計算機信息系統(tǒng)雷電防護技術(shù)探討

張宏

［摘 要］現(xiàn)代信息技術(shù)的普及程度越來越高，其發(fā)展優(yōu)勢逐漸凸顯。為了更好地滿足人們的實際使用需求，計算機信息系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴大，為經(jīng)濟建設(shè)等領(lǐng)域的發(fā)展提供了強有力的支持。然而，計算機信息系統(tǒng)在實際運行期間，由于受到雷電影響，運行穩(wěn)定性、安全性大幅度下降。從實際情況來看，每年因雷擊造成的系統(tǒng)損毀事故時有發(fā)生?；诖耍恼聫睦纂娙肭钟嬎銠C信息系統(tǒng)的途徑入手，結(jié)合計算機信息系統(tǒng)的防雷工程要求，具體分析各項雷電防護技術(shù)的應(yīng)用策略。

［關(guān)鍵詞］計算機；信息系統(tǒng)；雷電；防護技術(shù)

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2023.16.058

［中圖分類號］TM862［文獻標識碼］A［文章編號］1673-0194（2023）16-0183-03

0? ? ?引 言

計算機信息系統(tǒng)在社會生活中都得到了廣泛應(yīng)用，并且顯著提升了各項工作的質(zhì)量及效率，因此提升計算機信息系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、保證系統(tǒng)安全具有重要的現(xiàn)實意義。然而，由于連接計算機信息系統(tǒng)的有關(guān)設(shè)備，其電磁兼容能力較低，一旦遭到雷擊，會因無法承受瞬間過電壓、過電流導(dǎo)致計算機短路，進而造成系統(tǒng)損壞。為有效應(yīng)對此種狀況，切實提升計算機信息系統(tǒng)的使用及運行的安全系數(shù)，有必要對雷電入侵的具體形式展開剖析，以此為導(dǎo)向探索適宜的雷電防護技術(shù)。

1? ? ?計算機信息系統(tǒng)概述與雷電防護必要性

1.1? ?計算機信息系統(tǒng)概述

計算機信息系統(tǒng)由計算機及其相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備等基本構(gòu)成要素組成，其實質(zhì)是一種基于特定應(yīng)用需要的人機系統(tǒng)（采集、處理、保存、發(fā)送、檢索）。事實上，計算機信息系統(tǒng)既可以被視為計算機與外圍設(shè)備所構(gòu)成的單機系統(tǒng)，也可以被視為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，諸如日常人們應(yīng)用到的互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)等，都屬于公共信息系統(tǒng)［1］。計算機信息系統(tǒng)作為現(xiàn)代計算機技術(shù)與通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，主要是以通信設(shè)備為載體，以通信線路為核心，將分布在各個區(qū)域的若干計算機系統(tǒng)關(guān)聯(lián)起來，依靠網(wǎng)絡(luò)軟件的驅(qū)動，實現(xiàn)各個系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，以及信息的實時共享。

1.2? ?雷電防護的必要性

計算機信息系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、通信設(shè)備緊密關(guān)聯(lián)，而且這些系統(tǒng)越來越廣泛地應(yīng)用在各個領(lǐng)域，無論在工業(yè)、商業(yè)還是事業(yè)單位，均可以看到計算機信息系統(tǒng)的身影，使用者通常需要依靠該系統(tǒng)處理信息、資料，而系統(tǒng)自身也會自動采集數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行深度挖掘與加工，以此來為生產(chǎn)、經(jīng)營、決策提供強有力的數(shù)據(jù)支撐。不僅如此，與國家安全、國防軍工、國民經(jīng)濟建設(shè)相關(guān)的重要數(shù)據(jù)信息也儲存在計算機信息系統(tǒng)內(nèi)部，可以說它已經(jīng)成為信息資源的儲存庫［2］。因此，計算機信息系統(tǒng)在任何時候出現(xiàn)故障，都會給使用者帶來巨大的損失。雷電帶有強烈的電磁輻射干擾，會嚴重影響計算機信息系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、可靠性、安全性，輕則造成短路，重則直接導(dǎo)致系統(tǒng)燃燒、爆炸，類似的雷災(zāi)事故更是不勝枚舉。

2? ? ?雷電入侵計算機信息系統(tǒng)途徑

2.1? ?由交流電源供電線路入侵

計算機信息系統(tǒng)的供電，通常都是從室外電力線路輸入到室內(nèi)。架空線路遭到直擊雷、感應(yīng)雷襲擊的概率較高，高壓線路在遭受雷擊的情況下，會通過變壓器耦合到380 V低壓側(cè)，從而對計算機信息系統(tǒng)的供電設(shè)備造成干擾［3］。低壓線路也容易感應(yīng)到雷電過電壓，如果電源線電壓為220 V，那么從中產(chǎn)生的雷電過電壓將達到10 000 V以上，這對計算機信息系統(tǒng)造成的損害可想而知。

2.2? ?由計算機通信線路入侵

通常情況下，雷電入侵通信線路的原因有以下幾種：其一，地面有明顯的突起物，在受到雷電沖擊后，強雷電壓將該突起物周圍的土壤擊穿，雷電流進入并穿透電纜的外層，使高壓進入到線路內(nèi)；其二，當雷云在地表釋放電流時，導(dǎo)線會產(chǎn)生上千伏特的過電壓，破壞導(dǎo)線附近的電力設(shè)備，并通過導(dǎo)線直接侵入通信線路內(nèi)，這樣的侵入形式不僅危害性大，影響范圍也很廣；其三，在一根多芯電纜與多條電纜平行鋪設(shè)的情況下，一旦其中一根電纜遭受雷擊，勢必會影響到鄰近的電纜，從而損害電子設(shè)備。

2.3? ?地電位反擊電壓通過接地體入侵

由雷擊所帶來的雷電流，通過引下線與接地體，瞬間在大地中蔓延開來，在接地體的周圍，呈現(xiàn)出一種徑向的電位分布，若是有一些電子設(shè)備與接地體相距不遠，就會形成高壓地電位反擊，所產(chǎn)生的電壓會達到上萬伏特［4］。此外，多數(shù)建筑所安裝的避雷器，會將雷電流通過引下線引入地面，此時會導(dǎo)致周圍空間電磁場發(fā)生巨大變化，使得相鄰導(dǎo)線上產(chǎn)生雷電過電壓，直接干擾計算機信息系統(tǒng)。

3? ? ?計算機信息系統(tǒng)防雷工程的相關(guān)要求

計算機信息系統(tǒng)的防雷接地設(shè)計應(yīng)以以下標準作為依據(jù)：必須在保障人身安全和計算機信息系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行的基礎(chǔ)上，符合我國現(xiàn)行的《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》中的要求。

第一，保護接地與功能接地應(yīng)該合用一套，并以它們中的最小為原則來決定其接地電阻值。第二，對功能接地有特別要求的，需另設(shè)接地線時，必須與其他接地線隔離，配電線和地線應(yīng)采用同一線路鋪設(shè)。第三，計算機機房內(nèi)全部設(shè)備的金屬外殼、金屬管道、金屬線槽以及建筑物金屬結(jié)構(gòu)，都需要等電位連接和接地。第四，基于電子信息設(shè)備容易受到干擾的頻率，以及數(shù)據(jù)中心的級別與規(guī)模，等電位的連接形式可以是S型、M型或 SM混合型［5］。第五，在使用M型或 SM混合型等電位連接方式時，計算機信息系統(tǒng)的主機房應(yīng)該建立等電位連接網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)格的周圍設(shè)置等電位連接帶，并且利用等電位連接導(dǎo)體，將等電位連接帶與接地匯流線、各類金屬管道、金屬線槽、建筑物金屬結(jié)構(gòu)等相連接。各電子信息裝置（箱體）均應(yīng)有兩條距離較近的等勢連接導(dǎo)線，并將其與相鄰的等勢連接在一起。第六，等電位連接網(wǎng)格所使用的銅帶、裸銅線，其截面積需要達到25 mm2以上，并且在防靜電活動地板下連接成0.6 m～3 m的矩形網(wǎng)格。第七，在電源、信號設(shè)備附近應(yīng)配備適當?shù)睦擞勘Ｗo裝置，并進行接地處理。

4? ? ?計算機信息系統(tǒng)雷電防護技術(shù)的實踐應(yīng)用

4.1? ?直擊雷防護技術(shù)

直擊雷防護系統(tǒng)主要由接閃器、引下線和地網(wǎng)組成。其中，接閃器又被稱為避雷針、避雷網(wǎng)，其通過引下線將雷電流傳輸至地網(wǎng)，依靠地網(wǎng)將電流疏散開來。避雷網(wǎng)需要選用12 mm的圓形鍍鋅鋼，同時應(yīng)用4 mm×40 mm的鍍鋅件扁鋼建筑物頂端的引下線，將兩者的間距控制在18 m以內(nèi)，引下線的上端與避雷網(wǎng)連接，下端與地網(wǎng)連接，建筑物頂端的其他金屬設(shè)備必須與避雷裝置牢牢焊接在一起，以保證它們之間的連接［6］，這樣就可以達到顯著的雷電流釋放疏散效果，確保保護對象不會受到直擊雷傷害。即使遭受雷擊之后，該系統(tǒng)還可以有效保護計算機信息系統(tǒng)設(shè)備，同時還與國家有關(guān)防雷標準相適應(yīng)。另外，可以將避雷針安裝在中波發(fā)射塔頂端，根據(jù)滾球法計算出避免機房遭受直擊雷危害的安全區(qū)域，接著在該區(qū)域?qū)?yīng)的機房頂部安裝避雷針，按照保護區(qū)域計算結(jié)果，把握好避雷針安裝高度。為了防止機房受到側(cè)擊雷的危害，還可以在機房頂端布設(shè)避雷帶或者避雷網(wǎng)，通過協(xié)同應(yīng)用放電避雷針、避雷網(wǎng)，采取混合接閃方式達到理想的雷電防護效果。

4.2? ?電源系統(tǒng)防雷技術(shù)

計算機信息系統(tǒng)的電源并非是一個獨立存在的供電系統(tǒng)，需要依靠電力線路輸入供電，所以其具備遭受雷電影響的可能。如果雷電直接擊中電力線路，雷電流會通過變壓器耦合到低壓電，然后影響到供電設(shè)備，最終危害計算機信息系統(tǒng)。按照我國現(xiàn)行的關(guān)于計算機信息系統(tǒng)防雷的規(guī)定，要求建筑物的電源系統(tǒng)實施三級防護，在高壓端安裝高通容量的防雷裝置作為第一級保護，在低壓側(cè)安裝閥門型防雷設(shè)備作為第二級保護，在每個樓層的配電箱中安裝避雷箱作為第三級保護。

4.3? ?信號系統(tǒng)防雷技術(shù)

在計算機防雷體系中，信號系統(tǒng)防雷是其中的一個重要組成部分。在應(yīng)用信號系統(tǒng)防雷技術(shù)之前，必須充分了解計算機信息系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)、有關(guān)設(shè)備參數(shù)。一般情況下，光纖介質(zhì)在信號傳輸時不會受到雷電流干擾，通過室外光纜中的金屬加強芯進行可靠接地，當雷電流進入室內(nèi)后，可以將絕大部分雷電流直接引入地下泄散。ADSL轉(zhuǎn)換成普通的網(wǎng)絡(luò)后，一般都是通過交換機和雙絞線來與有關(guān)的服務(wù)器建立聯(lián)系，所以對交換機的端口做好有效保護也十分必要。此外，電話線路的分布比較復(fù)雜，經(jīng)常分散在建筑物的不同部位，每一條線路都有可能產(chǎn)生過電壓，根據(jù)雷電電磁脈沖的原理，計算機、有關(guān)設(shè)備遭受損害主要是由雷電感應(yīng)浪涌電壓引起的，其依托信號引線，將感應(yīng)浪涌電壓輸送到設(shè)備內(nèi)部，從而對設(shè)備芯片與接口的正常工作造成嚴重干擾。針對此問題，可以在信號線間設(shè)置防雷電裝置，接著將避雷器和線路設(shè)備接口部位串聯(lián)在一起，同時安裝好信號浪涌保護器，以此適應(yīng)信號設(shè)備的實際防雷需求。針對浪涌保護器的安裝，需要滿足以下條件：能夠承受預(yù)期的雷電流；可以承受最大鉗壓，且浪涌保護器的長度要控制在50 cm以內(nèi)，保持連接線的平直；在兩級浪涌保護器之間增設(shè)退耦裝置，電壓開關(guān)型同限壓型浪涌保護器之間的線路長度控制在5～10 m，如此就能讓浪涌保護器更好地發(fā)揮設(shè)備保護的效能。與此同時，應(yīng)該確保安全防范系統(tǒng)、信息線路、火災(zāi)報警器、消防聯(lián)動控制系統(tǒng)等的接地，還要達到相關(guān)規(guī)定要求。

4.4? ?均壓和等電位接地

均壓和等電位接地是防止地電位反彈的關(guān)鍵步驟，通過改變進入建筑物內(nèi)的金屬管線和電纜屏蔽層的方式，使之轉(zhuǎn)換為等電位連接，形成一個處于封閉狀態(tài)的均壓環(huán)，由此有效消除電位差。在計算機機房安裝接地保護裝置的過程中，建議首選共用接地模式，確保房屋的防雷池、設(shè)備保護地、交流和直流工作地實現(xiàn)有效連接。值得強調(diào)的是，要始終以房屋自然接地的方式為先，構(gòu)成等電位系統(tǒng)，如此就能切實規(guī)避因地網(wǎng)之間的電位差而對計算機信息系統(tǒng)及電子設(shè)備的影響。此外，計算機信息系統(tǒng)在實際運行階段會產(chǎn)生電磁波，這種電磁波會對金屬導(dǎo)體造成影響，從而使懸浮在空氣中的灰塵粒子產(chǎn)生靜電，而且這些灰塵粒子很可能會附著在電子設(shè)備的外表面。當電子設(shè)備外表面積聚的靜電達到一定程度時，勢必會令正負電荷形成高達幾千伏的電壓，對電子設(shè)備造成巨大的危害。對此，建議在計算機機房內(nèi)部鋪設(shè)全鋼防靜電地板，再將由銅排或銅網(wǎng)組成的均壓帶安裝于機房墻壁上，盡可能將計算機機房內(nèi)的金屬機柜、橋架、光纜金屬加強芯、防靜電地板龍骨等就近連接，這樣就可以將計算機信息系統(tǒng)運行階段產(chǎn)生的靜電最大程度釋放到地面。

4.5? ?屏蔽與布線

屏蔽主要針對電子設(shè)備和線纜，在對電子設(shè)備實施屏蔽的過程中，要根據(jù)電子設(shè)備自身的抗壓性能采取多級屏蔽措施，并做好金屬導(dǎo)體、電纜屏蔽層和金屬線槽之間的等電位連接。對于非金屬外殼的設(shè)備，在機房屏蔽與設(shè)備電磁環(huán)境標準不適用的條件下，主要通過安裝金屬屏蔽網(wǎng)或者金屬屏蔽室的方式加以解決。線路屏蔽一般是指在需要雷電保護的區(qū)域中選用屏蔽電纜時，屏蔽層需要在兩端和保護區(qū)域交接部位實施等電位連接。若采用非屏蔽電纜，則應(yīng)該將電纜敷設(shè)在金屬管道內(nèi)部，接著將其埋地引入，并在雷電保護區(qū)交接部位實施等電位連接。如果建筑物之間要通過屏蔽電纜進行互聯(lián)，電纜屏蔽能夠承載一般雷電流，所以此時電纜不需要敷設(shè)在管道內(nèi)。此外，電纜與其他管線的間距應(yīng)符合有關(guān)技術(shù)規(guī)范，以突出電纜敷設(shè)的科學性。

5? ? ?結(jié)束語

防雷工程是一項迫切且具有長遠意義的研究課題。在今天，增強計算機信息系統(tǒng)的防雷性能，保障信息安全，防止雷擊、火災(zāi)、爆炸等意外事故發(fā)生，是一項迫切需要解決的問題。在實際防護中，可科學應(yīng)用直擊雷防護技術(shù)、電源系統(tǒng)防雷技術(shù)、信號系統(tǒng)防雷技術(shù)、均壓和等電位接地、屏蔽與布線等，以達到理想的防雷效果，并做好后期維護工作，定期維修養(yǎng)護設(shè)施設(shè)備，避免計算機設(shè)備受到雷擊侵害。伴隨計算機技術(shù)的不斷進步，未來在防雷技術(shù)及工程方面將會有巨大突破，相信在不久的將來，防雷技術(shù)會更加先進，防雷工程設(shè)計也會更加科學完善。

主要參考文獻

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