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計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)安全防雷研究

文檔作者：葉曉燕，仲嘉霖，王儉文檔來(lái)源：蘇州科技學(xué)院電子工程系		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年11月04日
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· 4 · 電 力 辱 銹 c童 信 2004年第3期
計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)安全防雷研究
葉曉燕，仲嘉霖，王儉
(蘇州科技學(xué)院電子工程系，江蘇蘇州215011)
摘要：研究了計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)的安全防雷區(qū)域的劃分原則，提出了計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)防雷設(shè)備的最佳配置
方案、聯(lián)接方式及容量計(jì)算方法，對(duì)單級(jí)防雷和多級(jí)防雷原理進(jìn)行了理論分析和實(shí)I~_r-程應(yīng)用效果的分
析對(duì)比，并對(duì)防雷設(shè)計(jì)中地網(wǎng)接地電阻值的大小提出了新的研究見解。
關(guān)鍵詞：防雷；接地電阻；浪涌殘余電壓
中圖分類號(hào)：TP308；TN876．7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1005—7641(2004103—0O04—03
隨著計(jì)算機(jī)事業(yè)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)
用，人們對(duì)計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)及硬件設(shè)備的防雷意識(shí)也
在不斷的提高，特別在電力、金融、郵電、交通、航空這
些重要行業(yè)的計(jì)算機(jī)機(jī)房工作的人員，已經(jīng)意識(shí)到防
雷措施的重要性。但是，據(jù)調(diào)查所知，目前絕大部分計(jì)
算機(jī)信息安全系統(tǒng)防雷設(shè)備的使用者認(rèn)為：1)計(jì)算機(jī)
機(jī)房的主機(jī)或通信設(shè)備裝上單級(jí)電源或信號(hào)防雷器，
即可解決防雷問題；2)機(jī)房接地網(wǎng)的接地電阻越小越
好，甚至認(rèn)為地網(wǎng)接地電阻值要求《1 Q。
本文就以上兩個(gè)問題做了一些研究分析，并提出
新的見解，供同行參考。
1 計(jì)算機(jī)機(jī)房應(yīng)設(shè)置多級(jí)防雷
現(xiàn)以法國(guó)生產(chǎn)的電源避雷器DS40和DS10系列
為例說(shuō)明。
DS40和DS10系列的浪涌電流和殘壓，見表1所列。
表1 DS40—230、DS10—230浪涌電流和殘壓
(8／2o )
浪涌
顯然，表1和表2表征了這兩個(gè)系列避雷器中放
收稿日期：2003—10—18
作者簡(jiǎn)介：葉曉燕(1963一)，女，江蘇無(wú)錫人，講師，從事計(jì)
算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與檢測(cè)設(shè)備的研究；
仲嘉霖(1947一)，男，江蘇蘇州人，教授，研究方
向?yàn)楣怆娦畔⒓夹g(shù)及計(jì)算機(jī)信息通信；
王儉(1958一)，男，安徽蚌埠人，副教授，研究方
向?yàn)殡娮与娦畔⒓坝?jì)算機(jī)信息通信。
電元件的伏安特性。在其額定通流容量處(DS40系列
為10 kA，DS10系列為5 kA)，殘壓與浪涌電流的比值
(DS40系列為0．12 Q，DS10—230系列為0．2 Q)即為
額定通流量“短路阻抗值”。
計(jì)算機(jī)機(jī)房的防雷區(qū)域按照IEC1312—1的要
求，將需要保護(hù)的空間劃分為不同的防區(qū)(LPZ)，以確
定各部分空間不同的LIMP(雷閃電磁脈沖)的嚴(yán)重程
度和相應(yīng)的防護(hù)對(duì)策。
1．1 防雷區(qū)域的劃分原則
(1)防直擊雷區(qū)LPZOA
本區(qū)內(nèi)的各物體都可能遭到直接雷擊，因此各物體都
有可能導(dǎo)走大部分雷電流。本區(qū)內(nèi)的電磁場(chǎng)沒有衰減。
(2)防間接雷區(qū)LPZO~
本區(qū)內(nèi)的各物體不可能遭到直接雷擊，流經(jīng)各導(dǎo)
體的雷電流，比LPZOA區(qū)域減少，但本區(qū)內(nèi)電磁場(chǎng)沒
有衰減。
(3)防LEMP(電磁脈沖)沖擊區(qū)LI
本區(qū)內(nèi)的各物體不可能遭到直接雷擊，流經(jīng)各導(dǎo)
體的電流，比LPZO~區(qū)進(jìn)一步減小，本區(qū)內(nèi)的電磁場(chǎng)
已經(jīng)衰減，衰減程度取決于屏蔽措施。如果需要進(jìn)一
步減小所導(dǎo)引的電流和電磁場(chǎng)，就應(yīng)再分出后續(xù)防雷
區(qū)如防雷區(qū)LP 等，應(yīng)按照保護(hù)對(duì)象的重要性及其
承受浪涌的能力作為選擇后續(xù)防雷區(qū)的條件。通常，
防雷區(qū)劃分級(jí)數(shù)越多，電磁環(huán)境的參數(shù)就越低。
防雷區(qū)劃分原則如圖1所示。
在防雷區(qū)劃分概念下，計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)的電力配
電系統(tǒng)設(shè)置多級(jí)防雷器(Sf'D)的情況如圖2所示。
所選用的各SPD(防雷器)及其與被保護(hù)設(shè)備組成
的整體，應(yīng)確保雷電流大部分從LPZOA／LPZ1交界處
的接地裝置及防雷器流走。
_旦雷電流的初始能量大部分被散逸，隨后的各
(如SF )僅需按應(yīng)付LPZOA和LPZ1交界處的剩
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2004年第3期 電 力 孽 銹 c童 信 -5 ·
圖1 防雷區(qū)劃分原則示意
? 一
?? 物 一 茴一LPZ 0e)
專 接地裝置
．f
7
r ～～ 一一
外部防雷裝置
LPZ-防雷區(qū)
等電位連接帶
電纜、線路
圖2 按不同防雷區(qū)所配置的等電位連接
余威脅值加上u 區(qū)內(nèi)電磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)效應(yīng)選型和計(jì)
算就可確定所需的防雷器容量。
2 防雷設(shè)備容量的配置
具備以上兩個(gè)基本概念(短路阻抗及防雷區(qū)劃
分)，再來(lái)討論多級(jí)防雷的配置問題。各級(jí)與級(jí)之間接
線(電纜或BV導(dǎo)線)的分布式的自然電感，從工程觀
點(diǎn)考慮，用集中參數(shù)L代替已足夠精確，一般20 1TI左
右的電纜，可用15 v-H集中電感代替。若按雷電波波
頭(10 )計(jì)算其沖擊頻率(最高值)約為25 ld-Iz，則
15 v-H電感的感抗Xt．≈2．4 n。
現(xiàn)以DS70R一230、DS40—230、D610—230等3
個(gè)器件組成三級(jí)電源防雷器保護(hù)為例，說(shuō)明多級(jí)防雷
時(shí)雷電流分配及防雷器通流容量配置問題。
被保護(hù)的40 kVA UPS的短路阻抗Z =0．5 n并
假設(shè)電源進(jìn)線雷電流I =100 l (此值已高估，機(jī)房
內(nèi)一般很少達(dá)到)，防雷器、電源電纜、UPS設(shè)備均用
等值阻抗表示，可以畫出如圖3所示的等效電路。
經(jīng)過計(jì)算，可以獲得如下數(shù)據(jù)：
J1=97．7 kA，J2=2．33 kA，J3=2．22 kA
J4=0．1 kA，J5=0．07 kA，J6=0．03 kA
當(dāng)然以上計(jì)算結(jié)果是在工程近似的假設(shè)條件下計(jì)
圖3 防雷器與設(shè)備連接等效電路
算得到的，作為工程參考，已足夠精確。學(xué)術(shù)研討時(shí)，
還需考慮分布參數(shù)問題、雷電波沖擊頻率問題、避雷器
點(diǎn)火時(shí)間先后帶來(lái)誤差等等。
由以上計(jì)算得知，即使超強(qiáng)度雷電流侵入電源線，
經(jīng)過三級(jí)配置的避雷器泄放能量，到達(dá)被保護(hù)設(shè)備的
雷電流僅剩余30 A。這種搭配可認(rèn)為是最佳搭配，
97％ 以上雷電流由最大通流容量的首級(jí)避雷器
(DS70R一230的J一=100 l )承擔(dān)，逐級(jí)遞減。根據(jù)
被防護(hù)設(shè)備的要求，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)配置后，能達(dá)到如表
2所列參數(shù)。
表2 雷電流泄放值
殘壓高(≥2 kV) 殘壓較高(≥14 kV) 殘壓低(≤1 kV)
泄放60％以上雷電流泄放20％以上雷電流泄放10％以上雷電流
經(jīng)過設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用，防雷器選型的總原則是：受
保護(hù)設(shè)備容量越大，選配的防雷器通流容量也越大，這
樣配置的理論依據(jù)是：用電設(shè)備容量越大，其短路阻抗
越小；避雷器的通流容量越大，其短路阻抗也越小。
例如，一臺(tái)80 kVA的UPS，其ZK=0．1 n，當(dāng)配
置一級(jí)防雷保護(hù)裝置DS150E，它的z =0．01 n，假
設(shè)電源線侵入雷電流Jr =100 kA，則UPS承受的雷
電流工 oBd的計(jì)算如圖4所示。
圖4 防雷器通流容量與短路阻抗的關(guān)系
I ～ 一： _麗 ^×100 一 ‘ 09 kA
如果選配DS44—230避雷器，其ZI =0．12 Q，
則此時(shí)，UPS承受的雷電流將是：
J =一 _ 麗 ×100 一 斗·．35 kA
可見這種配置極不合理，受保護(hù)設(shè)備UPS將近承
孽55％雷申．流1
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· 6 · 電 力 孽 銹 c童 謹(jǐn) 2004年第3期
最后需要說(shuō)明的是：在多級(jí)防雷配置中，各級(jí)防雷
器的啟動(dòng)(點(diǎn)火)電壓如何選擇?會(huì)不會(huì)出現(xiàn)主級(jí)還未
啟動(dòng)，次級(jí)或末級(jí)先啟動(dòng)，從而失去三級(jí)保護(hù)的作用。
經(jīng)過研究和實(shí)驗(yàn)表明，主級(jí)、次級(jí)乃至末級(jí)防雷器
的啟動(dòng)電壓無(wú)關(guān)緊要，可以選擇一樣，如都是410 V；
也可以不一樣，如主級(jí)410 V，次級(jí)405 V，或反之。原
因是感應(yīng)雷電浪涌電壓>6 kV，有的高達(dá)幾十萬(wàn)伏，
幾百伏的啟動(dòng)電壓都可以忽略，更不在乎兩級(jí)之間的
差值。但重要的是要選擇好防雷設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間(≤
25 ns)的搭配，如主級(jí)20 ns，次級(jí)25 ns，屬于最佳搭
配；反之，如主級(jí)25 ns，次級(jí)20 ns，則屬不理想搭配，
有可能次級(jí)先點(diǎn)火啟動(dòng)，主級(jí)后啟動(dòng)。但對(duì)于8／20／zs
的雷電波，主、次級(jí)啟動(dòng)時(shí)間差5 ns，泄放雷電流能量
僅占為 0·25‰，幾乎可以忽略因啟動(dòng)先
后，而影響雷電流能量的分配比例。
3 計(jì)算機(jī)機(jī)房地網(wǎng)的接地電阻
處在防雷區(qū)的計(jì)算機(jī)機(jī)房?jī)?nèi)的所有設(shè)備均應(yīng)做等
電位連接，目的在于減小需要防雷的空間內(nèi)各金屬件
和各系統(tǒng)之間的電位差。并將等電位連接點(diǎn)和地網(wǎng)做
良好的連接，而地網(wǎng)的接地電阻總是存在的，當(dāng)然接地
電阻越小越好，有些研究者認(rèn)為地網(wǎng)接地電阻值要求
《1 Q。這里暫不討論其理論合理性，只就工程經(jīng)費(fèi)及
其合理性談?wù)勎覀冄芯康慕Y(jié)果。近似地按1 Q工頻接
地電阻等于1 Q沖擊接地電阻考慮。
按國(guó)際電工委員會(huì)的規(guī)定，220／380 V用電設(shè)備
絕緣耐沖擊電壓最大為6 kV。220／380 V電源線遭受
感應(yīng)雷過電流的幅值，按國(guó)際規(guī)范認(rèn)為40 kA，它與
1嗽地電阻的乘積約為40 kV，這是6 kV的6．7倍，
足以擊穿用電設(shè)備的絕緣。
由此可見，一味降低地網(wǎng)接地電阻值，會(huì)浪費(fèi)大量
工程費(fèi)用，并對(duì)于用電設(shè)備的安全無(wú)濟(jì)于事。所以我們
認(rèn)為地網(wǎng)接地電阻值以適中為好，但強(qiáng)調(diào)“等電位”，即
計(jì)算機(jī)機(jī)房建筑、交流供電地網(wǎng)(變壓器地網(wǎng))、直流地
網(wǎng)等，均按YD6068—98(移動(dòng)通信基站防雷與接地設(shè)計(jì)
規(guī)范)構(gòu)成等電位網(wǎng)。然后在電源進(jìn)線端、信號(hào)進(jìn)線端、
微波收發(fā)同軸電纜進(jìn)機(jī)房端口等(LW~A與LPZ1交界
面處)分別安裝多級(jí)電源防雷器、信號(hào)防雷器及同軸電
纜保護(hù)器。此時(shí)地網(wǎng)接地電阻值的大小就變得無(wú)關(guān)緊
要。因?yàn)橹灰擞窟^電壓值大于防雷器的動(dòng)作電壓，無(wú)
論是電源或信號(hào)防雷器均能在瞬間動(dòng)作，而不管浪涌過
電壓值高低，并瞬間使電源進(jìn)線端或信號(hào)進(jìn)線端對(duì)地網(wǎng)
短接(忽略防雷器的殘壓值)而獲得等電位。
由此可見，在山區(qū)巖石地區(qū)，耗費(fèi)大量工程費(fèi)用建
造低電阻值的地網(wǎng)很不經(jīng)濟(jì)，但做成等電位網(wǎng)，然后配
置多級(jí)防雷設(shè)備，將對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或其他弱電控制系
統(tǒng)微電子設(shè)備的防雷保護(hù)更加有效、安全。
4 結(jié)束語(yǔ)
經(jīng)研究、計(jì)算和實(shí)際工程應(yīng)用，認(rèn)為計(jì)算機(jī)機(jī)房的
防雷保護(hù)是一項(xiàng)保證計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)安全必不可少的
防護(hù)措施。而雷電所釋放的能量相當(dāng)大，情況也各不
相同，所以在建立防雷設(shè)施和接地系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)以最嚴(yán)重
雷電情況來(lái)計(jì)算相應(yīng)的防雷設(shè)備容量，三級(jí)以上的防
雷配置是比較合適和經(jīng)濟(jì)的；在防雷接地網(wǎng)的電阻的
設(shè)計(jì)上，還應(yīng)考慮正常接地電阻值、土壤電阻率、接地
等效面積等因素，在一些文獻(xiàn)中的理論接地電阻<1 Q
的要求，可是在實(shí)際應(yīng)用中是很難實(shí)現(xiàn)這么低的電阻
值，而且經(jīng)濟(jì)上也是很浪費(fèi)的。因此，按上面的研究和
分析，我們認(rèn)為接地電阻是可以略大些。
防雷設(shè)備的配置和研究是一門綜合性的多學(xué)科課
題，隨著計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)安全意識(shí)的提高和加強(qiáng)，這方
面的研究需要同行專家和學(xué)者們的共同探討和努力。
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Research on lightning protection of computer information system
YE Xiao-yan，ZHONG脅一lin，WANG
(Suzhou Science and technology Institute，Suzhc~215011，China)
Abs一刪：This paper o the principles of lightning protection zone division，the optimum eonfiguration sehc~ne and capacity calculation of
佃【ing protection equipment，the theoretical analysis of Sin and multi—level protection an d the real effect∞m s0fl between them，
and presents a new opinion atx~t earth grounding resistance in designing a lightning protection system．
Key w0H ：lightning protection ；grounding resistance；survivals voltage

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