雷電對信息系統(tǒng)的危害及其預(yù)防

[摘要] 雷電對信息系統(tǒng)的危害可造成巨大經(jīng)濟損失。本文分析了雷電對信息系統(tǒng)破壞的途徑，重點介紹了信息系統(tǒng)綜合防雷的措施。通過綜合運用分流、等電位、屏蔽、接地和保護等各項技術(shù)，構(gòu)成一個完整的防護體系，可以有效提高信息系統(tǒng)的安全性，具有一定的理論和實踐意義。

[關(guān)鍵詞] 信息系統(tǒng) 雷電 危害 防雷措施

進入二十一世紀(jì)，人類科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已進入了高度信息化的發(fā)展階段，以大規(guī)模集成電路元器件為核心的信息系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于商業(yè)和工業(yè)的許多部門，置身于網(wǎng)絡(luò)、通訊時代，使我們與世界的聯(lián)系變得更加的緊密，它給人類帶來了前所未有的方便和快捷。但信息系統(tǒng)因其元器件的集成度愈來愈高，普遍存在著絕緣強度低，過電壓耐受能力差等致命弱點，一旦遭受雷擊、浪涌過電壓的沖擊，輕則造成信息系統(tǒng)運行中斷，設(shè)備永久性損壞，重則造成其他相關(guān)系統(tǒng)的中斷癱瘓，釀成不可估量的直接與間接的巨大經(jīng)濟損失和深遠(yuǎn)影響。另外，用一般電氣設(shè)備的避雷器具、防雷經(jīng)驗已不足于解決信息系統(tǒng)的防雷問題。因此，加強和改進信息系統(tǒng)的雷電防護，已成為當(dāng)今亟待解決的問題。

一、雷電對信息系統(tǒng)的危害

雷電災(zāi)害被國際電工委員會（IEC）稱為“電子化時代的一大公害”，在關(guān)于“防雷”的文件中強調(diào)指出：鑒于各種形式電子系統(tǒng)的應(yīng)用不斷增加，這些電子系統(tǒng)包括計算機、通信設(shè)備、控制系統(tǒng)等（統(tǒng)稱信息系統(tǒng)）。這些系統(tǒng)應(yīng)用于商業(yè)和工業(yè)的許多部門，包括相當(dāng)大的資金投入、規(guī)模和復(fù)雜性很大的工業(yè)控制系統(tǒng)。出于代價和安全的考慮，雷電對其造成運轉(zhuǎn)停頓的影響是不可估量的。

雷電對信息系統(tǒng)的危害是顯而易見的，主要是由于設(shè)備的電磁兼容能力低，不能承受雷電及強電磁浪涌產(chǎn)生的瞬間過電壓或過電流。而雷電的電磁脈沖無孔不入，波及的空間范圍很大。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)成計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的電子器件的工作電壓在不斷降低，很多電子設(shè)備（元件）的損壞電壓只有幾十伏，承受過電壓時間只有幾十納秒。電子設(shè)備越先進，耗能越小、越靈敏，則雷電的電磁脈沖的危害越大。

由于信息系統(tǒng)的應(yīng)用既離不開電力電源和通訊聯(lián)接，又對強電流、高電壓表現(xiàn)出嚴(yán)重的脆弱性，使得雷電的電磁脈沖足以對它發(fā)生作用，甚至毀掉它。因此雷擊事故也越來越多，直接造成了巨大的經(jīng)濟損失，而因重要設(shè)備損壞使計算機網(wǎng)絡(luò)陷入癱瘓后造成間接的損失更是驚人。據(jù)美國的保守估計，主要由于雷電電磁脈沖導(dǎo)致計算機網(wǎng)絡(luò)失效或損壞，平均每年約占全部故障的70％。我國近幾年雷害事故也頻繁激增，損失巨大。據(jù)一些省市統(tǒng)計，信息系統(tǒng)設(shè)備因雷害的直接損失約占雷害總損失的80％，造成無法估量的間接損失與社會影響。例如：某銀行清算中心一座33層高樓遭雷擊，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)停止工作3天，幾億元資金無法運行，僅利息損失就達(dá)200多萬元；某水力發(fā)電廠，一次雷擊，造成大范圍內(nèi)計算機網(wǎng)絡(luò)及電子控制設(shè)備損壞，直接經(jīng)濟損失近90萬元；一場普通雷雨，某地區(qū)竟有4個機要部門的高科技設(shè)備同時損壞，其影響的嚴(yán)重性不難估計。大量嚴(yán)酷的事實使我們越來越認(rèn)識到信息系統(tǒng)防雷的重要性。

二、雷電對信息系統(tǒng)的破壞途徑

入侵信息系統(tǒng)的雷電過電壓過電流主要有以下三個途徑：

1.計算機系統(tǒng)的電源由電力線路輸入室內(nèi)，電力線路可能遭受直擊雷和感應(yīng)雷；直擊雷擊中高壓電力線路，經(jīng)過變壓器耦合到220伏低壓，入侵計算機供電設(shè)備；另外低壓線路也可能被直擊雷擊中或感應(yīng)出雷電過電壓。在220伏電源線上出現(xiàn)的雷電過電壓平均可達(dá)10000伏，對計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可造成毀滅性打擊。

2.由計算機通信線路入侵，分為三種情況。情況一，當(dāng)?shù)孛嫱怀鑫镌庵睋衾状驌魰r，強雷電壓將鄰近土壤擊穿，雷電流直接入侵到電纜外皮，進而擊穿外皮，使高壓入侵線路。情況二，雷云對地面放電時，在線路上感應(yīng)出上千伏的過電壓，擊壞與線路相連的電器設(shè)備，通過設(shè)備連線侵入通信線路。這種入侵沿通信線路傳播，涉及面廣，危害范圍大。情況三，若通過一條多芯電纜連接不同來源的導(dǎo)線或者多條電纜平行鋪設(shè)時，當(dāng)某一導(dǎo)線被雷電擊中時，會在相鄰的導(dǎo)線感應(yīng)出過電壓，擊壞低壓電子設(shè)備。

3.地電位反擊電壓通過接地體入侵。雷擊時強大的雷電流經(jīng)過引下線和接地體泄入大地，在接地體附近放射型的電位分布，若有連接電子設(shè)備的其他接地體靠近時，即產(chǎn)生高壓地電位反擊，入侵電壓可高達(dá)數(shù)萬伏。

三、信息系統(tǒng)的防雷措施

信息系統(tǒng)遭受雷電的影響是多方面的，其防護系統(tǒng)不但要考慮防直接雷擊，還要考慮防雷電電磁脈沖、雷電電磁感應(yīng)等。總體上應(yīng)根據(jù)建筑物的特點做好外部防雷措施和內(nèi)部防雷措施，將外部防雷和內(nèi)部防雷進行全面規(guī)劃，做到協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

1.外部防御系統(tǒng)

信息系統(tǒng)的第一道防線是防直擊雷。在雷電活動特別強的地方，應(yīng)當(dāng)在計算機中心機房的建筑物，安裝獨立避雷針（網(wǎng)），把整個建筑物保護起來，通過接閃器、引下線、接地裝置的作用分別完成接閃、分流、散流的過程，將雷電流引到足夠遠(yuǎn)處的地方入地，避免雷電流入地時產(chǎn)生的高電位通過電源和信號線反饋造成破壞。重要的計算機機房應(yīng)該設(shè)計為全屏蔽保護形式，對于只有少量終端和一般設(shè)備的機房，可按一般建筑物直擊雷防避處理，用避雷針、避雷帶和避雷網(wǎng)，建筑物本身的鋼筋作雷電流引下線與統(tǒng)一地網(wǎng)聯(lián)接。

2.內(nèi)部防御系統(tǒng)

內(nèi)部防雷措施的作用是防止雷電電磁脈沖、雷電電磁感應(yīng)等雷害，其主要措施包括等電位連接、屏蔽（隔離）、加裝浪涌保護器，以及合理的布線和良好的接地等措施。

(1)等電位：使建筑物內(nèi)的各個部位都形成一個相等的電位，把所有的導(dǎo)體相互作良好的導(dǎo)電性連接，并以最短的距離與接地系統(tǒng)連通。其中非帶電導(dǎo)體直接用導(dǎo)線連接，帶電導(dǎo)體通過避雷器連通。其作用：一是為雷電流提供低阻抗的連續(xù)通道，將雷電流迅速導(dǎo)入大地泄放。二是使系統(tǒng)各個部份不產(chǎn)生足以產(chǎn)生危害的電位差。

(2)屏蔽：屏蔽的主要目的是使電子信息系統(tǒng)免受雷電電磁脈沖的危害。在鋼筋混凝土建筑中，應(yīng)盡量利用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋼筋（即建筑物內(nèi)地板、頂板、墻面、梁及柱內(nèi)的鋼筋），使其形成一個六面體的網(wǎng)籠，從而實現(xiàn)屏蔽。由于電子信息設(shè)備對屏蔽的要求較高，當(dāng)建筑物本身的鋼筋所形成的網(wǎng)格密度達(dá)不到所需要求時還應(yīng)另設(shè)金屬屏蔽網(wǎng)。為防止雷電波侵入，進出建筑物的電纜均應(yīng)采用屏蔽電纜，并在屏蔽兩端及雷電防護區(qū)交界處做等電位連接并接地。當(dāng)采用非屏蔽電纜時則應(yīng)敷設(shè)在金屬管道內(nèi)埋地引入，金屬管還應(yīng)電氣導(dǎo)通且在雷電防護區(qū)交界處做等電位連接并接地。除此之外，其他任何進出屏蔽空間的金屬導(dǎo)電金屬物也應(yīng)在雷電防護區(qū)交界處做等電位連接并接地。

(3)合理布線：信息系統(tǒng)的正常運行離不開電源線路、信號線路等各種管線，為了保證在防雷裝置接閃時這些管線不受影響，就必須考慮防雷系統(tǒng)與這些管線的關(guān)系，合理地敷設(shè)這些管線才能獲得最好的綜合防護效果。首先，應(yīng)將這些管線穿于金屬管內(nèi)，以實現(xiàn)可靠屏蔽；其次，應(yīng)將這些線路的主干線的垂直部份設(shè)置在建筑物的中心部位，避免靠近用作引下線的柱筋，以盡量縮小被感應(yīng)的范圍。在管線較長或橋架等設(shè)施較長的路線上還需在兩端接地。第三，信息系統(tǒng)線纜與其他各種管線及配電箱、變電室、電梯機房空調(diào)機房之間應(yīng)保持一定的間距；第四，信號線的布置應(yīng)盡量減少由線纜自身形成的感應(yīng)環(huán)路面積。

(4)安裝浪涌保護器：雷擊對電子信息的危害主要是以各種形式引起過電壓從而損害電子設(shè)備，要有效地防止雷電對信息系統(tǒng)設(shè)備的損壞，還需要在各種線路上安裝浪涌保護器（電源線路浪涌保護器、信號線路浪涌保護器、天饋線路浪涌保護器），用以限制瞬態(tài)過電壓和分流浪涌電流。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計資料表明，雷電對設(shè)備的破壞有80%是經(jīng)由電源線路侵入的，所以電源系統(tǒng)的防護尤其重要。

(5)共用接地系統(tǒng)：為防止防雷裝置與鄰近的金屬物體之間出現(xiàn)高電位反擊，減少其間的電位差，除了要將建筑物內(nèi)的各種金屬物體做好等電位連接外，還應(yīng)將各種接地（交流工作接地、安全保護接地、直流工作接地、防雷接地等）共用一組接地裝置，其接地電阻必須按接入設(shè)備中要求的最小值確定。共用接地系統(tǒng)的目的是達(dá)到均壓、等電位以減小各種接地設(shè)備間，以及不同系統(tǒng)間的電位差。

信息系統(tǒng)的雷電防護是一項系統(tǒng)工程，必須貫徹整體防護思想，綜合運用分流、等電位、屏蔽、接地和保護等各項技術(shù)，構(gòu)成一個完整的防護體系，才能收到預(yù)期的效果。

參考文獻：

[1]建筑物防雷設(shè)計規(guī)范(GB50057-2000)

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[3]周志敏等:電子信息系統(tǒng)防雷接地技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社出版，2004