作者：叶明 陶晓岚 柳志江 吴芳华
【摘 要】本文分析了计算机网络中心的特点、雷电侵入的途径及产生的影响,着重阐述了计算机网络中心系统的综合防雷措施。
【关键词】计算机网络中心 雷电影响 防雷措施
引言
计算机网络中心是电子信息设备的集中场所,电子信息设备的耐压和抗电磁干扰性能比较低,雷电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,影响着计算机房内电子设备的正常工作,0.07高斯的的磁场强度可造成计算机元件失效,2.4高斯即可使元件击穿[2]。
为了减小雷电感应对电子信息设备的影响,对网络中心机房的通信系统、网络系统、电源系统及控制系统等弱电电子设备采取有效的雷电防护措施,保障机房系统正常安全运行,通过了解雷电的影响及侵入途径,然后对具体的防雷保护技术作深入的研究。
1、雷电的影响
雷电对计算机网络中心的影响主要为雷电感应电磁干扰、雷电波侵入和环路感应。雷电电磁场是伴随瞬时强大雷电对地放电的雷电流产生的,具有和雷电流相似的波形特性;当雷电接近架空管线时,高压冲击波会沿架空管线侵入室内,造成高电流引入;计算机网络中心所处的建筑物内通常敷设着各种电源线、信号线和金属管道等,这些线路和管道在建筑物内的不同空间构成环路。当建筑物遭受雷击时,雷电流沿建筑物防雷装置中各分支导体入地,流过分支导体的雷电流会在建筑物内部空间产生暂态脉冲电磁场,脉冲电磁场交链不同空间的导体回路,会在这些回路中感应出过电压和过电流,导致设备接口损坏。
2、计算机网络中心的特点
2.1 计算机网络中心的电子设备包括主机、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、电话等电子设备设施。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(MOS)构成,并且抗磁干扰能力和抗过电压能力都比较低。
2.2 为了延长设备工作时间和降低系统的能耗,计算机工作电压设计得越来越低,一般在1.1V—1.5V之间,任何超出该范围的电流冲击,都可能导致其永久性破坏。
2.3室内敷设进出机房的网络、供电线和各种设备的供电线,线路较多,布线复杂。
3、雷电侵入途径
雷电侵入计算机网络中心途径主要有:(1) 出入建筑物中各种电源线路及信号线路、设备间的连接线;(2)具有公共接地的建筑物中的一切金属管道;(3) 直接雷击落雷点建筑物的地电位上升。
4、防雷措施
IEC、IEEE、GB等标准体系对雷电浪涌保护工作设立了相应规范,主要采用的方法包括分流、屏蔽、搭接、接地、和设置保护元件等措施。
4.1 电源系统防雷
由于有80%雷击高电位是从电源线侵入的,进入网络中心的电源线和通讯线应在LPZ0与LPZ1、LPZ1与LPZ2区交界处,以及终端设备前端,安装防浪涌SPD。电源系统防雷分为多级保护。主要是通过合理的多级泄流能量配合,保证SPD 有较长的使用寿命和设备电源端口的残压低于设备端口耐雷电冲击电压,确保设备安全。SPD 一般并联安装在各级配电柜(箱)开关之后的设备侧。在电源总进线处安装电源第一级冲击电流Iimp(10/350μs)≥12.5kA、电压保护水平Up≤2.5 kV的浪涌SPD,在电源分配电箱处安装电源第二级冲击电流Iimp(10/350μs)≥10.0kA、电压保护水平Up≤1.5 kV浪涌SPD,在重要用电设备插座处安装电源第三级浪涌SPD。SPD 连接导线应平直,导线长度不宜大于0.5m,接地线连接等电位接地母排,接入电气竖井的接地干线。
4.2 数据线路信号防雷
正确选用传输电缆,低频电路尽量使用双扭绞线,高频电路使用双轴屏蔽电缆,有可能用光缆替代电缆。
4.2.1 广域网
广域网远距离传输数据通信需要防护线与线之间、线与大地之间的雷电入侵,当广域网使用光纤接入时,光纤线路无需考虑此线路的雷电防护,但光缆金属护套和金属芯线可能引入雷电,必须在接入设备之前,光缆的所有金属接头、金属挡潮层、金属加强芯等,应在入户处直接接地。
4.2.2 局域网
局域网雷电防护的重点是做好局域网网线的屏蔽,同时加强终端设备局域网端口的雷电防护。中心机房内的服务器网口安装网络防雷器;中心交换机与二级交换机之间属于光纤线路连接的,加强芯做良好接地;路由器连接到防火墙的线路,防火墙入口处安装一组网络避雷器。在传输途径较远交换机的输出端和各部门用户终端,计算机处安装信号SPD防护。
网络信号防雷电浪涌SPD是针对特定的要求来设计的,技术指标繁多,使用浪涌SPD必须同时具备良好的防护性能和优异的传输指标。从传输的角度来看,浪涌SPD连接在通信网络上相当于增加了网络的分散参数,增加了线路损耗,对传输性能会造成一定的影响。目前在通信网络中使用的主要防护设备有:用于2MHz以下音频通信线路的MDF保安单元,用于15MHz以下接入网线路的xDSL浪涌保护器,用于百兆局域网的宽带网络浪涌保护器,用于控制系统、低速网络的数据线浪涌保护器,用于天馈回路的天馈防雷器等。所安装的SDP应根据被保护设备的工作电压、接口型式、特性阻抗、信号传输速率、频带宽度及传输介质等参数选用插入损耗小,限制电压不超过设备端口耐压水平的PSD。
信号线路浪涌保护器(SPD)与被保护设备的连接端口有串接与并联之分。由RJ11、RJ45、和其它接口组成的线路应串接安装SPD,仅有接线柱组成的接口应并联安装SPD。
当采用屏蔽线系统时,线缆中传输信号频率为1MHz以下时,采用单端接地,采用单端接地应保持各子系统中屏蔽层的电气连续性。线缆中传输信号频率为IMHz以上时,采用两端接地,在电缆屏蔽层二端接地时,两个接地装置之间的接地电位差不应大于1伏。
4.3 中心机房屏蔽处理
屏蔽层可分摊70%的电流。在要防护的机房内六面安装金属屏蔽网,其中地板采用全钢防静电地板,吊顶天花采用金属屏蔽天花,形成法拉第笼,将该屏蔽网与接地体进行电气连接,同时对进入被屏蔽机房内的电源线、信号传输线等均采用外套金属管状或金属编织网的外导体,并将其接入地网进行屏蔽。机房内的门窗宜采用金属门窗。
4.4 等电位处理
等电位连接作用在于将室内形成一个等电位的屏蔽整体,消除室内设备、金属导体之间的电位差,防止雷电电磁脉冲对设备的损害。在网络中心沿墙根敷设均压带。室内均压带采用≥75mm2紫铜带或30mm×3mm铜带作为主材。将主材沿墙环绕一周,并依照防护等级要求,形成闭合网格状态,网格大小应在3×3米内,并与接地汇流排可靠连接。室内的网络设备和其他电气设备的外壳、机柜和各种金属构件、防静电地板金属支脚、金属天花板、门窗等就近通过多股6mm2铜芯线连接至均压环。
4.5 设备安全距离
因建筑物的引下线和屏蔽网都在外墙处,雷电流经其引入接地装置,在外墙处会形成强磁场,所以总配线架(MDF)不应安装在柱上或柱附近,为金属外壳时应接地屏蔽。计算机网络系统的电源和信号主线路应尽量远离外墙,最好设置在室内的中心位置。
4.6 综合布线
建筑物之间传输线尽可能选用光缆;电源线不与网络线同槽架设;数据插座与电源插座保持一定距离,距离大于30cm;广域网线缆不与局域网线缆同槽架设;屏蔽槽要求两点接地并达到一定厚度。电子设备的电源线与信号线所形成的回路面积要尽量小,避免产生大的回路感应电势。在机房布线时应考虑防雷安全净距见《电子信息系统防雷设计规范》GB50343-2004第5.3.3条款的要求。
4.7 共用接地系统
《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2004 第5.2.5条款:“防雷接地应与交流工作接地、直流工作接地、安全保护接地共用一组接地装置,接地装置的接地电阻值必须按接入设备中要求的最小值确定。” 雷击时将会在导线、金属管网、地线网络、屏蔽范围内的一切设施上形成均压等电位。如有特殊要求设置独立地,则应在两地网间用地极保护器连接,两地网之间平时是独立的,防止干扰,当雷电流来到时两地网间通过地极保护器瞬间连通,形成等电位连接。许多计算机设备的电源线采用单相三线电缆,分别为火线、零线及连接在金属外壳上的地线,故与设备相连的电源插座应采用有安全保护地的三孔插座。
5、结语
计算机网络系统对雷电过压的防护要求比较高,雷电对计算机网络系统的危害是多途径的,雷电的产生机理的研究待完断,目前的防雷技术难以达到100%的防雷效果,需要进一步研究。
参考文献
[1] 林维勇,王时煦.建筑物防雷[M].北京:中国建筑出版社,1985.
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