防雷電入侵計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)的各種途徑
1．1雷電遠(yuǎn)點(diǎn)襲擊電力線：
我國(guó)電力線輸電方式是由發(fā)電廠通過(guò)升壓變壓器升壓后，輸電至低壓變壓器，經(jīng)低壓變壓器的輸出給用戶。由于我國(guó)的電壓基本波形是每秒50Hz的正弦波形曲線，在電力線上形成每秒50次的交變磁場(chǎng)。如遇雷害發(fā)生時(shí)，在雷電未擊穿大氣時(shí)，將呈現(xiàn)出高壓電場(chǎng)形式。根據(jù)電學(xué)基本原理，磁場(chǎng)與電場(chǎng)之間是相互共存可逆變化的，那么，雷擊高壓電場(chǎng)通過(guò)靜電吸收原理，向大地方向運(yùn)動(dòng)。假設(shè)電力線桿有5米高，那么在相對(duì)濕度25％時(shí)，要擊穿5米空氣，需要15×106V雷擊高壓（3000V/mm）。如果在相對(duì)濕度95％時(shí)（下雨時(shí)），擊穿5米空氣需要5×106V雷擊高壓（1000V/mm）。電力線上的交變磁場(chǎng)對(duì)雷云的吸引小于大地的靜電吸引。如果，雷云擊穿5米空氣入地，需要很高的電壓，雷電首先擊在電力線上，并從電力線的負(fù)載保護(hù)地線入地釋放，這樣就擊穿了設(shè)備。在高壓線上的表現(xiàn)為擊穿變壓器的絕緣，在變壓器低壓端與負(fù)載的連線上遭雷擊，損失的是用電器。由于變壓器低壓輸出端是三條相線，做一條地線，當(dāng)作零地合一線，變成三相四線制零地合一方式給用電器供電，雷電擊在火線與大地放電，就等于火線與零線放電通過(guò)電力線直接擊穿用電器的電子元件。一般電子設(shè)備線與外殼的耐壓為每分鐘VAC1500V，火線與零線耐壓為工業(yè)級(jí)Vdc550－650V，這么低的耐壓一旦遭受遠(yuǎn)點(diǎn)雷擊，必將擊壞用電器。為此，在選擇防雷器時(shí)，首先考慮遠(yuǎn)點(diǎn)雷擊。
1．2雷電近點(diǎn)電力線的侵入：
所謂雷電近點(diǎn)襲擊電力線，實(shí)際上是雷電襲擊用電器所在的建筑物避雷針，從而引起的雷電電磁脈沖的保護(hù)問(wèn)題。雷電打在建筑物避雷裝置上，按照GB50057－94《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，定義大樓接閃電能力為波形10 350 S三角波，雷擊電流為150KA。避雷針引下線由于線路電感的作用，IEC1312定義最多只能將50％的電流引入大地。100余米高的大樓它的引下線電感為155 H左右（1.55 H/米），IEC1312定義電感大于37.5 H，則發(fā)生測(cè)閃雷擊，也就是說(shuō)，10 350 S直擊雷引下線只能引下50%的電流，余下的電流將通過(guò)電力線屏蔽槽、水管、暖氣管、金屬門窗等與地面有連接的金屬物質(zhì)聯(lián)合引雷，但也只引下少部分雷電流，余下總電流的25％在大樓流竄至UPS輸入輸出負(fù)載的電源線、局域網(wǎng)線等，擊穿小型機(jī)局域網(wǎng)端，最終由邏輯地線處下泄入地。對(duì)設(shè)備而言，部分雷電流將由UPS輸入電源線對(duì)交流地線進(jìn)行L－PE、N－PE泄放，UPS輸出L－PE′（邏輯地〕、N－PE′泄放，小型機(jī)L－PE′ N-PE′泄放，局域網(wǎng)線對(duì)邏輯地線等進(jìn)行泄放。最終結(jié)果，將擊穿UPS輸出對(duì)地線和輸入對(duì)地線端、小型機(jī)電源對(duì)邏輯地線、網(wǎng)口對(duì)邏輯地線。為此，必須對(duì)UPS輸入輸出火線零線對(duì)交流地和直流邏輯地進(jìn)行保護(hù)，必須對(duì)小型機(jī)、服務(wù)器及其它重要終端進(jìn)行等電位保護(hù)，對(duì)網(wǎng)口進(jìn)行保護(hù)，只有堵死一切雷電導(dǎo)入的端口，才能有效的保護(hù)設(shè)備免受雷電的侵害。
1．3錯(cuò)相位雷害
美國(guó)空軍電磁兼容手冊(cè)中，描述雷電發(fā)生時(shí)用肉眼可識(shí)別閃電為一組雷擊，每次不少于26個(gè)雷，它有大小和發(fā)生先后的區(qū)別，如果一個(gè)高能量雷打在一條火線上，而另一個(gè)低能量雷打在另一條火線上，線線之間就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓差，侵入設(shè)備。這種侵害設(shè)備的現(xiàn)象，稱錯(cuò)相位雷擊，又稱雷電的二次破壞，對(duì)三相UPS而言，它的輸入和輸出端，應(yīng)安裝線與線之間的保護(hù)，才能更全面更立體的保護(hù)電子設(shè)備。
小結(jié)：堵死雷電由電力線入侵電子設(shè)備，應(yīng)該從遠(yuǎn)點(diǎn)雷擊、近點(diǎn)雷擊和錯(cuò)相位雷擊三種雷擊現(xiàn)象入手，實(shí)施全方位的保護(hù)，才能在發(fā)生雷擊時(shí)，有效的保護(hù)設(shè)備。
2）雷電作用下，建筑物內(nèi)感應(yīng)雷害
雷電擊在建筑物避雷針上，由避雷針通過(guò)引下線，將雷電流泄放大地，引下線自上而下產(chǎn)生一個(gè)變化旋轉(zhuǎn)快速運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)，建筑物內(nèi)的電源線、網(wǎng)絡(luò)線等相對(duì)切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)高壓并沿線路傳輸擊毀設(shè)備。
假設(shè)一機(jī)房的大樓避雷針引下線或大樓主鋼筋距主機(jī)房10米，假設(shè)機(jī)房為7 7m2。 di=75KA dt=10 S
則感應(yīng)高壓U＝2 10－7 7 Ln
＝52500V
由此可知由雷電產(chǎn)生的感應(yīng)電壓無(wú)孔不入，它可以危及機(jī)房?jī)?nèi)所有的用電器，在上海一座郵電智能大廈一次雷擊，4臺(tái)服務(wù)器遭受雷擊，80多條廣域網(wǎng)絡(luò)線端口及4臺(tái)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的RJ45端口全部損壞；廣東省1996年計(jì)算機(jī)系統(tǒng)遭受雷擊損失五億元人民幣。感應(yīng)雷的能量雖小，但電壓較高。所以，對(duì)感應(yīng)雷害的防護(hù)，應(yīng)該是全面的防護(hù)，但防護(hù)的級(jí)別可以低一些。
3）、雷電作用下的網(wǎng)絡(luò)雷害
3.1、廣域網(wǎng)絡(luò)
一般講，廣域網(wǎng)絡(luò)通常不遭受直擊雷的破壞，1mm2的銅線遭受10KA的雷電襲擊，它自身就斷了。所以，廣域網(wǎng)的雷害主要是感應(yīng)雷害，擊穿方式為線對(duì)線和線對(duì)機(jī)殼（地），在GA173-1998《計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)防雷保安器》標(biāo)準(zhǔn)中，廣域網(wǎng)保護(hù)的最大雷電流為5KA，連接廣域網(wǎng)一般有以下幾類，一類是DDN租用專線，一類是ISD專線，一類是幀中繼以及微波通訊方式。對(duì)于專線的接收端口，它的耐壓應(yīng)為5倍工作電壓，即Vdc25V，傳輸速率小于等于2M，插入保安器，使之在雷電作用下，短路保護(hù)5KA電流，而端口殘壓小于25V；而對(duì)于話線備份來(lái)說(shuō)，它的工作電壓為48V加93 V振鈴電壓共計(jì)175V，插入保安器，保安器的啟動(dòng)電壓來(lái)說(shuō)，它的工作電壓為48V加93 V振鈴電壓共計(jì)175V，插入保安器，保安器的啟動(dòng)電壓。
3.2局域網(wǎng)
在局域網(wǎng)的傳輸電纜中，常常采用UTP電纜，UTP電纜的4對(duì)線中兩對(duì)線（1-2，3-6線對(duì)）一對(duì)線接收一線發(fā)送，采用RJ45接口方式。既然局域網(wǎng)電纜采用RJ45型是一收一發(fā)，那么，就應(yīng)按兩對(duì)線進(jìn)行雷電保護(hù)。
我們做過(guò)一次試驗(yàn)，在一條連接服務(wù)器的網(wǎng)線旁邊，約距網(wǎng)線0.5米處，采用雷擊發(fā)生器對(duì)網(wǎng)線0.5米處一條金屬線發(fā)射雷電流。由小到大，發(fā)射電流為10KA，周邊磁場(chǎng)污染了網(wǎng)線，瞬間服務(wù)器端口、芯片被擊穿，這時(shí)，示波器記憶感應(yīng)高壓為100V。
在機(jī)房的綜合布線中，施工人員為了布線工程的美觀漂亮，把很多網(wǎng)線放在墻壁內(nèi)，沒有考慮對(duì)UTP電纜的屏蔽處理，一旦大樓某些鋼筋泄放雷擊電流都將引起感應(yīng)高壓，從而擊毀設(shè)備。
另外，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由于雷電引起的電磁脈沖，在機(jī)房?jī)?nèi)產(chǎn)生3Gs的變化電磁場(chǎng)，必然引起網(wǎng)卡端口芯片的燒毀。
3.3綜合布線
從防雷角度上考慮，布線一定要明確表示：
3.3.1電源線不要與網(wǎng)絡(luò)線同槽架設(shè)，數(shù)據(jù)插座與電源插座保持一定距離；
3.3.2廣域網(wǎng)線纜不要與局域網(wǎng)線纜同槽架設(shè)；
3.3.3網(wǎng)線與墻壁布置時(shí)，有條件應(yīng)遠(yuǎn)距離安裝；
3.3.4屏蔽槽有厚度要求，并要求兩點(diǎn)接地；
4）雷電作用下的二次效應(yīng) ------- 雷電高壓反擊雷
雷電襲擊建筑物避雷針，由引下線將雷電流引入大地，由于大地電阻的存在，雷電電荷不能快速全部的與大地負(fù)電荷中和，必然引起局部地電位升高，交流配電地和直流邏輯地將這種高電位引入機(jī)房，UPS輸出、輸入端被擊穿，小型機(jī)及其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接斷口被擊穿。這種反擊電壓少則數(shù)千伏，多則數(shù)萬(wàn)伏，直接燒壞用電器的絕緣部分。
5）由雷擊引起的人身安全問(wèn)題
雷電泄放大地，由于地電阻較大，不能馬上泄放，從而引起地電位升高，由于機(jī)房直流邏輯地線和交流配電保護(hù)地線不在一點(diǎn)入地，將兩個(gè)電位值引入機(jī)房，這時(shí)，一個(gè)操作人員的一只手摸在UPS輸出負(fù)載外殼上（如小型機(jī)），而另一只手（或身體）摸在交流配電地線上（如空調(diào)），兩個(gè)電位值將通過(guò)操作人員的身體短路，造成操作人員傷亡。美國(guó)1996年為此而死亡198人，廣東省1997年在報(bào)導(dǎo)雷擊死亡的170人中，有相當(dāng)一部分是為此而傷亡的。所以防雷保護(hù)設(shè)備的確很重要，但是保護(hù)人身安全更重要。
在通過(guò)具體分析了雷害入侵計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)的各種途徑后，我們得出的結(jié)論是：防雷保護(hù)設(shè)計(jì)工作不是簡(jiǎn)單的避雷設(shè)施的安裝和堆砌，而是一項(xiàng)要求高、難度大的系統(tǒng)工程，涉及多方面的因素。為此我們的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想的主旨是，本?quot;經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、高標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)要求、高起點(diǎn)、高可靠性"的原則，在遵照?qǐng)?zhí)行國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)家有關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，還參考和引入IEC國(guó)際電工委員會(huì)的有關(guān)防雷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，以期達(dá)到更好的防護(hù)效果。
防雷電入侵計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)的各種途徑