计算机机房雷电感应危害计算分析及防护措施研究

陈 阳，刘 康

（广东省肇庆市气象局，广东 肇庆 526000）

电子信息设备承担了信息传输、处理等各种业务，电子信息设备是计算机机房中的主要设备，雷电发生时产生的电磁感应对计算机设备的危害十分严重。了解雷电感应危害，并且对雷电感应进行防护，是保护计算机机房电子信息设备安全的重要措施，也是当务之急。目前国内外关于雷电理论和计算的方法还不够完善，而且在计算机机房雷电防护过程中也缺乏相应的防护措施，所以时常会出现计算机机房设备被损坏的现象。为了对计算机机房的通信系统、网络系统、电源系统、控制系统等进行防雷保护，确保机房中的设备可以正常、安全、稳定运行，必须要减少雷电感应对电子信息设备的影响和危害，对雷电危害进行计算和分析，采用安装设备保护装置、屏蔽雷电感应等电位连接等方式，进行综合防雷保护[1]。

1 机房和其他建筑物防雷异同点

计算机机房是建筑物中的一个重要组成部分，虽然与其他用途的建筑空间的差别不大，但是其功能和用途与其他的建筑空间完全不同，这也决定了计算机机房的防护体系不相同。因为计算机机房中大部分是计算机设备、电子设备、通信设备，对雷电比较敏感。在计算机机房建设过程中，除了一些特殊的要求之外，一般很少单独建设专门的机房，而是选择建筑物中的某几个房间作为计算机机房，而建筑物随时可能遭受雷击，所以建筑物必须要具备防护直击雷的能力。计算机机房和其他建筑物的防护要求、防护技术是相同的。另一方面，计算机机房和其他的建筑单元又存在一定的区别，因为计算机机房中大多数设备都是电子设备，电子元件对电磁干扰的抵抗能力很弱，比如计算机主机、服务器、路由器、电话等，这些设备的性能、结构等都与计算机通信领域相关，电磁感应对于信号的发送、传输、接收等都会产生影响。比如计算机的中央处理器、存储器、逻辑控制电路等，都是由绝缘半导体场效应管构成的，这些元件对静电干扰以及电磁干扰十分敏感，一旦出现电磁干扰，就会导致设备的工作状态被扰乱，尤其是当出现雷击的时候，很容易出现感应高压，将电子元件和设备击穿，导致电路短路、设备损坏。此外，在计算机机房中有很多复杂的电路接线，布线结构错综复杂，感应电磁场容易出现耦合，出现过电压现象，进而对电子元件和线路造成损坏[2]。

2 计算机机房雷电感应危害分析

雷电感应对电子信息设备的危害十分严重，雷电脉冲的电流值会随着时间发生变化，呈现出不同的波形。经过研究发现，雷电发生时，具体的破坏程度和峰值电流、雷电波形等有十分紧密的关系，首先，要了解雷电电流对应的波形特征。地理位置、地质条件、季节变化、气象变化等，都是影响雷击危害程度的因素，根据长期观测发现，在出现闪电的时候可能会出现3种雷击现象，分别是首次雷击、后续雷击、长时间雷击。这3种不同的雷击形式如图1所示。

图1 3种雷击形式

2.1 雷电流幅值I0

雷电流是一种非周期性的冲击波，其幅值大小和气象条件、自然条件等都有关系，而且是随机变化的。根据长期观测得知，我国国内观测发现的最大的回击电流是330 kA，而且雷击电流的幅值大于40 kA的雷电流大约有45%，大于80 kA的雷电流大约有17%，大于108 kA的雷电流大约有10%。

2.2 波头时间T1

雷电流的幅值是随着雷电强度变化而变化的，在发生雷电现象的时候，其幅值会出现一个陡然上升的过程，当雷电流的幅值从10%上升到90%的时候，整个过程所需要的时间就是波头时间。雷电流的波头时间是一个动态变化、随机变化的量，与雷电流的强度有紧密关系。如果雷电流的强度处于中等水平，则其波头大约为1～4 μs，根据长期监测结果得知，波头时间长度在1～5 μs之内的雷电现象大约有85%，平均时间大约为2.6 μs，而且波头的变化不大。

2.3 半值时间T2

当雷电流的幅值从100%降低到50%的时候所需要的时间就是半值时间，根据实际测量统计得出，半值时间大约为10～200 μs，雷电脉冲波的半值时间大约为50 μs。

2.4 雷电流陡度di/dt

雷电流陡度指的是雷电流在单位时间内上升的数值，表示雷电流增长的速度。雷电流的陡度越大，产生的电磁场变化率也越大，感应脉冲电压或者电流也越大，雷电流产生的破坏能力越强。根据统计发现，雷电流的陡度可以达到50 kA/μs，平均陡度大约为30 kA/μs。雷电流的幅值和陡度之间呈线性变化关系，相关系数大约为0.6，雷电流的幅值不断上升的时候，雷电流的陡度也会增加，幅值较大的雷电流也具有较大的陡度。

2.5 电荷量与单位能量

雷电感应时的电荷量的计算公式为：

单位能量的计算公式为：

3 计算机雷击危害的防护措施

3.1 屏蔽系统

屏蔽系统是利用各种金属屏蔽体对进入建筑物的电磁干扰或者过电压能量进行阻挡或者衰减的过程。对于计算机机房的弱电系统来讲，屏蔽系统主要有机房建筑物屏蔽、设备屏蔽以及线缆管道屏蔽。机房建筑物的屏蔽措施多种多样，可以利用建筑物的钢筋、金属框架、门窗等组成法拉第笼，而且让这些物体与地网连接，形成初级屏蔽网络。当前很多建筑也基本采用钢筋混凝土结构或金属框架结构，而且整个建筑物的电气是连通的，所以很容易遭受雷击危害，初级屏蔽网可以对感应雷进行基本防护。

3.2 综合布线系统

在计算机机房内，对各种电子信息设备的线路进行综合设计，可以防止电子设备在电磁场的作用下发生损坏或者失灵。比如微机、传感器等电子设备应该要安装在机房的中央，不能靠墙，不能防止在墙角位置，其次，在建筑物的顶层机房，其内部的电子信息设备很容易受到累积危害，所以设备形成的回路要尽量小，不能和墙壁中的防雷系统的引下分支平行，避免出现较大的回路感应电势，从而对设备产生危害。

3.3 防雷接地系统

在计算机机房中，防雷器件作用显著，对雷击危害的防护至关重要。防雷接地系统可以实现对雷电流的吸收、分泄等，从而减少雷电流的集中危害。在计算机机房的防雷接地系统设计过程中，最理想的方式是建筑物接地装置，从接闪器到引下线，都应该要确保无任何电阻，当出现雷电现象的时候，避雷针可以始出现接闪。为了保证接地装置上的任何一点与大地的电势差都保持为零，则必须要让接地电阻值尽可能小。根据相关规定，交流工作接地和安全保护接地的电阻值不能大于4，直流工作接地中的电阻值要根据具体的情况计算得出。标准的计算机机房的工作接地、安全保护接地、直流工作接地、防雷接地应该要共用一组接地装置。但是由于一些计算机设备的工作状态不相同，因此不能共用接地系统，所以要建立等电位理论，达到瞬时等电位，对雷击危害进行抵御[3]。

4 结语

综上所述，对雷电感应雷进行防护就是为了确保各个系统、各个设备都能正常运转，以免影响电子信息设备的工作状态。雷击危害对计算机机房的电子信息设备的危害严重，必须要做好危害分析，并且采取相应的防护措施进行预防，确保设备可以正常运转。