雷電知識
一、雷電知識
隨著電子技術的快速發(fā)展，集成電路對電壓和電流脈沖的敏感程度越來越高，除直接雷擊影響外，雷電引起的沖擊過電壓和電流成為造成電子設備損壞和工作中斷新的主要因素之一。
據廣東省防雷中心雷電災害調查辦公室1996年就廣東省范圍調查報告顯示：1996年廣東全省發(fā)生雷電災害1196起，直接經濟損失約1.374億元，間接經濟損失達5-10億元；僅深圳去年因雷暴造成損失就近6000萬元；而全世界每年的雷害損失超過100億美元，更多的雷災損失表明，90%以上是感應雷擊造成的。特別是最近兩年，全球氣候不穩(wěn)定，雷電災害較以往頻繁，大部分用戶單位在直接開支中需占30%的費用，用來更換或維修因雷災損壞的設備。因此，對雷擊的防護，尤其是感應雷擊的防護，已經成為郵電通信、電力、鐵路、銀行（計算機網絡）等行業(yè)重點關注和防范的課題。
1) 雷擊的形成及入侵途徑
雷擊形成雷擊主要有兩種形式：直接雷擊和感應雷擊
直接雷擊：雷擊直接擊在物體上，產生電效應、熱效應和機械力,稱之為直接雷擊。
感應雷擊：雷電放電時，在附近導體上產生的靜電效應和電磁感應，可能使金屬部件之間產生火花，稱之為感應雷擊。
感應雷擊的入侵途徑
1、傳統(tǒng)避雷針的副作用產生二次感應雷擊效應，雷電電流經過避雷針導地時感應到市內的傳輸線上。幾十年來的通訊設備是從電子管、晶體管向集成電路過渡的。由于電子管、晶體管的耐沖擊能力較強，因此二次雷擊效應對電子管、晶體管通訊設備沒有造成太大損害。集成化度較高的微電子設備，其耐沖擊能力差受雷擊更易使微電子設備受到損壞。通過對部分雷擊事故的分析，發(fā)現許多雷擊事故都是在避雷針接地完好的情況下發(fā)生的。分析其原因就是二次雷擊效應造成的。
2、通過電源線、信號線或天饋線引入感應雷擊
通過電感性耦合（磁感應）耦合到各類傳輸線而破壞設備。電源線引入感應雷擊。市區(qū)以外的移動通信基站的供電線路大多采用架空明線。試驗表明，雷電頻譜在幾十MHZ以下頻域，主要能量集中分布在工頻附近。因此，雷電與市電相耦合的概率很高。
信號線引入雷擊。為了擴大信號覆蓋范圍，就要盡可能地增加天線架設高度（65m以上的鐵塔約占50%）。這樣，在提高信號覆蓋范圍的同時，也增加了鐵塔引雷的概率。當鐵塔上的避雷針引雷入地產生二次雷擊效應是順塔而下的天饋線首當其沖�？梢坏┒卫讚粜孕盘柗绞竭M入饋線時，收發(fā)信號設備端口損壞也就在所難免了。
3、地點位反擊引入感應雷擊
通過阻性耦合方式經數據線破壞設備。
上述各種耦和會產生高達6000伏（根據BS6651，CCITT，LIT，IEEE及我國相關標準）的瞬間電壓而破壞電子設備。
二、雷擊的防護
1、直擊雷的防護
主要依據是國際電工委員會IEC1312_1～3《雷電電磁脈沖的防護》、《電子計算機機房設計規(guī)范》、《電子設備雷擊導則》、《建筑物防雷設計規(guī)范》等。目前，防避直擊雷都是采用避雷針、避雷帶、避雷線、避雷網作為接閃器，然后通過良好的接地裝置迅速而安全把它送回大地。
2、感應雷的防護
（1） 電源防雷
根據樓房建設的要求，配電系統(tǒng)電源防雷應采用一體化防護，由于避雷器生產廠家的設計思想各不相同，相應其避雷器的性能特點也不盡一致。
（2）信號系統(tǒng)防雷
與電源防雷一樣，通訊網絡的防雷主要采用通訊避雷器防雷。目前，計算機遠程聯網常采用的方式有電話線、專線、X.25、DDN和幀中繼等，通訊網絡設備主要為MODEM、DTU、路由器和遠程中斷控制器等。通常根據通訊線路的類型、通訊頻帶、線路電平等選擇通訊避雷器，將通訊避雷器串聯在通訊線路上。
（3）等電位連接 
等電位連接的目的，在于減小需要防雷的空間內各金屬部件和各系統(tǒng)之間的電位差。防止雷電反擊。將機房內的主機金屬外殼，UPS及電池箱金屬外殼、金屬地板框架、金屬門框架、設施管路、電纜橋架、鋁合金窗的等電位連接，并以最短的線路連到最近的等電位連接帶或其它已做了等電位連接的金屬物上，且各導電物之間的盡量附加多次相互連接。
（4）金屬屏蔽及重復接地
在做好以上措施基礎上，還應采用有效屏蔽，重復接地等辦法，避免架空導線直接進入建筑物樓內和機房設備，盡可能埋地纜進入，并用金屬導管屏蔽，屏蔽金屬管在進入建筑物或機房前重復接地，最大限度衰減從各種導線上引入雷電高電壓�！ �
三、關于雷電和浪涌電壓
閃電的常識
閃電的的平均電流是：30,000A （目前記錄的最大值：300,000A）。閃電中心的空氣溫度： 攝氏3000度，90%以上的閃電是云層對云層放電過程，云層對地面的閃電次數：每秒種100次
（全球范圍），閃電的強度可達 1000000000 伏。一個中等強度雷暴的功率有 10000000 瓦（相當于一個小型核電站的輸出功率），每年因雷擊造成的直接損失超過100億美元（全球不含中國的統(tǒng)計）
計算機機房浪涌過電壓的保護
計算機機房從面積大小來劃分：大機房，面積可達數千平方米；小機房，面積可能只有十余平方米，從功能上來劃分：有擁有微波收、發(fā)的計算機房；具有有線通信的機房；組成局域網或廣域網的機房；或者與外界無聯系的一個單位內部的小機房等等。由于機房的大小及功能的不同，機房浪涌過電壓的防護措施略有差異，但是總的防護原則是防護是不變的，即：將絕大部分直接引入地下泄散（外部保護）；阻塞沿電源線或數據、信號線引入的過電壓波危害設備（內部保護及過電壓保護）；限制被保護設備上浪涌過電壓幅值（過電壓保護）。這三道防線，互相配合，各行其責，缺一不可。目前我國對于計算機機房浪涌過電壓防護暫時無統(tǒng)一標準可依，所以只能按照不同情況，分別參照相關的行業(yè)標準或國標來闡述計算機機房的浪涌過電壓防護的一般方法。
一、機房外部防護
計算機機房的外部防護，主要指直擊雷的防護，它是防雷技術的主要組成部分。其技術措施可分接閃（使用避雷針、避雷帶、避雷線等金屬接閃器）、引下線、接地體和法拉第籠。在標準IEC1024-1、2和國標GB50057—94、電子計算機機房設計規(guī)范GB50174-93、計算機場站安全要求GB9361-88、微波站防雷與接地規(guī)范YD2011-93、通信局（站）接地設計暫行技術規(guī)定YDJ229、電信專用房屋設計規(guī)范YD5003-94等都作了大同小異的明確規(guī)定。
在這種技術措施中，不僅有直擊雷防護即外部保護，且與內部保護相關聯。如法拉第籠（特別重要的計算機機房）可用與接閃和引下、接地，在籠中的設備可受到初級屏蔽作用。接地系統(tǒng)的布局又直接涉及到均壓等電位和防止反擊等問題。由于外部保護已有較熟的標準，本文不再詳述，只提出幾點供參考的具體意見：
1、根據IEC1312-1，推薦：在不可能個別估算的地方，可假定全部雷電流I的50%分配于進入建筑物的各種設施（外來導電物和通信線等），見圖1。由此可見，外部保護的重要性，對于銀行電腦機房或郵電、電信、電力等行業(yè)的通信機房微波站等，一定要認真按標準或規(guī)范要求做好外部保護的防直接雷措施。
接閃裝置（避雷針等），我們建議采用提前放電式的 INGESCO避雷針，或選用經現場驗證行之有效并有檢測、監(jiān)定的新型接閃器。
2、對于建筑物頂部的信息系統(tǒng)外置設備的直擊雷保護，應按GB50057-94的第3.2.3條處置，金屬物體可不裝接閃器，但應和屋面防雷裝置相連；在屋面接閃器保護范圍之外的非金屬物應裝接閃器，并和屋面防雷裝置相連。在屋面高度大于滾球半徑時，如屋面設置了合格的避雷帶（網）時，可將屋面高度假定為正負零高度，作避雷針按滾球法計算其能否保護外設設備。
二、機房進出線的防護措施
機房進出纜線主要是電力和通信線路，是引雷入室的重要途徑。我國各種行業(yè)的機房分布點多面廣，遭到雷擊的幾率較大，根據雷擊現場調查、避雷整治、國內外資料以及有關的國標、行標規(guī)范等，對進出纜線防護進行介紹。
在雷電活動頻繁、雷電強度大、雷暴日多的地區(qū)，當雷擊機房附近的交流供電線路時，為了防止雷電沿電力線路侵入機房，可按圖2所示方法，對高壓電力線以及變壓器實施保護。
可在距變壓器300-500m的架空高壓電力線上方，架設避雷線（架空地線）對電力線進線進行保護。該架空地線宜每桿接地一次，而且要單設接地體，勿用水泥桿內的鋼筋做引下線和接地體。這樣，與變壓器高壓側的避雷器相配合，可以阻止雷電波造成損害，同時使雷電流在每桿入地，使其分流泄入大地。為了更穩(wěn)妥、可靠，可在高壓電力線終端桿的前一桿上，在每條相線上對地增裝一臺避雷器；在變壓器的高壓側還要對地裝一
組（每組一臺）氧化鋅高壓避雷器。應當提起注意的是，每當落雷之后和雷雨季節(jié)到來之前，一定要仔細檢查高壓避雷器和接地線是否完好無損，以排除隱患，把好高壓側避雷擊這一關。
如果架設避雷線確有困難，可以在電力線終端桿及其前第一、三或二、四桿，為每相線對地各增設一臺氧化鋅避雷器，為了穩(wěn)妥起見，尚應在第四桿增
設一組（三相）高壓保險絲。各桿接地體，設計成環(huán)形或輻射。如果高壓電力線直接引入機房配電室，此時，從變壓器高壓側起的一段應采用高壓電力電纜進室，棱長度至少200m。架空高壓線與高壓電纜的接頭處，應加裝一組（每相一臺）氧化鋅高壓避雷器并且高壓電纜兩端金屬護層、鋼帶應分別妥善接地，在年雷暴日大于20日，大地電阻率高的地段，還應在電力電纜的上方，架設屏蔽線（排流線）。
2、 低壓線路保護
低壓線路可采用直埋式低壓電力電纜埋地引入機房，在機房入口處，應將電纜金屬外護層鋼帶直接與地網就近連通，電纜內芯線的兩端應分別對地加裝避雷器。
采用非金屬護套電力電纜，應將其穿金屬管后，埋地引入機房，若不能直接埋地，起碼金屬管的兩端，應分別接地網，金屬管的全長之內，電氣上應保持連續(xù)。
高壓、低壓線路上的避雷器和 線路與地的連接點，變壓器兩則避雷器連接點、接地點以及電纜的接地點，架空避雷線的接地，均應可靠的保持良好電氣連通，而且要牢靠，以防事故。據調查發(fā)現，一些機房配電室的變壓器公共接地端子松動，中性線接葉端子螺栓不緊，避雷器上、下引線端子、入地點連接處不牢等現象多處發(fā)生，多為施工中不按規(guī)程，維護不認真造成，應引起注意，切實發(fā)揮保護措施應有的作用。
3、 PSTN網的保護
從機房到當地郵電局PSTN電話線，如果采用架空線路，則易受到雷擊，應在進機房前改為埋地電纜，電纜長度應大于50m，其金屬外護層應在兩端分別與機房地網和市話機房地網連接，采用非金屬護套電纜時，應穿金屬管埋地，至少金屬管兩端同樣應接地，金屬管全長應保持電氣連接。
電纜的所有芯線，均應對地加裝避雷器，電纜中的空線對應接地。
4、 LL專線的保護
LL專線按防雷要求，全長應采用直接埋地式電纜，其金屬外護層應在兩 端分別接地。采用非金屬護套電纜時，應穿金屬管埋地，至少金屬管兩端同樣應接地。
5、 波導饋線防護
波導饋線的防護措施參看圖3所示。
微波天線的波導饋線或同軸電纜饋線的外導體，從機房出來經過走線架（過 橋）上塔至天線，這一 段至少要有三個點要可靠接地（或接鐵塔鋼梁），如圖3。首先在塔頂要有一點與鐵塔的鋼梁連接，作為一個接“地”點；在過橋向塔轉彎處的上方（即波導未彎曲部份）大約1m以內適當地點，與鐵塔梁可靠連接，最好是焊接（并應處理好焊接點的防腐防銹），有困難時，用螺栓連接，要注意連接緊密、牢固、電氣連通。在鐵塔過高時應在中間增加接地點。微波天線的同軸電纜接入室內放大器IDU之前，應經過高頻同軸電纜防雷器再接入IDU，防止雷電浪涌對IDU的損害。
6、 塔燈電源線防護
天線鐵塔上的航空障礙信號燈（簡稱塔燈）電源線的防護參看圖4所示。塔燈電源線應穿金屬管布放，金屬管全長應保持電氣上的連續(xù)。穿線金屬管在鐵塔頂端應與鐵塔鋼梁作可靠連接，其在機房入口側應與機房地網應近作可靠連接，盡可能焊接，并處理好焊接點防腐防銹。塔燈電源線，應在機房入口外側對地加裝避雷器后再進入機房。
塔燈電源線若不穿金屬管，則必須采用有金屬護套的電源線，其防護要求與前面所述相同。注意絕對不許只用普通（無金屬護層）電源線引接塔燈電源。
7、 其它進出纜線的防護
機房的其它進出線的防護與前面所列的5種進出線防護措施相仿，如移動通信天線 饋線，按要求將 其外導體兩端同時接地網，其芯線上安裝相應的保護器件。
三、機房內部防護
內部保護指對雷電等侵入的防護，其技術措施可分為屏蔽措施（含法拉第籠），均壓等電位措施和防閃絡措施三部份。依據標準除外部保護外，沿應參照IEC1312-1.2，分別簡敘如下：
1、屏蔽措施
屏蔽是利用各種金屬屏蔽體來阻擋和衰減施加在計算機等設備上的電磁干擾或過電壓能量。對計算機系統(tǒng)來說具體可分為建筑物屏蔽、設備屏蔽和各種線纜（包含管道）的屏蔽。建筑物的屏蔽可利用建筑物鋼筋、金屬構架、金屬門窗、地板等均相互焊（連）接在一起，形成一個法拉第籠，并與地網可靠的電氣連結，形成初級屏蔽網。設備的屏蔽應對計算機設備耐電壓水平調查的基礎上，按IEC劃分的防雷區(qū)（LPZ）施行多級屏蔽。屏蔽的效果首先取決于初級屏蔽網的衰減程度，其次取決于屏蔽層厚度（最好接近電磁波的波長），網孔密度（密度越大則可靠程度越高）屏蔽材料（低頻時采用高導磁材料，高頻時采用銅材，鉛材為宜）。在屏蔽中要特別注意對各種“洞”的密封，除門、窗外，重點對入戶的金屬管道、通信線路，電力線纜入口作好屏蔽，各種線纜均要
采取屏蔽措施，金屬絲紡織網、金屬軟導管、硬導管、棧橋均可用于屏蔽線纜。
在此強調二點注意事項。其一是屏蔽管線的接地，一般要求入戶線采用地下電纜入戶，其電纜金屬護層，在前后兩端做良好接地。測量結果表明，電線（纜）屏蔽層一端接地時可將高頻干擾電壓降低一個數量級，兩端接地時可降低兩個數量級。其二是使用金屬絲編制網屏蔽電纜，因其重量輕，使用方便而被廣泛應用，但是在電磁波頻率較高時，其波長接近編織層網孔尺寸時，波的透入增
加，因此，最好再穿一層金屬管。
2、等電位連接
在IEC標準中指出等電位連接是內部防雷措施的一部份，其目的在于減少雷電流所引起的電位差。等電位，是用連接導線或過電壓（電涌）保護器，將處在需要防雷的空間內的防雷裝置和建筑物的金屬構架、金屬裝置、外來導線、電氣裝置、電信裝置等連接起來，形成一個等電位連接網絡，以實現均壓等電位，防止需要防雷空間內的火災、爆炸、生命危險和設備損壞。
為實施等電位連接的浪涌保護器的安裝，IEC標準將需要保護的空間劃分為不同的防雷區(qū)（LPZ），以規(guī)定各部份空間不同的LEMP的嚴重程度和指明各區(qū)交界處等電位連接點的位置，如圖5所示。
以往有些教程和規(guī)范，要求電子設備單獨接地，此地被稱為直流工作地或信號地、邏輯地，它實質上是高頻信號的接地。單獨信號地的目的，是防止地網中雜散電流或暫態(tài)電流干擾設備的正常工作，有時也過分強調要求接地電阻的低值。在IEC標準和ITV相關標準中均不提單獨接地，美國標準IEEEstd1100-0992更尖銳的指出：不建議采用任何一種所謂分開的、獨立的、絕緣的、專用的、干凈的、靜止的、信號的、計算機的、電子的或其它這類不正確的大地接地體作為設備接地導體的
一個連接點。
3、防閃絡措施
在IEC電子標準術語中對反向閃絡定義為：“網絡（系統(tǒng)）中通常處于地電位的部份受到雷擊而引起的相對地的絕緣閃絡�！痹贗TUK.27“干擾的防護”中指出：在外部沖擊電源的的情況下，CBN（指接地體如引下線）中的電流往往較大，雷電引下線就是這樣。因此，最好避免將電纜布在裝有防雷裝置的建筑物，在防雷裝置與其它設施和建筑物內人員無法隔離的情況下，應采用等電位連接。
當利用建筑物的鋼筋或金屬結構作為引下線，同時建筑物的大部份鋼筋、鋼結構等金屬物與被利用部份連成整體，金屬物或線路與引下線之間的距離可不受限制。在K-27中也指出：當不可避免將電纜布設在建筑物四周時，需將電纜完全封閉在金屬管道中，同時采取等電位連接的辦法。
4、機房內用電設備過電壓防護
1、 引入大樓內的交流電力線宜采用地下電力電纜，其電纜金屬護套的兩端均應作良好的接地。
2、 交流工作供電變壓器高壓側，按供電局要求接高壓防雷器；低壓側，首先接大容通量過流型火花隙。變壓器的機殼、低壓側的交流零線，以及與變壓器相連的電力電纜的金屬外護層，應就近接地。
3、 配電屏引出的三根相線及零線，應接殘壓低、泄流量大的電源防雷器（40KA-120KA），屏蔽、內交流零線不作重復接地。大樓內所布放的交流供電流線路中的中性線（零線）匯集排，應與機架
正常不帶電金屬部份絕緣。
4、 機房為重點防護對象，電纜金屬護套在入室處應作保護接地時，還需在入室處應加裝防雷器，對機房內設備做雙重保護作用。電纜內的空線對亦應作保護接地。
5、 大樓內所有交直流用電及配電設備均應采取接地保護。交流保護接地線應從接地匯集線上專引，嚴禁采用中性線作為交流保護接地線。
6、 供電系統(tǒng)防雷配置圖如圖6所示。
信號系統(tǒng)的防護及其設備配置
隨著機房設備的高度集成化，用于系統(tǒng)的IBM主機及中型機的不斷增 多，計算機及控制單元與接口的連接，使得機房內具有大量的數據線、控制線路，由于它們傳輸的電平低、速率高，因此特別設計有效的保護系統(tǒng)是必要的。
① 專線上設備保護，可在專線引入端串入信號保護器alltec ATJ系列保護器。總配線架DIN型結構），以確保設備的安全。
② PSTN網上設備、Modem、Fax及電話等采用ATJ、或ASP等保護器。
③ 計算機網上保護器隨不同類型網絡結構有不同的保護產品：
同軸線纜保護器（具有BNC、N型；工作頻率0-0.5GHz）；10BaseT也可選用ACP。
四、防止SPG對DCG地電位反擊的措施
目前IEC標準及國際GB50057-94都推薦采用綜合地網,但是,某些單位及某些設備制造商仍在強調采用獨立的直流地網，據國際有關專空統(tǒng)計，微電子設備遭受雷電危害，大約有60%是不自地電位反擊.所以針對目前具體情況,提出以下防止SPG對DCG地電位反擊的措施。
假設大廈公用防雷地網SPG沖擊接地電阻值≤4Ω，一個中等（100KA）的直擊雷擊中大廈屋頂防雷針系統(tǒng)，100KA雷電浪涌電流通過避雷針、引下線（有可能是大廈結構鋼筋）、地網泄入大地，在地網接地電阻（4Ω）上形成瞬間電壓降4×100000=400KV，即40萬伏高壓。機房內微電子設備，正常不帶電的金屬外殼保護接地（SPG），此時電位為400KV，而微電子設備內部電路接直流地（DCG），其電位為0伏，微電子設備的內外電位差達400KV高壓，必毀無疑！而且是毀壞機房內一大批設備。
既要保持獨立設置的直流工作地網抗干擾的優(yōu)越性，又要防止大廈遭直擊雷時破壞性的地電位反擊，最合理的措施是在DCG入室C點，接一地網連結保護器SGP1（100KA或低壓電源避雷器DS98（200V），其接地點接到SPG系統(tǒng)的D點。在未遭直擊雷的絕大多數情況下，由于地網連結器的氣體放電路透社起隔離作用或DS98開路，SPG與DCG是兩套互相獨立的地網，直流地網可以照常發(fā)揮其抗干擾的優(yōu)越性；在遭直擊雷的特殊情況下，地網連結器中氣體放電管放電或DS98內部MOV元件導通（忽略殘壓），故相當于SPG與DCG構成瞬時等電位體，機房內所有微電子設備都可以避免地電位升高引起的損壞，詳見圖7。
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