個人電腦防雷措施
全球每天約發(fā)生800萬次閃電,每個閃電的電壓高達l億到10億伏特,電流強度達2萬至4萬安培。雷擊放出的強電會造成電力設(shè)施的損壞,引起電信、衛(wèi)星、移動通訊服務(wù)的中斷,導(dǎo)致煤炭、石油化工、紡織易燃物品火災(zāi)事故,更為嚴重的是帶來人員傷亡。本文主要談?wù)勈覂?nèi)電器特別是微機防止雷擊的預(yù)防方案。
一般雷電進入室內(nèi)有兩種情況:從電源線竄入和從信號線入侵。
電源入侵
在現(xiàn)代建筑物上,我們能看到避雷裝置,當建筑物直接受到雷擊后,強大的電流沿著接地引線導(dǎo)入地面,防止了雷電對建筑物的破壞。我們在室內(nèi)同樣需要采取一些必要的防雷措施。從技術(shù)上講:我們需要在計算機、家用電器、通信設(shè)備等上安裝電源防雷裝置。但實際上,由于高層建筑都已經(jīng)有較為完善的防雷擊措施,所以建筑物內(nèi)的用戶一般就無需從電源角度再來考慮防雷擊的問題。
信號線入侵
此處入侵主要是感應(yīng)雷造成的雷電浪涌。感應(yīng)雷一般來自對地雷擊和云間放電,其中對地雷擊產(chǎn)生的感應(yīng)浪涌電壓較大,一般500米范圍的電子信息設(shè)備均可能遭其破壞。根據(jù)雷電電磁脈沖理論和實踐經(jīng)驗證明:電子計算機及其它信息設(shè)備損壞的主要原因是雷電感應(yīng)浪涌電壓造成,它可以通過各種信號引線把感應(yīng)浪涌電壓波引入設(shè)備內(nèi)部,破壞其芯片和接口。所以應(yīng)在信號線間加裝信號防雷裝置。
雷電入侵電腦信息系統(tǒng)的各種途徑
1)雷蒂對電力線的襲擊
1.1 雷電遠點襲擊電力線:
我國電力線輸電方式是由發(fā)電廠通過升壓變壓器升壓后,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。如遇雷害發(fā)生時,在雷電未擊穿大氣時,將呈現(xiàn)出高壓電場形式。根據(jù)電學基本原理,磁場與電場之間是相互共存可逆變化的,那么,雷擊高壓電場通過靜電吸收原理,向大地方向運動。假設(shè)電力線桿有5米高,那么在相對濕度25%時,要擊穿5米空氣,需要15×106V雷擊高壓(3000V/mm)。如果在相對濕度95%時(下雨時),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對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,并從電力線的負載保護地線入地釋放,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Vdc550-650V,這么低的耐壓一旦遭受遠點雷擊,將擊壞用電器。為此,在選擇防雷器時,首先考慮遠點雷擊。
1.2 雷電近點電力線的侵入:
所謂雷電近點襲擊電力線,實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問題。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)生測閃雷擊,也就是說,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輸入輸出負載的電源線、局域網(wǎng)線等,擊穿小型機局域網(wǎng)端,最終由邏輯地線處下泄入地。對設(shè)備而言,部分雷電流將由UPS輸入電源線對交流地線進行L-PE、N-PE泄放,UPS輸出L-PE′(邏輯地〕、N-PE′泄放,小型機L-PE′ N-PE′泄放,局域網(wǎng)線對邏輯地線等進行泄放。最終結(jié)果,將擊穿UPS輸出對地線和輸入對地線端、小型機電源對邏輯地線、網(wǎng)口對邏輯地線。為此,必須對UPS輸入輸出火線零線對交流地和直流邏輯地進行保護,必須對小型機、服務(wù)器及其它重要終端進行等電位保護,對網(wǎng)口進行保護,只有堵死一切雷電導(dǎo)入的端口,才能有效的保護設(shè)備免受雷電的侵害。
1.3 錯相位雷害
美國空軍電磁兼容手冊中,描述雷電發(fā)生時用肉眼可識別閃電為一組雷擊,每次不少于26個雷,它有大小和發(fā)生先后的區(qū)別,如果一個高能量雷打在一條火線上,而另一個低能量雷打在另一條火線上,線線之間就會產(chǎn)生一個電壓差,侵入設(shè)備。這種侵害設(shè)備的現(xiàn)象,稱錯相位雷擊,又稱雷電的二次破壞,對三相UPS而言,它的輸入和輸出端,應(yīng)安裝線與線之間的保護,才能更全面更立體的保護電子設(shè)備。
小結(jié):堵死雷電由電力線入侵電子設(shè)備,應(yīng)該從遠點雷擊、近點雷擊和錯相位雷擊三種雷擊現(xiàn)象入手,實施全方位的保護,才能在發(fā)生雷擊時,有效的保護設(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,由避雷針通過引下線,將雷電流泄放大地,引下線自上而下產(chǎn)生一個變化旋轉(zhuǎn)快速運動磁場,建筑物內(nèi)的電源線、網(wǎng)絡(luò)線等相對切割磁力線,產(chǎn)生感應(yīng)高壓并沿線路傳輸擊毀設(shè)備。假設(shè)一機房的大樓避雷針引下線或大樓主鋼筋距主機房10米,假設(shè)機房為77平方米。di = 75KA dt = 10 S ,則感應(yīng)高壓 U = 210-77 Ln=52500 V 。
由此可知由雷電產(chǎn)生的感應(yīng)電壓無孔不入,它可以危及機房內(nèi)所有的用電器,在上海一座郵電智能大廈一次雷擊,4臺服務(wù)器遭受雷擊,80多條廣域網(wǎng)絡(luò)線端口及4臺網(wǎng)絡(luò)交換機的RJ45端口全部損壞;廣東省1996年計算機系統(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,對感應(yīng)雷害的防護,應(yīng)該是全面的防護,但防護的級別可以低一些。
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,擊穿方式為線對線和線對機殼(地),在GA173-1998《計算機信息系統(tǒng)防雷保安器》標準中,廣域網(wǎng)保護的最大雷電流為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5KA電流,而端口殘壓小于25V;而對于話線備份來說,它的工作電壓為48V加93 V振鈴電壓共計175V,插入保安器,保安器的啟動電壓來說,它的工作電壓為48V加93 V振鈴電壓共計175V,插入保安器,保安器的啟動電壓。
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對線中兩對線(1-2,3-6線對)一對線接收一線發(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)按兩對線進行雷電保護。
我們做過一次試驗,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,周邊磁場污染了網(wǎng)線,瞬間服務(wù)器端口、芯片被擊穿,這時,示波器記憶感應(yīng)高壓為100V。
在機房的綜合布線中,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,對于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),由于雷電引起的電磁脈沖,在機房內(nèi)產(chǎn)生3Gs的變化電磁場,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,有條件應(yīng)遠距離安裝;
3.3.4 屏蔽槽有厚度要求,并要求兩點接地;
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房,UPS輸出、輸入端被擊穿,小型機及其他網(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,由于機房直流邏輯地線和交流配電保護地線不在一點入地,將兩個電位值引入機房,這時,一個操作人員的一只手摸在UPS輸出負載外殼上(如小型機),而另一只手(或身體)摸在交流配電地線上(如空調(diào)),兩個電位值將通過操作人員的身體短路,造成操作人員傷亡。美國1996年為此而死亡198人,廣東省1997年在報導(dǎo)雷擊死亡的170人中,有相當一部分是為此而傷亡的。所以防雷保護設(shè)備的確很重要,但是保護人身安全更重要。
在通過具體分析了雷害入侵計算機信息系統(tǒng)的各種途徑后,我們得出的結(jié)論是:防雷保護設(shè)計工作不是簡單的避雷設(shè)施的安裝和堆砌,而是一項要求高、難度大的系統(tǒng)工程,涉及多方面的因素。為此我們的設(shè)計指導(dǎo)思想的主旨是,本著"經(jīng)濟、實用、高標準嚴要求、高起點、高可靠性"的原則,在遵照執(zhí)行國家有關(guān)標準,國家有關(guān)行業(yè)標準的基礎(chǔ)上,還參考和引入IEC國際電工委員會的有關(guān)防雷技術(shù)標準要求,以期達到更好的防護效果。