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雷电对计算机网络的危害极其预防
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发布时间：2008/6/11 9:38:42 点击数：4551
| 雷电对计算机网络的危害极其预防 |
| 摘 要：本文通过对雷电危害的分析，介绍了目前计算机网络防雷的技术要求和技术措施。 |
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雷电是一种极为普通的自然现象，其巨大的破坏力可能给人类造成诸如森林大火、油库爆炸、建筑物损毁、电力故障、通讯中断、人员伤亡等等严重灾难。特别是对计算机网络设备的危害，正在成为计算机应用系统的极大的安全隐患。人们在长期与自然灾害的斗争中，不断提高着战胜天灾的能力。今天，我们对雷击的认识和防护能力已经有了相当的水平，大量的实践充分证明，通过科学的雷电防护手段，可以大大减轻甚至避免被保护设施和物体遭受雷击的损害。
一、雷电对计算机网络的危害
1、雷电对计算机网络的危害
在以计算机为核心设备的网络电子时代，社会运作的很多环节都不得不依赖于计算机及其网络，当计算机网络成为人们生产和生活的一部分的时候，计算机网络的可靠运行已经不仅仅是某个行业或部门的事，很多时候将事关整个国家的社会、政治和经济。
雷电对计算机网络的危害是显而易见的，主要是由于计算机网络设备的电磁兼容能力低，不能承受雷电及强电磁浪涌产生的瞬间过电压或过电流。而雷电的电磁脉冲（Lightning Electromagnetic impulse 缩写为LEMP），无孔不入，波及的空间范围很大。随着电子技术的发展,构成计算机网络设备的电子器件的工作电压和损坏能量在不断降低，很多电子设备（元件）的损坏电压只有几十伏，承受过电压时间只有几十纳秒。电子设备越先进，耗能越小、越灵敏，则LEMP 的危害越大。
由于计算机网络的应用既离不开电力电源和通讯连接，又对强电流、高电压表现出严重的脆弱性，使得LEMP足以对它发生作用，甚至毁掉它。因而由于感应雷造成的雷击事故也越来越多，直接造成了巨大的经济损失，而因重要设备损坏使计算机网络陷入瘫痪后造成间接的损失更是惊人。据有关资料分析，每年导致电气设备损坏的原因中大约四分之一是由于雷击造成的。1995年6月,广东省中国人民银行清算中心的一座33层高的大楼遭雷击,致使其计算机网络停止正常运行3天,几亿元资金无法清算,光利息损失就达200多万元，而由此导致的停业所造成的经济损失和社会影响更是不可估量；又如广西某水力发电厂，2000年9月的一次雷击，造成大范围内计算机网络及电子控制设备损坏，直接经济损失近90万元。据不完全统计，我行从2000年以来，计算机网络设备遭受雷击损坏设备超过200台，损毁设备原值超过100万元，而且由于设备损坏同时造成了对正常营业的严重影响。
大量严酷的事实使人们越来越认识到计算机网络系统防雷的重要性，近年来，各级政府及各行各业对防雷工作重要性的认识在不断提高，随着科学规范的防雷项目的建设，雷电对重要设施和重要设备的损害会越来越小。
2、雷电及浪涌对计算机网络的破坏途径
电气设备、电路在遭受雷击或在接通或断开连接感性和容性负载时，会产生很高的瞬时电压或电流，形成浪涌电压或浪涌电流。雷电及浪涌对计算机网络设备的损害，主要通过以下四个方面：
1）直击雷
直击雷蕴含着极大的能量，电压峰值可达5000KV甚至更高 ，具有极大的破坏力。如建筑物直接被雷电击中，巨大的雷电流沿引下线入地，对建筑物内的计算机网络可能会造成以下三种影响：
①巨大的雷电流在数微秒时间内流下地，使地电位迅速抬高，通过与地连接的电源接地、设备接地等形成地电位反击事故，危害人身和设备安全。
②雷电流产生强大的电磁波，在电源线和信号线上感应极高的脉冲电压。
③雷电流流经电气设备产生极高的热量，造成火灾或爆炸事故。
2）传导雷
远处的雷电击中线路或因电磁感应产生的极高电压，通过室外电源线路和通信线路传至建筑物内，损坏与线路连接的电气电子设备。以供电传输为例，电力是通过架设在距离地面一定高度的金属线缆传输的，在雷电未击穿大气时，将呈现出高压电场形式，而雷击高压电场通过静电吸收原理，向大地方向运动。假设传输线架设在距地面5米高处，那么在相对湿度25％时，要击穿5米空气，需要15×106V雷击高压（3000V/mm）。如果在相对湿度95％时（下雨时），击穿5米空气需要5×106V雷击高压（1000V/mm）。雷电首先击在电力线上，并从电力线的负载保护地线入地释放，这样就击穿了设备。一般电子设备电源线与外壳的耐压为每分钟1500V，火线与零线耐压为550V-650V(工业级)，这么低的耐压一旦遭受雷击，必将击坏连接在线路上的电子设备。
3）感应雷
雷电打在建筑物避雷装置上，避雷针引下线由于线路电感的作用，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、水管、金属门窗等与地面有连接的金属物质联合引雷，但也只引下部分雷电流（约25％），余下总电流的25％可能进入连接负载的电源线、局域网线等，击穿电器设备，最终由逻辑地线处下泄入地。对计算机设备而言，部分雷电流将由输入电源线对交流地线进行L－PE、N－PE泄放，输出L－PE′（逻辑地）、N－PE′泄放，以及计算机电源的L－PE′ N-PE′泄放，局域网线对逻辑地线等进行泄放。最终结果，将击穿电源对地线端、计算机电源对逻辑地线、网口对逻辑地线。
另外，云层之间的频繁放电产生强大的电磁波，在电源线和信号线上感应极高的脉冲电压，峰值可达50KV以上。另外直接雷通过建筑物导体时，会在其周围产生相当强度的电磁脉冲辐射（LEMP）。
感应雷的能量虽小，但电压较高。
4）开关过电压
供电系统中的感性和容性负载开启或断开、地极短路、电源线路短路等，都能在电源线路上产生高压脉冲，其脉冲电压可达到线电压的3.5倍，从而损坏设备。破坏效果与雷击类似。
二、计算机网络防雷电浪涌的技术要求
计算机网络系统防雷电浪涌，是一项综合性的工程。随着人们对防雷技术的深入研究，计算机网络防雷电浪涌的技术要求也越来越明确，越来越多的科学的针对计算机网络防护的技术手段被推广应用。
计算机网络的雷电浪涌防护要考虑防避直击雷、感应雷和异常高电压脉冲沿电源传输线和信号传输线进入机房损坏计算机设备。
1、防避直击雷
计算机网络机房之所以要考虑防避直击雷，首先是因为当雷击发生时，以雷击中心1.5KM－2KM范围内都可能产生危险过电压，造成线路上设备的损坏。其次是因为当直击雷击中机房的建筑物时会有很强的雷电流（平均30KA左右），如果建筑物的防雷设施不合格，使得电压降分布不均匀，由于局部高电位反击，造成设备损坏，甚至伤害工作人员。第三是由于强大的直击雷电流会使机房建筑物的地电位升高到几万伏乃至几十万伏，通过电力系统和信号电缆的接地点反馈到机房，殃及接在电网和通信网络上的计算机设备，这种雷击是对计算机破坏最严重的一种。
因此，在雷电活动特别强的地方，应当在计算机中心机房的建筑物，安装独立避雷针（网），把整个建筑物保护起来，让雷电流引到足够远处的地方入地，避免雷电流入地时产生的高电位通过电源和信号线反馈造成破坏，重要的计算机机房应该设计为全屏蔽保护形式。对于只有少量终端和一般设备的机房，可按一般建筑物直击雷防避处理，可用避雷针、避雷带和避雷网，可以用建筑物本身的钢筋作雷电流引下线与统一地网连接。
2、合格的接地系统
为防止雷电从建筑物沿着各种金属导线传输到计算机设备，除独立避雷针、它的引下线及它的接地系统外，所有进出大楼的金属物包括各种金属管道、各种电缆的金属外皮、建筑物本身的基础钢筋网，以及建筑物内的各种大型金属构件如配电柜、设备金属外壳、防静电地板等都应联接成统一的电气整体，并与专门的统一的地网相连。
大中型计算机机房的地板应用钢筋地网，以保证地电位分布均匀。
接地电阻值的具体要求：
交流工作接地，接的电阻不应大于4Ω。
安全保护接地，接地电阻不应大于4Ω。
直流工作接地，接地电阻应该按计算机系统的具体要求确定。
交流工作接地、安全保护接地、直流工作接地、避雷接地等四种接地宜共用一组接地装置，其接地电阻按其中最小值确定；若避雷接地单独设置接地装置时，则其余的三种接地宜共用一组接地装置，其接地电阻不应大于其中最小值。
3、防止雷电感应进入机房
为减小静电感应和电磁感应的干扰，计算机网络机房的电源应采用有金属屏蔽层的电缆全线直接埋地进线或无金属屏蔽层的电缆穿金属管进线，其他通信电缆也采取同样方式进线。如果不能做到全线直接埋地，直接埋地的长度不应小于 2√ρ，其中ρ为土壤电阻率，单位为Ω·m ，绝对长度不应小于50m。在计算机机房的电源接入处必须安装质量可靠的电源专用雷电浪涌防护装置。
所有进出建筑物的金属传输线的不能直接接地的部分，如电源相线、计算机通信电源的芯线、电话线、电视传输线、各种报警通信电缆的芯线等都应接上合适的避雷器，并将其接地端接到统一地网。
当计算机机房不得不采用架空线时，在低压架空电源进线处或专用电力变压器的高、低压则都应安装专用避雷器。
三、计算机网络设备雷电浪涌防护技术
防雷技术的发展过程，正是人们对雷电认识的过程，防雷手段由单一到全面，防雷器件由低级到高级。当前的防雷体系，体现了现代电子理论和技术的充分应用。雷电浪涌防护产品种类繁多，大致可以分为直接雷防护和感应雷防护。
1、直接雷防护－接闪器
任何计算机网络设备的使用场所，必须首先具备直接雷防护装置，在建筑物安装接闪器是最有效通用的手段。避雷针是最早的接闪器，也是目前世界上公认的最成熟的防直击雷装置，避雷带、避雷网、避雷线是避雷针的变形，其接闪原理是一致的。接闪器是通过自身顶点形成电场畸变，当尖端电场强度大于空气电离场强时，开始电离空气，通过自身将雷电引入大地。
通过对避雷针的接闪原理的不断研究，普遍认为“滚球法”理论比较准确地解释了接闪器保护范围的计算方法，被国内外的相关标准所采纳。“滚球法”理论认为：半径为R的球与接闪器和地面相切绕接闪器滚动一周所形成的阴影区域即为接闪器的保护范围，R根据不同的防雷类别分别选为30米、45米、60米。 在保护范围内并不是没有雷击，只是雷击能量较小，滚球半径R越小，进入保护范围的雷击能量也越小，也就是说接闪器的防雷效果越好。 接闪器并非越高越好，超过60米的接闪器在技术上是没有多大意义的。
理论上任何良好接地金属物体都可以作为接闪器，因此随着经济的发展，人们对接闪器的外型提出了要求，希望能与漂亮的现代建筑物协调，出现了一些形状各异，五彩缤纷的接闪器，但其防雷原理并没有改变。
传统接闪器对直接雷的防护是有效的，通过其自身的引雷作用，接闪器能将约50％的雷击电流引入大地，但是同时会带来产生感应雷害、地电位升高、侧击、雷电流电磁干扰等问题。
2、感应雷防护－雷电浪涌防护器
雷电一旦击中建筑物，强大的雷电在通过接闪器导入大地的同时，会以感应雷的形式对建筑物内的电器设备造成危害。而连接计算机网络设备的供电线路、通讯线路、接地线路甚至建筑物内部的金属物体等形成了感应雷的通道，以瞬时浪涌形式对计算机网络设备造成危害。为了解决计算机网络设备感应雷防护问题，一般采取在供电电源和通讯连接线路上安装浪涌防护器的做法。目前市场上的感应雷防护装置，主要由氧化金属压敏电阻（MOV）、硅雪崩二极管（SAD）、滤波电容器单独或混合构成。
当雷电感应电压通过氧化金属压敏电阻时，它会立即由高阻抗变为低阻抗，在瞬间让强大的浪涌电流（放电电流可达几KA甚至几十KA）泄放至大地，使被防护的设备避免高电压的危害。其主要特性是在泄放浪涌电流时接线端能维持很低的残压。
硅雪崩二极管的防护原理类似于过氧化金属压敏电阻，其对浪涌的反应速度和残压箝位的性能比过氧化金属压敏电阻更快更低。
滤波电容器可以消除较大的脉冲危害和过滤高频噪音。
将以上器件组成混合型浪涌防护器，可以兼容压敏电阻的大过流特性，提高浪涌电流的导通能力，又具备硅雪崩二极管的快速反应和箝压低的特性，同时使用滤波电容器高频噪音。
浪涌防护器的主要技术要求：
1）残压（Up）
当浪涌电流通过浪涌防护器时，绝大部分的浪涌电流通过地线导入大地，同时在保护器两端即被防护设备两端仍会存在一定的电压，称为残压或箝位电压（当雷电浪涌通过电源线时，浪涌防护器开始动作的电压）。浪涌防护器的残压（箝位电压）是一项非常重要的技术指标参数，说明在通过一定的电流时，防护器瞬时发挥防护作用的能力。对于计算机网络设备而言，其能够承受的瞬时过电压不超过700V，否则就会导致设备损坏。
2）响应时间（tA）
浪涌防护器的响应时间是指当浪涌电压产生时，其反转导通的时间与浪涌电流通过的时间之差。对于计算机网络设备而言，其浪涌防护器的响应时间应该＜10ns，当然由于目前组成浪涌防护器器件的因素，其响应时间基本处于这个水平。
3）最大放电电流（IMAX）
也称为流通容量，是指浪涌防护器承受瞬时过电压的最大工作电流。随着通流容量的增大，浪涌防护器的可靠性会提高。目前市场上浪涌防护器的通流容量有越做越大的趋势，在提高可靠性的同时，可以增加耐受小雷电流冲击的次数，残压也略有降低，采取冗余并联技术的避雷器还提高了保护能力的可靠性。
4）电源保护模式
用于计算机网络设备电源的感应雷防护器，是以并联或串联的形式接入设备供电前端，标称电压有380V和220V之分。应该选择安装具备在所有相与地、零之间都设计保护的全模式保护的雷电浪涌防护器。同时必须考虑选用的雷电浪涌防护器的箝位电压必须符合保护设备的最大瞬时承受水平，有时不得不采取多级防护模式。
5）通讯网络的通过频率及在线衰减
用于网络通讯的雷电浪涌防护器，是以串连方式接入信号线路中的，所以必须保证其传输指标符合要求。随着网络通讯频率带宽的不断提高，通讯雷电浪涌防护器的频率带宽必须大于通讯线路带宽，而且接入后不能增加足以影响正常数据传输的在线信号衰减，同时必须采取高频滤波器对可能产生的高频噪声进行过滤。
6）辅助性能
浪涌防护器本身应该具备如正常、故障及临界的状态显示、故障时的警告、过雷击浪涌记录、监控接口和满足不同的安装需求等辅助功能。
3、接地装置
接地是防雷的基础，标准规定的接地方法是采用金属型材铺设水平或垂直地极，在腐蚀强烈的地区可以采用镀锌和加大金属型材的截面积的方法抗腐，也可以采用非金属导体做地极，如石墨地极和硅酸盐水泥地极。更合理的方法是利用现代建筑的基础钢筋做地极，有事半功倍之效。
由于过去对防雷认识的局限性，片面强调降低接地电阻的重要性，导致一些厂家推出各种接地产品，声称能降低地电阻。如降阻剂、高分子地极、非金属地极等。其实就防雷的角度来讲，对接地电阻的认识已有变化，对地网的布置形式的要求较高，对阻值要求放松，在GB5057—94中只强调了各种建筑的地网形式，而没有阻值要求，这是由于在等电位原理的防雷理论中，地网只是一个总的电位基准点，并不是绝对的零电位点。要求地网形状是为了等电位的需要，而要求阻值就不符合逻辑了，当然在条件许可时，获得低的接地电阻总没有什么错。
科学发展到今天，尽管对雷电的研究和雷电防护技术不断取得进展，但是人类还是无法彻底消除雷害，全球每年的雷害损失仍然十分惊人。防雷技术还有许多待探索的东西，防雷理论和防雷产品都在不断的发展中。可喜的是，随着各级政府对防雷工作的重视，随着高科技防雷手段的不断渗入，随着各个行业和部门对国家防雷减灾工作的落实，随着广大防雷工作者的努力，相信在不远的将来，把雷害降到最低限度，甚至化害为利的目标一定能够成为现实。 |
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