通信機房弱電設備雷電感應危害分析及防護措施

趙紅霞 孫琛

【摘要】 為了對通信機房的網絡系統、電源系統以及控制系統等弱電電子設備采取有效實用的防雷保護措施，保障機房系統正常安全運行，減小雷電感應對電子設備的影響，分析雷電感應的危害原理及危害途徑。進一步對電子設備保護裝置的選擇、使用以及屏蔽、等電位連接、防雷接地和綜合布線等方面的防雷保護技術進行分析和研究。

【關鍵詞】 通信機房 雷電感應的危害 防范

雷電作為常見的自然現象所伴隨的強大的感應電磁場以及在金屬導體中產生的感應過電壓，時刻威脅著通信機房內電子設備的正常工作，保護通信機房信息系統安全，是擺在我們面前的當務之急。

一、雷電的危害形式

雷電的危害形式分為三類：直擊雷、雷電感應（雷電電磁脈沖）及雷電過電壓波侵入。

1.1直擊雷

雷電直接擊中地面建筑物，然后經接地裝置泄放入地。如果沒有適當的泄流途徑，雷電流的能量以極高的溫度、極大的熱量、強力沖擊波、極大的電動力對建筑物或其頂部的其它設施造成嚴重損害。

1.2雷電感應

從雷暴云的形成到發生閃電的整個過程中，同時會出現三種物理現象：靜電感應、電磁感應以及電磁波輻射。在發生雷擊過程中，雷電通道形成強大的雷電流并在其空間產生的雷擊電磁脈沖會通過傳導、感應和耦合等方式在建筑物內部各電氣系統和數據信息系統中產生不同強度的瞬態過電壓。電網和數據線路中的瞬態過電壓對建筑物內的設備放電，損壞信息系統機房內部的UPS電池組、交換機、服務器等重要設備。電磁感應的作用范圍廣，入侵途徑多，比較難以捉摸。

1.3 雷電過電壓波侵入

雷擊于遠處架空的與機房、外場設備等各種供電設備、弱電設備相連的各種通訊線、電力線、視頻監控線、設備控制線，然后沿著架空導線以過電壓、過電流波的形式侵入建筑物。如果架空線上方沒有避雷線，雷電波侵入的概率是相當大的。過電壓、過電流波進入建筑物后還會沿著內部通訊線或電力線襲擊敏感設備。

二、通信機房雷電感應危害分析

通信機房一般由主機房、基本工作間組成，主機房與工作間之間由玻璃門隔開。大部分機房設有靜電地板，并布置在大樓的低層房間。機房設備設施比較多，常用的弱電電子設備包括主機、服務器、UPS供電系統、路由器或交換機、程控交換機、天饋接受機、打印機、刻錄機、電話等電子設備和設施。

其中計算機的主要配件基本上是由半導體集成電路構成，中央處理器、存儲器和邏輯控制電路等芯片都是由絕緣半導體場效應管構成。半導體器件要求的工作條件極嚴格，特別是對于靜電干擾和電磁干擾非常敏感。

雷電感應是造成弱電設備受損的主要原因，這種危害的覆蓋范圍大，雷電感應主要有雷電的靜電感應和電磁感應。雷電的靜電感應與電磁感應作用屬于雷電的間接破壞作用。雷電的間接破壞作用比直擊雷危害范圍大的多，屬于空間三維的破壞。

由于雷電靜電感應和電磁感應引起的過電壓會損害機房的線路和設備，在防雷設計中，要作為重點認真的進行設計防護措施。

2.1靜電感應

雷電的靜電感應是因為當雷云形成時，地面上的金屬結構會產生與雷云底部相反的異種電荷，在各種架空的線路上，同樣會因雷云對地放電而產生靜電感應電荷。

2.2電磁感應

雷電電磁感應是因為雷電通道和防雷保護系統的導線上的雷電流，在接地系統的沖擊接地電阻上產生的電壓降，在建筑物內部的環路導線上感應出浪涌過電壓和電流。另外由于雷擊電磁脈沖的電磁干擾輻射，在周圍區域的設備環路上感應出浪涌電壓。

這種脈沖磁場能在閉合的回路中產生很高的電動勢，產生的過電壓、過電流順著導線傳導至設備，損壞弱電電子設備。各種電源線、信號線、天饋線、金屬水管等在建筑物內形成不同的環路或者回路脈沖磁場在回路中感應出電壓大小與回路尺寸、雷電流波陡度以及回路與載流導體之間的距離有關。

2.3雷擊電磁脈沖

雷擊電磁脈沖，是一種電磁干擾源。閃電直接擊在建筑物防雷裝置上或建筑物附近所引起的效應。主要是一種輻射干擾。對于脈沖磁感應，雷擊電磁脈沖感應強度達0.03高斯，計算機會出現誤操作；磁脈沖感應強度達0.75高斯，計算機器件會出現假性損壞；磁脈沖感應強度達2.4高斯，計算機器件會出現真正損壞。閃電擊在避雷針上，則由其產生的在100米處無屏蔽空間的磁感應強度，首次雷擊的磁感應強度可達2.0高斯，而后續雷擊的磁感應強度可達0.5高斯。無屏蔽空間的磁感應強度將對機電設備具有足夠的破壞力。

2.4高電位引入與反擊

由電路原理可知，暫態電流流過電阻與電感串聯支路時，將會在該支路上產生壓降，支路的總壓降中含電阻上壓降分量和電感上壓降分量。所謂雷電反擊，就是指防雷裝置在接閃時，在接閃器、引下線和接地極上都會產生很高的瞬態電位，如果建筑物內的電氣設備、金屬管線與防雷裝置的距離達不到安全距離要求時，高電位就會擊穿向這些設備管線放電，這種現象就是雷電的高電位與反擊。

三、通信機房雷電感應的防護措施

3.1屏蔽系統

屏蔽是利用各種金屬屏蔽體來阻擋或衰減進入建筑物內的電磁干擾或過電壓能量。對于機房的弱電系統來說，具體可分為機房建筑物屏蔽、設備屏蔽和各種線纜（管道）的屏蔽。機房屏蔽可根據機房內電子信息設備的重要性，采取適當屏蔽措施。利用機房建筑的鋼筋、金屬框架、金屬門窗、地板等相互焊接在一起，形成法拉第籠，并與地網進行可靠連接，形成初級屏蔽網。機房裝修時做防靜電處理，墻壁采用防靜電鋁塑板，并與機房共地系統相連。設備應根據使用性質及雷擊時最終所處電磁環境，適當考慮單獨屏蔽（隔離），進行次級屏蔽。機房電子信息設備應集中擺放在機柜中，機柜與接地系統保持良好連接。對于機房內的主機及服務器或其它電子設備，應蓋好箱蓋，確保其屏蔽效果。機房的各種金屬管道、電力電纜、通信線路等最好應該埋地引入，埋地水平距離在15m 以上。并重點對入戶的金屬管道、通信線路、電力線纜等做好屏蔽。各種線纜均要采取屏蔽措施，金屬絲紡織網、金屬軟管、硬導管、棧橋均可用于屏蔽線纜。

3.2等電位連接系統

在機房的地板下設均壓等電位地線帶。在各室內分別形成網型（M 型）結構的均壓等電位帶，且作好此帶的絕緣支撐，最終以星形（S 型）形式與機房的直流邏輯地線接通。另外機房 UPS 供電系統電源插座及信號接地，機房內所有大尺寸的內部導電物，如程控交換機的金屬外殼，主機外殼，UPS及電池箱金屬外殼，金屬地板、金屬門框架、設施管路和電纜橋架等都應以最短的線路連到最近的等電位連接帶中，避免因設備間電勢差而使設備損壞。線路的屏蔽管路或屏蔽層應該與等電位系統連接在一起，保證屏蔽體的零電位。

3.3綜合布線系統

在機房內配備電子設備時，要設法避開強磁場區域，以防止電子設備在強磁場作用下發生工作失靈或被損壞。計算機、傳感器等電子設備應盡量安置在房間的中央部位，而不宜靠墻放置，更不能安放在墻角處。電子設備的電源線與信號線所形成的回路面積要盡量小，且不能與墻壁中的防雷系統引下分支平行，避免產生大的回路感應電動勢而擊壞電子設備。在布置機房內線纜時，應該注意其線纜與機房內其它金屬設備、管線、電力線等的距離，距離太近都有可能通過金屬導體耦合產生過電壓，對設備系統造成危害。

3.4防雷接地系統

采用等電位理論，達到瞬間等電位方式，常態獨立接地方式（即機房接地系統與其它交流地、安全保護地、防雷地進行軟連接）。機房的各種地線間及地線與大樓結構的主鋼筋之間，必須進行有效的連接，即全部采用共用接地系統，當雷電引起地電位高壓反擊時，整個大樓及機房呈現系統等電位，防雷系統呈現工作狀態，保證網絡系統的安全。