电子设备防雷应用解决方案
摘要：本方案的目的是提出一套完整而易于操作的防雷设计和运行方案予贵单位在机房电力改造的同时进行参考实施，要改造的机房作为xx国际集团的通信、数据和网络中枢，必然要有一个可靠的后备供电系统和完善的电子设备防雷系统，从而达到使xx集团总部的重要设备和网络系统安全运行的效果……
关键词：电子设备 防雷 解决方案
前 言
防雷技术的发展是与高科技的迅猛发展紧密相关的。自富兰克林发明避雷针后的200年时间里，防雷工程主要是建筑和电力系统关注的重点，技术也日趋成熟。目前，雷灾增多的原因并不在于自然界的雷电现象发生变异，而是由于微电子技术的普遍应用，新设备的技术和结构与过去电子管设备有了很大区别，雷电的某些在过去想不到也看不到的物理效应在新器件、新产品上发生作用。过去的防雷主要针对强电系统，雷电磁波（lemp）的存在危害不了它；而现在的防雷技术重点转向弱电系统。随着微电子技术的广泛应用，雷电对设备的破坏途径更加多样，破坏程度更加广泛和深入；它可以导致数据信号发生错乱，也可能导致芯片的直接损坏，使设备立即发生故障中断通信；还有一种可能，雷击产生高压浪涌仅使某些部件缓慢劣化而缩短使用寿命，这种损伤会使设备经常产生难以捉摸的软故障直到最后电路失效或性能下降。
面对新的防雷形势，若仍采用旧的防雷观念或技术必将导致更大的灾祸和损失。因此，防雷工程技术需要一个大转变、大提高，必须要从系统的角度进行综合防御。根据国际公认的观点，全面的防雷就是要提供高效的接闪体，安全引导雷电流入地，完善低电阻地网，清除地面回路，电源浪涌冲击防护，信号及数据线瞬变防护。
在采用新的防雷技术手段上，要遵重科学，遵守防雷规范，也要重视继承长期以来建立的防雷体系和防雷经验，并在实践中合理应用与发展。雷电的发生具有很大的随机性，不同的地方所处环境的雷电频繁程度和强烈程度不同，设备本身价值也有很大差异，所以在防雷设施的配置上不能一概而论，一定要从实际出发，坚持经济性、合理性、灵活性，因地制宜，避免不必要的浪费。
本方案的目的是提出一套完整而易于操作的防雷设计和运行方案予贵单位在机房电力改造的同时进行参考实施，要改造的机房作为xx国际集团的通信、数据和网络中枢，必然要有一个可靠的后备供电系统和完善的电子设备防雷系统，从而达到使xx集团总部的重要设备和网络系统安全运行的效果。对关键设备的保护，就是要达到99.999%以上的安全运行时间。我们深知，在企业信息化的今天，保证了资讯中心机房的安全运行，就是保证了xx国际集团的安全运作。
总 则
电子设备雷电过电压及电磁干扰防护，是保护通信线路、设备及人身安全的重要技术手段，是确保通信线路、设备运行必不可缺少的技术环节，是企业电子化建设及运行管理工作的重要组成部分。
本方案的设计依据：
iec1312《雷电电磁脉冲的防护》
gb50057-94《建筑物防雷设计规范》
vde0675《过电压保护器》
ga173-1998《计算机信息系统防雷保安器》
gb-50174-93《计算机房防雷设计规范》
gb2887-89《计算机场地技术条件》
本方案中的所采用的过电压保护产品是由世界知名防雷器生产商德国obo bettermann公司精工设计制造的电源及通信信号的过电压保护器(spd)，其产品符合vde、iec及gb相关标准，并通过国内邮电、铁道、电力等有关权威检测机构检测认证。 银行系统计算机房直击雷防护措施严格依据gb50057-94第二类建筑物设计标准，其避雷针、引下线、地网系统应合乎规定要求。
一、过电压的入侵途径及危害
1、雷电
直击雷：
是指雷电直接击在建筑物构架、动埴物上，因电效应、热效应和机械效应等造成建筑物等损坏以及人员的伤亡。一般防直击雷是通过避雷装置即接闪器（针、带、网、线、）引下线构成完整的电气通路后将雷电流泄入大地。然而接闪器、引下线和接地装置的导通只能保护建筑物本身免受直击雷的损毁，但雷电会透过多种形式及途径破坏电子设备。
带电云层与大地上某处发生迅猛的放电现象，在放电的瞬间，会产生一股峰值在1000到100,000安培的脉冲电流，它的上升时间约为一微秒。如果雷电直接击中建筑物、房屋及与地基接地连接的所有电器设施，接地网的地电位水平会在数微妙之内被抬高数万或数十万伏。高度破坏性的雷电将从各种装置的接地部分，流向供电或数据网络系统。与此同时在未实行等电位连接的导线回路中，可能诱发高电位差而产生火花放电的危险。虽然直击雷的能量巨大，但由于遭受雷电直接袭击的范围通常很小，传统安装于建筑物顶上的富兰克林避雷针将放电电流引导到大地，实践证明，对建筑物设施的保护，避雷针是经济和有效的。
但是，当雷电击中室外传输电源导线或者其他信号线、电话线上时，一个瞬时雷电冲击波会沿着导线向与其相连的设备前行，损害相连的电器设备，并可能击穿绝缘，危及人身安全，或者产生电弧、电火花引起火灾。
感应雷：
是雷电在雷云之间或雷云对地的放电时，并在附近的户外传输信号线路、埋地电力线、设备间连接线和电磁感应并侵入设备，使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害。感应雷虽然没有直击雷猛烈，但其发生的机率比直击雷高得多。直击雷只发生在雷云对地闪击时才会对地面造成灾害，而感应雷则不论雷云对地闪击或者雷云对雷云之间闪击，都可能发生并造成灾害。此外直击雷一次只能袭击一个小范围的目标，而一次雷闪击都可以在较大的范围内多个小局部同时产生感应雷过电压现象并且这种感应高压可以通过电力线、电话线等传传输到很远，至使雷害范围扩大。
雷电波侵入：
由于雷电电流有极大峰值和陡度，在它周围的出现瞬变电磁场，处在这瞬变电磁场中的导体会感应出较大的电动势，而此瞬变电磁场，都会在空间一定的范围内产生电磁作用，也可以是脉冲电磁波辐射，而这种空间雷电电磁脉冲波（lemp）是在三维空间范围里对一切电子设备发生作用。因瞬变时间及短或感应的电压很高，以致产生电火花，其磁脉冲往往超过2.4高斯。现代银行、邮电、证券机房或营业柜台普通应用微机进行货币存取、信息传递与交换，其对磁脉冲承受限度一般为小于0.007高斯，故在新机房建设或旧机房改造时应对防雷与磁屏蔽措施必须充分注意。
球形雷：
是一种特殊的雷电现象，简称球雷。一般是以橙或红色，或似红色火焰地发光球体，（也有带黄色、绿色、蓝色或紫色的），直径一般约为10-20厘米，最大的直径可达一米，存在的时间大约为百分之几秒至几分钟，一般是3至5秒，其下降时有的无声，有的发出嘶嘶声，一旦遇到物体或电气设备时会产生燃烧或爆炸，其主要是沿建筑物的孔洞或开着的门窗进入室内，有的由烟囱或通气管道滚进楼房，多数沿带电体消失。
2、操作瞬间过电压
众所周知，当电流在导体上流动时，会产生磁场，储存能量，电流截越大，导线越长，储能越大，所以当大型负载（特别是电感性负载）电气设备开关时，便会产生瞬时过电压。
3、地电位反击
是指雷击大地或接地体，引起地电位上升而波及附近的电子设备，对设备产生反击，损害其对地绝缘。
二、雷电保护的整体概念
企业网络过电压保护必须运用电磁兼容原理将企业网络局部的防护归结到企业网络的整体的雷电过电压保护。电子设备所处的建筑物作为一个欲保护的空间区域，从电磁兼容的角度出发，可由外到内分为几个雷电保护区，以规定各部分空间不同的雷电磁脉冲(lemp)的严重程度。(如图1)
根据雷电保护区的划分要求，银行建筑物外部是直接雷的区域，在这个区域内的设备最容易遭受损害，危险性最高，是暴露区，为0区;建筑物内部及计算机房所处的位置为非暴露区,可将其分为1区、2区，越往内部，危险程度越低，雷电过电压对内部电子设备的损害主要是沿线路引入。保护区的界面通过外部的防雷系统、建筑物的钢筋混凝土及金属外壳等构成的屏蔽层而形成。电气通道以及金属管则通过这些界面，穿过各级雷电保护区的金属构件必须在每一穿过点做等电位连接。
进入大楼的电源线和通讯线应在lpz0与lpz1、lpz1与lpz2区交界处，以及终端设备的前端根据iec1312——雷电电磁脉冲防护标准，安装上obo之不同类别的电源类spd，以及通讯网络类spd(瞬态过电压保护器)。spd是用以防护电子设备遭受雷电闪击及其它干扰造成的传导电涌过电压的有效手段。
行安装。
等电位连接
实行等电位连接的主体应为：设备所在建筑物的主要金属构件和进入建筑物的金属管道；供电线路含外露可导电部分；防雷装置；由电子设备构成的信息系统。
实行等电位连接的连接体为金属连接导体(如图3)和无法直接连接时而做瞬态等电位连接的防雷保护器(spd)。
大楼的计算机房应敷设金属蔽网，屏蔽网应与机房内环形接地母线均匀多点相连。 通过星型(s型结构或网形m型)结构(见图4)把设备直流地以最短的距离连到邻近的等电位连接带上。小型机房选s型，在大型机房选m型结构。
机房内的电力电缆(线)、通信电缆(线)宜尽量采用屏蔽电缆。 架空电力线由终端杆引下后应更换为屏蔽电缆，进入大楼前应水平直埋50m以上，埋地深度应大于0.6m，屏蔽层两端接地，非屏蔽电缆应穿镀锌铁管并水平直埋50m以上，铁管两端接地。
接地
根据gb50174-93标准要求，电子计算机机房接地装置应满足下列接地要求：
交流工作接地，接地电阻不大于4欧姆；
安全保护接地，接地电阻不大于4欧姆；
直流工作接地，接地电阻应按计算机系统具体要求确定；
防雷接地，接地应接现行国标50057<<建筑物防雷设计规范>>执行。
交流工作接地、安全保护接地、直流工作接地、防雷接地等四种接地共用一组接地装置时，其接地电阻按其中最小值确定；若防雷接地单独设置接地装置时，其余三种接地共用一组接地装置，其接地电阻不大于其中最小值，并应采用obo之防地电位反击的等电位连接保护器。
机房内通信电缆以及地线的布放和连接
通过模拟不同的布线、屏蔽和接地方式时，空间电磁场对通信线路的电磁感应影响情况试验，对计算机通信网络系统在建筑物楼内的布线和接地方式有如下结论：
通信电缆以及地线的布放应尽量集中在建筑物的中部。
通信电缆线槽以及地线线槽的布放应尽量避免紧靠建筑物立柱或横梁并沿建筑物立柱或横梁布线较长的距离，通信电缆线槽以及地线线槽的设计应尽可能位于距离建筑物立柱或横梁较远的位置。
卫星接收机高频电缆在进入机房前其金属屏蔽外皮，至少有二处与避雷设备引下线连接。
三、防雷器（spd）的选用
一台质量优良的电源避雷器，与其元器件的正确选择，先进的设计方案、合理的生产工艺及良好的质量管理体系是分不开的。以下就如何从这几个方面去选择电源避雷器，结合实践作一探讨。
10、 防雷器中使用的元器件
电源避雷器中的雷电能量吸收，主要是氧化锌压敏电阻和气体放电管。
氧化锌压敏电阻是限压型保护器件，没有脉冲电压时呈现高阻状态，一旦响应脉冲电压，立即将电压限制到一定值，其阻抗突变为低阻状态。与气体放电管比较，它最大的优点是当它吸收脉冲电压时因残压高于工作电压，不会造成电源的瞬间短路，也不会产生续流。氧化锌压敏电阻的响应时间比气体放电管快。气体放电管的击穿电压对脉冲电压的上升速率十分敏感，电压上升速率越快，点火电压越高，响应时间越快。能够正确选择压敏电阻和气体放电管这二类元器件，并利用它们各自的优点进行组合的电源避雷器，其整机性能相对较好。电源避雷器中要求氧化锌压敏电阻，具有优良的能量耐受特性，而能量耐受特性主要用额定雷电冲击电流、最大雷电冲击电流和能量耐量三大指标来描述，这些特性与氧化锌压敏电阻的表面积有关，和元件的散热条件有关。同一种规格的压敏电阻，由于不同厂家的制造工艺、原料配方不同，其能量耐受能力会相差很大。
气体放电管具有很强的承受大能量冲击的能力，但在具体使用时，由于气体放电管在放电时残压极低，近似于短路状态，因此不能单独在电源避雷器中使用，气体放电管的耐流能力与管径有关，管径越大，耐流能力越好。气体放电管的质量问题主要表现为慢性漏气，长时间使用的可靠性问题（即遭受多次雷电冲击后，直流击穿电压值发生偏移），光敏效应和离散性较大。虽然近年来国产的气体放电管有了较大的改进，质量在逐步提高，但整体质量问题仍然存在，特别是可靠性问题和慢性漏气问题。因此电源避雷器中选择进口名牌气体放电管的产品应作为首选，且气体放电管的管径在ф8㎜以上为好。
电源避雷器中的电容器和热熔保险丝的选择也很重要。电源避雷器长期工作在电网中，由于电容器的质量问题造成电源避雷器整机损坏的事例很多，因此，电容器的耐压选择很重要，特别是耐受脉冲高电压的冲击能力。相比之下，国外产品好于国内产品，日立公司，okaya公司的电容器质量为上好。电源避雷器中的热熔保险丝的作用是当雷电流超过电源避雷器最大承受能力时，由于过流作用，可使保险丝断开，同时由于过截使氧化锌压敏电阻温度上升亦可使保险丝断开，起到过流和温度双重保护作用。由于电源避雷器常态工作条件下，电流非常小，只是在雷电冲击或脉冲电压冲击时，在瞬态条件下起保护作用，因此与常规热熔保险丝的使用条件有所区别，所以，电源避雷器中的热熔保险丝应有独特性能，即在瞬态条件下的熔断特性。
11、 先进的设计方案
避雷器的设计方案有了良好的元器件，先进的设计方案是确保电源避雷器质量的必要条件。根据对国内外产品的分析比较，在设计电源避雷器时应充分考虑以下几个方面问题。电源避雷器耐雷电电流冲击等级的合理定位，即电源避雷器额定浪涌电流值和最大浪涌电流值的确定。现在市场上有些电源避雷器的厂商，为了广告宣传和产品竞争等商业行为，随意提高耐雷电电流冲击的等级，这是一种对用户极不负责的态度。雷击灾害对现代电子设备具有极大的破坏性。某一地区雷电电流的大小，由于地理环境、气象条件和电子设备电源接线方式等诸多不确定因素，很难用一个数字量来确定，因此，厂家对电源避雷器的设计应有较大的余量。一般浪涌电流的设计应是该电源避雷器最大浪涌电流值的一倍，而最大浪涌电流值又应是该电源避雷器额定浪涌电流值的一倍，这样的设计余量才是对用户负责的态度。在厂家设计的`具体线路中，应采用多路浪涌电流吸收的冗余式电路结构，即当某一路浪涌电流吸收回路由于某元器件损坏，自动退出电源避雷器的整机电路，不影响整个电源避雷器的正常工作。由于采用上述的设计余量，即使出现一路、甚至二路吸收回路退出整体电路，也不影响整个电源避雷器的防雷能力。这种冗余设计方案将大大地提高电源避雷器的可靠性，是多雷区电源线路防雷的首选防护设备。
12、 生产工艺和质量管理体系方面
合理科学的生产工艺是确保电源避雷器质量的保证条件。在电源避雷器的生产工艺上，生产厂家应注意以下几个方面的问题。湿热一直是压敏电阻失效的一个重要原因，其表现出来的现象是压敏电阻在受长期潮湿环境的影响下，其泄露电流明显上升，压敏电压值明显下降。对于整个电源避雷器来讲，由于潮湿环境的影响，一旦电网中出现瞬态过电压或雷电电流的冲击，很可能造成局部短路而损坏的现象。由于雷雨季节往往是一个湿热的气象环境条件，因此电源避雷器的防湿热工艺显得非常重要。通常厂家采用环氧树脂灌封的生产工艺。有些厂家能在环氧树脂灌封的过程中进行真空抽气，则效果更好。因此，在选择电源避雷器时，除观看厂家的元器件的选择，设计方案和生产工艺外，质量管理方面也很重要。这包括元器件采购、保管、检验、组装、老化、残压和泄露电流的测试制度、安全制度等方面。
综上，选择质量优良的电源避雷器，不能只停留在厂家的广告宣传上，还应到厂家针对上述几个方面去看一看，特别是关键元器件的选择、设计方案、生产工艺是了解的重点。除此之外，当地的气象条件、年雷暴日数和雷暴造成财产损失的情况也应和选择电源避雷器的防护级别进行综合考虑。
四、防雷器的应用方案
1、防雷器的配置原则
应在不同使用范围内选用不同性能的防雷器（spd）。在选用电源spd时要考虑供电系统的形式、额定电压等因素。lpz0与lpz1区交界处的spd必须是经过10/350us波形冲击试验达标的产品。对于通信spd在选型时应考虑spd与电子设备的相容性。
spd保护必须是多级的，例如对电子设备电源部分雷电保护而言，至少应采取泄流型spd与限压型spd前后两级进行保护。
为各级spd之间做到有效配合，当两级spd之间电源线或通讯线距离未达规定要求时，应在两级spd之间采用适当退耦措施。
对于无人值守场合，可选用obo之带有遥信触点的电源spd；对于有人值守场合，可选用obo之带有声光报警之电源spd，所有obo电源防雷器都具有老化显示。
通信spd应满足信号传输带率、工作电平、网络类型的需要，同时接口应与被保护设备兼容。通信spd由于串接在线路中，在选用时应选用插入损耗较小的spd。
在选用spd时，供应商应提供相关spd技术参数资料。
正确的安装才能达到预期的效果。spd的安装应严格依据厂方提供的安装要求进行。
2、防雷器的具体应用
根据xx集团总部资讯中心机房的实际情况建议使用如下防雷保护装置：
在大楼的总配电室处加装一组（四个）德国obo 的mc-50b间隙型防雷器，属于泻流型的防350us波形的防雷模块，它是建筑物内部的第一级防雷器。
为保护ups设备，同时加强机房电源系统保护，在机房主配电柜内安装一套德国obo v25-b/3+npe-as电源防雷保护器；ups配电柜安装一套obo v20-c/3+npe-as电源防雷保护器作为电源系统二级辅助保护；在机房的关键设备前端再安装obo cns-3d-g8 或dns-3-d防雷保护器作为电源系统三级防雷保护。电源经三级保护后浪涌电压大大降低，完全符合ups及常规电源的浪涌承受能力。电源避雷器为模块式插入，更换方便。当雷击时避雷器单向对地导通，使电源系统浪涌电压泄入大地，从而保护设备和人体，当模块断路时，as声光报警器提供报警信号，提示更换。
在ddn前端安装一套德国obo rj45-v24t/4-f信号保护器，保护ddn专线设备及路由器。
交换机、服务器及小型机各安装一套德国obo rj45-e100/4-f、rj45-tele/4-f信号保护器。
地网保护器：机房地与大楼地之间使用obo 480地网保护避雷器连通，连接成等电位体，并且当雷击时大楼避雷系统电流不直接进入机房地以防止雷电反击。
以下是应用在本方案中的防雷模块配置一览表：
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