計算機機房雷電感應(yīng)危害計算分析及防護措施研究

陳 陽，劉 康

（廣東省肇慶市氣象局，廣東 肇慶 526000）

電子信息設(shè)備承擔(dān)了信息傳輸、處理等各種業(yè)務(wù)，電子信息設(shè)備是計算機機房中的主要設(shè)備，雷電發(fā)生時產(chǎn)生的電磁感應(yīng)對計算機設(shè)備的危害十分嚴重。了解雷電感應(yīng)危害，并且對雷電感應(yīng)進行防護，是保護計算機機房電子信息設(shè)備安全的重要措施，也是當(dāng)務(wù)之急。目前國內(nèi)外關(guān)于雷電理論和計算的方法還不夠完善，而且在計算機機房雷電防護過程中也缺乏相應(yīng)的防護措施，所以時常會出現(xiàn)計算機機房設(shè)備被損壞的現(xiàn)象。為了對計算機機房的通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等進行防雷保護，確保機房中的設(shè)備可以正常、安全、穩(wěn)定運行，必須要減少雷電感應(yīng)對電子信息設(shè)備的影響和危害，對雷電危害進行計算和分析，采用安裝設(shè)備保護裝置、屏蔽雷電感應(yīng)等電位連接等方式，進行綜合防雷保護[1]。

1 機房和其他建筑物防雷異同點

計算機機房是建筑物中的一個重要組成部分，雖然與其他用途的建筑空間的差別不大，但是其功能和用途與其他的建筑空間完全不同，這也決定了計算機機房的防護體系不相同。因為計算機機房中大部分是計算機設(shè)備、電子設(shè)備、通信設(shè)備，對雷電比較敏感。在計算機機房建設(shè)過程中，除了一些特殊的要求之外，一般很少單獨建設(shè)專門的機房，而是選擇建筑物中的某幾個房間作為計算機機房，而建筑物隨時可能遭受雷擊，所以建筑物必須要具備防護直擊雷的能力。計算機機房和其他建筑物的防護要求、防護技術(shù)是相同的。另一方面，計算機機房和其他的建筑單元又存在一定的區(qū)別，因為計算機機房中大多數(shù)設(shè)備都是電子設(shè)備，電子元件對電磁干擾的抵抗能力很弱，比如計算機主機、服務(wù)器、路由器、電話等，這些設(shè)備的性能、結(jié)構(gòu)等都與計算機通信領(lǐng)域相關(guān)，電磁感應(yīng)對于信號的發(fā)送、傳輸、接收等都會產(chǎn)生影響。比如計算機的中央處理器、存儲器、邏輯控制電路等，都是由絕緣半導(dǎo)體場效應(yīng)管構(gòu)成的，這些元件對靜電干擾以及電磁干擾十分敏感，一旦出現(xiàn)電磁干擾，就會導(dǎo)致設(shè)備的工作狀態(tài)被擾亂，尤其是當(dāng)出現(xiàn)雷擊的時候，很容易出現(xiàn)感應(yīng)高壓，將電子元件和設(shè)備擊穿，導(dǎo)致電路短路、設(shè)備損壞。此外，在計算機機房中有很多復(fù)雜的電路接線，布線結(jié)構(gòu)錯綜復(fù)雜，感應(yīng)電磁場容易出現(xiàn)耦合，出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象，進而對電子元件和線路造成損壞[2]。

2 計算機機房雷電感應(yīng)危害分析

雷電感應(yīng)對電子信息設(shè)備的危害十分嚴重，雷電脈沖的電流值會隨著時間發(fā)生變化，呈現(xiàn)出不同的波形。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，雷電發(fā)生時，具體的破壞程度和峰值電流、雷電波形等有十分緊密的關(guān)系，首先，要了解雷電電流對應(yīng)的波形特征。地理位置、地質(zhì)條件、季節(jié)變化、氣象變化等，都是影響雷擊危害程度的因素，根據(jù)長期觀測發(fā)現(xiàn)，在出現(xiàn)閃電的時候可能會出現(xiàn)3種雷擊現(xiàn)象，分別是首次雷擊、后續(xù)雷擊、長時間雷擊。這3種不同的雷擊形式如圖1所示。

圖1 3種雷擊形式

2.1 雷電流幅值I0

雷電流是一種非周期性的沖擊波，其幅值大小和氣象條件、自然條件等都有關(guān)系，而且是隨機變化的。根據(jù)長期觀測得知，我國國內(nèi)觀測發(fā)現(xiàn)的最大的回擊電流是330 kA，而且雷擊電流的幅值大于40 kA的雷電流大約有45%，大于80 kA的雷電流大約有17%，大于108 kA的雷電流大約有10%。

2.2 波頭時間T1

雷電流的幅值是隨著雷電強度變化而變化的，在發(fā)生雷電現(xiàn)象的時候，其幅值會出現(xiàn)一個陡然上升的過程，當(dāng)雷電流的幅值從10%上升到90%的時候，整個過程所需要的時間就是波頭時間。雷電流的波頭時間是一個動態(tài)變化、隨機變化的量，與雷電流的強度有緊密關(guān)系。如果雷電流的強度處于中等水平，則其波頭大約為1～4 μs，根據(jù)長期監(jiān)測結(jié)果得知，波頭時間長度在1～5 μs之內(nèi)的雷電現(xiàn)象大約有85%，平均時間大約為2.6 μs，而且波頭的變化不大。

2.3 半值時間T2

當(dāng)雷電流的幅值從100%降低到50%的時候所需要的時間就是半值時間，根據(jù)實際測量統(tǒng)計得出，半值時間大約為10～200 μs，雷電脈沖波的半值時間大約為50 μs。

2.4 雷電流陡度di/dt

雷電流陡度指的是雷電流在單位時間內(nèi)上升的數(shù)值，表示雷電流增長的速度。雷電流的陡度越大，產(chǎn)生的電磁場變化率也越大，感應(yīng)脈沖電壓或者電流也越大，雷電流產(chǎn)生的破壞能力越強。根據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，雷電流的陡度可以達到50 kA/μs，平均陡度大約為30 kA/μs。雷電流的幅值和陡度之間呈線性變化關(guān)系，相關(guān)系數(shù)大約為0.6，雷電流的幅值不斷上升的時候，雷電流的陡度也會增加，幅值較大的雷電流也具有較大的陡度。

2.5 電荷量與單位能量

雷電感應(yīng)時的電荷量的計算公式為：

單位能量的計算公式為：

3 計算機雷擊危害的防護措施

3.1 屏蔽系統(tǒng)

屏蔽系統(tǒng)是利用各種金屬屏蔽體對進入建筑物的電磁干擾或者過電壓能量進行阻擋或者衰減的過程。對于計算機機房的弱電系統(tǒng)來講，屏蔽系統(tǒng)主要有機房建筑物屏蔽、設(shè)備屏蔽以及線纜管道屏蔽。機房建筑物的屏蔽措施多種多樣，可以利用建筑物的鋼筋、金屬框架、門窗等組成法拉第籠，而且讓這些物體與地網(wǎng)連接，形成初級屏蔽網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前很多建筑也基本采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或金屬框架結(jié)構(gòu)，而且整個建筑物的電氣是連通的，所以很容易遭受雷擊危害，初級屏蔽網(wǎng)可以對感應(yīng)雷進行基本防護。

3.2 綜合布線系統(tǒng)

在計算機機房內(nèi)，對各種電子信息設(shè)備的線路進行綜合設(shè)計，可以防止電子設(shè)備在電磁場的作用下發(fā)生損壞或者失靈。比如微機、傳感器等電子設(shè)備應(yīng)該要安裝在機房的中央，不能靠墻，不能防止在墻角位置，其次，在建筑物的頂層機房，其內(nèi)部的電子信息設(shè)備很容易受到累積危害，所以設(shè)備形成的回路要盡量小，不能和墻壁中的防雷系統(tǒng)的引下分支平行，避免出現(xiàn)較大的回路感應(yīng)電勢，從而對設(shè)備產(chǎn)生危害。

3.3 防雷接地系統(tǒng)

在計算機機房中，防雷器件作用顯著，對雷擊危害的防護至關(guān)重要。防雷接地系統(tǒng)可以實現(xiàn)對雷電流的吸收、分泄等，從而減少雷電流的集中危害。在計算機機房的防雷接地系統(tǒng)設(shè)計過程中，最理想的方式是建筑物接地裝置，從接閃器到引下線，都應(yīng)該要確保無任何電阻，當(dāng)出現(xiàn)雷電現(xiàn)象的時候，避雷針可以始出現(xiàn)接閃。為了保證接地裝置上的任何一點與大地的電勢差都保持為零，則必須要讓接地電阻值盡可能小。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，交流工作接地和安全保護接地的電阻值不能大于4，直流工作接地中的電阻值要根據(jù)具體的情況計算得出。標準的計算機機房的工作接地、安全保護接地、直流工作接地、防雷接地應(yīng)該要共用一組接地裝置。但是由于一些計算機設(shè)備的工作狀態(tài)不相同，因此不能共用接地系統(tǒng)，所以要建立等電位理論，達到瞬時等電位，對雷擊危害進行抵御[3]。

4 結(jié)語

綜上所述，對雷電感應(yīng)雷進行防護就是為了確保各個系統(tǒng)、各個設(shè)備都能正常運轉(zhuǎn)，以免影響電子信息設(shè)備的工作狀態(tài)。雷擊危害對計算機機房的電子信息設(shè)備的危害嚴重，必須要做好危害分析，并且采取相應(yīng)的防護措施進行預(yù)防，確保設(shè)備可以正常運轉(zhuǎn)。