第一部分 计算机网络系统的雷害入侵方式

　　近年来拌随着高新技术的发展，尤其是IT技术、电子器件的集成化和超大规模化，在计算机技术、网络技术和通讯技术中得到广泛应用。这些电子器件的功能越来越强、集成度越来越高、功耗越来越小、耐压越来越低，一旦遭受雷击、浪泳过压的冲击，往往容易造成设备的损坏，严重的甚至造成系统瘫痪、造成不可估量的直接与间接的巨大经济损失，雷害的程度越来越严重、事故发生的频率越来越高。因此，对于雷电灾害的防护越来越重要了，对于防雷系统的重要性已得到了越来越广泛的重视。

　　具体地说，防雷保护工作的第一步就是首先要确定雷害侵入计算机网络系统的各种途径，在此基础上，依据系统防雷的科学理论和防雷工程经验，采取相应防雷措施，进行有针对性的防护，从而达到在雷电入侵时能够保证系统安全运行的目的。

一、电力线是雷电入侵电子设备的重要渠道

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。由于我国电压的基本波形是每秒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，在相对湿度25%时，要击穿5米空气，需要15MV雷击高压。如果相对湿度为95%时（下雨时），击穿5米空气只需5MV。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米高空气入地，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，损坏的就是用电器。由于变压器的低压输出端是三条相线，做一条地线，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，雷电压在火线与大地之间放电，就等于火线与零线放电，通过电力线直接击穿用电器电子元件。一般电子设备与外壳的耐压为Vac1500V，火线与零线耐压为工业级Vdc550~650V，一旦遭受远点雷击，必将损坏电器设备。为此，在选择防雷器时，首先考虑远点雷击。

2、雷电近点袭击电力线

　　所谓近点袭击电力线，实际上是指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针上，按照GB50057-94《建筑物防雷设计规范》规定，定义大楼内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，最多只能将50%电流导入大地。100余米高的大楼避雷针引下线电感为150µH（¹.55µH/米），电感大于37.5µH时，就会发生侧闪雷击，也就是说10×350µS直击雷引下线只能引下50%的雷击电流，余下的雷击电流将通过电缆金属桥架、水管、暖气管道、金属门窗等与地面有连接的金属物联合引雷，但也仅能引下少部分雷击电流，余下雷击电流的25%左右流窜至UPS输入/输出电源线、计算机局域网线缆等，击穿网络设备，最终由逻辑地线下泄入大地。对网络设备而言，部分雷击电流将由UPS输入电线对机房保护地线进行L-PN、N-PE泄放，UPS输出L-PEˊ（逻辑地）、N-PEˊ泄放，服务器L-PEˊ、N-PEˊ泄放，以及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、服务器电源对逻辑地线、网络数据线对逻辑地线。为此，必须对UPS、服务器及其他重要设备进行保护，只有堵死一切雷电导入的端口，才能有效地保护网络设备免受雷电的侵害。

3、错相位雷害

　　据科学分析，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，实施全方位保护，才能在发生雷击时，有效地保护昂贵设备。

二、雷电作用下，建筑物内的感应雷害

　　雷电击在建筑物的避雷针上，由避雷针通过引下线，将雷击电流泄放大地，引下线自上而下产生一个快速变化运动磁场，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，造成击毁设备，原理示意如下。

　　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，并假设机房面积为7×7平方米。

　　di=75KA dt=10µS 则感应高压为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设备，上海一座邮电智能大厦，一次雷击造成4台服务器损坏、80多条广域网路线端口及4台交换机的RJ45口全部损坏；广东省1996年遭雷击造成的损失甚至高达5亿元人民币。感应雷的能量虽小，但电压很高，破坏力极强。所以对感应雷的防护应该是全面的，不可忽视的。

三、雷电作用下的网络雷害

1、广域网

　　一般讲，广域网通常在遭受直击雷的破坏时，1mm²的铜线遭受10KA的雷电袭击自身就断了。所以，广域网的雷害主要是感应雷害，击穿方式为线对线和线对机壳（地），在GA173-1988《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，连接广域网的方式通常由以下几种：一种是DDN租用专线；一种是ISDN专线；一种是幀中继及微波通讯方式。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；而对于电话线路来说，它的工作电压为48V加 93√2V震铃电压共计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。保护模式为线对地和线对线，广域网遭受雷击的概率较大，一般在28%左右。

2、局域网

　　在局域网传输电缆中，常常采用UTP线缆，UTP线缆的4对线中只用2对线，一对发送信号一对接收信号，采用RJ45接口方式，雷电防护方式按2对线进行防护。实验表明，在一条连接服务器的网络线旁边，约距网线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，这时示波器显示感应高压为100V。

　　在机房综合布线中，施工人员为了布线工程美观漂亮，把很多网线放在墙壁内，没有考虑对UTP的屏蔽处理，一旦大楼某些钢筋泄放雷击电流都将引起感应高压击毁设备。

　　此外，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的变化磁场，必然引起网卡端口芯片的烧毁。

四、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，必然引起局部地电位升高，交流配电地和直流保护地将这种高电位引入机房，UPS输入、输出端被击穿，服务器及网络设备连接端口被击穿。这种反击电压少则数千伏，多则数万伏，直接烧毁用电器的绝缘部分。

五、由雷击引起的人身安全问题

　　雷电流泄入大地，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，距离差产生电位差，将2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（如服务器），而另一只手（或身体）摸在交流设备外壳上（如空调），两个电位差将通过操作人员的身体短路，造成操作人员伤亡。据统计，美国1996年为此伤亡198人，广东省1997年为此伤亡170人。所以，对防止雷击必须给予充分重视。

　　通过上述具体分析，可以得出如下结论：防雷保护工作不是可有可无、无所谓的，而是非常重要的一件关系到职工生命和国家财产安全的大事，而且是一件系统工程，必须给予高度重视。

六、有关标准

1、GB2887-89《计算机场地安全要求》

2、GB50174-93《电子计算机机房设计规范》

3、GB50057-94《建筑物防雷设计规范》

4、GB50054-95《低压配电设计规范》

5、GA173-1998《计算机信息系统防雷保安器》

6、GB3482-3483-83《电子设备雷击实验》

7、GB11032-89《交流无间隙避雷器》

8、邮电部《通讯产品入网检定认证细则》

9、IEC1024-1：1990《建筑防雷》

10、 IEC1312-1：1995《雷电电磁脉冲的防护通则》

11、ITU.TS.K20：1990《电信交换设备耐过电压和过电流能力》

12、ITU.TS.K21：1998《用户终端耐过电压和过电流能力》

第二部分 计算机网络系统的防雷保护措施

1、概述

　　在防雷系统方案设计工作中，除了遵照执行相关国家标准要求以外，特别强调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场强度划分防雷分区，并在不同的防雷分区的界面上进行等电位连接，能直接连接的金属物就直接连接，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分区的科学划分，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并实施等电位连接。

　　关于防雷分区的划分问题，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改变作为划分不同防雷区的特征，具体到计算机网络系统的防雷保护中，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的强度，进而确定不同防雷区所应采取的具体防护措施和手段”。在计算机网络所在的建筑物内，一般按照下述规则划分防雷区域：

（1）LPZ0a区：本区内的各类物体都可能遭到直击雷击，因此各物体都可能导走全部雷击电流，本区内的电磁场没有衰减。

（2）LPZ0b区：本区内的各类物体很少遭到直击雷击，但本区内的磁场没有衰减。

（3）LPZ1区：本区内的各类物体不可能遭到直击雷击，流经各类导体的电流比LPZ0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衰减。

（4）LPZ2区：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网络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网络系统来分析，通常可划分为以下几部分：

（1）电源系统，其中又分市电和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、光纤网等）

（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电入侵渠道，实行分区和等电位连接的原则，结合机房的实际情况按规范正确实施。

　　根据防雷分区保护的概念，我们知道，不同防雷分区的电磁强度不同，因此首先做好屏蔽措施，在一定程度上可以防止雷电电磁脉冲的侵入，在此基础上，作好穿越防雷分区界面上不同线路的防雷保护，是我们系统防雷工作的重点。就整座大楼而言有许多具体情况，且千变万化，很难逐一确定，因此，在计算机网络系统的防雷工程中，我们应将注意力集中在以LP0a防雷区——计算机网络中心机房的范围内，并且以LP0a 防雷区和中心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。运用等电位技术，合理选择防雷设备，来实现对计算机网络系统的防雷保护。

　　综上所述，可以把防雷技术概括为：分流、均压、屏蔽和接地，四项技术加之有效防护设备的综合，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。

2、电源系统的雷电与过电压保护

　　由于大楼电力供给是由位于其它建筑物的变配电室引入的，电源高压端的防雷保护已由电力供电部门实施。因此，对于机房的电源系统的雷电防护，我们采取以下的防雷保护方案：

　　UPS电源系统的防雷保护

　　一般机房往往采用大型UPS不间断电源，为机房内的各种设备供电。由于UPS是市电进入机房的主要途径，并且是关系到为网络系统核心设备提供稳定、可靠电源的重要设备，所以应该将电源系统的防雷保护的重点放在UPS的输入和输出线路上。

在UPS输入端采取三级防雷保护措施：第一级为粗保护，选用普天长江三相电源防雷箱DXH01-380XJ/120-NP，吸收并衰减90%雷击电流能量。第二级为中级保护，选用普天长江三相电源防雷模块DXH01-FBS/3+1AC40，对雷电流进一步衰减。第三级为细保护，采用单相电源防雷模块DXH01-FS/1+1AC20，将残余雷电流基本吸收，通过地线泄入大地。

　　终端设备的电源防雷保护

重要终端设备电源输入安装防雷插座DXH01-Z5(-K)进行末级电源防护，设备包括UPS、服务器、交换机、路由器等，同样我们还将采用以上的防护机理对其它重要设备实施同样电源终端防雷保护，以确保整个管理控制系统的核心部分的安全运行。

2、通讯、网络系统的防雷与过电压保护

　　通讯系统防雷

　　通讯系统防雷包括由户外引至户内的通讯线路，主要线路包括电话线和有线电视信号传输线缆。这两部分线路由户外传输线路直接引入机房。通常这两部分线路是最易将雷击引入室内击毁通讯设备的，是机房通讯设备防护的重点，因此在与这些进线相连接的设备进口端处，均要安装防雷器。

　　一般来讲，网络设备安装集中，MODEM、SWITCH、ROUTER、HUB等设备均安装于19″标准机柜中，由于剩余空间较小，我们推荐选用集成组合式防雷器。

　　计算机网络系统线路防雷

　　虽然计算机网络线路通常均敷设在室内，但由于设备接口耐压很低，加上线路的屏蔽、布线距离、布线方式等诸多因素的影响，感应雷击、浪涌过电压均可能通过网络线对设备接口造成破坏。可采用普天长江网络线路防雷器QFL01-C100RJ45/5对网络设备进行保护，具体实施时应考虑到不同传输速率的影响（10M/100M）。

　　保安监控系统线路的防雷

　　监控线路大部分暴露在室外，感应雷击、浪涌电压都可能通过监控线路对设备造成破坏。应根据监控系统的设备类型及设备的电源、控制线路、视频线路的接口形式选用相应的防雷器件，防止雷击电流侵入损坏监控设备。

　　卫星接收系统天馈线的防雷

　　作为雷击的主通道，应在馈线电缆进入机房时安装同轴电缆天馈线保护器。对于卫星的N型粗缆接口可选用普天长江天馈线路防雷器QFL01-T2000进行防护。

4、接地系统

　　防雷器件首先起到的作用是对雷电流的吸收和泄放作用，同时也是一种“等电位连接器”。所有的防雷产品器件的防护原理均是在雷击发生的瞬间内，迅速启动响应，保护设备。在设备、大地、建筑物及其附属设备之间搭接构成一等电位体的关键就是整个机房的地线系统。所以说接地系统在系统防雷中非常重要的。

　　接地装置

　　理想的建筑物避雷系统的接地装置，包括从接闪器及引下线的理想状态最好是无任何电阻，一旦雷击发生，避雷针接闪时，不论雷电流有多大，接地装置上任何一点对大地的电势差为零，因此，接地的阻值应尽可能的小。

　　依据国家标准GB50174—93《电子计算机机房设计规范》规定，交流工作接地和安全保护接地，接地电阻均不应大于4Ω，直流工作接地中，接地电阻应按计算机系统具体要求确定（通常国外计算机系统要求接地电阻小于1Ω）。

　　据IEC1024标准机房交流工作接地、安全保护接地、直流工作接地、防雷接地等四种接地宜共用一组接地装置。但是由于某些计算机设备的工作状态差异不同，接地系统共地很难实现时，我们建议应该采取等电位理论，达到瞬间等电位方式，常态独立接地方式（即机房接地系统与其他交流地、安全保护地、防雷地进行软连接）。

　　地线装置现状

　　目前一般机房的市电供电系统采用三相四线制，送入机房电源室。机房地线接地电阻应小于1Ω，机房应做等电位连接，安装均压等电位等带。

　　机房设备对接地系统的要求

　　安装要求UPS电源输入为三相四线制，输出端为隔离变压器型，保证中线对地电压小于1∨，满足计算机系统的需要。

　　均压等电位连接

　　另外，机房的各种地线间及地线与大楼结构的主钢筋之间，必须进行有效的连接，即全部采用共用接地系统，当雷电引起地电位高压反击时，整个大楼及机房呈现系统等电位，防雷系统呈现工作状态，保证网络系统的安全。

　　关于均压等电位带的实施，我们建议在机房的主机房、电源室、其他机房的地板下设均压等电位地线带，以40mm×4mm的紫铜带，在各室内分别形成网型（M型）结构的均压等电位带，且作好此带的绝缘支撑，最终以星形（S型）形式与机房的直流逻辑地线接通，另外机房UPS供电系统电源插座及信号地均在最近的距离内与均压等电位带相连，避免因设备间电势差而使设备损坏。

　　线路的屏蔽

　　关于线路的屏蔽情况我们是这样考虑的：感应雷击很多是由于传输线路在磁场中切割磁力线产生感应高压，使计算机系统遭到破坏，对传输线路采取屏蔽措施，是降低感应雷击破坏的有效方法。目前机房内的大部分线路采用穿管布线（金属软管或硬管），但从实际情况看，综合布线的金属护管的屏蔽接地需改进，使每根护管两端有效接地，并于均压等电位带连接，最大限度的减少感应雷击侵入的渠道。

　　法拉第笼的问题

　　当机房的均压等电位带与大楼的钢筋网相连时，形成一个法拉第笼。我们建议机房装修时做防静电处理，墙壁采用防静电铝塑板，并与机房供电地线系统相连。使机房地形成一个法拉第笼。