1、计算机机房防雷技术介绍 云南华方信息工程有限公司 制作地址：昆明市安康路鹤兴阁酒店 7 楼 邮编：650032电话：（总机）0871-4142717、4142722 、4153860、4153872 传真：0871-4106918web site: 第 1 页 共 13 页 概述雷电是自然界最普遍的大气变异现象, 地球每天约有四万多个雷暴中心形成，发生八百万次雷闪放电，平均每秒放电一百次左右，每次释放数百兆焦耳的能量。闪电的起源与大气电场有关。大气电场的变化使空气中的云团形成带电的雷云。 雷云中不同部分之间聚集着不同极性的电荷，形成 100 万伏到 100000 万伏的高电位，当电位达到一定程
2、度时，就会在云团的不同部分之间、不同云团之间以及云团与地面之间产生很强的电场。当空中的电场强度达到 2530时，将引起空气分子电离，导致空气绝缘被击穿，从而在云与云之间，或云与大地之间产生瞬时强火花放电，形成闪电。闪电可分为云内闪电、云际闪电和云地闪电等，一般说来云闪发生的概率要比地闪发生的概率大得多，但它主要表现在对航空航天方面的影响；与人类关系最密切，对地面通信台站影响最大的是云地闪，即落地雷。从古至今,雷电不仅对人类赖以生存的环境构成巨大威胁, 而且对人类生活产生深远影响。但是，由于受科技水平和认识能力的局限，雷电长期被认为是神力的作用。十八世纪中叶，富兰克林发明避雷针，开创了人类科学避
3、雷的先河,使雷电对人类生活的危害程度大为减轻。从避雷针的出现到本世纪五、六十年代,防雷技术随着科技的进步不断发展,特别是在建筑防雷和电力系统防雷方面逐渐形成一些固定规范,使针对直接雷和强电方面的防雷技术有了进一步的完善 随着电子技术的迅猛发展，雷灾特征也随之有了新的变化，雷电的许多曾不引人注意的特性通过电子新器件的破坏作用显现出来，对现代电子设备的安全构成极大威胁。国际上，首先对雷灾的新情况引起关注的是以航空航天部门为代表的尖端科技领域，因为最新的器件、最新的科技成果总是产生和应用于这些领域。从 60 年代初到 80 年代的 20 多年时间里,意大利、美国发生了一系列导弹、火箭遭雷击的损毁事故
4、，甚至出现因受雷击影响火箭自行升空的事故,引起了这些国家的军事和航空航天部门的极大关注。美国不惜巨资,集中许多国家部门和大学，联合研究雷电规律和相关的防雷工程技术，以大规模现代化研究为基础，提出了一整套综合的防雷工程措施。在我国，相当长时期内除航天部门以外，其他行业对雷电的认识多数还停留在五、六十年代以前的状态。80 年代以后，以计算机为主的现代电子设备广泛应用于金融、气象、民航等各行各业，设备雷击事件日益增多。如 1992 年 6 月，国家气象中心大型计算机网络的通信系统计算机机房防雷技术介绍 云南华方信息工程有限公司 制作地址：昆明市安康路鹤兴阁酒店 7 楼 邮编：650032电话：（总机
5、）0871-4142717、4142722 、4153860、4153872 传真：0871-4106918web site: 第 2 页 共 13 页 遭雷击，造成硬件损坏，有 6 条北京同步线路和 1 条国际同步线路被击坏，终断运行达 46 个小时。1995 年 6 月，广州白云机场凤凰山通信中心受雷击，雷达甚高频设备受损，机场停飞10 多小时，旅客滞留上万人。1998 年 8 月，重庆江北机场遭雷击，跑道被击出三个大坑，雷达通信线路遭到破坏，机场被迫关闭 13 个小时。新出现的雷害趋势引起了国家有关部门的重视,90 年代以后,国家新制定发布了一系列防雷规范,如 GB50174-93 计算
6、机机房设计规范,YD2011-93 微波站防雷与接地设计规范，GB50057-94 建筑物防雷设计规范,国务院(1994)147 号令中华人民共和国计算机信息系统安全保护条例，YD5068-98 移动通信基站防雷与接地设计规范等。气象、广电、公安的各级部门也下发文件,要求所属基层单位加强电子系统防雷。与此同时,专业的防雷公司不断涌现。随着现代化电子设备的广泛应用，因雷击导致的系统设备损坏数量不断增多，其危害不仅在于受损设备的直接经济损失巨大，而且由此产生的间接损失和严重后果更难以估量。国际电工委员会第 81 技术委员会关于“ 防雷” 的 IEC1312-1(1995)文件中也强调指出：“ 鉴于
7、各种形式电子系统的应用不断增加，使本标准的制定成为必须。这些系统包括计算机、通信设备、控制系统等（统称信息系统）。这些系统应用于商业和工业的许多部门，包括相当大的资金投入、规模和复杂性很大的工业控制系统。出于代价和安全的考虑，雷电对其造成运转停顿的影响是不可估量的”。雷电的危害形式雷电是自然界中强大的脉冲放电过程，雷电对地面通信台站的危害形式是多方面的，通常可分为以下几类： 1 直接雷 雷暴活动区内，雷云直接通过人体，建筑物或设备等对地放电所产生的电击现象，称之为直接雷。此时雷电的主要破坏力在于电流特性而不在于放电产生的高电位。雷电击中人体、建筑物或设备时，强大的雷电流转变成热能，瞬间可释放约
8、数百兆焦耳的能量。计算机机房防雷技术介绍 云南华方信息工程有限公司 制作地址：昆明市安康路鹤兴阁酒店 7 楼 邮编：650032电话：（总机）0871-4142717、4142722 、4153860、4153872 传真：0871-4106918web site: 第 3 页 共 13 页 直接雷具有强大的破坏力。闪电击中管道或导线时，雷电流可以沿线传送到很远的地方，其巨大的电热效应不仅对台站设备的机械结构和电气结构产生破坏作用，并可危及有关操作人员的安全。2 感应雷击 2.1 静电感应当雷云来临时，在其所覆盖的地表面和各种物体上尤其是导体上，将感生出大量与雷云底部电荷符号相反的电荷，形成静
9、电场。当这种静电场强度不足以击穿空气产生中和效应，而雷云对另一雷云或带电体放电后，云中电荷消失。此时地面物体尤其是导体上聚集的电荷却产生了很高的电势，它必然通过一定的途径放电。这种放电电流也是一个很大的脉冲电流，其电击效果虽比直击雷小，但是若串入用电设施同样会造成对电子器件的损坏。2.2 电磁感应闪电电流在闪电通道周围的空间产生磁场，这种磁场将随时间而变化，并在附近的各类金属导体上激发出感应电动势或感生电流。在闪电电流入地过程中，变化磁场在附近金属导体上产生的感应电动势或感生电流，也会造成电气设备的损坏。2.3 感应过电压直接雷或感应雷都可能使导线产生感应过电压。雷电过电压波可沿着电网在较大范
10、围内传播，对输电网络中的用电设备构成威胁。所以，一些已受到避雷针保护和屏蔽的电子设备有时仍会受到雷害。据统计，在电子设备遭受的雷击事故中，雷电过电压沿电源线侵入设备而造成雷击故障的比例大约要占 80。3 反击 在雷暴活动区域内，当雷电闪击到建筑物的接闪装置上时，尽管接闪装置的接地系统十分良好，其接地电阻也很小，但由于雷电流幅值大，波头陡度高，雷电流流过时也会使接地引下线和接地装置的电位骤升到上百千伏。如果用电设备的工作地线与防雷地线间的绝缘距离未达计算机机房防雷技术介绍 云南华方信息工程有限公司 制作地址：昆明市安康路鹤兴阁酒店 7 楼 邮编：650032电话：（总机）0871-4142717
11、、4142722 、4153860、4153872 传真：0871-4106918web site: 第 4 页 共 13 页 到安全要求，则接地引下线上的高压可能在用电设备的工作地线之间放电，从而使用电设备的工作地线上引入反击电流，造成人员和设备的危害。4 电磁脉冲辐射 闪电放电时，电流随时间做非均匀变化。一次闪电包含上万个脉冲放电过程。闪电通道大约有几百米至几公里长，在放电过程中，它向外辐射高频和甚高频电磁能量，这就是电磁脉冲辐射。闪电的电磁脉冲辐射虽然也随着距离的增大而减小，但却比较缓慢，它通过空间传导、辐射等形式耦合到电子设备内部，使对瞬态电磁脉冲极其敏感的电子器件遭受破坏。现代通信设
12、备的防雷能力集成电路问世以来，芯片集成度不断增加，平均约 1824 个月就翻一番。1973 年，人类首次将 1 万个元件集成在 1 芯片上，到 90 年代初，集成度几乎增加 1 万倍。目前，大规模集成电路的内部线宽小于 1 微米。美国科学家 R.D 希尔在 70 年代初就对计算机在雷电作用下的影响作过深入研究，他通过仿真试验得出结论： 当磁感应强度 Bm 超过 0.07Gs(N/c.m)时, 无屏蔽的计算机会产生误动；Bm 超过 2.4Gs(N/c.m)时, 计算机会发生永久性损坏。二十多年来，集成电路已从 LSI 发展到 VLSI，所以对电磁场的敏感程度又有了提高。根据 IEEE 指出，对于
13、一般的电子元件，在工作电压峰值的大约两倍处变得脆弱，在2.53 倍处直接损坏。集成电路的工作电压通常为 5V12V，常用的通信接口芯片MC1488/MC1489 的平均击穿电压仅 100V 左右。因此，雷电或其他因素引起的瞬间浪涌冲击对于集成电路来说都十分危险。 GJB152-86军用设备和分系统电磁辐射及敏感度要求对几种典型元件的耐受性进行了比较：表 3-1 不同类型器件的损坏能量比较类 型 变压器 真空管 延迟线 晶体管 集成电路 微波二极管损坏能量 J 10 3 10110 3 10-310-1 10-210-3 10-410-6 10-7计算机机房防雷技术介绍 云南华方信息工程有限公司
14、 制作地址：昆明市安康路鹤兴阁酒店 7 楼 邮编：650032电话：（总机）0871-4142717、4142722 、4153860、4153872 传真：0871-4106918web site: 第 5 页 共 13 页 可以看出，十几年前，晶体管的灵敏度大约高于电子管上千倍，集成电路的灵敏度又比晶体管高一千倍以上 。实际上，电子技术从 60 年代的电子管元器件发展到 80 年代大规模集成电路以来，元件的耐受能量已由 0.1J10J 降至 10-810-6J。除集成电路以外， 现代电子设备中大量采用对静电感应和电磁干扰十分敏感的绝缘栅半导体场效应管（MOS）和贴片技术来实现各种电路功能，
15、这也加深了电子设备对良好运行环境的依赖。可见，尽管外部自然因素没有发生大的变化，而设备的内部条件变得脆弱了，其受害程度肯定要增大。近二十年来出现的新的雷灾的起因主要是雷电的电磁脉冲辐射，它无孔不入，波及的空间范围很大。电子设备越先进、耗能越小、越灵敏，则雷电电磁脉冲辐射对它的危害程度越深，范围就越大。雷电电磁脉冲常用 LEMP（Lightning ElectroMagnetic Pulse）表示。在IEC1312-1 中对 LEMP 定义为：“ 作为干扰源的闪电电流和闪电电磁场。”LEMP 的另一层意思代表“ 雷电电磁脉冲的防护” （Lightning ElectroMagnetic Puls
16、e Protection）。它含盖了除直接雷防护之外的一切防雷技术措施，是现代防雷技术的主要部分，也是空军地面通信导航台站防雷需要重点解决的内容。现代防雷技术特点 现代防雷技术的理论基础在于：闪电是电流源，防雷的基本途径就是要提供一条雷电流（包括雷电电磁脉冲辐射）对地泄放的合理的阻抗路径，而不能让其随机性选择放电通道，简言之就是要控制雷电能量的泄放与转换。 德国专家希曼斯基在过电压保护理论与实践中提出了现代防雷保护的三道防线：1、 外部保护-将绝大部分雷电流直接引入地下泄散；计算机机房防雷技术介绍 云南华方信息工程有限公司 制作地址：昆明市安康路鹤兴阁酒店 7 楼 邮编：650032电话：（总
17、机）0871-4142717、4142722 、4153860、4153872 传真：0871-4106918web site: 第 6 页 共 13 页 2、 内部保护记过电压保护 -阻塞沿电源线或数据线、信号线引入的侵入波危害设备；3、 过电压保护-限制被保护设备上雷电过电压幅值。这三道防线相互配合，各尽其职，缺一不可。防雷的基本方法 在科学技术日益发展的今天，虽然人类不可能完全控制暴烈的雷电，但是经过长期的摸索与实践，已积累起很多有关防雷的知识和经验，形成一系列对防雷行之有效的方法和技术，这些方法和技术对空军地面台站的防雷同样具有普遍的指导意义。1 接闪接闪就是让在一定范围内出现的闪电能
18、量按照人们设计的通道泄放到大地中去。地面通信台站的安全在很大程度上取决于能不能利用有效的接闪装置，把一定保护范围的闪电放电捕获到，纳入预先设计的对地泄放的合理途径之中。避雷针是一种主动式接闪装置，其英文原名是 Lightning Conductor，原意是闪电引导器，其功能就是把闪电电流引导入大地。避雷线和避雷带是在避雷针基础上发展起来的。采用避雷针是最首要、最基本的防雷措施。.2 均压连接接闪装置在捕获雷电时，引下线立即升至很高电位，会对防雷系统周围的尚处于地电位的导体产生旁侧闪络，并使其电位升高，进而对人员和设备构成危害。为了减少这种闪络危险，最简单的办法是采用均压环，将处于地电位的导体等
19、电位连接起来，一直到接地装置。台站内的金属设施、电气装置和电子设备，如果其与防雷系统的导体，特别是接闪装置的距离达不到规定的安全要求时，则应该用较粗的导线把它们与防雷系统进行等电位连接。这样计算机机房防雷技术介绍 云南华方信息工程有限公司 制作地址：昆明市安康路鹤兴阁酒店 7 楼 邮编：650032电话：（总机）0871-4142717、4142722 、4153860、4153872 传真：0871-4106918web site: 第 7 页 共 13 页 在闪电电流通过时，台站内的所有设施立即形成一个“等电位岛”，保证导电部件之间不产生有害的电位差，不发生旁侧闪络放电。完善的等电位连接还
20、可以防止闪电电流入地造成的地电位升高所产生的反击。3 接地接地就是让已经纳入防雷系统的闪电能量泄放入大地，良好的接地才能有效地降低引下线上的电压，避免发生反击。过去有些规范要求电子设备单独接地，目的是防止电网中杂散电流或暂态电流干扰设备的正常工作。90 年代以前，部队的通信导航装备以电子管器件为主，采用模拟通信方式，模拟通信对干扰特别敏感，为了抗干扰，所以都采取电源与通信接地分开的办法。现在，防雷工程领域不提倡单独接地。在 IEC 标准和 ITU 相关标准中都不提单独接地，美国标准IEEEStd1100-1992 更尖锐地指出：不建议采用任何一种所谓分开的、独立的、计算机的、电子的或其它这类不
21、正确的大地接地体作为设备接地导体的一个连接点。接地是防雷系统中最基础的环节。接地不好，所有防雷措施的防雷效果都不能发挥出来。防雷接地是地面通信台站安装验收规范中最基本的安全要求。4 分流分流就是在一切从室外来的导线（包括电力电源线、电话线、信号线、天线的馈线等）与接地线之间并联一种适当的避雷器。当直接雷或感应雷在线路上产生的过电压波沿着这些导线进入室内或设备时，避雷器的电阻突然降到低值，近于短路状态，将闪电电流分流入地。分流是现代防雷技术中迅猛发展的重点，是防护各种电气电子设备的关键措施。近年来频繁出现的新形式雷害几乎都需要采用这种方式来解决。由于雷电流在分流之后，仍会有少部分沿导线进入设备，
22、这对于不耐高压的微电子设备来说仍是很危险的，所以对于这类设备在导线进入机壳前应进行多级分流。计算机机房防雷技术介绍 云南华方信息工程有限公司 制作地址：昆明市安康路鹤兴阁酒店 7 楼 邮编：650032电话：（总机）0871-4142717、4142722 、4153860、4153872 传真：0871-4106918web site: 第 8 页 共 13 页 现在避雷器的研究与发展，也超出了分流的范围。有些避雷器可直接串联在信号线或天线的馈线上，它们能让有用信号顺畅通过，而对雷电过压波进行阻隔。采用分流这一防雷措施时，应特别注意避雷器性能参数的选择，因为附加设施的安装或多或少地会影响系统
23、的性能。 比如信号避雷器的接入应不影响系统的传输速率；天馈避雷器在通带内的损耗要尽量小；若使用在定向设备上，不能导致定位误差。5 屏蔽屏蔽就是用金属网、箔、壳、管等导体把需要保护的对象包围起来，阻隔闪电的脉冲电磁场从空间入侵的通道。屏蔽是防止雷电电磁脉冲辐射对电子设备影响的最有效方法。对于一些处于地质条件较差的台站，若接地电阻的施工非常困难或耗资巨大，就可采用屏蔽的方式，即麦克斯韦倡议的法拉第笼进行保护。6 躲避这是防雷措施中最经济有效的方法。空军地面导航台站长久以来就有在雷雨来临之前关机、断电、拔电缆头等做法，这种简单易行的防雷手段在任何时候都是有效的。躲避的积极意义在于，在今后新建站选址时
24、，应考虑防雷问题，在可能的情况下尽量避开多雷区或易落雷区，以减少今后在防雷方面的压力。这需要气象和勘察部门的密切配合。我国的西昌卫星发射中心由于坐落在严重的多雷区，给航天基地的防雷工作造成巨大压力。现代防雷设施 1 避雷针避雷针是一种防直接雷的避雷装置,其结构简单、安装方便、成本低廉、应用广泛，是通信台站必备的基本防雷设施。尽管避雷针自发明以来没有重大变化，但依然在防雷领域担当主要角色。计算机机房防雷技术介绍 云南华方信息工程有限公司 制作地址：昆明市安康路鹤兴阁酒店 7 楼 邮编：650032电话：（总机）0871-4142717、4142722 、4153860、4153872 传真：08
25、71-4106918web site: 第 9 页 共 13 页 自避雷针发明以来的 200 年时间里，人们对避雷针的改进做了许多的尝试，但终究没有大的突破。70 年代以来名燥一时的消雷器也因理论和实践存在的问题而被防雷专家所否定。避雷针的局限性在于接闪过程中会引起强烈的地电位反击和二次雷击效应，从而对现代微电子设备构成威胁。避雷针二次雷击效应的作用距离可达 500 米。避雷针的局限性集中反映在di/dt 上，若能设法减小 di/dt 值，就能减小避雷针的二次雷击效应和反击效应，从而使传统避雷针得以优化。.2 避雷线避雷线是在避雷针原理基础上的衍生和推广。避雷线可以将雷云对地的放电引向自身并泄
26、放到大地，防止线路免遭直接雷击。此外，一旦线路遭受雷电绕击时，避雷线还会起分流耦合和屏蔽作用，使线路所受的冲击降低。避雷线可使电力线路上的雷电流减少近一半，同时它的屏蔽效应还可以降低电力线路上的雷电感应电压，减少终端设备受损几率。所以，在通往台站的架空明线上端平行架设一条避雷线，有助于减小线路感应雷的危害。3 屏蔽网屏蔽是防止任何形式电磁干扰的基本手段之一。屏蔽的目的，一是限制某一区域内部的电能量向外传播，二是防止或降低外界电磁辐射能量向被保护的空间传播。设计良好的屏蔽网是电子设备最安全的环境。.4 电力避雷器电力避雷器是一种限制由输配电线路传来的雷电过电压或由操作引起的内部过电压的电气设备。
27、实质上它是一种放电器，并联在被保护设备附近线路上。当作用电压超过电力避雷器的启动电压时，避雷器立即放电，限制了过电压，从而保护了其它电气设备免遭损伤。常用的电力避雷器有保护间隙、排气式避雷器、阀型避雷器、氧化锌避雷器。 计算机机房防雷技术介绍 云南华方信息工程有限公司 制作地址：昆明市安康路鹤兴阁酒店 7 楼 邮编：650032电话：（总机）0871-4142717、4142722 、4153860、4153872 传真：0871-4106918web site: 第 10 页 共 13 页 有高压变电房的台站要在进出线端安装电力避雷器，并经常进行维护和检查。 5 电源避雷器根据 IEEE C
28、62.41，电力避雷器通常只能将线对地的过电压限制到小于 6Kv。集成化程度较高的台站设备对电网质量要求很高，对雷电过电压的承受能力较弱，必须要由电源避雷器提供进一步的过压过流保护。为了有效抑制雷电过电压波的侵入，电源避雷器应具有以下特点：有良好的相容性，不对保护的设备或线路造成干扰及中断。雷电通流容量大，雷电冲击电流可达到数十千安乃至数百千安。对雷电过电压能量的吸收能力强，即雷电残压低。响应时间快，响应时间应以 ns 级考虑，以避免响应时间滞后带来的危害。性能稳定，能用于频繁雷击地区，安全可靠。有劣化指示，便于维护。电源避雷器大至可分为并联组合式和串并组合式两种类型。 .5.1 并联式电源避雷器 这种类型的避雷器是目前电源避雷器的主流，一般采用氧化锌压敏电阻、放电管、断路器等组成。并联式电源避雷器由于存在一定的残压，在使用时通常要求采用多级防护，使雷电流多层次泄放，既达到最佳的防雷效果，又保证避雷器不轻易损坏。在设计或配置电源避雷器时，要针对不同的防护等级选择不同规格的避雷器，因为依据不同雷电流波形设计的器件性能相差很大。按 IEC1312-1 附录 A，可推导出单位能量相同，波形不同和雷电流幅值不同情况下的关系式：
