雷电知识

一、雷电知识

  随着电子技术的快速发展,集成电路对电压和电流脉冲的敏感程度越来越高,除直接雷击影响外,雷电引起的冲击过电压和电流成为造成电子设备损坏和工作中断新的主要因素之一。
据广东省防雷中心雷电灾害调查办公室1996年就广东省范围调查报告显示:1996年广东全省发生雷电灾害1196起,直接经济损失约1.374亿元,间接经济损失达5-10亿元;仅深圳去年因雷暴造成损失就近6000万元;而全世界每年的雷害损失超过100亿美元,更多的雷灾损失表明,90%以上是感应雷击造成的。特别是最近两年,全球气候不稳定,雷电灾害较以往频繁,大部分用户单位在直接开支中需占30%的费用,用来更换或维修因雷灾损坏的设备。因此,对雷击的防护,尤其是感应雷击的防护,已经成为邮电通信、电力、铁路、银行(计算机网络)等行业重点关注和防范的课题。
1) 雷击的形成及入侵途径
雷击形成雷击主要有两种形式:直接雷击和感应雷击
直接雷击:雷击直接击在物体上,产生电效应、热效应和机械力,称之为直接雷击。
感应雷击:雷电放电时,在附近导体上产生的静电效应和电磁感应,可能使金属部件之间产生火花,称之为感应雷击。
 
感应雷击的入侵途径
1、传统避雷针的副作用产生二次感应雷击效应,雷电电流经过避雷针导地时感应到市内的传输线上。几十年来的通讯设备是从电子管、晶体管向集成电路过渡的。由于电子管、晶体管的耐冲击能力较强,因此二次雷击效应对电子管、晶体管通讯设备没有造成太大损害。集成化度较高的微电子设备,其耐冲击能力差受雷击更易使微电子设备受到损坏。通过对部分雷击事故的分析,发现许多雷击事故都是在避雷针接地完好的情况下发生的。分析其原因就是二次雷击效应造成的。

2、通过电源线、信号线或天馈线引入感应雷击
通过电感性耦合(磁感应)耦合到各类传输线而破坏设备。电源线引入感应雷击。市区以外的移动通信基站的供电线路大多采用架空明线。试验表明,雷电频谱在几十MHZ以下频域,主要能量集中分布在工频附近。因此,雷电与市电相耦合的概率很高。
信号线引入雷击。为了扩大信号覆盖范围,就要尽可能地增加天线架设高度(65m以上的铁塔约占50%)。这样,在提高信号覆盖范围的同时,也增加了铁塔引雷的概率。当铁塔上的避雷针引雷入地产生二次雷击效应是顺塔而下的天馈线首当其冲。可一旦二次雷击效应以信号方式进入馈线时,收发信号设备端口损坏也就在所难免了。
 
3、地点位反击引入感应雷击
通过阻性耦合方式经数据线破坏设备。
上述各种耦和会产生高达6000伏(根据BS6651,CCITT,LIT,IEEE及我国相关标准)的瞬间电压而破坏电子设备。
 
二、雷击的防护


1、直击雷的防护

主要依据是国际电工委员会IEC1312_1~3《雷电电磁脉冲的防护》、《电子计算机机房设计规范》、《电子设备雷击导则》、《建筑物防雷设计规范》等。目前,防避直击雷都是采用避雷针、避雷带、避雷线、避雷网作为接闪器,然后通过良好的接地装置迅速而安全把它送回大地。

2、感应雷的防护  

(1) 电源防雷
  根据楼房建设的要求,配电系统电源防雷应采用一体化防护,由于避雷器生产厂家的设计思想各不相同,相应其避雷器的性能特点也不尽一致。

(2)信号系统防雷
  与电源防雷一样,通讯网络的防雷主要采用通讯避雷器防雷。目前,计算机远程联网常采用的方式有电话线、专线、X.25、DDN和帧中继等,通讯网络设备主要为MODEM、DTU、路由器和远程中断控制器等。通常根据通讯线路的类型、通讯频带、线路电平等选择通讯避雷器,将通讯避雷器串联在通讯线路上。

(3)等电位连接
  等电位连接的目的,在于减小需要防雷的空间内各金属部件和各系统之间的电位差。防止雷电反击。将机房内的主机金属外壳,UPS及电池箱金属外壳、金属地板框架、金属门框架、设施管路、电缆桥架、铝合金窗的等电位连接,并以最短的线路连到最近的等电位连接带或其它已做了等电位连接的金属物上,且各导电物之间的尽量附加多次相互连接。
  
(4)金属屏蔽及重复接地   
  在做好以上措施基础上,还应采用有效屏蔽,重复接地等办法,避免架空导线直接进入建筑物楼内和机房设备,尽可能埋地缆进入,并用金属导管屏蔽,屏蔽金属管在进入建筑物或机房前重复接地,最大限度衰减从各种导线上引入雷电高电压。  
  
三、关于雷电和浪涌电压   

  闪电的常识
  闪电的的平均电流是:30,000A (目前记录的最大值:300,000A)。闪电中心的空气温度: 摄氏3000度,90%以上的闪电是云层对云层放电过程,云层对地面的闪电次数:每秒种100次 (全球范围),闪电的强度可达 1000000000 伏。一个中等强度雷暴的功率有 10000000 瓦(相当于一个小型核电站的输出功率),每年因雷击造成的直接损失超过100亿美元(全球不含中国的统计)
  

计算机机房浪涌过电压的保护
  

  
计算机机房从面积大小來划分:大机房,面积可达数千平方米;小机房,面积可能只有十余平方米,从功能上来划分:有拥有微波收、发的计算机房;具有有线通信的机房;组成局域网或广域网的机房;或者与外界无联系的一个单位内部的小机房等等。由于机房的大小及功能的不同,机房浪涌过电压的防护措施略有差异,但是总的防护原则是防护是不变的,即:将绝大部分直接引入地下泄散(外部保护);阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压波危害设备(内部保护及过电压保护);限制被保护设备上浪涌过电压幅值(过电压保护)。这三道防线,互相配合,各行其责,缺一不可。目前我国对于计算机机房浪涌过电压防护暂时无统一标准可依,所以只能按照不同情况,分别参照相关的行业标准或国标来阐述计算机机房的浪涌过电压防护的一般方法。

一、机房外部防护

计算机机房的外部防护,主要指直击雷的防护,它是防雷技术的主要组成部分。其技术措施可分接闪(使用避雷针、避雷带、避雷线等金属接闪器)、引下线、接地体和法拉第笼。在标准IEC1024-1、2和国标GB50057—94、电子计算机机房设计规范GB50174-93、计算机场站安全要求GB9361-88、微波站防雷与接地规范YD2011-93、通信局(站)接地设计暂行技术规定YDJ229、电信专用房屋设计规范YD5003-94等都作了大同小异的明确规定。
在这种技术措施中,不仅有直击雷防护即外部保护,且与内部保护相关联。如法拉第笼(特别重要的计算机机房)可用与接闪和引下、接地,在笼中的设备可受到初级屏蔽作用。接地系统的布局又直接涉及到均压等电位和防止反击等问题。由于外部保护已有较熟的标准,本文不再详述,只提出几点供参考的具体意见:
1、根据IEC1312-1,推荐:在不可能个别估算的地方,可假定全部雷电流I的50%分配于进入建筑物的各种设施(外来导电物和通信线等),见图1。由此可见,外部保护的重要性,对于银行电脑机房或邮电、电信、电力等行业的通信机房微波站等,一定要认真按标准或规范要求做好外部保护的防直接雷措施。
接闪装置(避雷针等),我们建议采用提前放电式的 INGESCO避雷针,或选用经现场验证行之有效并有检测、监定的新型接闪器。

2、对于建筑物顶部的信息系统外置设备的直击雷保护,应按GB50057-94的第3.2.3条处置,金属物体可不装接闪器,但应和屋面防雷装置相连;在屋面接闪器保护范围之外的非金属物应装接闪器,并和屋面防雷装置相连。在屋面高度大于滚球半径时,如屋面设置了合格的避雷带(网)时,可将屋面高度假定为正负零高度,作避雷针按滚球法计算其能否保护外设设备。

二、机房进出线的防护措施

机房进出缆线主要是电力和通信线路,是引雷入室的重要途径。我国各种行业的机房分布点多面广,遭到雷击的几率较大,根据雷击现场调查、避雷整治、国内外资料以及有关的国标、行标规范等,对进出缆线防护进行介绍。

在雷电活动频繁、雷电强度大、雷暴日多的地区,当雷击机房附近的交流供电线路时,为了防止雷电沿电力线路侵入机房,可按图2所示方法,对高压电力线以及变压器实施保护。
可在距变压器300-500m的架空高压电力线上方,架设避雷线(架空地线)对电力线进线进行保护。该架空地线宜每杆接地一次,而且要单设接地体,勿用水泥杆内的钢筋做引下线和接地体。这样,与变压器高压侧的避雷器相配合,可以阻止雷电波造成损害,同时使雷电流在每杆入地,使其分流泄入大地。为了更稳妥、可靠,可在高压电力线终端杆的前一杆上,在每条相线上对地增装一台避雷器;在变压器的高压侧还要对地装一 组(每组一台)氧化锌高压避雷器。应当提起注意的是,每当落雷之后和雷雨季节到来之前,一定要仔细检查高压避雷器和接地线是否完好无损,以排除隐患,把好高压侧避雷击这一关。

如果架设避雷线确有困难,可以在电力线终端杆及其前第一、三或二、四杆,为每相线对地各增设一台氧化锌避雷器,为了稳妥起见,尚应在第四杆增 设一组(三相)高压保险丝。各杆接地体,设计成环形或辐射。如果高压电力线直接引入机房配电室,此时,从变压器高压侧起的一段应采用高压电力电缆进室,棱长度至少200m。架空高压线与高压电缆的接头处,应加装一组(每相一台)氧化锌高压避雷器并且高压电缆两端金属护层、钢带应分别妥善接地,在年雷暴日大于20日,大地电阻率高的地段,还应在电力电缆的上方,架设屏蔽线(排流线)。

2、 低压线路保护

低压线路可采用直埋式低压电力电缆埋地引入机房,在机房入口处,应将电缆金属外护层钢带直接与地网就近连通,电缆内芯线的两端应分别对地加装避雷器。

采用非金属护套电力电缆,应将其穿金属管后,埋地引入机房,若不能直接埋地,起码金属管的两端,应分别接地网,金属管的全长之内,电气上应保持连续。

高压、低压线路上的避雷器和 线路与地的连接点,变压器两则避雷器连接点、接地点以及电缆的接地点,架空避雷线的接地,均应可靠的保持良好电气连通,而且要牢靠,以防事故。据调查发现,一些机房配电室的变压器公共接地端子松动,中性线接叶端子螺栓不紧,避雷器上、下引线端子、入地点连接处不牢等现象多处发生,多为施工中不按规程,维护不认真造成,应引起注意,切实发挥保护措施应有的作用。

3、 PSTN网的保护

从机房到当地邮电局PSTN电话线,如果采用架空线路,则易受到雷击,应在进机房前改为埋地电缆,电缆长度应大于50m,其金属外护层应在两端分别与机房地网和市话机房地网连接,采用非金属护套电缆时,应穿金属管埋地,至少金属管两端同样应接地,金属管全长应保持电气连接。

电缆的所有芯线,均应对地加装避雷器,电缆中的空线对应接地。

4、 LL专线的保护

LL专线按防雷要求,全长应采用直接埋地式电缆,其金属外护层应在两 端分别接地。采用非金属护套电缆时,应穿金属管埋地,至少金属管两端同样应接地。

5、 波导馈线防护

波导馈线的防护措施参看图3所示。

微波天线的波导馈线或同轴电缆馈线的外导体,从机房出来经过走线架(过 桥)上塔至天线,这一 段至少要有三个点要可靠接地(或接铁塔钢梁),如图3。首先在塔顶要有一点与铁塔的钢梁连接,作为一个接“地”点;在过桥向塔转弯处的上方(即波导未弯曲部份)大约1m以内适当地点,与铁塔梁可靠连接,最好是焊接(并应处理好焊接点的防腐防锈),有困难时,用螺栓连接,要注意连接紧密、牢固、电气连通。在铁塔过高时应在中间增加接地点。微波天线的同轴电缆接入室内放大器IDU之前,应经过高频同轴电缆防雷器再接入IDU,防止雷电浪涌对IDU的损害。

6、 塔灯电源线防护

天线铁塔上的航空障碍信号灯(简称塔灯)电源线的防护参看图4所示。塔灯电源线应穿金属管布放,金属管全长应保持电气上的连续。穿线金属管在铁塔顶端应与铁塔钢梁作可靠连接,其在机房入口侧应与机房地网应近作可靠连接,尽可能焊接,并处理好焊接点防腐防锈。塔灯电源线,应在机房入口外侧对地加装避雷器后再进入机房。

塔灯电源线若不穿金属管,则必须采用有金属护套的电源线,其防护要求与前面所述相同。注意绝对不许只用普通(无金属护层)电源线引接塔灯电源。

7、 其它进出缆线的防护

机房的其它进出线的防护与前面所列的5种进出线防护措施相仿,如移动通信天线 馈线,按要求将 其外导体两端同时接地网,其芯线上安装相应的保护器件。


三、机房内部防护

内部保护指对雷电等侵入的防护,其技术措施可分为屏蔽措施(含法拉第笼),均压等电位措施和防闪络措施三部份。依据标准除外部保护外,沿应参照IEC1312-1.2,分别简叙如下:

1、屏蔽措施
屏蔽是利用各种金属屏蔽体来阻挡和衰减施加在计算机等设备上的电磁干扰或过电压能量。对计算机系统来说具体可分为建筑物屏蔽、设备屏蔽和各种线缆(包含管道)的屏蔽。建筑物的屏蔽可利用建筑物钢筋、金属构架、金属门窗、地板等均相互焊(连)接在一起,形成一个法拉第笼,并与地网可靠的电气连结,形成初级屏蔽网。设备的屏蔽应对计算机设备耐电压水平调查的基础上,按IEC划分的防雷区(LPZ)施行多级屏蔽。屏蔽的效果首先取决于初级屏蔽网的衰减程度,其次取决于屏蔽层厚度(最好接近电磁波的波长),网孔密度(密度越大则可靠程度越高)屏蔽材料(低频时采用高导磁材料,高频时采用铜材,铅材为宜)。在屏蔽中要特别注意对各种“洞”的密封,除门、窗外,重点对入户的金属管道、通信线路,电力线缆入口作好屏蔽,各种线缆均要 采取屏蔽措施,金属丝纺织网、金属软导管、硬导管、栈桥均可用于屏蔽线缆。


在此强调二点注意事项。其一是屏蔽管线的接地,一般要求入户线采用地下电缆入户,其电缆金属护层,在前后两端做良好接地。测量结果表明,电线(缆)屏蔽层一端接地时可将高频干扰电压降低一个数量级,两端接地时可降低两个数量级。其二是使用金属丝编制网屏蔽电缆,因其重量轻,使用方便而被广泛应用,但是在电磁波频率较高时,其波长接近编织层网孔尺寸时,波的透入增 加,因此,最好再穿一层金属管。

2、等电位连接
在IEC标准中指出等电位连接是内部防雷措施的一部份,其目的在于减少雷电流所引起的电位差。等电位,是用连接导线或过电压(电涌)保护器,将处在需要防雷的空间内的防雷装置和建筑物的金属构架、金属装置、外来导线、电气装置、电信装置等连接起来,形成一个等电位连接网络,以实现均压等电位,防止需要防雷空间内的火灾、爆炸、生命危险和设备损坏。

为实施等电位连接的浪涌保护器的安装,IEC标准将需要保护的空间划分为不同的防雷区(LPZ),以规定各部份空间不同的LEMP的严重程度和指明各区交界处等电位连接点的位置,如图5所示。

以往有些教程和规范,要求电子设备单独接地,此地被称为直流工作地或信号地、逻辑地,它实质上是高频信号的接地。单独信号地的目的,是防止地网中杂散电流或暂态电流干扰设备的正常工作,有时也过分强调要求接地电阻的低值。在IEC标准和ITV相关标准中均不提单独接地,美国标准IEEEstd1100-0992更尖锐的指出:不建议采用任何一种所谓分开的、独立的、绝缘的、专用的、干净的、静止的、信号的、计算机的、电子的或其它这类不正确的大地接地体作为设备接地导体的 一个连接点。

3、防闪络措施
在IEC电子标准术语中对反向闪络定义为:“网络(系统)中通常处于地电位的部份受到雷击而引起的相对地的绝缘闪络。”在ITUK.27“干扰的防护”中指出:在外部冲击电源的的情况下,CBN(指接地体如引下线)中的电流往往较大,雷电引下线就是这样。因此,最好避免将电缆布在装有防雷装置的建筑物,在防雷装置与其它设施和建筑物内人员无法隔离的情况下,应采用等电位连接。

当利用建筑物的钢筋或金属结构作为引下线,同时建筑物的大部份钢筋、钢结构等金属物与被利用部份连成整体,金属物或线路与引下线之间的距离可不受限制。在K-27中也指出:当不可避免将电缆布设在建筑物四周时,需将电缆完全封闭在金属管道中,同时采取等电位连接的办法。

4、机房内用电设备过电压防护
1、 引入大楼内的交流电力线宜采用地下电力电缆,其电缆金属护套的两端均应作良好的接地。
2、 交流工作供电变压器高压侧,按供电局要求接高压防雷器;低压侧,首先接大容通量过流型火花隙。变压器的机壳、低压侧的交流零线,以及与变压器相连的电力电缆的金属外护层,应就近接地。
3、 配电屏引出的三根相线及零线,应接残压低、泄流量大的电源防雷器(40KA-120KA),屏蔽、内交流零线不作重复接地。大楼内所布放的交流供电流线路中的中性线(零线)汇集排,应与机架 正常不带电金属部份绝缘。
4、 机房为重点防护对象,电缆金属护套在入室处应作保护接地时,还需在入室处应加装防雷器,对机房内设备做双重保护作用。电缆内的空线对亦应作保护接地。
5、 大楼内所有交直流用电及配电设备均应采取接地保护。交流保护接地线应从接地汇集线上专引,严禁采用中性线作为交流保护接地线。
6、 供电系统防雷配置图如图6所示。

信号系统的防护及其设备配置
随着机房设备的高度集成化,用于系统的IBM主机及中型机的不断增 多,计算机及控制单元与接口的连接,使得机房内具有大量的数据线、控制线路,由于它们传输的电平低、速率高,因此特别设计有效的保护系统是必要的。
① 专线上设备保护,可在专线引入端串入信号保护器alltec ATJ系列保护器。总配线架DIN型结构),以确保设备的安全。
② PSTN网上设备、Modem、Fax及电话等采用ATJ、或ASP等保护器。
③ 计算机网上保护器随不同类型网络结构有不同的保护产品:
同轴线缆保护器(具有BNC、N型;工作频率0-0.5GHz);10BaseT也可选用ACP。

四、防止SPG对DCG地电位反击的措施

目前IEC标准及国际GB50057-94都推荐采用综合地网,但是,某些单位及某些设备制造商仍在强调采用独立的直流地网,据国际有关专空统计,微电子设备遭受雷电危害,大约有60%是不自地电位反击.所以针对目前具体情况,提出以下防止SPG对DCG地电位反击的措施。

假设大厦公用防雷地网SPG冲击接地电阻值≤4Ω,一个中等(100KA)的直击雷击中大厦屋顶防雷针系统,100KA雷电浪涌电流通过避雷针、引下线(有可能是大厦结构钢筋)、地网泄入大地,在地网接地电阻(4Ω)上形成瞬间电压降4×100000=400KV,即40万伏高压。机房内微电子设备,正常不带电的金属外壳保护接地(SPG),此时电位为400KV,而微电子设备内部电路接直流地(DCG),其电位为0伏,微电子设备的内外电位差达400KV高压,必毁无疑!而且是毁坏机房内一大批设备。

既要保持独立设置的直流工作地网抗干扰的优越性,又要防止大厦遭直击雷时破坏性的地电位反击,最合理的措施是在DCG入室C点,接一地网连结保护器SGP1(100KA或低压电源避雷器DS98(200V),其接地点接到SPG系统的D点。在未遭直击雷的绝大多数情况下,由于地网连结器的气体放电路透社起隔离作用或DS98开路,SPG与DCG是两套互相独立的地网,直流地网可以照常发挥其抗干扰的优越性;在遭直击雷的特殊情况下,地网连结器中气体放电管放电或DS98内部MOV元件导通(忽略残压),故相当于SPG与DCG构成瞬时等电位体,机房内所有微电子设备都可以避免地电位升高引起的损坏,详见图7。



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