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防雷及过电压保护
第一章 概述
第二章 系统防雷的设计指导思想和技术标准
第三章 雷电作用下的网络雷害
第四章 雷电作用下的二次效应--雷电高压反击雷
第五章 由雷击引起的人身安全问题 第一章 概述 当今人类社会的发展已进入了高度信息化的发展阶段，但是仍然遭受到能源、环境和安全这三大因素的困扰，特别是环境和安全。中国的古训深切的告知我们"福莫大于平安"，安全是维持人们正常生活、工作的基本条件，造成不安全的因素很多，但不外乎天灾和人祸两大类。从古至今我们人类始终以积极探索的精神与自然灾害进行着顽强的抵抗，尤其是对雷电的防护。 那么由雷电引发的自然灾害，对人类生活和工作的环境的影响程度有多大呢？我们引用欧洲著名的保险机构德国慕尼黑TELA保险公司1994年所做的欧洲各国用户由于各种自然灾害造成的损失统计表做一直观的表述。 http://www.panhan.com/images/6.jpg
1994年各种灾害造成的损害统计
那么我们继续以TELA公司1994年的那次著名的资料形象的表明，由雷害引发的事故损失已呈上升的趋势。 http://www.panhan.com/images/5.jpg 在联合国国际十年减灾委员会公布的十大自然灾害中，雷暴由于其对人类生命、财产的巨大侵害，被列在了显著的地位。这是基于近些年来伴随着高新技术的发展，尤其是电子技术的的飞速发展，各种先进的测量、控制、电信和计算机等电子产品正日益广泛的应用于各行各业中，特别是计算机技术与通讯技术的发展相互结合，电子器件的集成化和超大规模集成化及新型网络通信技术的发展都为信息时代的发展超到了极大的推动和促进作用。 另一方面，这些微电子仪器设备普遍存在着绝缘强度低，过电压耐受能力差等致命弱点，一量遭受雷击、浪涌过压的冲击，轻则造成这些电子系统的运行中断，设备永久性损坏，重则造成其它相关系统的中断瘫痪，造成不可估量的直接与间接的巨大经济损失和影响，对于金融、证券、医疗、保险、航空、航天、国防等国家重要关键部门尤其是这样，而且雷击侵害的程度已经越来越严重，发生的频率也越来越重要。为此，我们认为对雷电电磁脉冲（LEMP）的防护，不但是必要的，而且是必须实施的。 第二章 系统防雷的设计指导思想和技术标准 设计指导思想 系统防雷保护的应用涉及很多行业，南宁邦恒工贸有限公司的系统防雷重点描述的是"计算机信息系统"的雷电防护设计原则。雷电防护设计是一项系统工程，那么从系统论的角度上讲，系统结构愈合理，系统的各个部分（要素）之间可以有机结合，相互之间的作用就愈协调，从而使整个系统在总体上达到最佳的运行状态。在系统防雷保护设计工作中，我们认为防雷设计工作主要的目的是将防雷设计工作与计算机信息系统根据客观实际条件有机的结合在一起。通过合理配置，使之溶为一体，确保系统的稳定工作，从而发挥出系统防护工作最佳效果。 具体地说，防护工作的第一步就是首先应确认雷害侵入计算机系统的各种途径，（即了解客户的实际需求），在这个基础上，依据系统防雷的科学理论和我们丰富的防雷设计安装经验，采取相应的防护措施，进行有针对性的防护，从而达到以在雷电入侵时能够保障系统安全运行的目的。 为此，对于计算机信息系统的雷电入侵和危害，我们分别从以下几点进行分析： 1） 电力线是雷电入侵电子设备的重要渠道 1.1雷电远点袭击电力线 我国电力线输电方式是由发电厂通过升压变压器升压后，进行高压远程送电，经低压变压器输出至用户。由于我国的电压基本波形是每秒50Hz的正弦波形曲线，在电力线上形成每秒50次的交变磁场。如遇到雷雨天气时，在雷电未击穿大气时，将呈现出高压电场形式。根据电学基本原理，磁场与电场之间是相互共存可逆变化的，那么，雷电高压电场通过静电吸收原理，向大地方向运动。假设电力线杆有5米高，那么在相对湿度25%时，要击穿5米空气，需要15×106V雷击高压（3000V/mm）。如果在相对湿度95%（下雨时），击穿5米空气需要5×106V雷击高压（1000V/mm）。电力线上的交变磁场对雷云的吸引小于大地的静电吸引。如果，雷云击穿5米空气入地，需要很高的电压，雷电首先击在电力线上，并从电力线的负载保护地线入地释放，这样就击穿了设备。 在高压线上的表现为击穿变压器的绝缘，在变压器低压端与负载的连线上遭雷击，损失的是用电器。由于变压器低压输出端是三条相线，做一第地线，当作零地合一线，变成三相四线制零地合一方式给用电器供电，雷电击在火线与大地放电，就等于火线与零线放电通过电力线直接击穿用电器的电子元件。一般电子设备线与外壳的耐压为每分钟VAc1500V，火线与零线耐压为工业级Vdc550-650V，这么低的耐压一旦遭受远点雷击，必将击坏用电器。为此，在选择防雷器时，首先考虑远点雷击。 1. 2雷电近点电力线的侵入 所谓雷电近点袭击电力线，实际上是雷电袭击建筑物避雷针，从而引起的雷电电磁脉冲的保护问题 。雷电打在建筑物避雷装置上，按照GB50057-94《建筑物防雷设计规范》规定，定义大楼接闪电能力雷击电流为150KA（为波形10×350μS斜三角波）。避雷针引下线由于线路电感的作用，IEC1312定义最多只能将50%的电流引入大地，余下的电流将通过电力线屏蔽槽、水管、暖气管、金属门窗等与地面有连接的金属物质联合引雷，但也只引下少部分雷电流，余下总电流的25%在大楼流窜至UPS输入输出负载的电源线、局域网线等，击穿小型机局域网端，最终由逻辑地线处下泄入大地。对设备而言，部分雷电流将由UPS输入电源线对机房保护地线进行L-PE、N-PE泄放，UPS输出L-PE`（逻辑地）、N-PE`泄放,小型机L-PE`泄放，局域网线对逻辑地线等进行泄放。最终结果，将击穿UPS输出对地线和输入对地线端、小型机电源对逻辑地线、网络数据线对逻辑地线。为此，必须对UPS输入输出火线零线对交流地和直流逻辑地进行保护，必须对小型机、服务器及其它重要终端进行等电位保护，对网络系统进行保护，只有堵死一切雷电导入的端口，才能有效的保护设备免受雷电的侵害。 1. 3错相位雷害 美国空军电磁兼容手册中，描述雷电发生时闪电为一组雷击，每次不少于26个雷，它有大小和发生先后的区别，如果不同能量的雷打在两条火线上，线线之间就会产生一个电压差，侵入设备。这种雷击现象，称错相位雷击，又称雷电的二次破坏，对三相UPS而言，它的输入和输出端，应安装线与线之间的保护，才能更全面更立体的保护电子设备。 堵死雷电由电力线入侵电子设备，应该从远点雷击、近点雷击和错相位雷击三种雷击现象入手，实施全方位的保护，才能在发生雷击时，有效的保护设备。 2） 雷电作用下，建筑物内感应雷害 雷电击在建筑物避雷针上，由避雷针通过引下线，将雷电流泄放大地，引下线自上而下产生一个变化旋转快速运动磁场，建筑物内的电源线、网络线等相对切割磁力线，产生感应高压并沿线路传输，造成设备被击毁。 http://www.panhan.com/images/10-1.jpg 假设一机房的大楼避雷针引下线或大楼主钢筋距主机房10米，假设机房为7×7m2，di=75KA dt=10μS。则感应高压Ust=52500V. 由此可知由雷电产生的感应电压无孔不入，它可以危及机房内所有的设备。在上海的一座邮电智能大厦，一次雷击造成4台服务器遭受雷击，80多条广域，网络线端口及4台网络交换机的RJ45端口全部损坏；广东省1996年计算机系统遭受雷击损失五亿元人民币。感应雷的能量虽小，但电压较高。所以，对感应雷害的防护，应该是全面的防护，但防护的级别可以低一些。 第三章 雷电作用下的网络雷害 3.1广域网络 一般讲，广域网络通常在遭受直击雷的破坏时，1mm2的铜线遭受10KA的雷电袭击，它自身就断了。所以，广域网的雷害主要是感应雷害，击穿方式为线对线对机壳（地），在GA173-1998《计算机信息系统防雷保安器》标准中，广域网保护的最大雷电流为5KA，连接广域网一般有以下几类，一类是DDN租用专线，一类是ISD专线，一类是帧中继以及微波通讯方式。对于专线的数据接收设备，其耐压应为5倍的工作电压，即Vdc25V，传输速率小于等于2M，插入防雷保护器，使之在雷电作用下，短路保护5KA电流，而端口残压小于25V；而对于话线备份来说，它的工作电压48V加93√2 V振铃电压共计175V，插入防雷保护器（启动电压185V），残留电压小于Vdc330V，因为调制解调器的耐压为Vdc330V。保护模式为一对地和线对线，广域网遭受雷击的概率较大，一般在28%左右。 3．2局域网 在局域网的传输电缆中，常常采用UTP电缆，UTP电缆的4对线中两对线（1-2，3-6线对）一对线接收一线发送，采用RJ45接口方式，雷电防护方式按两对线进行保护。 我们做过一次试验，在一条连接服务器的网线旁边，约距网线0.5米处，采用雷击发生器对网线0.5米处一条金属线发射雷电流。由小到大，发射电流为10KA，周边磁场污染了网线，瞬间服务器端口、芯片被击穿，这时示波器记忆感应高压为100V。 在机房的综合布线中，施工人员为了布线工程的美观漂亮，把很多网线放在墙壁内，没有考虑对UTP电缆的屏蔽处理，一旦大楼某些钢筋泄放雷击电流将引起感应高压，击毁设备。 另外，对于网络系统，由于雷电引起的电磁脉冲，在机房内产生2.4Gs的变化电磁场，必然引起网卡端口芯片的烧毁。 3.3综合布线 从防雷角度上考虑，布线一定要明确表示： 3.3.1电源线不要与网络线同槽架设，数据插座与电源插座保持一定距离； 3.3.2广域网线缆不要与局域网线缆同槽架设； 3.3. 3网线与墙壁布置时，有条件应远距离安装； 3.3.4屏蔽槽有厚度要求，并要求两点接地。 返回目录
第四章 雷电作用下的二次效应--雷电高压反击雷
雷电袭击建筑物避雷针，由引下线将雷电流引入大地，由于大地电阻的存在，雷电电荷不能全部快速地与大地负电荷中和，必然引起局部是位升高，交流配电地和直流逻辑地将这种高电位引入机房，UPS输入、输出端被击穿，小型机及其他峁设备连接断口被击穿。这种反击电压少则数千伏，多则数万伏，直接烧坏用电器的绝缘部分。 第五章 由雷击引起的人身安全问题 雷电泄入大地，由于接地电阻较大，不能马上泄放，从而引起地电位升高，由于机房直流逻辑地线不在一点入地，距离差产品电位将两个电位值引入机房，这时，当一个操作人员的一只手摸在UPS输出负载外壳上（如小型机），而另一只手（或身体）摸在交流设备外壳上（如空调），两个电位值将通过操作人员的身体短路，造成操作人员伤亡。美国1996年为此而伤亡198人，广东省1997年在报导雷击伤亡的170人中，有相当一部分是为此而伤亡的。所以防雷保护设备的确很重要，但是保护人身安全更重要。 在通过具体分析了雷害入侵计算机信息系统的各种途径后，我们得出的结论是：防雷保护设计工作不是防雷保护器件的随意安装和简单堆砌，而是一项要求高、难度大的系统工程，涉及多方面的因素。为此我们的设计指导思想的主旨是，本?quot;经济、实用、高标准严要求、高起点、高可靠性"的原则，在遵照执行国家有关标准，国家有关行业标准的基础上，还参考和引入IEC国际电工委员会的有关防雷技术标准要求，以期达到更好的防护效果。 http://www.panhan.com/images/19.jpg 设计依据标准 Ⅰ、GB2887-89《计算机场地安全要求》
Ⅱ、GB50174-93《电子计算机机房设计规范》
Ⅲ、GB50057-94《建筑物防雷设计规范》
Ⅳ、GB50054-95《低压配电设计规范》
Ⅴ、GA173-1998《计算机信息系统防雷保安器》
Ⅵ、GB3482-3482-83《电子设备雷击试验》
Ⅶ、GB11032-89《交流无间隙避雷器》
Ⅷ、邮电部《通讯产品入网检定认证细则》
Ⅸ、IEC1024-1：1990《建筑防雷》
Ⅹ、IEC1312-1：1995《雷电电磁脉冲的防护通则》
Ⅺ、ITU.TS.K20:1990《电信交换设备耐过电压过电流能力》
Ⅻ、ITU.TS.K21:1998《用户终端耐过电压和过电流能力》
机房雷防护设计的理论依据
在我们系统防雷的方案设计工作中，除了遵照执行相关的国家标准要求外，还参考和引入IEC/TC-81有关标准的核心内容做为设计的指导思想和理论依据。IEC/TC-81是历际电工委员会防雷技术精华的基础上，制订的各项防雷技术标准、规范，对我们的实际工作具有指导意义。如：在IEC-1024《建筑物防雷》和IEC-1312《雷电电磁脉冲的防护通则》标准中，重点提出了防雷分区和等电位连接的概念。 根据雷击在不同区域的电磁脉冲强度划分防雷区域，并在不同的防雷区域的界面上进行等电位连接，能直接连接的金属物就直接相连，不能直接连接的如：电力线路和通信线路等，则必须依据不同的防雷区域的科学划分，采用不同防护等级的防雷设备器件，对后续被保护设备进行有效的保护且必须实施等电位连接。实践证明：这种分区分级等电位均压连接，并以防雷设备来确保被保护设备的防护措施是最好的解决问题，实现有效防护的办法。 关于防雷区划分的问题，在IEC-1312标准中有详细的论述："防雷区是指闪电电磁环境需要限定和控制的区域。"各区以在其交界处的电磁环境有无明显的改变作为划分不同防雷区的特征，具体到我们拟进行的计算机信息系统的防雷保护中，应按建筑物需要保护的空间划分不同的防雷区域，以确定各防雷区空间的雷电电磁脉冲（LEMP）的强度，来确定不同防雷区所应采取的具体防护措施和防护手段。在计算机信息系统所在的建筑物一般是这样划分防雷区的： http://www.panhan.com/images/18.jpg （一）LPZOA区：本区内的各类物体都可能遭到直接雷击，因此各物体都可能导走全部电流，本区内的电磁场没有衰减。
（二）LPZOB 区：本区内的各类物体很少遭到直接雷击，但本区内电磁场没有衰减。
（三）LPZOC本区内的各类物体不可能遭受直接雷击，流经各类导体的电流比LPZOB 区进一步减小。由于建筑物的屏蔽措施，本区内的电磁场得到了初步的衰减。
（四）LPZ2：为进一步减少所导引的电流或电磁场而引入的后续防雷区，应按照需要保护的计算机信息系统所要求的环境选择后续防雷区的要求和条件。
在明确防雷区划分的基础上，结合拟进行保护的计算机信息系统来分析，其中心机房是由以下几部分构成： （1） 电源系统，其中又分市电供电系统和UPS电源系统
（2） 计算机网络系统
（3） 通信系统（包括局域网、广域网、光纤系统）
（4） 辅助系统，其中包括空调、照明、消防、门禁等。
依据防雷分区的概念，结合机房的具体情况，系统防雷工作的主要目的就非常明确了，即：确保各系统，特别是直接影响业务的系统的正常运行，不受雷电所造成的过电流、过电压的干扰和破坏，保护机房不致被雷电袭击，首先是要堵塞所有的雷击入侵渠道，实行分区和等电位连接的原则，并结合机房的实际情况按规范正确实施。 根据防雷分区的概念，我们知道，不同防雷区之间的电磁强度不同，因此首先作好屏蔽措施，在一定程度上可以防止雷电电磁脉冲的侵入，在此基础上，作好穿越防雷界面上不同线路的防雷保护，是我们系统防雷工作的重点。 机房所在建筑物的外部接闪体承担了下泄大部分的雷电电磁的能量，是防雷系统中重要的一环，并与内部防雷工作有着直接的联系。在前面我们分析雷害的入侵渠道时已做了明确的阐述，如："雷电作用下，建筑物内感应雷害"及"雷电作用下的二次效应--雷电高压反击雷"，基于当时建筑物防雷要求与现在防雷标准的差异，为稳妥起见，我们必须强调对计算机信息系统的直击雷保护问题。 综上所述，我们可以借用IEC/TC-81的技术定义将系统防雷工作总结为：DBSE技术-即分流（Dividing）、均压（bonding）、屏蔽（Shielding）、接地（Earthing）四项技术加之有效的防护设备的综合，如果从设计阶段开始体现这种综合系统的防护设计原则，必将起到事半功倍的理想防护效果。 从严格的意义上讲，目前机房的系统防雷工作，在实施的过程中必须考虑使用环境的特殊情况，譬如，机房所在的建筑物的主楼供电系统、主变配电室是否属于机房专门使用。虽然大楼的建筑物避雷装置可确保建筑物本身免遭雷击损坏和人身安全，但由于大楼的综合管线，如上下水管、电力供电线等等的综合联接问题，市政建设管线与大楼的相互关系，入户线的屏蔽问题等原因，加之大楼内其它部门所作的改造、搭接，实难于逐一考证，就整幢建筑物是否为一完善的均压系统就难以确定。为此，我们将重点保护的范围集中确定在LPZOB 防雷区-计算机信息系统中心机房的范围内，并且以LPZOA防雷区与机房范围的界面为一屏障，在这里将所有可能雷电入侵渠道全部切断。运用实施DBSE技术，并合理选用防雷设备，来实现我们的目的--即对计算机信息系统中心机房实现系统防雷保护。
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发表于 2003-3-15 19:48:00
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