雷电入侵计算机系统的各种途径及防护措施

提 要 本文针对雷电入侵计算机系统的各种途径进行了分析。文章指出雷电入侵对电力系统、网络系统的影响，以及接地系统不良造成的影响，着重对从远点雷击、近点雷击和错相位雷击三种雷击现象进行理论说明，并且结合雷电灾害实例，总结了计算机网络的雷电防护在工程实践应用中应注意的问题。
关键词 雷电入侵计算机 电力线路 雷电防护 途径

 

蚌埠市气象局防雷中心在多次的计算机系统防雷工程设计中，总是重点考虑被保护对象的雷电入侵可能的途径，针对各雷电入侵途径进行有效的设计防护，在这里，我们对工作实践中的一些经验教训进行了总结，以便与防雷同事们交流。

1 理论说明
1.1 对电力系统的影响
1.1.1 雷电远点袭击电力线
目前我国电力线电压基本波形是每秒50Hz的正弦波形曲线，如遇雷害发生时，在雷电未击穿大气时，将呈现出高压电场形式。因磁场与电场之间是相互共存可逆变化的，那么，雷击高压电场通过静电吸收原理，向大地方向运动。电力线上的交变磁场对雷云的吸引小于大地的静电吸引。在高压线上的表现为击穿变压器的绝缘，在变压器低压端与负载的连线上遭雷击，损失的是用电器。为此，在选择高压避雷器时，首先考虑远点雷击。
1.1.2 雷电近点袭击电力线
雷电近点袭击电力线就是雷电袭击用电器所在的建筑物避雷针，从而引起的雷电电磁脉冲的保护问题。按照《建筑物防雷设计规范》规定，定义大楼接闪电能力为波形10／350μs三角波，雷击电流为150KA。避雷针引下线由于线路电感的作用，ECl312定义最多只能将50％的电流引入大地。余下的电流将通过电力线屏蔽槽等与地面有连接的金属物质联合引雷，但也只引下少部分雷电流，余下总电流的25％在大楼流窜至UPS输入输出负载的电源线、局域网线等，击穿小型机局域网端，最终由逻辑地线处下泄入地。结果将击穿UPS输出对地线和输入对地线端、小型机电源对逻辑地线、网口对逻辑地线。为此，必须对UPS输入输出火线零线对交流地和直流逻辑地进行保护，必须对小型机、服务器及其它重要终端进行等电位保护，对网口进行保护。
1.1.3 错相位雷害
如果一个高能量雷打在一条火线上，而另一个低能量雷打在另一条火线上，线线之间就会产生一个电压差，侵入设备。称错相位雷击，既雷电二次破坏。对三相UPS而言，它的输入和输出端，应安装SPD才能全面的保护电子设备。
1.2 对通信线路的影响
雷电击在建筑物避雷针上，由避雷针通过引下线，将雷电流泄放大地，引下线自上而下产生一个变化旋转快速运动磁场，建筑物内的电源线、网络线等相对切割磁力线，产生感应高压并沿线路传输击毁设备。如一机房的大楼避雷针引下线或大楼主钢筋距主机房10米，假设机房为7平方米，可产生52500V的高压。由此可知由雷电产生的感应电压无孔不入，它可以危及机房内所有的用电器。
通常广域网不易遭受直击雷的破坏，1平方的铜线遭受10KA的雷电袭击可自身熔断。广域网的雷害主要是感应雷害，击穿方式为线对线和线对机壳（地）。连接广域网一般有，一类是DDN租用专线，一类是ISD专线，一类是帧中继以及微波通讯方式。对于专线的接收端口，它的耐压应为5倍工作电压，即Vdc25V，传输速率小于等于2M，在雷电作用下，短路保护5KA电流。而在局域网的传输电缆中，常常采用UTP电缆，其电缆的4对线中两对线（1-2，3-6线对）一对线接收一线发送，采用RJ45接口方式。既然局域网电缆采用RJ45型是一收一发，那么，就应按两对线进行雷电保护。
对于网络系统，由于雷电引起的电磁脉冲，在机房内产生3Gs的变化电磁场，必然引起网卡端口芯片的烧毁，应注意防护。
1.3 接地系统不良的影响
雷电袭击建筑物避雷针，由于大地电阻的存在，如果接地系统不可靠，雷电电荷不能快速全部的与大地负电荷中和，必然引起局部地电位升高，交流配电地和直流逻辑地将这种高电位引入机房，UPS输出、输入端被击穿，小型机及其他网络设备连接断口被击穿。这种反击电压少则数千伏，多则数万伏，直接烧坏微机的绝缘部分。

2 雷电危害及工程实践
从以上分析可以看出，堵死雷电由电力线入侵电子设备，应从远点雷击、近点雷击和错相位雷击三种雷击现象入手。
2005年7月27日晚，蚌埠市公安局因遭受雷击，6台计算机、1台服务器、6部交换机、集线器、网卡、10部电话机及电话线路、传真机等设备损坏，造成直接经济损失达76万余元。感应雷的能量虽小，但电压较高。所以，对感应雷害的防护，应该是全面的防护，防护的级别可以低一些。
由雷击引起的人身安全问题，雷电泄放大地，由于地电阻较大，不能马上泄放，从而引起地电位升高，由于机房直流逻辑地线和交流配电保护地线不在一点入地，将两个电位值引入机房，这时，一个操作人员的一只手摸在UPS输出负载外壳，而另一只手摸在交流配电地线上（如空调），两个电位值将通过操作人员的身体短路造成伤亡。所以防雷保护设备很重要，但是保护人身安全更重要。
在实际工程中，由于机房布线中，施工人员为了布线工程的美观漂亮，把很多网线放在墙壁内，没有考虑对UTP电缆的屏蔽处理，一旦大楼某些钢筋泄放雷击电流都将引起感应高压，从而击毁设备。
从防雷角度考虑，计算机房的布线应该明确：电源线不要与网络线同槽架设，数据插座与电源插座保持一定距离；广域网线缆不要与局域网线缆同槽架设；网线与墙壁应远距离安装；屏蔽槽有厚度要求，并要求两点接地。
通过具体分析雷害入侵计算机信息系统的各种途径，可见防雷保护设计工作不是简单的避雷设施的安装和堆砌，而是一项技术要求高、难度大的系统工程，涉及多方面的因素。为此我们的设计指导思想的主旨是，本着经济、实用、高标准严要求、高起点、高可靠性的原则，在遵照执行国家有关标准，参考和引入IEC国际电工委员会的有关防雷技术标准要求，以期达到更好的防护效果，这就是我们蚌埠市防雷工程之所以做大做强的目的。