建筑物做成一环形地网。
3.4.2　合理布线
　　合理的布线对系统来说也是一个不应忽视的问题。它可以减少雷电流所产生的磁场，以及线路之间的耦合。其实质是改变系统内线缆之间的分布电容、分布电阻、公共阻抗。布线时应注意的事项主要有3点：一是尽量靠近建筑物中心部位布线；二是避免与引下线、泄流线并行，或靠近敷设；三是减少线路潜在的感应环路。

　

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第一作者简介：龚细明（1970-），男，助理工程师，主要从事气象业务与服务管理工作。

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