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计算机网络、通讯系统等弱电电子设备

防雷电入侵通道浅析

广东属于雷击发生中、高度地区，年平均雷暴日数 60-100 天，惠州市地区的雷暴日数平均 80 左右。而雷电是一种自然现象，是每年重复发生的随即事件，雷电造成的经济损失和危害程度在不断的增加，防御雷电灾害工作显得日益重要。

一、雷电的认识和危害：

1 、雷电的分类：

雷电可分为两类：直击雷和感应雷。直击雷就是雷击直接击在建筑物、其他物体、大地或防雷装置上，产生电效益、热效益和机械力。感应雷就是雷云之间或雷云对地之间的放电而在附近的架空线路、埋地线路、金属管线或类似的传导体上产生感应电压，该电压通过传导体传送至设备、间接摧毁微电子设备。感应雷击对微电子设备，特别是监控设备、通讯设备和电子计算机网络系统的危害最大，据资料显示，微电子设备遭雷击损害， 80% 以上是感应雷击引起。

2 、雷电的危害：

⑴直击雷对电子设备、计算机网络的危害：当建筑物的防直击雷装置受雷击时，雷电流以 1/20—1/2 的光速流过接闪器、引下线及接地装置，在其周围形成一个变化的电场和磁场，在这一变化的电磁场中，电子设备可以看做是作切割磁力线运动，在电气接触不良和开口处将产生巨大的感应电动势，以下面两种方式来损害电子设备 。

•  电被引到接闪器上，因千安 / 微秒级的高频电流流过避雷装置，造成接闪器和引下线的电位很高，从而对相邻的设备进行反击，损坏设备或危及人的安全。

•  雷装备时，在其附近有限长孤立导线上将有感应过的电压。如果导线为电源线或信号线，过电压就会通过导线传输到设备，轻则使信号传输错误，重则使设备损坏，系统瘫痪。

⑵波入侵所造成电子设备、计算机网络受雷电损坏的原因有两个方面：

①直击雷击在外部防雷系统、电缆线上或直击雷击在外部防雷系统使环路感应过电压，此过电压通过电缆线侵入系统

②远处雷击：雷击击在野外架空输送高压线缆或通信线缆上；雷云之间的放电通过架空线或金属导线引起感应雷电波及过电压；这些雷电波及过电压通过导线侵入内部设备。

⑶地电位反击：直击雷经过接闪器（如避雷针、避雷带、避雷网等）而直放入地，导致地网地电位上升，高电压由设备接地线引入电子设备造成地电位反击。另外建筑物的外部防雷系统（如避雷针、避雷网、带等）遭受直接雷击，在接地电阻的两端就会产生危险的过电压，由于不同的接地系统，如直流工作地、交流地、防雷接地等其接地电阻可能不同，从而引起各接地系统之间存在电位差，此电位差由电子设备的接地线引入设备，可能损坏设备或危及人的安全。

二、如何防止雷电的其他浪涌电压的袭击：

防雷主要有外部防雷和内部防雷构成。避雷针（避雷带、网）、引下线和接地系统构成外部防雷系统，主要是为了保护建筑物免受雷击引起火灾事故及人身安全；而内部防雷系统是防止雷电和其他形式的多电压侵入电子设备中造成毁坏，或各种干扰如静电、电磁干扰，这是外部防雷系统无法保证的。为了实现内部避雷，需要进出各保护区的电缆、金属管道等都要连接避雷器及过压保护器（ SPD ），同时做好屏蔽、防静电接地，并实行等电位连接。

1 、保护区域：一个保护的区域，从 EMC 的观点来看，由外到内可分为几级保护区 , 最外层是 LZPO 级，是直接雷击区域，危险性最高，越往里，则危险程度越低。过电压主要是沿线路窜入的，保护区的界面一般由外部防雷系统、钢筋混凝土及金属管道等构成的屏蔽层而构成。电气通道等则经过这些界面。从 0 级保护区到最内层保护区，必须实行分级保护，对于电源系统，分为 1 、 2 、 3 、 4 级，从而将过电压降到设备能承受的水平；对于信息系统，则分为粗保护和精细保护，粗保护量级是根据所属保护区的级别而定，而精细保护则要根据电子设备的敏感度和重要性来进行选择。从理论上讲，雷电流大约有 50% 是直接流入大地，还有 50% 将平均流入各电气通道（如电源线、信号线和金属管道等）。

2 、防雷等电位连接：为了彻底消除雷电引起的毁坏性的电位差，就特别需要实行等电位连接，电源线、信号线、金属管道等都要通过过电压保护器进行等电位连接。采取等电位连接措施，对于防止导线上因共模干扰所产生的电位差，以及由此电位差造成敏感设备损坏或致使误动作也是非常必要的。

3 、电子设备的电浪涌 / 过电压保护：

（ 1 ）避雷器：避雷器是为了保护电子设备不受感应雷和雷电入侵的损害，其防雷原理是通过间隙击穿达到对地放电目的，它必须与被保护电子设备并联或串联。避雷器的间隙击穿电压比被保护电子设备绝缘的击穿电压低，正常工作电压时，避雷器间隙不会被击穿，当雷电波（雷电电磁感应脉冲）沿导线传来，出现危及到被保护电子设备的过电压时，避雷器间隙瞬间被击穿，对地放电，使大量的电荷都泄入大地，从而限制了被保护电子设备过电压，起到保护电子设备的作用。过电压过去以后，间隙能迅速灭弧并恢复到以前的状态，使被保护的电子设备工作正常。

网络双绞线路防雷防过压保护避雷子（信号 SPD ）是采用无源波导元件，让有用数据信号与雷电波分开，数据信号进入接受装置，而让雷电波对地放电，使大量的电荷泄入大地，起到保护电子设备作用。

（ 2 ）设备的电浪涌 / 过电压保护：对于电子设备（或系统），必须在各进出 ( 线缆（电源 / 信号线）安装相应的避雷器 / 过压保护器（ SPD ），一旦线缆上感应过电压（或遭直接雷击），由于避雷器 / 过压保护器（ SPD ）的作用，电子设备（或系统）的各端口电压大致达到相等水平（即等电位），从而保护设备（或系统）免遭损坏。安装避雷器 SPD 也就是将雷电的过电压，过电流拒于电子设备的门外，使雷电压在进入之前得到有效的钳制和泄放。

4 、接地

接地是防雷技术最重要的环节，不论是直击雷防护还是雷电的静电感应、电磁感应和雷电波入侵的防护技术，最终都是把雷电流送入大地。因此没有先进的接地技术，就不可能有先进的防雷技术。

1 ）、计算机网络机房屏蔽接地，是为了防止外来电磁波干扰（含雷电的电磁感应和静电感应）网络机房内的设备，以及防止网络机房内部设备产生的电磁辐射传出机房而失密的特殊接地。屏蔽接地可以防止在网络机房屏蔽上由于电荷的集积，电压上升而造成人员和设备的不安全或引起火花放电的事故发生。屏蔽接地还可以使一个网络机房屏蔽层既起到电磁屏蔽的作用，又起到静电屏蔽作用，同时使屏蔽层上的感应电荷迅速入地。

2 ）、计算机网络机房静电接地，是为了消除计算机网络系统运行过程中产生的静电电荷而设计的一种接地系统，主要由防静电活动地板，闭合铜排，引下线和接地装置组成，静电接地可采取联合接地形式。

5 、外部防雷和内部防雷之间的关系：

防雷是对某一空间进行雷电效应防护，它可分为直击雷和防感应雷及过压保护（即外部防雷和内部防雷）两部分组成，也叫综合防雷。外部防雷是由接闪器、引下线及接地装备组成，是一项将雷电流引入大地的保护措施，是防雷系统的重要基础部分；内部防雷是所有能减小需防雷空间内雷电流电磁效应的措施，是保护电子设备安全运行的重要组成部分。它们是一对矛盾的事物，因为外部防雷系统起到作用的同时，整个建筑物周围也会产生强大的电磁场形成感应雷，或使各个接地之间产生电位差从而破坏电子设备。而内部防雷系统又依赖完善的外部防雷系统的，因此有效的防雷保护不能只采用单一的防护措施，而应综合考虑外部防雷、内部防雷和雷电电磁脉冲（过电压）之间相互关系，采用响应的综合防雷技术和保护措施。

三、综合防雷保护措施的设计依据

•  GB50057 — 94 《建筑物防雷设计规范》

•  GB7450 — 87 《电子设备雷击保护导则》

•  GB50174 — 93 《计算机机房设计规范》

•  国际电工委员会 IEC61312 — 1 、 2 、 3 《雷电电磁脉冲的保护》

四、电子设备、计算机网络防雷保护措施

1 、惠州属雷电活动频繁地区，为减少雷击所造成的经济损失及人身危害，必须按防雷设计规范要求，做好综合防雷设施（综合防雷包括防直击雷和防感应雷）。

•  直击雷方面：建筑物楼面必须已安装防直击雷保护措施（避雷针、带），按国家防雷《规范》要求，需经检测合格。

•  感应雷方面：

（ 1 ）、电源系统的保护：从电子设备机内电源情况来看，尽管由于开关电源自身的设计特性，在交流侧整流桥输出侧，设计有叫大的滤波电容，这种电路结构虽然对波形较短的瞬态冲击具有一定的能量吸收作用，但是电子设备电源系统本身遭到雷击损坏的可能性依然存在，而且电源系统的损坏将直接影响电子设备的正常运行。由于供电系统从用户变压器到配电柜到用户终端之间的相互距离可能较长，这一部分都有可能感应过电压，因此电子设备电源系统的保护原则上应尽可能采用多级保护，在外级应采用通流量大的保护装置，而在用户终端处，则采用动作残压较低的保护装置才能起到良好的保护效果。

（ 2 ）、计算机网络及微电子设备通信借口的保护：计算机上网络及电子设备综合保护方案的基本原则主要基于以下几点：

•  高电子设备通信接口自身抗力。

•  过为电子设备通信接口及电源系统加装痛惜接口防雷装置以及电源防雷装置（避雷器 SPD ），为计算机网络及生产线电子设备提供有效的防雷保护。

•  理的布线以及规范的接地是降低雷电闪击可能引起的危害程度的极其有效的措施。

计算机网络及微电子设备通信主要集中分布在某一栋建筑物或相邻的建筑物内部，其遭受雷击损坏的主要原因来自雷击建筑物或邻近地区雷电放电产生的瞬变空间电磁场使电缆或导线感应过电压。计算机网络及微电子设备通信接口的防雷保护装置应当依据被保护计算机网络及微电子设备通信接口电路冲击击穿电压测试指标等因素来进行设计和选择。

为了对计算机网络及电子设备接口和其它设备提供有效的防雷保护，国际电信联盟（ ITU ）的 K 。 36 建议草案中，提出了对于内部电子设备通信接口的抗力要求。根据目前的情况，作为内部电子设备通信接口的计算机网络在未加外置保护装置的情况下远远未能达到该建议中关于内部电子设备通信接口的抗力要求，极易遭到破坏。因此，为计算机网络及微电子设备通信借口和其它设备加装必要的保护装置是

目前保障计算机网络及微电子设备安全运行的直接有效的途径之一。

防雷保护装置是目前保障计算机网络及微电子设备安全运行的直接有效的途径之一。

另外，静电干扰也是造成电子设备和计算机网络系统遭到破坏的一个重要因素。当静电积聚到一定程度，它会对人或设备造成一定的危害，如人受到电击，设备通信出错或设备硬件毁坏等问题。防静电的基本方法是屏蔽、接地，在机房做屏蔽，使静电积聚还没有达到一定电荷就被泄掉了。同时屏蔽还可以屏蔽掉一些其他的电磁干扰，提高电子设备和计算机网络的安全性。

五、防雷的重要性和经济效果

防直击雷人们普遍认识并接受，但防感应雷措施往往被人遗忘，因为它是伴随着微电子设备及计算机温暖蜾蠃的广泛应用，电子设备内部高度集成化及生产线设施高度自动化的运用而造成设备耐过电压、过电流水平的下降产生的，对雷电产生的磁场及电脉冲（即感应雷）浪涌所造成的微电子设备及计算机网络的损坏还不被人们所认识。人们对感应雷的认识不够，因此也导致雷击损坏电子设备系统的恶性事件经常发生。例如： 2001 年广东三九脑外科医院的一台价值 4000 多万元从美国进口的大脑扫描仪，从 3 月中至 5 月中遭雷击打坏多次，造成损失近 30 万元，严重影响医院的正常运作。雷击原因是该院的计算机房防静电处理不规范，所用电源是架空近来的临时电源，使雷电沿架空线侵入设备造成雷击事故。 1995 年 6 月 7 日 中国人民银行广东分行大厦内计算机上网络设备因雷击损坏，停止工作长达 72 小时，经济损失上亿元； 1994 年 7 月，广东省顺德市顺峰山某化工厂，一次感应雷击，直接经济损失 245 万元； 2001 年 5 月 8 日 ，惠阳市秋场镇一台资企业，雷击引起重大火灾，造成人员伤亡，经济损失几百万等等以上事例举不胜数。如果按防雷《规范》标准设计与安装防雷设施，可大大提高建筑物和电子设备的安全性，同时提高了企业的经济效益，这种经济效益不是某个经济数据能体现出来。

近几年以来，国家防雷中心已把防感应雷作为防雷防灾列入重要的安全问题给予重视及防范。

现代防雷的技术原则强调全方位防护，综合治理，层层防护，把防雷看作是一个系统工程。这是由于雷电的危害作用无孔不入，在整个空间范围侵袭微电子设备，电子设备之间往往组成网络，电源线路、通信线路、控制线路、天馈线路等等纵横交错。

雷电脉冲（高压）从什么通道侵入电子设备是整个防雷系统工程的首要问题，也是国内外防雷科技工作者研究的课题。雷电是一种自然现象，当雷云集聚到的电荷后，就会发生带异性电荷的雷击，造成建筑物、电子设备的损坏，严重时会发生人员伤亡；同时也会产生电磁场感应过电压。总之，雷电电磁脉冲对自动化生产系统和信息系统的危害随着集成化程度的不断提高，应用范围的不断扩大而日益严重，已引起国际社会的广泛重视。