淺談計算機網(wǎng)絡(luò)防雷技術(shù)

隨著科學技術(shù)的高速發(fā)展，計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)成為當今社會發(fā)展高新技術(shù)的重要支柱，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到社會生活的各個領(lǐng)域。但是，雷電是計算機網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常面臨的一種自然災(zāi)害，其具有電壓高、電流大、瞬時性等特點。近年來，由于通訊計算機網(wǎng)絡(luò)精密設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高度集成化，雷電產(chǎn)生的強烈靜電場(高電勢)、電磁場、電磁輻射和伴隨雷電發(fā)生而形成的雷電波、電磁輻射、地點位反擊等雷電電磁脈沖均具有很大的破壞性。

一、雷電危害計算機網(wǎng)絡(luò)的途徑及原理

微波通訊及計算機網(wǎng)絡(luò)精密設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高度集成化造成設(shè)備耐壓、電流承受能力下降，易遭受雷電破壞，輕者可造成計算機終端和通信設(shè)備接口破壞、通信中斷，大量信息丟失或無法傳輸，重者使網(wǎng)絡(luò)主機損壞、導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓，無法進行工作。只有正確認識雷電侵入方式及途徑，才能進行有效防雷。

1.雷擊侵入設(shè)備的途徑

(1) 直接雷擊:是指雷電直接擊在建筑物構(gòu)架、動植物上，因電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機械效應(yīng)等造成建筑物等損壞以及人員的傷亡。一般防直擊雷是通過外部避雷裝置、引下線、接地裝置構(gòu)成完整的電氣通路，將雷電流泄入大地。然而接閃器、引下線和接地裝置的導(dǎo)通只能保護建筑物本身免受直擊雷的損毀，但雷電仍然會透過多種形式及途徑破壞電子設(shè)備。

(2)感應(yīng)雷擊:雷云放電時，在附近導(dǎo)體上產(chǎn)生的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)等現(xiàn)象稱之為感應(yīng)雷擊。感應(yīng)雷雖然沒有直擊雷猛烈，但其發(fā)生的幾率比直擊雷高得多。直擊雷只有發(fā)生在雷云對地閃擊時才會對地面造成災(zāi)害，而感應(yīng)雷則不論是雷云對地閃擊或雷云對雷云之間閃擊，都可能發(fā)生并造成災(zāi)害。此外直擊雷一次只能襲擊一個小范圍的目標，而一次雷閃擊可以在較大的范圍內(nèi)多個小局部同時產(chǎn)生感應(yīng)雷過電壓現(xiàn)象，并且這種感應(yīng)高壓可以通過電力線、電話線等傳輸?shù)胶苓h，致使雷害范圍擴大。

(3)電磁脈沖:由于雷電電流有極大峰值和陡度，在它周圍出現(xiàn)瞬變電磁場，處在這瞬變電磁場中的導(dǎo)體會感應(yīng)出較大的電動勢，而此瞬變電磁場，會在空間一定的范圍內(nèi)產(chǎn)生電磁作用，或者是脈沖電磁波輻射，而這種空間雷電電磁脈沖波(LEMP)在三維空間范圍里對一切電子設(shè)備發(fā)生作用。因瞬變時間極短或感應(yīng)的電壓很高，以致產(chǎn)生電火花，其電磁脈沖往往超過2.4GS，例如:現(xiàn)代銀行、郵電、證券機房或營業(yè)柜臺通常應(yīng)用計算機進行貨幣存取、信息傳遞與交換等業(yè)務(wù)，依據(jù)GB/T2887-2000《電子計算機場地通用規(guī)范》標準這些場合對磁脈沖承受限度應(yīng)小于800A/m，故在新機房建設(shè)或舊機房改造時應(yīng)對防雷與磁屏蔽措施必須充分注意。

(4)地電位反擊:建筑物的外部防雷系統(tǒng)遭受直接雷擊，在接地電阻的兩端就會產(chǎn)生危險的過電壓，由設(shè)備的接地線、建筑物或附近的其他建筑物的外部防雷系統(tǒng)或其他自然接閃物(各種管道、電纜屏蔽管等)引入設(shè)備，造成設(shè)備的損壞。

(5)球形雷:球形雷是一種特殊的雷電現(xiàn)象，簡稱球雷。一般是以橙或紅色，或似紅色火焰地發(fā)光球體(也有帶黃色、綠色、藍色或紫色的)，直徑一般約為10-20厘米，最大的直徑可達一米，存在的時間大約為百分之幾秒至幾分鐘，一般是3至5秒，其下降時有的無聲，有的發(fā)出嘶嘶聲，一旦遇到物體或電氣設(shè)備時會產(chǎn)生燃燒或爆炸，其主要是沿建筑物的孔洞或開著的門窗進入室內(nèi)，有的由煙囪或通氣管道滾進樓房，多數(shù)沿帶電體消失。

(6)操作瞬時過電壓:當電流在導(dǎo)體上流動時，會產(chǎn)生磁場，儲存能量，電流越大，導(dǎo)線越長，儲能越大，所以當大型負載(特別是電感性負載)電氣設(shè)備開關(guān)時，便會產(chǎn)生瞬時操作過電壓。

2.雷擊防護的基本原理

所謂雷擊防護:就是通過合理、有效的手段將雷電流的能量盡可能的引入到大地，是疏導(dǎo)，而不是堵雷或消雷。一個完整的防雷系統(tǒng)包括直接雷擊防護和感應(yīng)雷擊的防護。缺少任何一面都是不完整的、有缺陷的和有潛在危險的。一般將其分為外部避雷和內(nèi)部避雷兩部分。由避雷針、引下線和接地系統(tǒng)構(gòu)成外部防雷系統(tǒng)，主要是為了保護建筑物災(zāi)害事故及人身安全事故;而內(nèi)部防雷系統(tǒng)則是防止雷電和其它形式的過電壓侵入設(shè)備中造成損壞，這是外部防雷系統(tǒng)無法保證的。因此，根據(jù)電氣、微電子設(shè)備的不同功能、受保護的程度和所屬保護區(qū)域確定防護要點作分類保護;根據(jù)雷電和操作瞬間過電壓危害的可能通道，對電源線和數(shù)據(jù)、通信線路都應(yīng)做多層級保護。

(1)外部無源保護:在0級保護區(qū)即外部作無源保護，主要依靠避雷針(網(wǎng)、線、帶)和接地裝置。保護原理:當雷云放電接近地面時，它使地面電場發(fā)生畸變。在避雷針(線)頂部，形成局部電場強度畸變，以影響雷電先導(dǎo)放電的發(fā)展方向，引導(dǎo)雷電向避雷針(線)放電，再通過接地引下線，接地裝置將雷電流引入大地，從而使被保護物免受雷擊。這是人們長期實踐證明的有效的防直擊雷的方法。建筑物的所有外露金屬構(gòu)件(管道)，都應(yīng)與防雷網(wǎng)(帶，線)良好連接。

(2)內(nèi)部防護:

①電源部分防護，雷電侵害主要是通過線路侵入。對高壓部分電力局有專用高壓避雷裝置，電力傳輸線把對地的電力限制到小于6000伏(IEC62.41)，而線對線則無法控制。所以，對380伏低壓線路應(yīng)進行過電壓保護，按國家規(guī)范應(yīng)分三部分:建議在高壓變壓器后端到建筑總配電盤前端的電纜內(nèi)芯線兩端應(yīng)對地加裝電涌保護器，作一級保護;在建筑總配電盤至各樓層分配電箱間的電纜內(nèi)芯線兩端應(yīng)對地加裝電涌保護器，作二級保護;在所有重要的、精密的設(shè)備以及UPS的前端應(yīng)對地加裝電涌保護器，作為三級保護。目的是用分流(限幅)技術(shù)即采用高吸收能量的分流設(shè)備(電涌保護器)將雷電過電壓(脈沖)的能量分流泄入大地，達到保護目的。

②信號部分保護，對于信息系統(tǒng)，應(yīng)分為粗保護和精細保護。粗保護量級根據(jù)所屬保護區(qū)的級別確定，精細保護要根據(jù)電子設(shè)備的敏感度來進行確定。其主要考慮的如:衛(wèi)星接收系統(tǒng)、電話系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)專線系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等。建議在所有信息系統(tǒng)進入樓宇的電纜內(nèi)芯線端，應(yīng)對地加裝電涌保護器，電纜中的空線對應(yīng)接地，并做好屏蔽接地，其中應(yīng)注意系統(tǒng)設(shè)備的在線電壓、傳輸速率、按口類型等，以確保系統(tǒng)正常的工作。

③接地處理，在計算機機房的建設(shè)中，一定要有一個良好的接地系統(tǒng)，因所有防雷系統(tǒng)都需要通過接地系統(tǒng)把雷電流泄入大地，從而保護設(shè)備和人身安全。如果機房接地系統(tǒng)做得不好，不但會引起設(shè)備故障，燒壞元器件，嚴重的還將危及工作人員的生命安全。另外還有防干擾的屏蔽問題、防靜電的問題都需要通過建立良好的接地系統(tǒng)來解決。一般整個建筑物的接地系統(tǒng)有:建筑物地網(wǎng)(與法拉第網(wǎng)相接)、電源地線(要求地阻小于10歐)、邏輯地線(也稱信號地線)、防雷地線等。然而，各地線必須獨立時，如果相互之間距離達不到規(guī)范要求的話，則容易出現(xiàn)地電位反擊事故，因此，各接地系統(tǒng)之間的距離達不到規(guī)范的要求時，應(yīng)盡可能連接在一起，如實際情況不允許直接連接的，可通過地電位均衡器實現(xiàn)等電位連接。為確保系統(tǒng)正常工作，應(yīng)每年定期用精密地阻儀，檢測地阻值。

(3)有外部防雷措施同時更需要完善內(nèi)部防雷措施:外部防雷措施中避雷設(shè)施的引下線在接閃以后，會有很大的瞬變電流通過，也就是說在周圍會產(chǎn)生很大的瞬變電磁場(LEMP)。因此，安裝了外部避雷措施不能代替內(nèi)部防雷措施。再者，我們都知道，避雷針的工作原理是引雷，所以在概率上來說，安裝了避雷針以后，建筑物的避雷系統(tǒng)遭受雷擊的可能性會增大，也就是說LEMP發(fā)生的幾率會變大，過電壓產(chǎn)生點的距離會縮短(引下線處)，所以安裝了外部避雷措施的含有電腦網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)的大廈更加需要內(nèi)部防雷措施。。

二、計算機網(wǎng)絡(luò)防雷技術(shù)的措施

雷電主要是通過供電電源線路、通信線路及接地系統(tǒng)入侵計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。因而網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的防雷主要是針對上述進行雷電防護，通過增加各級防雷設(shè)施，盡可能地防御和減輕雷電災(zāi)害對計算機網(wǎng)絡(luò)造成的損害。防雷技術(shù)包括先進的直擊雷防護、可靠的等電位連接、科學的屏蔽、規(guī)范的綜合布線、合理的電涌保護、完善的共用接地系統(tǒng)。

基于上述的原因，我們認為計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)綜合防雷方案有以下幾點措施:

一是提高網(wǎng)絡(luò)接口自身的抗力。

二是通過為計算機通信接口及電源系統(tǒng)加裝通信接口防雷裝置和電源防雷裝置，為計算機通信系統(tǒng)提供良好的防雷保護。

三是合理的布線以及規(guī)范的接地是降低雷電可能引起的危害程度及其有效的措施。國際電信聯(lián)盟( ITU)的K.36建議草案中，提出了對于內(nèi)部通信接口的抗力要求。根據(jù)目前的情況，計算機通信接口在未加處置保護裝置的情況下遠遠未能達到該建議中關(guān)于內(nèi)部通信接口的抗力要求，極易遭到破壞。因此，為計算機通信網(wǎng)絡(luò)接口和設(shè)備加裝必要的防雷保護裝置是目前保障計算機通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安全運行的直接有效的途徑之一。

三、綜合總結(jié)

雷電對計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的損害途徑是多方面的，系統(tǒng)的防雷與接地，應(yīng)以計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)機房網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為主要保護對象，實施綜合防雷措施。

計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的各類通信接口、計算機主機、服務(wù)器、路由器、交換機、各類集線器、調(diào)制解調(diào)器是防雷的薄弱環(huán)節(jié)，必須重點設(shè)防。因此，計算機網(wǎng)絡(luò)接口的損壞往往可能導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的癱瘓。計算機局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信線路及設(shè)備主要集中在同一建筑物或同一有限區(qū)域內(nèi)。因此雷擊建筑物或鄰近地區(qū)雷電放電在內(nèi)部空間產(chǎn)生的瞬變電磁場是造成計算機局域通信網(wǎng)絡(luò)接口損壞的主要因素之一。

總而言之，對弱點設(shè)備的防雷保護設(shè)計應(yīng)加以綜合考慮，才可能獲得良好的效果。

(作者單位:廣東省機械高級技工學校)