办公大楼计算机网络综合防雷技术

1、办公大楼计算机网络综合防雷技术陈建军（南充市气象局，南充 637100）提 要随着计算机及计算机网络的日益普及，其遭受雷击的可能性也越来越大，雷击造成的后果也越来越严重，本文分析、阐述了计算机网络遭受雷击的多方原因，根据现代防雷新观念，总结了一套计算机网络系统综合防雷方案。关键词：计算机网络 综合防雷系统 避雷器（SPD） 引 言随着以集成电路为主要元件的计算机技术和网络技术的飞速发展，为各行各业创造了高速、方便、大容量的工作环境，但与此同时，计算机的核心部件都是大规模和超大规模集成电路等微电子器件，耐压低、灵敏度极高，与以往的电子设备相比较，其耐受过电压和过电流水平的能力却大大降低了；统计表

2、明，计算机系统设备的耐受能力已由电子管的0.110J（焦耳）降到10-810-6J，相差7个数量级，很小的电场或电磁场就极易使其遭受破坏，其更不用说蕴含着巨大的能量的雷电，它的静电感应、电磁效应、热效应、力学效应等对计算机网络均会造成不同程度的影响，还可能造成难以估计的经济损失；因此，设计一个行之有效的计算机网络综合防雷系统相当重要。计算机网络系统现代防雷新思路是从三维空间对网络系统形成立体保护，降低无论来自空间通道、天馈线路通道、信号线路通道或来自供电线路通道及接地线路通道侵入的雷电波，以确保设备和人员的防雷安全，我们称之为为综合防雷系统（见图 1）； 屏蔽（隔离）屏蔽接地装置安装浪涌保护器

3、合理布线等电位连接共用接地装置综合防雷系统外部防雷措施内部防雷措施接闪器引下线图1 计算机网络综合防雷系统综合防雷系统其总的原则是：综合治理、整体防御、多重保护、层层设防。计算机网络防雷系统可以说是“养兵千日，用兵一时”，在设计时应根据工程整体要求，结合环境因素、雷电活动规律、设备所在雷电防护区和系统对雷电电磁脉冲的抗干扰度、雷击事故受损程度以及系统设备的重要性等来采取相应的措施；坚持预防为主、安全第一的原则，进行全面规划，总体安排，做到安全可靠、技术先进、经济合理。1 计算机网络防雷系统级别划分在进行计算机网络系统防雷设计时，必须首先分析网络系统的防雷保护级别，弄清设备安装所在建筑物的直击雷

4、防护设施的基本情况以及网络设备重要程度，根据这些来确定缆线的分布，接地系统的形式和限压分流级数，以达到既经济又有效的防雷目的。11 雷电防护分区雷电防护区的划分是将需要保护的控制雷电电磁脉冲环境的建筑物，从外部到内部划分为不同的雷电防护区（LPZ）：直击雷非防护区、直击雷防护区、第一防护区、第二防护区、后续防护区。以上的排列顺序，是雷电电磁脉冲逐步减弱的顺序，也是保护级别从低到高的顺序，对于计算机及网络系统，应尽量布置在后续防护区或级别较高的区域，使其得到更好的防雷保护。12 信息系统雷击防护分级信息系统雷击防护分级，是根据信息系统的重要性和使用性质来确定的分级，以A级最高，B级次之。防雷等级

5、越高，则相应的防雷工程要求越高，所保护的场所也越重要；具体划分是依据公式：E=1Nc/N来求出E值：当E>0.98时， 定为A级；当0.90<E0.98时，定为B级；当0.8< E0.90 时，定为C级；当E0.80 时， 定为D级。其中Nc为因直击雷和雷击电磁脉冲引起信息系统设备损坏的可接受最大年平均雷击次数，N为建筑物及入户设施年预计雷击次数（次/a），其具体计算方法在GB 503432004建筑物电子信息系统防雷技术规范中已有详细说明。在计算机网络系统的防雷设计时，应按照上面的划分原则和计算公式，具体定出网络机房的雷击防护级别，合理部署具体防雷方案。2 计算机网络系统直

6、接雷防雷技术直击雷是指雷电直接击在建筑物构架、动植物上，因电效应、热效应和机械效应等造成建筑物等损坏以及人员的伤亡。计算机网络防雷的第一道防护措施是直接雷防护，根据法拉第笼防护原理，我们必须在建筑物修建时把直（侧）击雷防护设施纳入一体化施工范围，与建筑工程的土建部分同步进行，其目的是保护建筑物本身不受雷电损害以及尽最大可能去减弱雷击时对建筑物内的电磁效应，同时为建筑物内部设备的感应雷防护提供必要的基础条件。21 直接雷对计算机网络的危害当网络机房的防直接雷装置遭受雷击时，雷电流以1/201/2的光速流过避雷针、引下线、接地装置，在其周围空间形成一个变化的电磁场，在这一变化的电磁场中，被保护物作

7、切割磁力线运动，在电器接触不良和开口处，将产生巨大的感应电动势和引起电火花，以下面两种方式破坏网络设备：211 避雷装置反击过电压危害雷被吸到接闪器上，因千安/微妙级的高频雷电流流过避雷装置，造成接闪器和引下线的电位很高，引下线上任一点N的电位可用下式表示：UN=L0·H·（di/dt）+ir+iR；式中：L0：引下线单位长度电感； H：距接地体高度； di/dt：雷电流陡度； I：雷电流幅值； R：接地电阻； r：针、引下线电阻；当取L0=1.67h/m，i=100KA,H=10 m，di/dt=100KA/2.6s，R=10，r=0时，计算出UN=1642KA。由上可知

8、全部电压由两部分组成，一是雷电流瞬时值的电阻压降，另一部分是雷电流在电感上的压降，它与电流的陡度有关。为了防止反击的发生，一般应使避雷装置与建筑物金属体间隔一定距离，使它们之间间隙的闪络电压大于反击电压，同时限制避雷针的接地电阻R以避免强大的反击电压给设备造成危害。212 避雷装置感应过电压的危害雷击避雷装置时，在其附近有限长孤立导体P将有电磁感应过电压Uj，其值为：Uj=UN·C12/(C12+C22)；若导体P与地面垂直时，其上的感应过电压Uj可用下式计算：Uj=0.2·(ln(100/a)-1/2)·di/dt；当取a=5米，di/dt=100KA/2.6s

9、时，Uj=19.2KVbapC12C22cUciRrA 图2 雷电电磁感应过电压示意图同时，在其附近的开口处，将有电磁感应过电压Uci出现，其值为： Ucj=0.2·C·ln(a+b)/a) ·di/dt；当取a=b=1米，c=10米，di/dt=100KA/2.6s时，Ucj=53.3KV；因此，Uj, Ucj完全可使空气间隙击穿，从而使设备受到损坏。建筑物的接闪器引雷，其接地电阻尽管很小，但由于雷电流幅值大，变化率高，使雷电引导体电位骤升到上百千伏，当计算机系统的工作接地引下线与建筑物防雷接地引下线之间的绝缘距离未达安全要求时，造成引下线间放电，仍处于零电位的

10、计算机系统的接地引下线将引入反击电流而损坏。这就要求，在防雷实际工程中，应尽量减小接地电阻值，同时，让计算机网络系统远离防雷引下线，并要求：接地装置与被保护物有联系的金属物之间的距离Sd应满足关系式：Sd0.3R且Sd3m；R为接地电阻。实践证明有合理的避雷装置而被雷击蒙受损失的几率是很小的，要求特别严格的地方，可用低压避雷器，或特制的2mm空气保护间隙，这样放电电压可以低到2KV。22 计算机网络直接雷防雷措施首先是使用建筑物的避雷针或避雷网将主要的雷电流引人大地；其次是在将雷电流引人大地的时候尽量将雷电流分流，避免造成过电压危害设备；第三是利用建筑物中的金属部件以及钢筋可以作为不规则的法拉

11、第笼，起到一定的屏蔽作用；第四是建筑物各点的电位均衡，避免由于电位差危害设备；第五是保障建筑物有良好的接地，降低雷击建筑物时接点高电位损坏设备。23 截雷先锋避雷针防雷的第一道防线是设法拦截雷电，截雷或吸引闪电的装置采用避雷针。自从1752年富兰克林发明用避雷针引雷至今200多年来,避雷针、避雷带和笼式避雷网已成为规范化的、国内外普遍采用的主要防雷手段。避雷装置的接闪器高耸于被保护建筑物之上，将产生最强的向上迎面放电，它必最先与先导流注通道汇合，从而形成主放电，即所说的“捕获”了雷电，雷电流通过引下线和接地体安全地泄入大地。建筑物的钢筋混凝土结构组成的笼式避雷网，既起均压作用，又可在一定程度上

12、屏蔽雷电电磁脉冲辐射场，达到既保护建筑物，又减弱雷电电磁脉冲干扰能量的目的。24 计算机网络直接雷防雷注意事项机房的防雷保护接地是为了避免机房及其内部人员和设备遭受雷击，将雷电流引入地下而设计的一种接地，其接地电阻一般小于4；若采用联合地网，其阻值必须满足最小值的要求。接地是分流和排泄直接雷击和雷电电磁干扰能量的最有效的手段之一，没有接地装置或接地不良的避雷设施就成了引雷入室的隐患；因此，防雷接地的目的就是把雷电流通过低电阻的接地体向大地泄放，从而保护建筑物、人员和设备的安全。3 计算机网络感应雷防雷技术感应雷是雷电在雷云之间或雷云对地放电时，在附近的户外传输信号线路、埋地电力线、设备间连接线

13、产生电磁感应并侵入设备，使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害。感应雷虽然没有直接雷猛烈，但其发生的几率比直击雷高得多。31 感应雷对计算机网络的危害311 架空线路的雷电感应过电压的危害雷云在起电、移动和先导放电的过程中，对架空线会产生静电感应，使之产生异号静电位，一旦雷云对地放电导线中的束缚电荷成为自由电荷，以冲击波的形式对称的向线路两端移动，电荷移动所形成的电流I乘以导线的波阻Z，即为雷电感应电压。无屏蔽架空线路雷电感应过电压幅值，经理论分析和各种订正，有如下可做工程计算用公式：Ug=25·I·hd/S；式中：Ug为感应过电压幅值（kV）；I为雷电流幅值（kA）；h

14、d为导线离地面高度（m）；S为雷击点与导线的距离（m）。若取S=1000 m，I=50 kA，hd=4m，则Ug=5 kV。据南非邮电部C·F博伊斯电信系统的保护论文资料可知，即使雷云没有放电，仅在雷云起电和移动过程中，也能在绝缘良好的短电话线路上产生1020kV的感应过电压；相距大约为253000m的对地雷击，一般将在架空电话线上感应出高于1000V的过电压。上述分析表明，无论是计算公式中的感应电压Ug还是C·F博伊斯资料中感应过电压都将通过架空线路侵入机房内部，损坏网络设备的电子芯片，因此，计算机网络系统中尽量避免采用架空线，若采用架空线应增设防雷电波入侵的保护装置，以

15、保证网络设备的安全。312 地下电缆的雷电过电压的危害地下电缆的雷电感应过电压与入地雷电流幅值、雷击土壤电阻率、电缆与雷击点的距离、电缆掩埋深度、电缆屏蔽和接地状况等因素有关。国内外实验表明，若有5 kA雷电流流入接地网，在其附近510m远的无屏蔽电缆上将感应57.5kV的过电压；但电缆有金属外套，并且两端作良好接地，则感应电压幅值将降至250750V。当雷电流I流入大地向各个方向传播时，在半径为R的半球上的电流密度为：=I（2··R2）；如果电缆防护层的击穿电压为Uc，电缆防护层发生击穿的危险区域为：rc=I·（2··Uc），若取入地雷电流幅

16、值为20kA，电缆防护层的击穿电压Uc为100kV，土壤电阻率为100·m时的危险半径为3.2m，土壤电阻率为1000·m时的危险半径为31.8m，由上分析可知：网络系统地下电缆应采用屏蔽电缆，远离防直接雷装置的接地地网且尽量将电缆埋于土壤电阻率较大的土壤中。上述分析还表明，埋地线缆只要两端良好接地，其所受的雷电感应过电压比架空线路要小得多，如果土壤电阻率较小，则埋地线缆的危险半径可达到几十米，雷电过电压也可降到几百伏左右，这远远低于埋地电缆的击穿电压，使其免受雷电过电压危害。因此：计算机网络机房的信号引入线，最好都采用埋地光纤引入。32 计算机网络感应雷防雷措施感应雷侵入

17、机房及计算机网络系统的途径主要有三方面：于交流380V、220V的电源线进入、信号传输通道引入、地电位反击等。因此，计算机网络感应雷防雷措施应从单纯的一维防护转为三维防护，主要是针对网络中的电源线路、信号线路、管线等雷电波侵入通道，采取避雷器、屏蔽、等电位连接、良好接地、合理布线等措施来防止感应雷的危害。321 安装浪涌保护器防止过电压危害3211 浪涌保护器概述浪涌保护器又称SPD。目前国内低压配电系统中所使用的浪涌保护器大多为金属氧化物避雷器（metal oxide surge arrester,MOA）。避雷器防雷是为了保护设备不受感应雷和雷电波入侵的损害，其防雷原理是：避雷器对过电压响

18、应时间非常快，通流能力也很高，它必须与被保护设备并联，避雷器的间隙击穿电压比被保护设备绝缘击穿电压低。正常工作电压时，避雷器间隙不会被击穿，当雷电波沿导线传来，出现危及被保护设备的过电压时，它在最短时间（纳秒级）内将被保护线路连入等电位系统中，同时避雷器间隙很快被击穿，对地放电，使大量的电荷都泄入地中，降低设备各接口端的电位差，将侵入设备内的过电压限制在安全的、设备能够承受的绝缘范围之内，从而保护线路上用户的设备。过电压过去以后，间隙能迅速恢复灭弧，使被保护设备工作正常或者是采用大面积无源波导元件，让有用信号与雷电波信号分开，使其顺利进入接受装置。被保护设 备接地避雷器线路图3 避雷器安装示意

19、图3212 浪涌保护器的设置技术浪涌保护器对雷电流的响应时间应为纳秒(ns)级，标称放电电流应大于或等于0.5kA，并应满足线路传输速率及带宽要求。浪涌保护器的设置位置和设置级数应根据被保护设备的抗扰度和雷电防护分级确定，达到既经济又实效的目的。其设置时应注意两个技术要点：设置级数和设置位置。浪涌保护器的设置级数：  1、A级防护系统宜采用2级或3级信号浪涌保护器；  2、B级防护系统宜采用2级信号浪涌保护器；  3、C、D级防护系统宜采用1级或2级信号浪涌保护器。浪涌保护器的设置位置：1、各级浪涌保护器宜分别安装在直击雷非防护区(L

20、PZ0A)或直击雷防护区(LPZ0B)与第一防护区(LPZ1)及第一防护区(LPZ1)与第二防护区(LPZ2)的交界处。2、计算机设备的输入输出端口处，应安装适配的计算机信号浪涌保护器。3、程控数字用户交换机及其他通信设备信号线路，应根据总配线架所连接的中继线及用户线性质，选用适配的信号线路浪涌保护器。4、 电子信息系统设备机房的信号线缆内芯线相应端口，应安装适配的信号线路浪涌保护器，浪涌保护器的接地端及电缆内芯的空线对应接地。3213 浪涌保护器的选择技术在选择电源避雷器时，主要是看其雷电通流量大小、启动电压等，结合使用的电路电压（380V/220V）做出具体选择（见表），信号避雷

21、器的选择，应根据线路的工作频率、传输介质、传输速率、传输带宽、工作电压、接口形式、特性阻抗等参数，选用电压驻波比和插入损耗小的适配的浪涌保护器。浪涌保护器应有过电流保护装置，并宜有劣化显示功能，入户电力变压器低压侧安装的SPD作为第一级保护时应为三相电压开关型SPD，其雷电通流量不应低于60KA；分配电柜线路输出端SPD作为第二级保护时应为限压型SPD，其雷电通流量不应低于20KA；在电子信息设备交流电源进线端安装SPD作为第三级保护时应为串接式限压型SPD，其雷电通流量不应低于10KA。以下分别列出电源避雷器和信号避雷器的技术参数表，供参考。表1 电源避雷器技术参数表等级雷电通流量启动电压对

22、地电流残压接地电阻一级60kA800V30A1000V10二级20kA630V30A1000V10三级20kA560V30A1000V10表2 信号避雷器技术参数表类型启动电压雷电通流量(kA)特性阻抗（）工作频率(MHz)传输速度插入损耗（dB）接地阻抗程控电话线1.5Vp0.2600050.34数据专线1.5Vp0.2600050.34电话专线1.5Vp0.5600059600bps0.34传真专线1.5Vp0.5600059600bps0.34局域网粗缆20240.5501.510mbps0.31局域网细缆20240.5501.510mbps0.31广域网数据专线1.6Vp0.26005

23、9600bps0.31注：表中Vp为保护线路信号线路峰值。3214 浪涌保护器的安装细则1、浪涌保护器连接导线应平直，其长度不宜大于0.5m。2、当电压开关型浪涌保护器至限压型浪涌保护器之间的线路长度小于l0m、限压型浪涌保护器之间的线路长度小于5m时，在两级浪涌保护器之同应加装退耦装置。3、电源线路的各级浪涌保护器（SPD）应分别安装在被保护设备电源线路的前端，浪涌保护器各接线端应分别与配电箱内线路的同名端相线连接。4、浪涌保护器的接地端与配电箱的保护接地线（PE）接地端子板连接，配电箱接地端子板应与所处防雷区的等电位接地端子板连接。5、信号线路浪涌保护器SPD应连接在被保护设备的信号端口上

24、。322 计算机网络系统供电原则计算机网络系统设备交流供电系统应采用TN-S或TN-C-S系统供电；电子信息系统设备由TN交流配电系统供电时，配电线路必须采用TNS系统的接地方式。计算机网络系统主机由UPS供电，UPS经过过电压防护插座插入电源插座；如果电源直接取自市电插座，则也必须经过过电压防护插座插入市电电源插座。主机及服务器的输出接口经过信号防雷器再与网络连接，如需集中监控，监控器电源进线也需经过过电压防护插座再插入电源插座，控制信号线经过信号防雷器再与网络连接。323 计算机网络系统布线原则接地线的敷设应平直、整齐。计算机网络机房系统线缆主干线的金属线槽宜敷设在电气竖井内，布置信号线缆

25、的路由走向时，应尽量减少由线缆自身形成的感应环路面积。信号线缆与防雷引下线的最小平行净距应达到1000mm，最小交叉净距应达到300mm，与配电箱的最小间距应达到1米。系统户外的交流供电线路、视频信号线路、控制信号线路应有金属屏蔽层并穿钢管埋地敷设，屏蔽层及钢管两端应接地，电源线应尽可能远离信号线，并避免并排敷设，否则，应采取屏蔽措施。进、出建筑物的信号线缆，宜选用有金属屏蔽层的电缆，并宜埋地敷设。从表2可看出，进入计算机网络机房的线路尽量不用架空线路，经济许可时，最好采用光纤电缆引入机房，这样，可大大降低线路的截收面积。表3 进、出计算机网络机房的电源线路的入户设施截收面积线路类型有效截收面

26、积Ae（单位：10-6km2）无金属铠装的光纤电缆0低压架空电源电缆2000·L低压埋地电缆2·ds·L架空信号线2000·L埋地信号线2·ds·L注：（1） L是考虑线路从建筑物到网络的第一个分支点或相邻建筑物的长度。（2） Ds数值上等于土壤电阻率（欧·米），最大为500。324 等电位连接技术等电位连接就是把导体作良好的导电性连接，使它们达到电位相等，为雷电流提供低阻抗的连续通道，以便使它迅速导入大地泄流。根据我国及国际有关规范规定，机房所在的整个楼房建筑体的接地应按均压等电位原则设计，即采用联合接地方式，机房为防止地

27、电位反击，其接地电阻不应大于4。计算机网络内设备为什么要作等电位连接呢?一是由于雷电流导引体一般都具有电阻和电感,当雷电流I流过它时,其上产生的电位降U直接由UN=L0·H·（di/dt）+(ir+iR)计算,此式由两项组成：雷电流瞬时值的电阻压降和雷电流变化引起的电感压降。当避雷针接闪时，邻近物体，如金属水管、电线、电气设备等与引下线之间的绝缘距离不够时，就会在最近距离处发生反击，灾害随之发生。二是雷电放电时，电磁辐射将在附近导体回路上产生很高的感应电压，此电压在导体开环处引起空气击穿放电。为此，必须对所有金属构件作等电位连接，以消除发生闪击的隐患。325 计算机系统接地

28、技术在计算机网络系统中，为了保证其稳定可靠地工作、防止寄生电容耦合的干扰、保护计算机网络设备及人身安全，解决环境电磁干扰及静电危害，都必须有一个良好的接地系统。在计算机网络系统中，各种功能的接地有多种，根据其功能特点，可划分为三大类，如下表所示：表4 计算机网络设备接地种类计算机系统的接地种类一、计算机系统的接地计算机设备接地安全性接地保护接地保护接零直流地交流工作地计算机场地接地静电接地屏蔽接地二、辅助电气设备接地安全性接地保护接地保护接零交流工作地屏蔽接地防雷保护地三、建筑物接地在实际工作中，并非所有的计算机网络系统都全部具备上述接地要求，应根据网络设备的工作性质和实际情况进行设计，一般应

29、具有安全性接地、直流地、交流工作地、静电接地和屏蔽接地。下面简单谈一下计算机设备安全性接地和机房静电接地及屏蔽接地。3251 计算机网络设备安全性接地设备安全性接地包括保护接地和保护接零，保护接地就是为了防止电力设备的金属外壳由于进线电源绝缘层被损坏，有可能带上危险相电压而将设备金属外壳接地，其电阻要求4。保护接零就是把大地作为电位的基准，或零电位，电子设备和电子仪器外壳及其它导体通过接地与大地保持等电位。安全性接地的优点其一是当计算机系统发生故障时，为故障电流提供低阻抗的通路。其二是当直接雷或雷电电磁脉冲引起的感应过电压侵入计算机系统时，造成设备对地的极高电位，人体的任何部位一旦接触此高电位

30、，危险会随之发生，设备接地可使雷电流迅速疏导入地，减少甚至避免人身伤害。3252 计算机网络机房静电接地计算机网络机房静电接地，是为了消除计算机网络系统运行过程中产生的静电电荷而设计的一种接地系统。主要由防静电活动地板、引下线和接地装置组成，要求其静电接地电阻4。3253 计算机网络机房屏蔽接地计算机网络机房屏蔽接地，是为了防止外来电磁波干扰网络机房内的设备，以及防止网络机房内部设备产生的电磁辐射传出机房而失密的特殊接地。根据屏蔽接地的原理不同，屏蔽接地可分为三类：静电屏蔽接地、磁屏蔽接地、电磁屏蔽接地。磁屏蔽接地主要用于低频，电磁屏蔽接地主要用于高频，静电屏蔽接地主要是防止静电耦合干扰，其目

31、的是消除两个电路之间由于分布电容的耦合产生的干扰。利用低阻抗金属材料使网络机房内部的电力线传不到外部，而外部的电力线也影响不到网络机房内部的一种屏蔽接地。网络机房屏蔽层的接地必须采取一点接地，若采取多点接地时，就会在点与点之间存在电位差，使屏蔽层上产生电流，从而使网络机房屏蔽层内外形成干扰电场，因此，网络机房屏蔽层必须采取一点接地技术。326 计算机网络线缆的屏蔽表5 线路雷电感应过电压表类型感应过电压（V）类型感应过电压（V）无屏蔽架空线1000020000屏蔽地下电缆10002000屏蔽架空线10002000电话线20005000无屏蔽地下电缆1000020000音频电缆20005000分析表5所列屏蔽线和非屏蔽线的雷电感应过电压数据，我们可以得出：需要保护的信号线缆，应采用屏蔽线缆，其所受雷电感应过电压的值只有非屏蔽线缆的十分之一。在采用非屏蔽线缆时，光缆的所有金属接头、金属挡潮层、金属加强芯等，应在入户处直接接地；线缆应敷设在金属管道内并埋地引入，金属管应电气导通，并应在雷电防护区交界处做等电位连接并接地，其埋地长度应符合下列表达式要求，但不应小于15米：埋地长度：L2, 埋地电缆处的土壤电阻率。33 计算机网络感应雷防雷注意事项331需要保护的计算机信息系统必须采取等电位连接与接地保护措施。332防雷接