通信机房弱电设备雷电感应危害分析及防护措施

赵红霞 孙琛

【摘要】 为了对通信机房的网络系统、电源系统以及控制系统等弱电电子设备采取有效实用的防雷保护措施，保障机房系统正常安全运行，减小雷电感应对电子设备的影响，分析雷电感应的危害原理及危害途径。进一步对电子设备保护装置的选择、使用以及屏蔽、等电位连接、防雷接地和综合布线等方面的防雷保护技术进行分析和研究。

【关键词】 通信机房 雷电感应的危害 防范

雷电作为常见的自然现象所伴随的强大的感应电磁场以及在金属导体中产生的感应过电压，时刻威胁着通信机房内电子设备的正常工作，保护通信机房信息系统安全，是摆在我们面前的当务之急。

一、雷电的危害形式

雷电的危害形式分为三类：直击雷、雷电感应（雷电电磁脉冲）及雷电过电压波侵入。

1.1直击雷

雷电直接击中地面建筑物，然后经接地装置泄放入地。如果没有适当的泄流途径，雷电流的能量以极高的温度、极大的热量、强力冲击波、极大的电动力对建筑物或其顶部的其它设施造成严重损害。

1.2雷电感应

从雷暴云的形成到发生闪电的整个过程中，同时会出现三种物理现象：静电感应、电磁感应以及电磁波辐射。在发生雷击过程中，雷电通道形成强大的雷电流并在其空间产生的雷击电磁脉冲会通过传导、感应和耦合等方式在建筑物内部各电气系统和数据信息系统中产生不同强度的瞬态过电压。电网和数据线路中的瞬态过电压对建筑物内的设备放电，损坏信息系统机房内部的UPS电池组、交换机、服务器等重要设备。电磁感应的作用范围广，入侵途径多，比较难以捉摸。

1.3 雷电过电压波侵入

雷击于远处架空的与机房、外场设备等各种供电设备、弱电设备相连的各种通讯线、电力线、视频监控线、设备控制线，然后沿着架空导线以过电压、过电流波的形式侵入建筑物。如果架空线上方没有避雷线，雷电波侵入的概率是相当大的。过电压、过电流波进入建筑物后还会沿着内部通讯线或电力线袭击敏感设备。

二、通信机房雷电感应危害分析

通信机房一般由主机房、基本工作间组成，主机房与工作间之间由玻璃门隔开。大部分机房设有静电地板，并布置在大楼的低层房间。机房设备设施比较多，常用的弱电电子设备包括主机、服务器、UPS供电系统、路由器或交换机、程控交换机、天馈接受机、打印机、刻录机、电话等电子设备和设施。

其中计算机的主要配件基本上是由半导体集成电路构成，中央处理器、存储器和逻辑控制电路等芯片都是由绝缘半导体场效应管构成。半导体器件要求的工作条件极严格，特别是对于静电干扰和电磁干扰非常敏感。

雷电感应是造成弱电设备受损的主要原因，这种危害的覆盖范围大，雷电感应主要有雷电的静电感应和电磁感应。雷电的静电感应与电磁感应作用属于雷电的间接破坏作用。雷电的间接破坏作用比直击雷危害范围大的多，属于空间三维的破坏。

由于雷电静电感应和电磁感应引起的过电压会损害机房的线路和设备，在防雷设计中，要作为重点认真的进行设计防护措施。

2.1静电感应

雷电的静电感应是因为当雷云形成时，地面上的金属结构会产生与雷云底部相反的异种电荷，在各种架空的线路上，同样会因雷云对地放电而产生静电感应电荷。

2.2电磁感应

雷电电磁感应是因为雷电通道和防雷保护系统的导线上的雷电流，在接地系统的冲击接地电阻上产生的电压降，在建筑物内部的环路导线上感应出浪涌过电压和电流。另外由于雷击电磁脉冲的电磁干扰辐射，在周围区域的设备环路上感应出浪涌电压。

这种脉冲磁场能在闭合的回路中产生很高的电动势，产生的过电压、过电流顺着导线传导至设备，损坏弱电电子设备。各种电源线、信号线、天馈线、金属水管等在建筑物内形成不同的环路或者回路脉冲磁场在回路中感应出电压大小与回路尺寸、雷电流波陡度以及回路与载流导体之间的距离有关。

2.3雷击电磁脉冲

雷击电磁脉冲，是一种电磁干扰源。闪电直接击在建筑物防雷装置上或建筑物附近所引起的效应。主要是一种辐射干扰。对于脉冲磁感应，雷击电磁脉冲感应强度达0.03高斯，计算机会出现误操作；磁脉冲感应强度达0.75高斯，计算机器件会出现假性损坏；磁脉冲感应强度达2.4高斯，计算机器件会出现真正损坏。闪电击在避雷针上，则由其产生的在100米处无屏蔽空间的磁感应强度，首次雷击的磁感应强度可达2.0高斯，而后续雷击的磁感应强度可达0.5高斯。无屏蔽空间的磁感应强度将对机电设备具有足够的破坏力。

2.4高电位引入与反击

由电路原理可知，暂态电流流过电阻与电感串联支路时，将会在该支路上产生压降，支路的总压降中含电阻上压降分量和电感上压降分量。所谓雷电反击，就是指防雷装置在接闪时，在接闪器、引下线和接地极上都会产生很高的瞬态电位，如果建筑物内的电气设备、金属管线与防雷装置的距离达不到安全距离要求时，高电位就会击穿向这些设备管线放电，这种现象就是雷电的高电位与反击。

三、通信机房雷电感应的防护措施

3.1屏蔽系统

屏蔽是利用各种金属屏蔽体来阻挡或衰减进入建筑物内的电磁干扰或过电压能量。对于机房的弱电系统来说，具体可分为机房建筑物屏蔽、设备屏蔽和各种线缆（管道）的屏蔽。机房屏蔽可根据机房内电子信息设备的重要性，采取适当屏蔽措施。利用机房建筑的钢筋、金属框架、金属门窗、地板等相互焊接在一起，形成法拉第笼，并与地网进行可靠连接，形成初级屏蔽网。机房装修时做防静电处理，墙壁采用防静电铝塑板，并与机房共地系统相连。设备应根据使用性质及雷击时最终所处电磁环境，适当考虑单独屏蔽（隔离），进行次级屏蔽。机房电子信息设备应集中摆放在机柜中，机柜与接地系统保持良好连接。对于机房内的主机及服务器或其它电子设备，应盖好箱盖，确保其屏蔽效果。机房的各种金属管道、电力电缆、通信线路等最好应该埋地引入，埋地水平距离在15m 以上。并重点对入户的金属管道、通信线路、电力线缆等做好屏蔽。各种线缆均要采取屏蔽措施，金属丝纺织网、金属软管、硬导管、栈桥均可用于屏蔽线缆。

3.2等电位连接系统

在机房的地板下设均压等电位地线带。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接地，机房内所有大尺寸的内部导电物，如程控交换机的金属外壳，主机外壳，UPS及电池箱金属外壳，金属地板、金属门框架、设施管路和电缆桥架等都应以最短的线路连到最近的等电位连接带中，避免因设备间电势差而使设备损坏。线路的屏蔽管路或屏蔽层应该与等电位系统连接在一起，保证屏蔽体的零电位。

3.3综合布线系统

在机房内配备电子设备时，要设法避开强磁场区域，以防止电子设备在强磁场作用下发生工作失灵或被损坏。计算机、传感器等电子设备应尽量安置在房间的中央部位，而不宜靠墙放置，更不能安放在墙角处。电子设备的电源线与信号线所形成的回路面积要尽量小，且不能与墙壁中的防雷系统引下分支平行，避免产生大的回路感应电动势而击坏电子设备。在布置机房内线缆时，应该注意其线缆与机房内其它金属设备、管线、电力线等的距离，距离太近都有可能通过金属导体耦合产生过电压，对设备系统造成危害。

3.4防雷接地系统

采用等电位理论，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它交流地、安全保护地、防雷地进行软连接）。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。