計算機機房雷電感應(yīng)危害計算分析及防護(hù)措施研究

陳 陽，劉 康

（廣東省肇慶市氣象局，廣東 肇慶 526000）

電子信息設(shè)備承擔(dān)了信息傳輸、處理等各種業(yè)務(wù)，電子信息設(shè)備是計算機機房中的主要設(shè)備，雷電發(fā)生時產(chǎn)生的電磁感應(yīng)對計算機設(shè)備的危害十分嚴(yán)重。了解雷電感應(yīng)危害，并且對雷電感應(yīng)進(jìn)行防護(hù)，是保護(hù)計算機機房電子信息設(shè)備安全的重要措施，也是當(dāng)務(wù)之急。目前國內(nèi)外關(guān)于雷電理論和計算的方法還不夠完善，而且在計算機機房雷電防護(hù)過程中也缺乏相應(yīng)的防護(hù)措施，所以時常會出現(xiàn)計算機機房設(shè)備被損壞的現(xiàn)象。為了對計算機機房的通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等進(jìn)行防雷保護(hù)，確保機房中的設(shè)備可以正常、安全、穩(wěn)定運行，必須要減少雷電感應(yīng)對電子信息設(shè)備的影響和危害，對雷電危害進(jìn)行計算和分析，采用安裝設(shè)備保護(hù)裝置、屏蔽雷電感應(yīng)等電位連接等方式，進(jìn)行綜合防雷保護(hù)[1]。

1 機房和其他建筑物防雷異同點

計算機機房是建筑物中的一個重要組成部分，雖然與其他用途的建筑空間的差別不大，但是其功能和用途與其他的建筑空間完全不同，這也決定了計算機機房的防護(hù)體系不相同。因為計算機機房中大部分是計算機設(shè)備、電子設(shè)備、通信設(shè)備，對雷電比較敏感。在計算機機房建設(shè)過程中，除了一些特殊的要求之外，一般很少單獨建設(shè)專門的機房，而是選擇建筑物中的某幾個房間作為計算機機房，而建筑物隨時可能遭受雷擊，所以建筑物必須要具備防護(hù)直擊雷的能力。計算機機房和其他建筑物的防護(hù)要求、防護(hù)技術(shù)是相同的。另一方面，計算機機房和其他的建筑單元又存在一定的區(qū)別，因為計算機機房中大多數(shù)設(shè)備都是電子設(shè)備，電子元件對電磁干擾的抵抗能力很弱，比如計算機主機、服務(wù)器、路由器、電話等，這些設(shè)備的性能、結(jié)構(gòu)等都與計算機通信領(lǐng)域相關(guān)，電磁感應(yīng)對于信號的發(fā)送、傳輸、接收等都會產(chǎn)生影響。比如計算機的中央處理器、存儲器、邏輯控制電路等，都是由絕緣半導(dǎo)體場效應(yīng)管構(gòu)成的，這些元件對靜電干擾以及電磁干擾十分敏感，一旦出現(xiàn)電磁干擾，就會導(dǎo)致設(shè)備的工作狀態(tài)被擾亂，尤其是當(dāng)出現(xiàn)雷擊的時候，很容易出現(xiàn)感應(yīng)高壓，將電子元件和設(shè)備擊穿，導(dǎo)致電路短路、設(shè)備損壞。此外，在計算機機房中有很多復(fù)雜的電路接線，布線結(jié)構(gòu)錯綜復(fù)雜，感應(yīng)電磁場容易出現(xiàn)耦合，出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象，進(jìn)而對電子元件和線路造成損壞[2]。

2 計算機機房雷電感應(yīng)危害分析

雷電感應(yīng)對電子信息設(shè)備的危害十分嚴(yán)重，雷電脈沖的電流值會隨著時間發(fā)生變化，呈現(xiàn)出不同的波形。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，雷電發(fā)生時，具體的破壞程度和峰值電流、雷電波形等有十分緊密的關(guān)系，首先，要了解雷電電流對應(yīng)的波形特征。地理位置、地質(zhì)條件、季節(jié)變化、氣象變化等，都是影響雷擊危害程度的因素，根據(jù)長期觀測發(fā)現(xiàn)，在出現(xiàn)閃電的時候可能會出現(xiàn)3種雷擊現(xiàn)象，分別是首次雷擊、后續(xù)雷擊、長時間雷擊。這3種不同的雷擊形式如圖1所示。

圖1 3種雷擊形式

2.1 雷電流幅值I0

雷電流是一種非周期性的沖擊波，其幅值大小和氣象條件、自然條件等都有關(guān)系，而且是隨機變化的。根據(jù)長期觀測得知，我國國內(nèi)觀測發(fā)現(xiàn)的最大的回?fù)綦娏魇?30 kA，而且雷擊電流的幅值大于40 kA的雷電流大約有45%，大于80 kA的雷電流大約有17%，大于108 kA的雷電流大約有10%。

2.2 波頭時間T1

雷電流的幅值是隨著雷電強度變化而變化的，在發(fā)生雷電現(xiàn)象的時候，其幅值會出現(xiàn)一個陡然上升的過程，當(dāng)雷電流的幅值從10%上升到90%的時候，整個過程所需要的時間就是波頭時間。雷電流的波頭時間是一個動態(tài)變化、隨機變化的量，與雷電流的強度有緊密關(guān)系。如果雷電流的強度處于中等水平，則其波頭大約為1～4 μs，根據(jù)長期監(jiān)測結(jié)果得知，波頭時間長度在1～5 μs之內(nèi)的雷電現(xiàn)象大約有85%，平均時間大約為2.6 μs，而且波頭的變化不大。

2.3 半值時間T2

當(dāng)雷電流的幅值從100%降低到50%的時候所需要的時間就是半值時間，根據(jù)實際測量統(tǒng)計得出，半值時間大約為10～200 μs，雷電脈沖波的半值時間大約為50 μs。

2.4 雷電流陡度di/dt

雷電流陡度指的是雷電流在單位時間內(nèi)上升的數(shù)值，表示雷電流增長的速度。雷電流的陡度越大，產(chǎn)生的電磁場變化率也越大，感應(yīng)脈沖電壓或者電流也越大，雷電流產(chǎn)生的破壞能力越強。根據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，雷電流的陡度可以達(dá)到50 kA/μs，平均陡度大約為30 kA/μs。雷電流的幅值和陡度之間呈線性變化關(guān)系，相關(guān)系數(shù)大約為0.6，雷電流的幅值不斷上升的時候，雷電流的陡度也會增加，幅值較大的雷電流也具有較大的陡度。

2.5 電荷量與單位能量

雷電感應(yīng)時的電荷量的計算公式為：

單位能量的計算公式為：

3 計算機雷擊危害的防護(hù)措施

3.1 屏蔽系統(tǒng)

屏蔽系統(tǒng)是利用各種金屬屏蔽體對進(jìn)入建筑物的電磁干擾或者過電壓能量進(jìn)行阻擋或者衰減的過程。對于計算機機房的弱電系統(tǒng)來講，屏蔽系統(tǒng)主要有機房建筑物屏蔽、設(shè)備屏蔽以及線纜管道屏蔽。機房建筑物的屏蔽措施多種多樣，可以利用建筑物的鋼筋、金屬框架、門窗等組成法拉第籠，而且讓這些物體與地網(wǎng)連接，形成初級屏蔽網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前很多建筑也基本采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或金屬框架結(jié)構(gòu)，而且整個建筑物的電氣是連通的，所以很容易遭受雷擊危害，初級屏蔽網(wǎng)可以對感應(yīng)雷進(jìn)行基本防護(hù)。

3.2 綜合布線系統(tǒng)

在計算機機房內(nèi)，對各種電子信息設(shè)備的線路進(jìn)行綜合設(shè)計，可以防止電子設(shè)備在電磁場的作用下發(fā)生損壞或者失靈。比如微機、傳感器等電子設(shè)備應(yīng)該要安裝在機房的中央，不能靠墻，不能防止在墻角位置，其次，在建筑物的頂層機房，其內(nèi)部的電子信息設(shè)備很容易受到累積危害，所以設(shè)備形成的回路要盡量小，不能和墻壁中的防雷系統(tǒng)的引下分支平行，避免出現(xiàn)較大的回路感應(yīng)電勢，從而對設(shè)備產(chǎn)生危害。

3.3 防雷接地系統(tǒng)

在計算機機房中，防雷器件作用顯著，對雷擊危害的防護(hù)至關(guān)重要。防雷接地系統(tǒng)可以實現(xiàn)對雷電流的吸收、分泄等，從而減少雷電流的集中危害。在計算機機房的防雷接地系統(tǒng)設(shè)計過程中，最理想的方式是建筑物接地裝置，從接閃器到引下線，都應(yīng)該要確保無任何電阻，當(dāng)出現(xiàn)雷電現(xiàn)象的時候，避雷針可以始出現(xiàn)接閃。為了保證接地裝置上的任何一點與大地的電勢差都保持為零，則必須要讓接地電阻值盡可能小。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，交流工作接地和安全保護(hù)接地的電阻值不能大于4，直流工作接地中的電阻值要根據(jù)具體的情況計算得出。標(biāo)準(zhǔn)的計算機機房的工作接地、安全保護(hù)接地、直流工作接地、防雷接地應(yīng)該要共用一組接地裝置。但是由于一些計算機設(shè)備的工作狀態(tài)不相同，因此不能共用接地系統(tǒng)，所以要建立等電位理論，達(dá)到瞬時等電位，對雷擊危害進(jìn)行抵御[3]。

4 結(jié)語

綜上所述，對雷電感應(yīng)雷進(jìn)行防護(hù)就是為了確保各個系統(tǒng)、各個設(shè)備都能正常運轉(zhuǎn)，以免影響電子信息設(shè)備的工作狀態(tài)。雷擊危害對計算機機房的電子信息設(shè)備的危害嚴(yán)重，必須要做好危害分析，并且采取相應(yīng)的防護(hù)措施進(jìn)行預(yù)防，確保設(shè)備可以正常運轉(zhuǎn)。