计算机信息系统雷电防护技术探讨

张宏

［摘 要］现代信息技术的普及程度越来越高，其发展优势逐渐凸显。为了更好地满足人们的实际使用需求，计算机信息系统的规模不断扩大，为经济建设等领域的发展提供了强有力的支持。然而，计算机信息系统在实际运行期间，由于受到雷电影响，运行稳定性、安全性大幅度下降。从实际情况来看，每年因雷击造成的系统损毁事故时有发生。基于此，文章从雷电入侵计算机信息系统的途径入手，结合计算机信息系统的防雷工程要求，具体分析各项雷电防护技术的应用策略。

［关键词］计算机；信息系统；雷电；防护技术

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2023.16.058

［中图分类号］TM862［文献标识码］A［文章编号］1673-0194（2023）16-0183-03

0     引 言

计算机信息系统在社会生活中都得到了广泛应用，并且显著提升了各项工作的质量及效率，因此提升计算机信息系统运行的稳定性、保证系统安全具有重要的现实意义。然而，由于连接计算机信息系统的有关设备，其电磁兼容能力较低，一旦遭到雷击，会因无法承受瞬间过电压、过电流导致计算机短路，进而造成系统损坏。为有效应对此种状况，切实提升计算机信息系统的使用及运行的安全系数，有必要对雷电入侵的具体形式展开剖析，以此为导向探索适宜的雷电防护技术。

1     计算机信息系统概述与雷电防护必要性

1.1   计算机信息系统概述

计算机信息系统由计算机及其相关的网络、设备等基本构成要素组成，其实质是一种基于特定应用需要的人机系统（采集、处理、保存、发送、检索）。事实上，计算机信息系统既可以被视为计算机与外围设备所构成的单机系统，也可以被视为网络系统，诸如日常人们应用到的互联网、局域网、广域网等，都属于公共信息系统［1］。计算机信息系统作为现代计算机技术与通信技术结合的产物，主要是以通信设备为载体，以通信线路为核心，将分布在各个区域的若干计算机系统关联起来，依靠网络软件的驱动，实现各个系统间的数据互联互通，以及信息的实时共享。

1.2   雷电防护的必要性

计算机信息系统与网络系统、通信设备紧密关联，而且这些系统越来越广泛地应用在各个领域，无论在工业、商业还是事业单位，均可以看到计算机信息系统的身影，使用者通常需要依靠该系统处理信息、资料，而系统自身也会自动采集数据，并对数据进行深度挖掘与加工，以此来为生产、经营、决策提供强有力的数据支撑。不仅如此，与国家安全、国防军工、国民经济建设相关的重要数据信息也储存在计算机信息系统内部，可以说它已经成为信息资源的储存库［2］。因此，计算机信息系统在任何时候出现故障，都会给使用者带来巨大的损失。雷电带有强烈的电磁辐射干扰，会严重影响计算机信息系统运行的稳定性、可靠性、安全性，轻则造成短路，重则直接导致系统燃烧、爆炸，类似的雷灾事故更是不胜枚举。

2     雷电入侵计算机信息系统途径

2.1   由交流电源供电线路入侵

计算机信息系统的供电，通常都是从室外电力线路输入到室内。架空线路遭到直击雷、感应雷袭击的概率较高，高压线路在遭受雷击的情况下，会通过变压器耦合到380 V低压侧，从而对计算机信息系统的供电设备造成干扰［3］。低压线路也容易感应到雷电过电压，如果电源线电压为220 V，那么从中产生的雷电过电压将达到10 000 V以上，这对计算机信息系统造成的损害可想而知。

2.2   由计算机通信线路入侵

通常情况下，雷电入侵通信线路的原因有以下几种：其一，地面有明显的突起物，在受到雷电冲击后，强雷电压将该突起物周围的土壤击穿，雷电流进入并穿透电缆的外层，使高压进入到线路内；其二，当雷云在地表释放电流时，导线会产生上千伏特的过电压，破坏导线附近的电力设备，并通过导线直接侵入通信线路内，这样的侵入形式不仅危害性大，影响范围也很广；其三，在一根多芯电缆与多条电缆平行铺设的情况下，一旦其中一根电缆遭受雷击，势必会影响到邻近的电缆，从而损害电子设备。

2.3   地电位反击电压通过接地体入侵

由雷击所带来的雷电流，通过引下线与接地体，瞬间在大地中蔓延开来，在接地体的周围，呈现出一种径向的电位分布，若是有一些电子设备与接地体相距不远，就会形成高压地电位反击，所产生的电压会达到上万伏特［4］。此外，多数建筑所安装的避雷器，会将雷电流通过引下线引入地面，此时会导致周围空间电磁场发生巨大变化，使得相邻导线上产生雷电过电压，直接干扰计算机信息系统。

3     计算机信息系统防雷工程的相关要求

计算机信息系统的防雷接地设计应以以下标准作为依据：必须在保障人身安全和计算机信息系统稳定可靠运行的基础上，符合我国现行的《建筑物防雷设计规范》《建筑物电子信息系统防雷技术规范》中的要求。

第一，保护接地与功能接地应该合用一套，并以它们中的最小为原则来决定其接地电阻值。第二，对功能接地有特别要求的，需另设接地线时，必须与其他接地线隔离，配电线和地线应采用同一线路铺设。第三，计算机机房内全部设备的金属外壳、金属管道、金属线槽以及建筑物金属结构，都需要等电位连接和接地。第四，基于电子信息设备容易受到干扰的频率，以及数据中心的级别与规模，等电位的连接形式可以是S型、M型或 SM混合型［5］。第五，在使用M型或 SM混合型等电位连接方式时，计算机信息系统的主机房应该建立等电位连接网络，在网格的周围设置等电位连接带，并且利用等电位连接导体，将等电位连接带与接地汇流线、各类金属管道、金属线槽、建筑物金屬结构等相连接。各电子信息装置（箱体）均应有两条距离较近的等势连接导线，并将其与相邻的等势连接在一起。第六，等电位连接网格所使用的铜带、裸铜线，其截面积需要达到25 mm2以上，并且在防静电活动地板下连接成0.6 m～3 m的矩形网格。第七，在电源、信号设备附近应配备适当的浪涌保护装置，并进行接地处理。

4     计算机信息系统雷电防护技术的实践应用

4.1   直击雷防护技术

直击雷防护系统主要由接闪器、引下线和地网组成。其中，接闪器又被称为避雷针、避雷网，其通过引下线将雷电流传输至地网，依靠地网将电流疏散开来。避雷网需要选用12 mm的圆形镀锌钢，同时应用4 mm×40 mm的镀锌件扁钢建筑物顶端的引下线，将两者的间距控制在18 m以内，引下线的上端与避雷网连接，下端与地网连接，建筑物顶端的其他金属设备必须与避雷装置牢牢焊接在一起，以保证它们之间的连接［6］，这样就可以达到显著的雷电流释放疏散效果，确保保护对象不会受到直击雷伤害。即使遭受雷击之后，该系统还可以有效保护计算机信息系统设备，同时还与国家有关防雷标准相适应。另外，可以将避雷针安装在中波发射塔顶端，根据滚球法计算出避免机房遭受直击雷危害的安全区域，接着在该区域对应的机房顶部安装避雷针，按照保护区域计算结果，把握好避雷针安装高度。为了防止机房受到侧击雷的危害，还可以在机房顶端布设避雷带或者避雷网，通过协同应用放电避雷针、避雷网，采取混合接闪方式达到理想的雷电防护效果。

4.2   电源系统防雷技术

计算机信息系统的电源并非是一个独立存在的供电系统，需要依靠电力线路输入供电，所以其具备遭受雷电影响的可能。如果雷电直接击中电力线路，雷电流会通过变压器耦合到低压电，然后影响到供电设备，最终危害计算机信息系统。按照我国现行的关于计算机信息系统防雷的规定，要求建筑物的电源系统实施三级防护，在高压端安装高通容量的防雷装置作为第一级保护，在低压侧安装阀门型防雷设备作为第二级保护，在每个楼层的配电箱中安装避雷箱作为第三级保护。

4.3   信号系统防雷技术

在计算机防雷体系中，信号系统防雷是其中的一个重要组成部分。在应用信号系统防雷技术之前，必须充分了解计算机信息系统的拓扑结构、有关设备参数。一般情况下，光纤介质在信号传输时不会受到雷电流干扰，通过室外光缆中的金属加强芯进行可靠接地，当雷电流进入室内后，可以将绝大部分雷电流直接引入地下泄散。ADSL转换成普通的网络后，一般都是通过交换机和双绞线来与有关的服务器建立联系，所以对交换机的端口做好有效保护也十分必要。此外，电话线路的分布比较复杂，经常分散在建筑物的不同部位，每一条线路都有可能产生过电压，根据雷电电磁脉冲的原理，计算机、有关设备遭受损害主要是由雷电感应浪涌电压引起的，其依托信号引线，将感应浪涌电压输送到设备内部，从而对设备芯片与接口的正常工作造成严重干扰。针对此问题，可以在信号线间设置防雷电装置，接着将避雷器和线路设备接口部位串联在一起，同时安装好信号浪涌保护器，以此适应信号设备的实际防雷需求。针对浪涌保护器的安装，需要满足以下条件：能够承受预期的雷电流；可以承受最大钳压，且浪涌保护器的长度要控制在50 cm以内，保持连接线的平直；在两级浪涌保护器之间增设退耦装置，电压开关型同限压型浪涌保护器之间的线路长度控制在5～10 m，如此就能让浪涌保护器更好地发挥设备保护的效能。与此同时，应该确保安全防范系统、信息线路、火灾报警器、消防联动控制系统等的接地，还要达到相关规定要求。

4.4   均压和等电位接地

均压和等电位接地是防止地电位反弹的关键步骤，通过改变进入建筑物内的金属管线和电缆屏蔽层的方式，使之转换为等电位连接，形成一个处于封闭状态的均压环，由此有效消除电位差。在计算机机房安装接地保护装置的过程中，建议首选共用接地模式，确保房屋的防雷池、设备保护地、交流和直流工作地实现有效连接。值得强调的是，要始终以房屋自然接地的方式为先，构成等电位系统，如此就能切实规避因地网之间的电位差而对计算机信息系统及电子设备的影响。此外，计算机信息系统在实际运行阶段会产生电磁波，这种电磁波会对金属导体造成影响，从而使悬浮在空气中的灰尘粒子产生静电，而且这些灰尘粒子很可能会附着在电子設备的外表面。当电子设备外表面积聚的静电达到一定程度时，势必会令正负电荷形成高达几千伏的电压，对电子设备造成巨大的危害。对此，建议在计算机机房内部铺设全钢防静电地板，再将由铜排或铜网组成的均压带安装于机房墙壁上，尽可能将计算机机房内的金属机柜、桥架、光缆金属加强芯、防静电地板龙骨等就近连接，这样就可以将计算机信息系统运行阶段产生的静电最大程度释放到地面。

4.5   屏蔽与布线

屏蔽主要针对电子设备和线缆，在对电子设备实施屏蔽的过程中，要根据电子设备自身的抗压性能采取多级屏蔽措施，并做好金属导体、电缆屏蔽层和金属线槽之间的等电位连接。对于非金属外壳的设备，在机房屏蔽与设备电磁环境标准不适用的条件下，主要通过安装金属屏蔽网或者金属屏蔽室的方式加以解决。线路屏蔽一般是指在需要雷电保护的区域中选用屏蔽电缆时，屏蔽层需要在两端和保护区域交接部位实施等电位连接。若采用非屏蔽电缆，则应该将电缆敷设在金属管道内部，接着将其埋地引入，并在雷电保护区交接部位实施等电位连接。如果建筑物之间要通过屏蔽电缆进行互联，电缆屏蔽能够承载一般雷电流，所以此时电缆不需要敷设在管道内。此外，电缆与其他管线的间距应符合有关技术规范，以突出电缆敷设的科学性。

5     结束语

防雷工程是一项迫切且具有长远意义的研究课题。在今天，增强计算机信息系统的防雷性能，保障信息安全，防止雷击、火灾、爆炸等意外事故发生，是一项迫切需要解决的问题。在实际防护中，可科学应用直击雷防护技术、电源系统防雷技术、信号系统防雷技术、均压和等电位接地、屏蔽与布线等，以达到理想的防雷效果，并做好后期维护工作，定期维修养护设施设备，避免计算机设备受到雷击侵害。伴随计算机技术的不断进步，未来在防雷技术及工程方面将会有巨大突破，相信在不久的将来，防雷技术会更加先进，防雷工程设计也会更加科学完善。

主要参考文献

［1］雒新萍，陈雯，李晓磊.电力通信信息系统雷电防护技术探讨［J］.农业灾害研究，2022（6）：128-130，133.

［2］傅景龙，赵周杰.气象台站计算机信息系统雷电防护技术［J］.数字技术与应用，2021（11）：79-81.

［3］赵周杰，傅景龙.计算机信息系统的雷电干扰及有效防护措施［J］.数字技术与应用，2021（11）：97-99.

［4］李海洋.计算机信息系统雷电防护技术探讨［J］.电脑迷，2018（29）：88

［5］龚春勇，张怡.计算机信息系统雷电防护技术探讨［J］.科技创新与应用，2019（10）：130-131.

［6］杜改红，田杨萌，王彩霞，等. 雷电对计算机内部电磁环境影响的模拟研究［J］.系统仿真学报，2017（12）：3107-3113.