計算機信息系統雷電防護技術探討

張宏

［摘 要］現代信息技術的普及程度越來越高，其發展優勢逐漸凸顯。為了更好地滿足人們的實際使用需求，計算機信息系統的規模不斷擴大，為經濟建設等領域的發展提供了強有力的支持。然而，計算機信息系統在實際運行期間，由于受到雷電影響，運行穩定性、安全性大幅度下降。從實際情況來看，每年因雷擊造成的系統損毀事故時有發生。基于此，文章從雷電入侵計算機信息系統的途徑入手，結合計算機信息系統的防雷工程要求，具體分析各項雷電防護技術的應用策略。

［關鍵詞］計算機；信息系統；雷電；防護技術

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2023.16.058

［中圖分類號］TM862［文獻標識碼］A［文章編號］1673-0194（2023）16-0183-03

0? ? ?引 言

計算機信息系統在社會生活中都得到了廣泛應用，并且顯著提升了各項工作的質量及效率，因此提升計算機信息系統運行的穩定性、保證系統安全具有重要的現實意義。然而，由于連接計算機信息系統的有關設備，其電磁兼容能力較低，一旦遭到雷擊，會因無法承受瞬間過電壓、過電流導致計算機短路，進而造成系統損壞。為有效應對此種狀況，切實提升計算機信息系統的使用及運行的安全系數，有必要對雷電入侵的具體形式展開剖析，以此為導向探索適宜的雷電防護技術。

1? ? ?計算機信息系統概述與雷電防護必要性

1.1? ?計算機信息系統概述

計算機信息系統由計算機及其相關的網絡、設備等基本構成要素組成，其實質是一種基于特定應用需要的人機系統（采集、處理、保存、發送、檢索）。事實上，計算機信息系統既可以被視為計算機與外圍設備所構成的單機系統，也可以被視為網絡系統，諸如日常人們應用到的互聯網、局域網、廣域網等，都屬于公共信息系統［1］。計算機信息系統作為現代計算機技術與通信技術結合的產物，主要是以通信設備為載體，以通信線路為核心，將分布在各個區域的若干計算機系統關聯起來，依靠網絡軟件的驅動，實現各個系統間的數據互聯互通，以及信息的實時共享。

1.2? ?雷電防護的必要性

計算機信息系統與網絡系統、通信設備緊密關聯，而且這些系統越來越廣泛地應用在各個領域，無論在工業、商業還是事業單位，均可以看到計算機信息系統的身影，使用者通常需要依靠該系統處理信息、資料，而系統自身也會自動采集數據，并對數據進行深度挖掘與加工，以此來為生產、經營、決策提供強有力的數據支撐。不僅如此，與國家安全、國防軍工、國民經濟建設相關的重要數據信息也儲存在計算機信息系統內部，可以說它已經成為信息資源的儲存庫［2］。因此，計算機信息系統在任何時候出現故障，都會給使用者帶來巨大的損失。雷電帶有強烈的電磁輻射干擾，會嚴重影響計算機信息系統運行的穩定性、可靠性、安全性，輕則造成短路，重則直接導致系統燃燒、爆炸，類似的雷災事故更是不勝枚舉。

2? ? ?雷電入侵計算機信息系統途徑

2.1? ?由交流電源供電線路入侵

計算機信息系統的供電，通常都是從室外電力線路輸入到室內。架空線路遭到直擊雷、感應雷襲擊的概率較高，高壓線路在遭受雷擊的情況下，會通過變壓器耦合到380 V低壓側，從而對計算機信息系統的供電設備造成干擾［3］。低壓線路也容易感應到雷電過電壓，如果電源線電壓為220 V，那么從中產生的雷電過電壓將達到10 000 V以上，這對計算機信息系統造成的損害可想而知。

2.2? ?由計算機通信線路入侵

通常情況下，雷電入侵通信線路的原因有以下幾種：其一，地面有明顯的突起物，在受到雷電沖擊后，強雷電壓將該突起物周圍的土壤擊穿，雷電流進入并穿透電纜的外層，使高壓進入到線路內；其二，當雷云在地表釋放電流時，導線會產生上千伏特的過電壓，破壞導線附近的電力設備，并通過導線直接侵入通信線路內，這樣的侵入形式不僅危害性大，影響范圍也很廣；其三，在一根多芯電纜與多條電纜平行鋪設的情況下，一旦其中一根電纜遭受雷擊，勢必會影響到鄰近的電纜，從而損害電子設備。

2.3? ?地電位反擊電壓通過接地體入侵

由雷擊所帶來的雷電流，通過引下線與接地體，瞬間在大地中蔓延開來，在接地體的周圍，呈現出一種徑向的電位分布，若是有一些電子設備與接地體相距不遠，就會形成高壓地電位反擊，所產生的電壓會達到上萬伏特［4］。此外，多數建筑所安裝的避雷器，會將雷電流通過引下線引入地面，此時會導致周圍空間電磁場發生巨大變化，使得相鄰導線上產生雷電過電壓，直接干擾計算機信息系統。

3? ? ?計算機信息系統防雷工程的相關要求

計算機信息系統的防雷接地設計應以以下標準作為依據：必須在保障人身安全和計算機信息系統穩定可靠運行的基礎上，符合我國現行的《建筑物防雷設計規范》《建筑物電子信息系統防雷技術規范》中的要求。

第一，保護接地與功能接地應該合用一套，并以它們中的最小為原則來決定其接地電阻值。第二，對功能接地有特別要求的，需另設接地線時，必須與其他接地線隔離，配電線和地線應采用同一線路鋪設。第三，計算機機房內全部設備的金屬外殼、金屬管道、金屬線槽以及建筑物金屬結構，都需要等電位連接和接地。第四，基于電子信息設備容易受到干擾的頻率，以及數據中心的級別與規模，等電位的連接形式可以是S型、M型或 SM混合型［5］。第五，在使用M型或 SM混合型等電位連接方式時，計算機信息系統的主機房應該建立等電位連接網絡，在網格的周圍設置等電位連接帶，并且利用等電位連接導體，將等電位連接帶與接地匯流線、各類金屬管道、金屬線槽、建筑物金屬結構等相連接。各電子信息裝置（箱體）均應有兩條距離較近的等勢連接導線，并將其與相鄰的等勢連接在一起。第六，等電位連接網格所使用的銅帶、裸銅線，其截面積需要達到25 mm2以上，并且在防靜電活動地板下連接成0.6 m～3 m的矩形網格。第七，在電源、信號設備附近應配備適當的浪涌保護裝置，并進行接地處理。

4? ? ?計算機信息系統雷電防護技術的實踐應用

4.1? ?直擊雷防護技術

直擊雷防護系統主要由接閃器、引下線和地網組成。其中，接閃器又被稱為避雷針、避雷網，其通過引下線將雷電流傳輸至地網，依靠地網將電流疏散開來。避雷網需要選用12 mm的圓形鍍鋅鋼，同時應用4 mm×40 mm的鍍鋅件扁鋼建筑物頂端的引下線，將兩者的間距控制在18 m以內，引下線的上端與避雷網連接，下端與地網連接，建筑物頂端的其他金屬設備必須與避雷裝置牢牢焊接在一起，以保證它們之間的連接［6］，這樣就可以達到顯著的雷電流釋放疏散效果，確保保護對象不會受到直擊雷傷害。即使遭受雷擊之后，該系統還可以有效保護計算機信息系統設備，同時還與國家有關防雷標準相適應。另外，可以將避雷針安裝在中波發射塔頂端，根據滾球法計算出避免機房遭受直擊雷危害的安全區域，接著在該區域對應的機房頂部安裝避雷針，按照保護區域計算結果，把握好避雷針安裝高度。為了防止機房受到側擊雷的危害，還可以在機房頂端布設避雷帶或者避雷網，通過協同應用放電避雷針、避雷網，采取混合接閃方式達到理想的雷電防護效果。

4.2? ?電源系統防雷技術

計算機信息系統的電源并非是一個獨立存在的供電系統，需要依靠電力線路輸入供電，所以其具備遭受雷電影響的可能。如果雷電直接擊中電力線路，雷電流會通過變壓器耦合到低壓電，然后影響到供電設備，最終危害計算機信息系統。按照我國現行的關于計算機信息系統防雷的規定，要求建筑物的電源系統實施三級防護，在高壓端安裝高通容量的防雷裝置作為第一級保護，在低壓側安裝閥門型防雷設備作為第二級保護，在每個樓層的配電箱中安裝避雷箱作為第三級保護。

4.3? ?信號系統防雷技術

在計算機防雷體系中，信號系統防雷是其中的一個重要組成部分。在應用信號系統防雷技術之前，必須充分了解計算機信息系統的拓撲結構、有關設備參數。一般情況下，光纖介質在信號傳輸時不會受到雷電流干擾，通過室外光纜中的金屬加強芯進行可靠接地，當雷電流進入室內后，可以將絕大部分雷電流直接引入地下泄散。ADSL轉換成普通的網絡后，一般都是通過交換機和雙絞線來與有關的服務器建立聯系，所以對交換機的端口做好有效保護也十分必要。此外，電話線路的分布比較復雜，經常分散在建筑物的不同部位，每一條線路都有可能產生過電壓，根據雷電電磁脈沖的原理，計算機、有關設備遭受損害主要是由雷電感應浪涌電壓引起的，其依托信號引線，將感應浪涌電壓輸送到設備內部，從而對設備芯片與接口的正常工作造成嚴重干擾。針對此問題，可以在信號線間設置防雷電裝置，接著將避雷器和線路設備接口部位串聯在一起，同時安裝好信號浪涌保護器，以此適應信號設備的實際防雷需求。針對浪涌保護器的安裝，需要滿足以下條件：能夠承受預期的雷電流；可以承受最大鉗壓，且浪涌保護器的長度要控制在50 cm以內，保持連接線的平直；在兩級浪涌保護器之間增設退耦裝置，電壓開關型同限壓型浪涌保護器之間的線路長度控制在5～10 m，如此就能讓浪涌保護器更好地發揮設備保護的效能。與此同時，應該確保安全防范系統、信息線路、火災報警器、消防聯動控制系統等的接地，還要達到相關規定要求。

4.4? ?均壓和等電位接地

均壓和等電位接地是防止地電位反彈的關鍵步驟，通過改變進入建筑物內的金屬管線和電纜屏蔽層的方式，使之轉換為等電位連接，形成一個處于封閉狀態的均壓環，由此有效消除電位差。在計算機機房安裝接地保護裝置的過程中，建議首選共用接地模式，確保房屋的防雷池、設備保護地、交流和直流工作地實現有效連接。值得強調的是，要始終以房屋自然接地的方式為先，構成等電位系統，如此就能切實規避因地網之間的電位差而對計算機信息系統及電子設備的影響。此外，計算機信息系統在實際運行階段會產生電磁波，這種電磁波會對金屬導體造成影響，從而使懸浮在空氣中的灰塵粒子產生靜電，而且這些灰塵粒子很可能會附著在電子設備的外表面。當電子設備外表面積聚的靜電達到一定程度時，勢必會令正負電荷形成高達幾千伏的電壓，對電子設備造成巨大的危害。對此，建議在計算機機房內部鋪設全鋼防靜電地板，再將由銅排或銅網組成的均壓帶安裝于機房墻壁上，盡可能將計算機機房內的金屬機柜、橋架、光纜金屬加強芯、防靜電地板龍骨等就近連接，這樣就可以將計算機信息系統運行階段產生的靜電最大程度釋放到地面。

4.5? ?屏蔽與布線

屏蔽主要針對電子設備和線纜，在對電子設備實施屏蔽的過程中，要根據電子設備自身的抗壓性能采取多級屏蔽措施，并做好金屬導體、電纜屏蔽層和金屬線槽之間的等電位連接。對于非金屬外殼的設備，在機房屏蔽與設備電磁環境標準不適用的條件下，主要通過安裝金屬屏蔽網或者金屬屏蔽室的方式加以解決。線路屏蔽一般是指在需要雷電保護的區域中選用屏蔽電纜時，屏蔽層需要在兩端和保護區域交接部位實施等電位連接。若采用非屏蔽電纜，則應該將電纜敷設在金屬管道內部，接著將其埋地引入，并在雷電保護區交接部位實施等電位連接。如果建筑物之間要通過屏蔽電纜進行互聯，電纜屏蔽能夠承載一般雷電流，所以此時電纜不需要敷設在管道內。此外，電纜與其他管線的間距應符合有關技術規范，以突出電纜敷設的科學性。

5? ? ?結束語

防雷工程是一項迫切且具有長遠意義的研究課題。在今天，增強計算機信息系統的防雷性能，保障信息安全，防止雷擊、火災、爆炸等意外事故發生，是一項迫切需要解決的問題。在實際防護中，可科學應用直擊雷防護技術、電源系統防雷技術、信號系統防雷技術、均壓和等電位接地、屏蔽與布線等，以達到理想的防雷效果，并做好后期維護工作，定期維修養護設施設備，避免計算機設備受到雷擊侵害。伴隨計算機技術的不斷進步，未來在防雷技術及工程方面將會有巨大突破，相信在不久的將來，防雷技術會更加先進，防雷工程設計也會更加科學完善。

主要參考文獻

［1］雒新萍，陳雯，李曉磊.電力通信信息系統雷電防護技術探討［J］.農業災害研究，2022（6）：128-130，133.

［2］傅景龍，趙周杰.氣象臺站計算機信息系統雷電防護技術［J］.數字技術與應用，2021（11）：79-81.

［3］趙周杰，傅景龍.計算機信息系統的雷電干擾及有效防護措施［J］.數字技術與應用，2021（11）：97-99.

［4］李海洋.計算機信息系統雷電防護技術探討［J］.電腦迷，2018（29）：88

［5］龔春勇，張怡.計算機信息系統雷電防護技術探討［J］.科技創新與應用，2019（10）：130-131.

［6］杜改紅，田楊萌，王彩霞，等. 雷電對計算機內部電磁環境影響的模擬研究［J］.系統仿真學報，2017（12）：3107-3113.