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个人电脑防雷措施

全球每天约发生800万次闪电,每个闪电的电压高达l亿到10亿伏特,电流强度达2万至4万安培。雷击放出的强电会造成电力设施的损坏,引起电信、卫星、移动通讯服务的中断,导致煤炭、石油化工、纺织易燃物品火灾事故,更为严重的是带来人员伤亡。本文主要谈谈室内电器特别是微机防止雷击的预防方案。

一般雷电进入室内有两种情况:从电源线窜入和从信号线入侵。


电源入侵

在现代建筑物上,我们能看到避雷装置,当建筑物直接受到雷击后,强大的电流沿着接地引线导入地面,防止了雷电对建筑物的破坏。我们在室内同样需要采取一些必要的防雷措施。从技术上讲:我们需要在计算机、家用电器、通信设备等上安装电源防雷装置。但实际上,由于高层建筑都已经有较为完善的防雷击措施,所以建筑物内的用户一般就无需从电源角度再来考虑防雷击的问题。


信号线入侵

此处入侵主要是感应雷造成的雷电浪涌。感应雷一般来自对地雷击和云间放电,其中对地雷击产生的感应浪涌电压较大,一般500米范围的电子信息设备均可能遭其破坏。根据雷电电磁脉冲理论和实践经验证明:电子计算机及其它信息设备损坏的主要原因是雷电感应浪涌电压造成,它可以通过各种信号引线把感应浪涌电压波引入设备内部,破坏其芯片和接口。所以应在信号线间加装信号防雷装置。


雷电入侵电脑信息系统的各种途径 

  1)雷蒂对电力线的袭击

1.1 雷电远点袭击电力线: 

我国电力线输电方式是由发电厂通过升压变压器升压后,输电至低压变压器,经低压变压器的输出给用户。由于我国的电压基本波形是每秒50Hz的正弦波形曲线,在电力线上形成每秒50次的交变磁场。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。根据电学基本原理,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。假设电力线杆有5米高,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)。电力线上的交变磁场对雷云的吸引小于大地的静电吸引。如果,雷云击穿5米空气入地,需要很高的电压,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。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。由于变压器低压输出端是三条相线,做一条地线,当作零地合一线,变成三相四线制零地合一方式给用电器供电,雷电击在火线与大地放电,就等于火线与零线放电通过电力线直接击穿用电器的电子元件。一般电子设备线与外壳的耐压为每分钟VAC1500V,火线与零线耐压为工业级Vdc550-650V,这么低的耐压一旦遭受远点雷击,将击坏用电器。为此,在选择防雷器时,首先考虑远点雷击。

 1.2 雷电近点电力线的侵入: 

所谓雷电近点袭击电力线,实际上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。雷电打在建筑物避雷装置上,按照GB50057-94《建筑物防雷设计规范》规定,定义大楼接闪电能力为波形10 350 S三角波,雷击电流为150KA。避雷针引下线由于线路电感的作用,IEC1312定义最多只能将50%的电流引入大地。100余米高的大楼它的引下线电感为155 H左右(1.55 H/米),IEC1312定义电感大于37.5 H,则发生测闪雷击,也就是说,10 350 S直击雷引下线只能引下50%的电流,余下的电流将通过电力线屏蔽槽、水管、暖气管、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。对设备而言,部分雷电流将由UPS输入电源线对交流地线进行L-PE、N-PE泄放,UPS输出L-PE′(逻辑地〕、N-PE′泄放,小型机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,只有堵死一切雷电导入的端口,才能有效的保护设备免受雷电的侵害。

1.3 错相位雷害 

美国空军电磁兼容手册中,描述雷电发生时用肉眼可识别闪电为一组雷击,每次不少于26个雷,它有大小和发生先后的区别,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。这种侵害设备的现象,称错相位雷击,又称雷电的二次破坏,对三相UPS而言,它的输入和输出端,应安装线与线之间的保护,才能更全面更立体的保护电子设备。 

小结:堵死雷电由电力线入侵电子设备,应该从远点雷击、近点雷击和错相位雷击三种雷击现象入手,实施全方位的保护,才能在发生雷击时,有效的保护设备。


2)雷电作用下,建筑物内感应雷害 

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。假设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77平方米。di = 75KA dt = 10 S ,则感应高压 U = 210-77 Ln=52500 V 。

    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,在上海一座邮电智能大厦一次雷击,4台服务器遭受雷击,80多条广域网络线端口及4台网络交换机的RJ45端口全部损坏;广东省1996年计算机系统遭受雷击损失五亿元人民币。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,但防护的级别可以低一些。 


3)雷电作用下的网络雷害 

3.1 广域网络 

一般讲,广域网络通常不遭受直击雷的破坏,1mm2的铜线遭受10KA的雷电袭击,它自身就断了。所以,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),在GA173-1998《计算机信息系统防雷保安器》标准中,广域网保护的最大雷电流为5KA,连接广域网一般有以下几类,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,插入保安器,使之在雷电作用下,短路保护5KA电流,而端口残压小于25V;而对于话线备份来说,它的工作电压为48V加93 V振铃电压共计175V,插入保安器,保安器的启动电压来说,它的工作电压为48V加93 V振铃电压共计175V,插入保安器,保安器的启动电压。

3.2 局域网 

在局域网的传输电缆中,常常采用UTP电缆,UTP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。

我们做过一次试验,在一条连接服务器的网线旁边,约距网线0.5米处,采用雷击发生器对网线0.5米处一条金属线发射雷电流。由小到大,发射电流为10KA,周边磁场污染了网线,瞬间服务器端口、芯片被击穿,这时,示波器记忆感应高压为100V。

在机房的综合布线中,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。 

另外,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。

    3.3 综合布线

从防雷角度上考虑,布线一定要明确表示: 

3.3.1 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; 

3.3.2 广域网线缆不要与局域网线缆同槽架设; 

3.3.3 网线与墙壁布置时,有条件应远距离安装; 

3.3.4 屏蔽槽有厚度要求,并要求两点接地;


   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、高可靠性"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。  


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