淺談?dòng)?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)防雷技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)發(fā)展高新技術(shù)的重要支柱，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。但是，雷電是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常面臨的一種自然災(zāi)害，其具有電壓高、電流大、瞬時(shí)性等特點(diǎn)。近年來(lái)，由于通訊計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)精密設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高度集成化，雷電產(chǎn)生的強(qiáng)烈靜電場(chǎng)(高電勢(shì))、電磁場(chǎng)、電磁輻射和伴隨雷電發(fā)生而形成的雷電波、電磁輻射、地點(diǎn)位反擊等雷電電磁脈沖均具有很大的破壞性。

一、雷電危害計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的途徑及原理

微波通訊及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)精密設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高度集成化造成設(shè)備耐壓、電流承受能力下降，易遭受雷電破壞，輕者可造成計(jì)算機(jī)終端和通信設(shè)備接口破壞、通信中斷，大量信息丟失或無(wú)法傳輸，重者使網(wǎng)絡(luò)主機(jī)損壞、導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓，無(wú)法進(jìn)行工作。只有正確認(rèn)識(shí)雷電侵入方式及途徑，才能進(jìn)行有效防雷。

1.雷擊侵入設(shè)備的途徑

(1) 直接雷擊:是指雷電直接擊在建筑物構(gòu)架、動(dòng)植物上，因電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)等造成建筑物等損壞以及人員的傷亡。一般防直擊雷是通過(guò)外部避雷裝置、引下線、接地裝置構(gòu)成完整的電氣通路，將雷電流泄入大地。然而接閃器、引下線和接地裝置的導(dǎo)通只能保護(hù)建筑物本身免受直擊雷的損毀，但雷電仍然會(huì)透過(guò)多種形式及途徑破壞電子設(shè)備。

(2)感應(yīng)雷擊:雷云放電時(shí)，在附近導(dǎo)體上產(chǎn)生的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)等現(xiàn)象稱(chēng)之為感應(yīng)雷擊。感應(yīng)雷雖然沒(méi)有直擊雷猛烈，但其發(fā)生的幾率比直擊雷高得多。直擊雷只有發(fā)生在雷云對(duì)地閃擊時(shí)才會(huì)對(duì)地面造成災(zāi)害，而感應(yīng)雷則不論是雷云對(duì)地閃擊或雷云對(duì)雷云之間閃擊，都可能發(fā)生并造成災(zāi)害。此外直擊雷一次只能襲擊一個(gè)小范圍的目標(biāo)，而一次雷閃擊可以在較大的范圍內(nèi)多個(gè)小局部同時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)雷過(guò)電壓現(xiàn)象，并且這種感應(yīng)高壓可以通過(guò)電力線、電話線等傳輸?shù)胶苓h(yuǎn)，致使雷害范圍擴(kuò)大。

(3)電磁脈沖:由于雷電電流有極大峰值和陡度，在它周?chē)霈F(xiàn)瞬變電磁場(chǎng)，處在這瞬變電磁場(chǎng)中的導(dǎo)體會(huì)感應(yīng)出較大的電動(dòng)勢(shì)，而此瞬變電磁場(chǎng)，會(huì)在空間一定的范圍內(nèi)產(chǎn)生電磁作用，或者是脈沖電磁波輻射，而這種空間雷電電磁脈沖波(LEMP)在三維空間范圍里對(duì)一切電子設(shè)備發(fā)生作用。因瞬變時(shí)間極短或感應(yīng)的電壓很高，以致產(chǎn)生電火花，其電磁脈沖往往超過(guò)2.4GS，例如:現(xiàn)代銀行、郵電、證券機(jī)房或營(yíng)業(yè)柜臺(tái)通常應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行貨幣存取、信息傳遞與交換等業(yè)務(wù)，依據(jù)GB/T2887-2000《電子計(jì)算機(jī)場(chǎng)地通用規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)這些場(chǎng)合對(duì)磁脈沖承受限度應(yīng)小于800A/m，故在新機(jī)房建設(shè)或舊機(jī)房改造時(shí)應(yīng)對(duì)防雷與磁屏蔽措施必須充分注意。

(4)地電位反擊:建筑物的外部防雷系統(tǒng)遭受直接雷擊，在接地電阻的兩端就會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的過(guò)電壓，由設(shè)備的接地線、建筑物或附近的其他建筑物的外部防雷系統(tǒng)或其他自然接閃物(各種管道、電纜屏蔽管等)引入設(shè)備，造成設(shè)備的損壞。

(5)球形雷:球形雷是一種特殊的雷電現(xiàn)象，簡(jiǎn)稱(chēng)球雷。一般是以橙或紅色，或似紅色火焰地發(fā)光球體(也有帶黃色、綠色、藍(lán)色或紫色的)，直徑一般約為10-20厘米，最大的直徑可達(dá)一米，存在的時(shí)間大約為百分之幾秒至幾分鐘，一般是3至5秒，其下降時(shí)有的無(wú)聲，有的發(fā)出嘶嘶聲，一旦遇到物體或電氣設(shè)備時(shí)會(huì)產(chǎn)生燃燒或爆炸，其主要是沿建筑物的孔洞或開(kāi)著的門(mén)窗進(jìn)入室內(nèi)，有的由煙囪或通氣管道滾進(jìn)樓房，多數(shù)沿帶電體消失。

(6)操作瞬時(shí)過(guò)電壓:當(dāng)電流在導(dǎo)體上流動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，儲(chǔ)存能量，電流越大，導(dǎo)線越長(zhǎng)，儲(chǔ)能越大，所以當(dāng)大型負(fù)載(特別是電感性負(fù)載)電氣設(shè)備開(kāi)關(guān)時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)操作過(guò)電壓。

2.雷擊防護(hù)的基本原理

所謂雷擊防護(hù):就是通過(guò)合理、有效的手段將雷電流的能量盡可能的引入到大地，是疏導(dǎo)，而不是堵雷或消雷。一個(gè)完整的防雷系統(tǒng)包括直接雷擊防護(hù)和感應(yīng)雷擊的防護(hù)。缺少任何一面都是不完整的、有缺陷的和有潛在危險(xiǎn)的。一般將其分為外部避雷和內(nèi)部避雷兩部分。由避雷針、引下線和接地系統(tǒng)構(gòu)成外部防雷系統(tǒng)，主要是為了保護(hù)建筑物災(zāi)害事故及人身安全事故;而內(nèi)部防雷系統(tǒng)則是防止雷電和其它形式的過(guò)電壓侵入設(shè)備中造成損壞，這是外部防雷系統(tǒng)無(wú)法保證的。因此，根據(jù)電氣、微電子設(shè)備的不同功能、受保護(hù)的程度和所屬保護(hù)區(qū)域確定防護(hù)要點(diǎn)作分類(lèi)保護(hù);根據(jù)雷電和操作瞬間過(guò)電壓危害的可能通道，對(duì)電源線和數(shù)據(jù)、通信線路都應(yīng)做多層級(jí)保護(hù)。

(1)外部無(wú)源保護(hù):在0級(jí)保護(hù)區(qū)即外部作無(wú)源保護(hù)，主要依靠避雷針(網(wǎng)、線、帶)和接地裝置。保護(hù)原理:當(dāng)雷云放電接近地面時(shí)，它使地面電場(chǎng)發(fā)生畸變。在避雷針(線)頂部，形成局部電場(chǎng)強(qiáng)度畸變，以影響雷電先導(dǎo)放電的發(fā)展方向，引導(dǎo)雷電向避雷針(線)放電，再通過(guò)接地引下線，接地裝置將雷電流引入大地，從而使被保護(hù)物免受雷擊。這是人們長(zhǎng)期實(shí)踐證明的有效的防直擊雷的方法。建筑物的所有外露金屬構(gòu)件(管道)，都應(yīng)與防雷網(wǎng)(帶，線)良好連接。

(2)內(nèi)部防護(hù):

①電源部分防護(hù)，雷電侵害主要是通過(guò)線路侵入。對(duì)高壓部分電力局有專(zhuān)用高壓避雷裝置，電力傳輸線把對(duì)地的電力限制到小于6000伏(IEC62.41)，而線對(duì)線則無(wú)法控制。所以，對(duì)380伏低壓線路應(yīng)進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)，按國(guó)家規(guī)范應(yīng)分三部分:建議在高壓變壓器后端到建筑總配電盤(pán)前端的電纜內(nèi)芯線兩端應(yīng)對(duì)地加裝電涌保護(hù)器，作一級(jí)保護(hù);在建筑總配電盤(pán)至各樓層分配電箱間的電纜內(nèi)芯線兩端應(yīng)對(duì)地加裝電涌保護(hù)器，作二級(jí)保護(hù);在所有重要的、精密的設(shè)備以及UPS的前端應(yīng)對(duì)地加裝電涌保護(hù)器，作為三級(jí)保護(hù)。目的是用分流(限幅)技術(shù)即采用高吸收能量的分流設(shè)備(電涌保護(hù)器)將雷電過(guò)電壓(脈沖)的能量分流泄入大地，達(dá)到保護(hù)目的。

②信號(hào)部分保護(hù)，對(duì)于信息系統(tǒng)，應(yīng)分為粗保護(hù)和精細(xì)保護(hù)。粗保護(hù)量級(jí)根據(jù)所屬保護(hù)區(qū)的級(jí)別確定，精細(xì)保護(hù)要根據(jù)電子設(shè)備的敏感度來(lái)進(jìn)行確定。其主要考慮的如:衛(wèi)星接收系統(tǒng)、電話系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)線系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等。建議在所有信息系統(tǒng)進(jìn)入樓宇的電纜內(nèi)芯線端，應(yīng)對(duì)地加裝電涌保護(hù)器，電纜中的空線對(duì)應(yīng)接地，并做好屏蔽接地，其中應(yīng)注意系統(tǒng)設(shè)備的在線電壓、傳輸速率、按口類(lèi)型等，以確保系統(tǒng)正常的工作。

③接地處理，在計(jì)算機(jī)機(jī)房的建設(shè)中，一定要有一個(gè)良好的接地系統(tǒng)，因所有防雷系統(tǒng)都需要通過(guò)接地系統(tǒng)把雷電流泄入大地，從而保護(hù)設(shè)備和人身安全。如果機(jī)房接地系統(tǒng)做得不好，不但會(huì)引起設(shè)備故障，燒壞元器件，嚴(yán)重的還將危及工作人員的生命安全。另外還有防干擾的屏蔽問(wèn)題、防靜電的問(wèn)題都需要通過(guò)建立良好的接地系統(tǒng)來(lái)解決。一般整個(gè)建筑物的接地系統(tǒng)有:建筑物地網(wǎng)(與法拉第網(wǎng)相接)、電源地線(要求地阻小于10歐)、邏輯地線(也稱(chēng)信號(hào)地線)、防雷地線等。然而，各地線必須獨(dú)立時(shí)，如果相互之間距離達(dá)不到規(guī)范要求的話，則容易出現(xiàn)地電位反擊事故，因此，各接地系統(tǒng)之間的距離達(dá)不到規(guī)范的要求時(shí)，應(yīng)盡可能連接在一起，如實(shí)際情況不允許直接連接的，可通過(guò)地電位均衡器實(shí)現(xiàn)等電位連接。為確保系統(tǒng)正常工作，應(yīng)每年定期用精密地阻儀，檢測(cè)地阻值。

(3)有外部防雷措施同時(shí)更需要完善內(nèi)部防雷措施:外部防雷措施中避雷設(shè)施的引下線在接閃以后，會(huì)有很大的瞬變電流通過(guò)，也就是說(shuō)在周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生很大的瞬變電磁場(chǎng)(LEMP)。因此，安裝了外部避雷措施不能代替內(nèi)部防雷措施。再者，我們都知道，避雷針的工作原理是引雷，所以在概率上來(lái)說(shuō)，安裝了避雷針以后，建筑物的避雷系統(tǒng)遭受雷擊的可能性會(huì)增大，也就是說(shuō)LEMP發(fā)生的幾率會(huì)變大，過(guò)電壓產(chǎn)生點(diǎn)的距離會(huì)縮短(引下線處)，所以安裝了外部避雷措施的含有電腦網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)的大廈更加需要內(nèi)部防雷措施。。

二、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)防雷技術(shù)的措施

雷電主要是通過(guò)供電電源線路、通信線路及接地系統(tǒng)入侵計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。因而網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的防雷主要是針對(duì)上述進(jìn)行雷電防護(hù)，通過(guò)增加各級(jí)防雷設(shè)施，盡可能地防御和減輕雷電災(zāi)害對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)造成的損害。防雷技術(shù)包括先進(jìn)的直擊雷防護(hù)、可靠的等電位連接、科學(xué)的屏蔽、規(guī)范的綜合布線、合理的電涌保護(hù)、完善的共用接地系統(tǒng)。

基于上述的原因，我們認(rèn)為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)綜合防雷方案有以下幾點(diǎn)措施:

一是提高網(wǎng)絡(luò)接口自身的抗力。

二是通過(guò)為計(jì)算機(jī)通信接口及電源系統(tǒng)加裝通信接口防雷裝置和電源防雷裝置，為計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)提供良好的防雷保護(hù)。

三是合理的布線以及規(guī)范的接地是降低雷電可能引起的危害程度及其有效的措施。國(guó)際電信聯(lián)盟( ITU)的K.36建議草案中，提出了對(duì)于內(nèi)部通信接口的抗力要求。根據(jù)目前的情況，計(jì)算機(jī)通信接口在未加處置保護(hù)裝置的情況下遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能達(dá)到該建議中關(guān)于內(nèi)部通信接口的抗力要求，極易遭到破壞。因此，為計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)接口和設(shè)備加裝必要的防雷保護(hù)裝置是目前保障計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安全運(yùn)行的直接有效的途徑之一。

三、綜合總結(jié)

雷電對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的損害途徑是多方面的，系統(tǒng)的防雷與接地，應(yīng)以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)機(jī)房網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為主要保護(hù)對(duì)象，實(shí)施綜合防雷措施。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的各類(lèi)通信接口、計(jì)算機(jī)主機(jī)、服務(wù)器、路由器、交換機(jī)、各類(lèi)集線器、調(diào)制解調(diào)器是防雷的薄弱環(huán)節(jié)，必須重點(diǎn)設(shè)防。因此，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)接口的損壞往往可能導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的癱瘓。計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信線路及設(shè)備主要集中在同一建筑物或同一有限區(qū)域內(nèi)。因此雷擊建筑物或鄰近地區(qū)雷電放電在內(nèi)部空間產(chǎn)生的瞬變電磁場(chǎng)是造成計(jì)算機(jī)局域通信網(wǎng)絡(luò)接口損壞的主要因素之一。

總而言之，對(duì)弱點(diǎn)設(shè)備的防雷保護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)加以綜合考慮，才可能獲得良好的效果。

(作者單位:廣東省機(jī)械高級(jí)技工學(xué)校)