淺談雷電對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的危害

趙 杰

（上海市避雷裝置檢測站工程部，上海201204）

0 引言

雷電是大自然中災(zāi)害性天氣之一，是一種特殊的、極為壯觀的聲、光、電現(xiàn)象，在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的高速發(fā)展下，應(yīng)認(rèn)真對待雷電對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的影響。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的信息領(lǐng)域，這些精密的電子計(jì)算機(jī)設(shè)備中的CMOS半導(dǎo)體集成模塊，在耐受過壓、過電流的沖擊下會變得極其脆弱，美國通用研究公司通過對磁場的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁場脈沖超過0.07 Gs，就可引起計(jì)算失效；磁場脈沖超過2.4 Gs就可以引起集成電路永久性損壞。可想而知，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)如沒有采取相應(yīng)的防護(hù)措施，在雷電面前是不堪一擊的。

1 直擊雷

1.1 直擊雷對架空線的危害

架空是較為常用的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)布線方式，線路裸露在自然界中，遭受到雷擊的概率相對其他敷設(shè)方式要高得多。主要是云對大地放電時(shí)，可能會直接擊中架空線路、電線桿或橫擔(dān)，或雷云對架空線路附近的大地或設(shè)備放電，使金屬導(dǎo)線上的電壓瞬間升高，同時(shí)產(chǎn)生巨大的熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和電磁效應(yīng)，從而破壞計(jì)算機(jī)或擊斷線路。因此，必須采取相應(yīng)的保護(hù)措施來減少直擊雷對架空線的危害。

1.2 架空線的防雷措施

架設(shè)接閃線不但是高壓輸電線路防御直擊雷的好方法，同樣也可以用在網(wǎng)絡(luò)線上來抵制雷電的危害。這是因?yàn)榻娱W線的原理與常規(guī)的接閃桿是相同的，接閃線可以避免或減少直擊雷對計(jì)算機(jī)金屬管線的襲擊，又能起到分流作用，減少雷電流對網(wǎng)絡(luò)的傳輸。在雷擊時(shí)，接閃線對計(jì)算機(jī)金屬管線又有一定的屏蔽作用，從而能減弱導(dǎo)線上的感應(yīng)電壓。

圖1 架空線防雷保護(hù)

接閃線雖然與接閃桿的保護(hù)原理相同，但它的保護(hù)范圍要小一些。安裝時(shí)要盡量使接閃線、架空網(wǎng)絡(luò)線與地面垂直，并使接閃線的保護(hù)角不大于30°，保護(hù)角越小，保護(hù)越可靠。為了更好地起到防雷保護(hù)作用，可以在每根電線桿敷設(shè)接地裝置，電線桿上端敷設(shè)一根長1 500 mm的40 mm×40 mm×4 mm鍍鋅角鋼，作為架設(shè)接閃線的支持桿，并用接線夾與接閃線進(jìn)行可靠的電氣連接。接閃線主要是防御直擊雷，并不負(fù)擔(dān)輸送網(wǎng)絡(luò)信號的功能，因此對導(dǎo)電率和導(dǎo)線截面積不作要求，通常采用鍍鋅鋼絞線組成，每根鋼絞線的鋼絲一般為7根，每股線直徑不小于1.7 mm，也可選用涂有防腐油脂或臘的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線作為接閃線。在接閃線的前端設(shè)置一組獨(dú)立的接地裝置，目的是使接閃線有一定的機(jī)械強(qiáng)度，地面處澆注混凝土固定。接閃線與網(wǎng)絡(luò)輸送線距離不應(yīng)小于1 000 mm，在雷電發(fā)生時(shí)，架空地線中會因電磁感應(yīng)而出現(xiàn)電流，可以通過其本身對地泄放，這樣可以減輕對鄰近網(wǎng)絡(luò)線的干擾。

電線桿上的支持角鋼與接閃線、橫擔(dān)進(jìn)行可靠的電氣連接，以便接閃線上的雷電流能順利對地泄放，工頻接地電阻越小，雷電流泄放效果越好。一般沙土、沙石的土壤電阻率要大一些，工頻接地電阻不應(yīng)超過30 Ω；沿海地區(qū)黏土較多，土壤電阻率要小一些，工頻接地電阻不應(yīng)超過10 Ω。為了達(dá)到更好的效果，可在架空線距離入戶不小于15 m處換接金屬鎧裝電纜或護(hù)套電纜穿鋼管直接埋地引入。離地1 500 mm處的金屬管線加裝保護(hù)鋼管，防止外部機(jī)械力的損傷。

在敷設(shè)鋼管時(shí)，其埋深尺寸不應(yīng)小于800 mm，管子彎曲半徑要大于管外直徑的10倍。如圖1所示，其埋深長度可以按公式計(jì)算：

式中，l為電纜鎧裝或穿電纜的鋼管埋地直接與土壤接觸的長度；ρ為埋地纜處的土壤電阻率。

由于雷電流高頻諧波相當(dāng)活躍，存在趨膚效應(yīng)，線路采用埋地引入室內(nèi)后，流經(jīng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)線的電流被排擠到外皮導(dǎo)體去，同時(shí)流經(jīng)外皮導(dǎo)體的電流在芯中產(chǎn)生電勢，使流經(jīng)計(jì)算機(jī)金屬管線的電流小到趨近于零。金屬鎧裝電纜或護(hù)套電纜穿鋼管外殼入戶端，應(yīng)與建筑物內(nèi)的均壓環(huán)作等電位連接。均壓環(huán)可以利用結(jié)構(gòu)主筋或圈梁鋼筋引出接地導(dǎo)體，用扁鋼或扁銅與接地導(dǎo)體可靠連接，并在四周墻體敷設(shè)一圈，形成環(huán)路，并在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)線入戶端安裝相應(yīng)的浪涌保護(hù)器來保障安全性能。

2 機(jī)房位置的選擇

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的使用和壽命還取決于機(jī)房場所的環(huán)境條件。計(jì)算機(jī)房的布局和位置的選擇是網(wǎng)絡(luò)長期可靠運(yùn)行的重要保證之一。

一般機(jī)房可以設(shè)置在建筑物樓層較低的位置（如一層或二層），機(jī)房內(nèi)的設(shè)備要遠(yuǎn)離窗戶2 000 mm以上；避開有害氣體來源及腐蝕，避開易發(fā)火災(zāi)、放置易燃易爆物品的地方；避免設(shè)置在建筑物的頂層或地下室以及比較潮濕的環(huán)境中；避免設(shè)置在有電磁干擾的場所。

3 防雷電波侵入措施

除戶外直擊雷保護(hù)措施外，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)考慮防雷電波侵入的措施。在發(fā)生雷擊時(shí)，在接地導(dǎo)體上會產(chǎn)生幾十千伏甚至上萬伏的高壓，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中雷電侵入的主要通道是電源線路、信號線路，因而選擇安裝相匹配的浪涌保護(hù)器是防止線路遭受雷擊或雷電波侵入的有效措施。

按現(xiàn)有的國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》，設(shè)備末端限制電壓（殘壓）應(yīng)小于用電設(shè)備絕緣耐沖擊電壓水平，表1給出了三相交流系統(tǒng)各種設(shè)備絕緣耐沖擊過電壓額定值。

表1 220 V/380 V三相配電系統(tǒng)中各種設(shè)備耐沖擊電壓額定值

表1將耐沖壓電壓類別做了明確的分類：1.5 kV、2.5 kV、4 kV、6 kV。在低壓電氣設(shè)計(jì)時(shí)，將電子信息SPD殘壓值設(shè)計(jì)在1.5 kV內(nèi)，從這個(gè)參數(shù)上來看，能確保相線與中線之間的電壓為1.5 kV絕緣電壓，也能滿足設(shè)備的絕緣電壓要求，而實(shí)際由于該絕緣電壓直接進(jìn)入設(shè)備整流及后續(xù)電路，1.5 kV的電壓有可能損壞這些電路。因?yàn)橥ǔ９╇娪筛邏狠斔停霊暨M(jìn)入配電間，再由變壓器變成380 V低壓電，變壓器高壓側(cè)有高壓避雷裝置，而后端低壓進(jìn)線中的SPD只要考慮感應(yīng)雷電流。因此，還應(yīng)在電氣設(shè)計(jì)中考慮SPD相線對中線的保護(hù)，為確保安全，應(yīng)加裝相應(yīng)的模塊對其進(jìn)行保護(hù)，使SPD更有效地發(fā)揮功能。

4 感應(yīng)雷

4.1 感應(yīng)雷過電壓的危害

雷電對地放電過程中，放電通道周圍的空間電磁場將發(fā)生急劇變化，因而當(dāng)雷擊輸電線附近的地面時(shí)，雖未直擊導(dǎo)線，但由于雷電過程引起周圍電磁場的突變，也會在導(dǎo)線上感應(yīng)出一個(gè)高電壓來。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，感應(yīng)雷過電壓破壞事件占計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)雷擊事故總數(shù)的75%以上。對于建筑物而言，機(jī)房感應(yīng)雷過電壓的主要來源是機(jī)房所處建筑物本身遭受直擊雷，通過引下線泄放雷電流的同時(shí)對計(jì)算機(jī)設(shè)備產(chǎn)生了強(qiáng)大的電磁場，或者雷擊在計(jì)算機(jī)房附近發(fā)生放電，雖然建筑四周的墻體對電磁場有減弱作用，但計(jì)算機(jī)房的各種金屬導(dǎo)線仍然形成了感應(yīng)電壓侵入設(shè)備。這兩種感應(yīng)雷電磁場都會損壞計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

4.2 預(yù)防感應(yīng)雷過電壓的措施

為了保證計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的安全，應(yīng)盡量避免將機(jī)房建在雷電多發(fā)區(qū)。計(jì)算機(jī)必須有防直擊雷及感應(yīng)雷過電壓的保護(hù)措施，且沖擊接地電阻不應(yīng)超過10 Ω。

對機(jī)房內(nèi)電源線和網(wǎng)絡(luò)線進(jìn)行屏蔽改造，加裝金屬線槽，使用金屬線槽進(jìn)行綜合布線時(shí)，線槽與支架接地要連接可靠，線槽與接地干線連接不少于兩處；線槽與線槽之間的連接板，兩端跨接采用銅芯多股導(dǎo)線或鍍錫銅編織線，其截面應(yīng)不小于4 mm2。不同種類的網(wǎng)絡(luò)線可在同槽分格布線，但不能布置在同一格中；電纜線槽與網(wǎng)絡(luò)線槽平行鋪設(shè)時(shí)，最小間距不應(yīng)小于1 000 mm；垂直鋪設(shè)時(shí)最小間距不應(yīng)小于500 mm。這樣各路管線互不干擾，可將對設(shè)備的干擾降至最低。當(dāng)線槽連接板兩端用不少于兩個(gè)防松螺帽或有防松墊圈的螺栓連接固定時(shí)，線槽間的連接板可不跨接。為了減少機(jī)房電磁場干擾，當(dāng)金屬線槽大于25 000 mm時(shí)，應(yīng)每隔25 000 mm增加一處與接地裝置的連接。

有數(shù)據(jù)表明，有屏蔽的電場強(qiáng)度比無屏蔽的電場強(qiáng)度可減少逾50%。為使機(jī)房形成一個(gè)“法拉第籠”，形成高頻干擾信號的低阻抗電氣通路，在墻體四周采用網(wǎng)孔為50 mm×50 mm～100 mm×100 mm的六面金屬屏蔽網(wǎng)，并將其與接地裝置相連接，一般接地電阻不應(yīng)大于1 Ω。在感應(yīng)雷過電壓作用時(shí)，金屬屏蔽網(wǎng)可使電流分散流過，從而有效抵消機(jī)房內(nèi)的電磁場，大大降低過電壓對設(shè)備的影響。

4.3 接地方式

合理的接地方式可使電磁場干擾通過接地系統(tǒng)泄放入地，對保障計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的意義。計(jì)算機(jī)房的類型和規(guī)模的大小不同，對接地的要求也不相同，一般機(jī)房越大、設(shè)備類型越多，對接地的要求也越高，良好的接地系統(tǒng)能抑制雷電電磁干擾。

為防止雷電波從室外沿著金屬管線傳輸?shù)綑C(jī)房，所有進(jìn)入建筑物的金屬管、各種電纜的金屬外皮、防靜電地板、線槽、穿線管、建筑物本身的鋼筋網(wǎng)等金屬構(gòu)件（如配電柜/機(jī)柜金屬外殼、控制屏）等均應(yīng)統(tǒng)一連接起來，形成一個(gè)完整的電氣整體。對于傳輸電源及信號的線路，如電話線、電源線、網(wǎng)線等都應(yīng)裝上相應(yīng)的浪涌保護(hù)器，并將其接地端統(tǒng)一連接到共用接地上。

考慮到經(jīng)濟(jì)合理、施工方便的原則，可以將計(jì)算機(jī)的直流地、交流地、安全地統(tǒng)一連接到機(jī)房的等電位接地排上，形成一個(gè)共用接地體，其共用接地電阻應(yīng)滿足其中最小值的要求，小于1 Ω，電阻值越小，接地效果越好。為了防止各個(gè)接地之間產(chǎn)生環(huán)路干擾電壓，一般利用建筑物內(nèi)的基礎(chǔ)鋼筋作為共用接地體，接地性能安全可靠（圖2）。

5 結(jié)語

防雷保護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，為保障設(shè)備和人員安全，減少直擊雷及其強(qiáng)電磁脈沖對系統(tǒng)的干擾，需在防雷領(lǐng)域不斷探索，用更加科學(xué)有效的防雷保護(hù)措施，來確保計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

圖2 機(jī)房等電位連接

[1]數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50174—2017[S].

[2]建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50057—2010[S].

[3]建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范：GB 50343—2012[S].

[4]數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施施工及驗(yàn)收規(guī)范：GB 50462—2015[S].