雷电入侵计算机信息系统的各种途径

信息系统的防雷保护

来自：浙江华汇建筑设计咨询有限公司 　2004年6月15日15:0

蒋之闽

随着科学技术的发展，各种信息设备得到了广泛的应用。而信息设备对雷电较敏感，耐雷电电磁脉冲(LEMP)能力差。因此雷害问题就日益凸显出来。
由于防雷牵涉的范围很广，必须系统考虑才能达到经济有效的成果。
一、雷电对信息系统的危害
直击雷的危害：
雷电放电主通道通过被保护物，就称被保护物被直击雷击中。信息系统设备或信息系统所在建筑物被雷电直接击中会造成设备损坏，人员伤亡等极大危害。
感应雷的危害：
雷电放电主通道没有经过被保护物，但放电过程中产生强大的瞬变电磁场在附近的导体中感应到电磁脉冲，称为LEMP，即感应雷。LEMP可通过两种不同的感应方式侵入导体。一是静电感应，在雷云中电荷积聚时，就近的导体会感应相反的电荷，当雷击放电时，雷云中电荷迅速释放，而导体中的静电荷在失去雷云电场束缚后也会沿导体流动寻找释放通道，就会在电路中形成LEMP；二是电磁感应，在雷云放电时，迅速变化的雷电流在其周围产生强大的瞬变电磁场，附近的导体中就会产生很高的感生电动势，在电路中形成LEMP。
LEMP沿导体传播，损坏电路中的设备或设备中的器件。信息系统中系统接口多，线路长，给LEMP的产生，耦合和传播提供了良好环境，而信息系统设备随着科技的发展，集成度越来越高，抗过电压能力越来越差，极易受LEMP的袭击，并且损害的往往是集成度较高的系统核心器件，所以更不能掉以轻心。
由于LEMP可以来自云中放电，也可以来自对地雷击。而信息系统与处界连接有各种长距离电缆可在更大范围内产生LEMP，并沿电缆传入信息系统。所以防感应雷是信息系统防雷的重点。
二、信息系统的防雷措施
直击雷的保护：
为了尽量减少LEMP的产生，一般宜采用抑制型或屏蔽型的直击雷保护措施，如避雷带，避雷网和避雷小针等，以减小直击雷击中的概率。并尽量采用多根均匀布置的引下线，因为多根引下线的分流作用可降低引下线沿线压降，减少侧击的危险，并使引下线泻流产生的磁场强度减小。引下线的均匀布置可使引下线泻流产生的电磁场在建筑物内空间内部部分抵消，以抑制LEMP的产生强度。接地体宜采用环型地网，引下线宜连接在环型地网的四周，这样有利于雷电流的散流和内部电位的均衡。
感应雷的保护：
静电感应产生的LEMP一般通过电力电缆，通信电缆，视频电缆，光纤电缆的金属外皮和天馈线侵入信息系统。所以对于进出电缆防雷防护的主要措施是：
一是进出电缆必须带金属屏蔽层，且应埋地进出建筑物，并在进出户外电缆金属外屏蔽层与联合接地体作等电位联结；
二是在电源上逐级加装避雷器，实行多级防护，使LEMP在经过多级泄流后的残压小于信息系统设备的耐压值；
三是对于天馈线防雷主要在同轴电缆进户处加装相应的高频浪涌保护器，并且天馈线的顶端通过金属支架接地，如无金属支架，则采用Φ12以上镀锌圆钢下引接地。如果天馈线较长，在其中间应隔20米左右与下引接地线跨接一次；
四是在建筑物内的信息系统综合布线保护管宜采用金属管。
避雷器的防雷能力与安装方式有密切关系，主要是引线阻抗会产生额外的残压。应尽可能地缩短电力线与避雷器间的连线以及避雷器与接地汇流排板间连线的长度。多级布置避雷器可减小引线阻抗产生的额外残压，因为前级避雷器已将大部分雷电流泄放入地，在后级避雷器中泄放的雷电流较小。U1=I1×(Z11＋Z12＋Z13)，U2=I2×(Z12＋Z22＋Z23)，一般来说，后级泻放的雷电流I2为前级I1的20％左右，所以必然导致引线上的附加残压减小。(详见图1)
低阻抗地线均压网络设计：
LEMP造成危害主要是LEMP引入后产生的毁坏性浪涌电位差造成。上述各种防雷措施主要也是想尽可能减小浪涌电位差，这是信息系统防雷的基础，离开了这个基础，单凭装避雷器是不可能解决信息系统防雷的。确保雷击时不产生毁坏性浪涌电位差的关键，是在于需要设计一个低阻抗地线网络系统，该系统由适应不同电特性和负载特性的地线网络组成。它们间相互绝缘，并只能由一个公共接地点连接，彼此间没有闭合回路，并由公共接地点给各地线网络提供基准零电位即等电位联结。相互绝缘和彼此间没有闭合回路可以保证不会因为公共阻抗过大而产生的共态共模干扰和相互间的传导，耦合干扰；等电位联结可以保证不会因为LEMP通过接地极时因接地阻抗过大使某段地线网络电位上升，而产生毁坏性电位差。可以始终保护其低阻抗均压的性质。并且该接地汇集下引线与其他下引线的多重互连是对安全有益的。(详见图1)
信息系统防雷重点是防感应雷，而其防雷基础是努力实现等电位。绝对的等电位只是个模型，现在只能综合采用分流，屏蔽、钳位、接地等方法来近似实现。由于信息系统设备种类繁多，它们的耐过压能力也有差别，因此，还不能对防雷的等电位进行定量分析。上述措施经过实践证明是有效的，但不表示是最可靠和最安全的，我们还需在实践中不断研究和解决各种问题，才能推动信息系统防雷工作向前发展。

4）雷电作用下的二次效应 ------- 雷电高压反击雷 雷电袭击建筑物避雷针，由引下线将雷电流引入大地，由于大地电阻的存在，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，直接烧坏用电器的绝缘部分。
5）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输出负载外壳上（如小型机），而另一只手（或身体）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，造成操作人员伤亡。美国1996年为此而死亡198人，广东省1997年在报导雷击死亡的170人中，有相当一部分是为此而伤亡的。所以防雷保护设备的确很重要，但是保护人身安全更重要。在通过具体分析了雷害入侵计算机信息系统的各种途径后，我们得出的结论是：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?quot;的原则，在遵照执行国家有关标准，国家有关行业标准的基础上，还参考和引入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。