计算机工程师评职论文范文：信息系统的雷电防护
发布时间：2013-04-26
摘要：根据雷电对计算机信息系统的危害和入侵形式，提出了信息系统防雷的具体措施和注意事项，防雷措施分外部防雷和内部防雷两部分，其中采用屏蔽、等电位连结、合理布线、加装电涌保护器是信息系统防雷击电磁脉冲的有效方法。
关键词：计算机,信息系统,雷电防护
引 言
随着信息产业的迅猛发展，以计算机为代表的信息技术已经被广泛地应用于国民经济的各个领域，渗透到社会和生活的各个角落。信息技术给人们的工作和生活带来了极大便利的同时，也带来了隐患;不少行业大量使用信息技术，正常的业务工作已离不开计算机网络，并且随着科学技术的发展，这种依赖性呈越来越高的趋势。这就使得这些行业存在潜在的巨大风险：一旦计算机信息系统出现故障，将会造成相当大的损失，而产生这个风险的隐患之一就是雷电对信息系统的危害。雷电作为干扰源是一个能量极高的大气物理现象，多次雷击释放出数百兆焦耳能量，这一能量足可影响敏感的电子设备，雷击事故带来的损失和影响越来越大，尤其是在经济发达国家和地区，雷击造成的电子设备直接经济损失达雷电灾害总损失的大约80%以上。因此，人们把雷电灾害列为“电子时代的一大公害”。
1 雷电的危害形式和现状
雷电对信息系统的侵害方式主要表现为：(1)雷击损坏线缆。(2)雷击电磁脉冲通过线缆侵入室内损坏电子设备。(3)雷击电磁脉冲通过电磁感应和静电感应损坏电子设备。
雷击危害的现状：因雷电灾害而损坏的计算机系统及设备大幅上升，雷电灾害不仅造成设备永久性损坏，重要的是计算机系统中断和瘫痪会造成不可估量的直接与间接的巨大经济损失和影响，我国的雷电灾害损失80%以上涉及电子、通讯和配电系统。因此，越来越多的单位开始重视计算机机房和计算机网络的雷电防护工作，为此做好这项工作尤为重要。但在雷电防护工程中对电源系统保护、信号保护、等电位连接和各种接地中任何一个环节疏漏都可能带来防护的失败。
2 雷电的入侵形式
雷电入侵信息系统的形式有直击雷、感应雷、电波侵入、雷电的地电位反击等。直击雷是雷电直接击中设备或线路;感应雷、雷电波侵入是雷电击中供电线路、信号线路而产生的过电压;雷电的地电位反击是通过接地体入侵信息系统。因此，对计算信息系统的雷电防护要从这几个方面入手，在雷电有可能入侵的各个关口层层设防。
3 信息系统的防护措施
防护措施分外部防雷和内部防雷，外部防雷主要措施有是包括直击雷防护、分流、屏蔽、等电位连接等;内部防雷主要措施有：共用接地、等电位连接(注：电涌保护器是等电位连接的组成部分)和屏蔽;外部防雷和内部防雷的一些措施是共用的。图1所示为计算机信息系统雷电综合防护图。
4.1 直击雷防护
直击雷防护是计算机信息系统LEMP防护的基础，其作用是有效地保护建筑物本身不受直击雷的破坏，为建筑物内部的设备起到一个良好的初级电磁屏蔽作用。
一般来说，如果计算机机房选址得当，设备摆放规范，各种线路铺设间距合理，计算机信息系统遭受直击雷的可能性较小。但是与机房内设备有线路连接的卫星天线等通常安装在建筑物的顶部，由于高出建筑物的防雷设施，而不足以对其进行保护，一旦遭受直击雷后，会将强大的雷电流沿天线、信号线引入机房，将计算网络设备毁坏。如：山东省费县气象局2004年8月14日14时20分，多媒体电视天气预报系统遭到一次雷击，导致与其相连的电视机、录像机、计算机、显示器等全部设备都受到不同程度的损害，后经专家认定是由于办公楼遭受直击雷后，强大的雷电流沿着破损的有线电视天线侵入机房，将设备毁坏。因此，在考虑建筑物直击雷防护设施时，也要对建筑物顶部的设备采取防护，可以在与设备有一定安全距离处，根据有关规定计算好高度架设避雷针，引下线与建筑物原有的避雷带(网)做好多点连接。此外，架空电缆、信号线等要采取屏蔽措施，或做埋地处理，其埋地长度应大于15米。
4.2等电位连接与共用接地
为了减少防雷空间内各种金属部件和各个系统之间的电位差，保证建筑物内信息系统、电气设备、电子设备的正常工作，抑制外部干扰，并保证电气、电子设备和操作人员的人身安全，所有各类电气、电子信息设备均应采取等电位连接与接地措施，形成一个电气连续的整体，这样可以避免在不同金属外壳或构架之间出现电位差，而这种电位差往往是产生电磁干扰和造成雷电反击的原因。在现代建筑物中，为了节省室内空间，电子信息系统中各设备的布置往往是相当紧凑的，设备之间难以隔开足够的空间距离。当建筑物受到雷击时，其防雷系统各部分均会出现暂态电位升高，如果各设备之间没有进行等电位连接，则有可能会引起雷电反击而使设备损坏。如图2(a)所示，两台电子设备1和2的信号电缆屏蔽层分别在远处接地，当建筑防雷系统受雷击后，雷电流沿引下线经接地体入地，在此暂态传输过程中，引下线上A的电位可按下式估算：UA=Rimi+lLodi/dt 上式中，LO—引下线单位长度电感，可取1.2uH/m。由于雷电流及其波头陡度di/dt具有很高的数值，UA 是相当高的，而设备1和设备2此时基本上处于零电位，于是在A和B两点之间将出现较高的电位差，当这一电位超过了A、B之间空气绝缘强度时，这里的空气间隙随即放电击穿，设备1受到来自A点的雷电高电位反击。当设备1受到反击后，它将带上高电位，而此时设备2还基本上处于零电位，这样在设备1与设备2之间又出现了高电位差，可能会使这里的空气间隙再次电击穿，设备2遭到反击。如果预先在引下线、设备1和设备2之间用导体作等电位连接，如图2(b)所示，则在雷击时，引下线上的A点、设备1和设备2的金属外壳均会升高到基本相等的电位水平，它们彼此之间就不会出现空气间隙的放电击穿，从而设备1和设备2也不会受到雷电反击。
根据IEC和GB有关计算机机房的标准，机房地线有二类：独立地线和共用地线。但从防雷角度来看，必须使用共地，目的是减少雷电的高压反击。但由于计算机信息技术的飞速发展，许多新机器对用电环境要求非常苛刻，如果强行机械地把机房直流地、静电地、保护地、交流地、防雷地等统统连接一起，就会发现：服务器、小型机不工作;局域网速度较慢，不适应工作;主板莫名其妙的被烧毁。原因很简单，由于系统的用电环境不好，三相严重不平衡，零地混接，导致地线电流过大，造成零地电压大于1伏，是上述后果的根本原因。共地的基本目的是希望达到等电位，防止雷电的反击，如果强行等电位，必将造成不良的后果。
4.3 屏 蔽
屏蔽是利用各种金属屏蔽体来阻挡和衰减施加在信息技术设备和网络系统上的电磁干扰或过电压能量，具体分为：建筑物的初级屏蔽、设备级屏蔽、各种线缆(含穿线金属管)屏蔽。建筑物内部信息系统的主要电磁干扰源是由一次闪击时的几个雷击的瞬时电流造成的瞬态磁场，通过屏蔽可以使瞬时电磁场的场强减少到一个足够低的值。
4.3.1 建筑物外部设屏蔽措施
所有与建筑物组合在一起的大尺寸的金属件都应等电位连接在一起,并与防雷装置相连,如屋顶金属表面、立面金属表面、混凝土内部钢筋和金属门窗框架，组成一个法拉第笼体系。
应根据设备的耐压水平做多级屏蔽。屏蔽效果取决于初级屏蔽网的衰减程度、屏蔽层厚度(最好接近电磁波的波长)、网孔密度(密度越大效果越好)、屏蔽材料(低频时采用高导磁材料，高频时采用铜材、铅材等)。屏蔽中要特别注意对各种空洞的密封，如门、窗、金属管道、通信线路、电力线缆的入口及线缆的金属线编织网、软硬导管、桥架等。
4.3.2 线路屏蔽
采用屏蔽线缆或将线缆穿金属管，其屏蔽层或屏蔽钢管至少在两端,并宜在防雷区交界处做等电位连接。使用金属丝编织屏蔽电缆在电磁波频率较高时，其波长接近编织网孔尺寸，波的投入增加，因此最好再穿一层金属管。
光缆的屏蔽不应忽略。一般地，直埋光缆很少受雷击，但是光缆的金属保护层和内部加固金属芯则有被雷击的可能，因此也有必要采取屏蔽措施，并在光缆进入光端机之前应将金属芯和防护金属层断开，进行等电位连接，埋地光缆有必要安装屏蔽线。
4.4合理布线
雷电磁场变化必对金属导体形成感应，产生感应电压和感应电流。另外金属导体间的电磁耦合也将形成电磁干扰，都将对信息系统构成威胁。因此，除综合布线自身的安全防护外，还必须合理控制线缆间安全距离和线路的走向，消除不必要的电磁耦合。
4.5电涌防护
电涌防护可分信号部分的防护和电源部分的防护，电涌防护的主要措施是加装电涌保护器(SPD)。
4.5.1 信号部分SPD的选择
对于信号SPD，由于信号避雷器串接在通信线路中，所以信号避雷器除了满足防雷性能特征外，还必须满足信号传输带宽等网络性能指标的要求。因而选择相关产品时，应充分考虑防雷性能指标及网络带宽、传输损耗、接口类型等网络性能指标，满足信号传输带率、工作电平、网络类型的需要，选用插入损耗较小的SPD，同时接口与被保护设备兼容。例如：PSDN调制解调器有带铃压和不带铃压二类，带铃压调制解调器工作电压为48V至54V，铃压为175V至180v，防雷器的保护电压应大于180V;不带铃压的调制解调器工作电压为48V至54V，防雷器的保护电压应不小于54V。如果两类防雷器混装，将对前者造成通讯信号短路，对后者造成防雷工作能力丧失。
4.5.2 电源部分SPD的选择
电源系统属于设备与外界有直接联系的通路，也是计算机信息系统容易遭受雷电损害的主要途径。电源防雷的主要作用是防止雷电产生的过电压、过电流从电源输入端进入计算机设备。
电源部分原则上应采用多级SPD进行保护，至少进行三级以上的防护：第一级保护在供电系统入口处如总配电室的总空气开关下端，安装大容量的能承受大电流和高能量浪涌的电涌保护器，将大量的浪涌电流分流到大地;第二级保护在被保护设备的房间电源安装电涌保护器，以进一步吸收通过第一级电涌保护器的剩余浪涌能量，起到抑制瞬态过电压的作用;第三级保护在电气设备的电源输入端安装电涌保护器，以达到完全消除微小瞬态过电压的目的，做为设备的末级精细保护。因为信息系统电源的敏感性，所以必须采用较低的残压值。同时还必须考虑到电磁干扰对信息系统的影响，因此带滤波的分流设计应当更加理想。第一、二级采用残压较低的SPD，主要作用是限压，将雷电压降低到设备可以耐受的程度。
多级SPD应当考虑能量配合和电压配合，使各级之间的限制电压相互协调。配合的目的：(1)防止
过电压波可能在线路上形成反射，产生震荡电压叠加到线路上，使限制电压超过被保护设备的耐压水平;(2)保证逐级先后动作;(3)避免出现盲区;(4)各个SPD的额定荷载电涌能力不被超过。
5 结 语
5.1 在计算机信息系统中采用屏蔽、等电位连结、合理布线、加装电涌保护器是信息系统防雷击电磁脉冲的有效方法。这些措施联合使用，互相配合，各行其责、缺一不可。
5.2 防雷是一个系统工程，强调全方位防护，综合治理，层层设防，综合运用各种技术将雷电能量以有效路经向大地泄放或有目的地通过某些防雷器件将雷电能量限制到被保护对象所容许的安全值范围内，以提高雷电的整体防御能力，将雷害损失降到最低。
5.3 做好计算机信息系统防雷是一项长期的工作，在今后的计算机信息系统建设和维护中，要注意系统性的雷电防护，只有健全的防雷体系、 规范的防雷设计、严格的维护管理，才可以避免雷击事故的发生。
参考文献
[1]黄河,张毅敏 《综合布线与网络工程》，中国建筑工业出版社，2006.6。
[2] 肖稳安，张小青《雷电与防护技术基础》，气象出版社，2006.4。
[3] 施广全 《信息系统的雷电防护》，南京：南京信息工程大学电子工程系雷电防护教研室。
本文选自核心级电子期刊《计算机工程与应用》。《计算机工程与应用》创刊于1964年，是由信息产业部北京计算技术研究所主办的、面向中高级计算机专业工作者的学术刊物，系中国计算机学会会刊、中国电子学会一级会刊，计算机工程与应用学会学报、计算机类中文核心期刊。本刊为旬刊，国内统一刊号：CN11-2127/TP，国际刊号：ISSN1002-8331。
