通信机房雷击浪涌的危害分析及防护方法

1雷电的产生和危害

1.1雷电的产生

雷电是因强对流气候而形成的雷雨云层之间或者云层与大地间强烈瞬间的放电现象。当雷电发生时，辐射等综合物理效应，是一种严重的气象自然灾害。

1.2雷电产生的机理

尽管雷电现象自古以来就有，但由于大自然本身的复杂性和客观条件的制约，全世界至今仍然还在继续研究雷电产生的机理。目前大家比较认同的解释理论有下面两种：

（1）雨滴分裂作用理论

当潮湿水气上升到高空，遇冷产生凝结形成小水滴。由于上升气流的不稳定，水滴在运动过程中相互摩擦、碰撞、分裂形成大小不等的水珠，大水珠带正电荷，小水珠带负电荷，小水珠容易被上升气流带到上层云层，大水珠则留在下层或降落到地面，这样便形成了电荷的分离过程。当带电荷云层逐步积累到足够的电荷量时，便相互放电产生闪电现象，形成雷电。

（2）电场极化理论

距离地面80公里以上的电离层具有一定的导电能力，而且是带正电荷的，而大地是带负电荷、形成比较稳定的大气电场。使处于其中的任何导体（包括云层）上端带负电荷，下端带正电荷，即发生极化。另外，前面介绍的空气中水滴分裂后形成上负下正的带电云层，进一步被大气电场极化，这些云层电荷量逐渐积累增多，达到了足够的能量（电位差达到500?600KV/M）时，便产生闪电现象，形成雷电（请关注：通信电源技术/通信电源人）。

1.3雷电类型和危害

自然界的雷击可分为直击雷以及雷电感应高电压和雷电电磁脉冲辐射（LEMP）两类。

（1） 直击雷

直击雷是雷雨云对大地和建筑物的放电现象。它以强大的冲击电流、炽热的高温、猛烈的冲击波、强烈的电磁辐射损坏放电通道上的建筑物、输电线、室外电子设备，甚至击死击伤人畜，造成一定的财产损失和生命损失。

（2） 雷电感应高电压以及雷电电磁脉冲（LEMP）

雷电感应高电压以及雷电电磁脉冲是由于雷雨云层相互之间或者雷雨云与大地之间放电时，在放电通道周围产生的电磁感应、雷电电磁脉冲辐射以及雷云电场的静电感应，使建筑物上的金属管道、钢筋以及由室外进入室内的电源线、信号线、天馈线等感应的雷电高电压，通过这些线路以及金属管道等引入室内造成放电，从而损坏电子和微电子设备。

① 雷电感应高电压及其形式

A.静电感应

雷云底部分布着大量的负电荷，通过静电场感应，在其所覆盖的地表面和各种物体，尤其是导体上，将感生出大量与雷云底部电荷符号相反的电荷。

B.电磁感应

闪电电流在闪电通道周围的空间产生磁场，这种磁场将随时间而变化，并在附近的各类金属导体上激发出感应电动势或感生电流。

C.电阻耦合

其形式有：--雷电侵入波

直接雷击或感应雷击作用在远处雷区或防雷保护区域之外的导线或金属管道上，产生的过电压沿着导线或金属管道传来，侵入建筑物内部或设备内部，而使建筑物结构、设备部件损坏或人员伤亡。

--地电位反击

如果建筑物的避雷针引下线（包括接地体）与各种金属导线、管道或用电设备的工作地线间的绝缘距离未达到安全要求，而又没有采取相应的等电位连接和钳位措施，从而在这些金属导线、管道或用电设备的工作地线上引入反击电流，造成人身和设备雷击事故。

② 电磁脉冲辐射

闪电放电时，其脉冲电流就向外辐射脉冲状的电磁波，当耦合到对瞬态电磁脉冲极其敏感的现代电子设备（如计算机）上，将造成设备故障或损坏。

1.4雷电防护的现状

在富兰克林发明避雷针时及以后270多年间，开始电子设备并不多，人们并没有意识到雷电感应高电压及雷电电磁脉冲的危害，只是采取了防护直击雷的措施，并往往认为防雷就只是安装避雷针、避雷线等。

后来随着电子设备大量的应用，特别是当前电子计算机技术、通信技术的高速发展和日益普及，雷电感应高电压以及雷电电磁脉冲的危害明显显露出来，单纯使用避雷针防雷不仅不能满足电子、微电子设备的防雷需要，反而在避雷针的引下线周围还产生了强烈的电磁场和电磁脉冲辐射，对周围的电子、微电子设备造成了危害。

由于雷电感应高电压及雷电电磁脉冲的传播途径广，作用范围宽，其破坏作用往往悄然发生，不易察觉，后果远比直击雷严重得多。所以人们开始研究雷电感应高电压以及雷电电磁脉冲的防护问题，并在反复的实践中逐步找到了系统、有效的方法（请关注：通信电源技术/通信电源人）。

目前，世界上许多国家都非常重视雷电（特别是感应雷）的防护工作。国际上，在国际电工委员会（IEC）下面成立了5个与防雷有关的技术委员会（如TC37、TC64、TC81等）。国内，在国家和各级气象主管部门下面都成立了防雷中心。国内外的有关组织和研究机构在防雷理论、防雷技术、防雷设备、防雷规范、防雷检测手段等方面进行了大量卓有成效的研究，取得了可喜的成绩。

2浪涌的产生和危害

2.1浪涌的含义

浪涌是指沿线路传送的电流、电压或功率的瞬态波。其特性是先快速上升后缓慢下降。波形持续时间一般为微妙级或毫秒级。

2.2浪涌产生的原因

浪涌产生的原因通常有：

（1）雷电袭击

（2） 操作过电压

当电流通过导体时在其周围建立一个磁场，将能量储存起来，当电流断开或接通时（包括切合感性负载、开断容性负载、开关动作、负载变化、线路出现短路断路和电弧故障时），磁场的能量将急速释放，形成浪涌。

（3）静电放电

当不同介电常数的绝缘材料相互接触和摩擦时，或者在不同的物体之间存在有电位差或电场时，就会因发生电荷转移而产生静电。气候越干燥，电荷量越大，静电电压越高。人体的静电电荷量通常有0.5~5库仑，静电电压可达12~30KV。当带有静电的物体或人体接触计算机等信息设备时，就会发生放电现象。放电产生的电磁干扰可能使信息系统（设备）失灵或损坏。

2.3浪涌的危害

操作过电压和静电放电造成的事故和损失很多。

随着现代科技的发展和社会的进步，各行各业在不断地引进和使用大量先进的自动化控制设备、办公网络以及工业电视监控系统等，而且系统越来越复杂、智能化程度越来越高。这些先进的系统对于改善工作条件、提高工作效率和生产技术水平，起到了不可或缺的作用。

但是，富含大量集成电路和精密微电子器件的系统又是一个比较脆弱的系统。目前的自动化控制设备、通信设备、办公网络等设备，虽然可靠性和抗低幅度杂波干扰的能力明显提高，但由于器件集成度的提高，耐压水平反而降低，对操作过电压和静电干扰非常敏感，极易被线路上出现的异常尖脉冲软击穿甚至硬击穿。

经统计和研究，在实际操作中，有60%以上的电子电气设备发生的数据丢失、误动作、死机、失灵甚至损坏，都跟操作过电压和静电放电有关。由此带来的安全隐患、事故与经济损失也是不可估量的！

3雷电及浪涌防护的方法

3.1防护原则

（1）由于操作过电压、静电放电和雷电过电压都属于浪涌，它们的波形特征相似，破坏效应一样，其防护的方法相互可以兼容。防止雷电感应高电压和雷电电磁脉冲的措施，同时也完全可以防止操作过电压和静电放电产生的破坏。

（2）电子信息系统的雷电和浪涌防护必须按照"综合防护"的要求进行设计。应坚持预防为主、安全第一、全面规划、综合治理、整体防御、多重保护、技术先进、经济合理的指导方针。

（3）电子信息系统的雷电和浪涌防护，在设计前宜做现场雷电环境和电磁环境评估。应认真调查地理、地质、土壤、气象、环境条件、雷电活动规律、雷击和设备事故的受损原因、系统设备的重要性、设备的工作环境，发生雷电和浪涌灾害后果的严重程度以及被保护物的特点等的基础上分别采取相应的防护措施。

（4）电子信息系统的雷电防护应当按照雷电的特殊性，根据所在地区雷暴等级、设备所在不同的雷电防护区以及系统对雷电电磁脉冲的抗扰度采用不同的防护措施（请关注：通信电源技术/通信电源人）。

（5）电子信息系统的雷电以及浪涌防护根据IEC组织提出的DBSG的基本思想，应采用以下六大综合防护技术进行设计：

①直击雷防护技术、②等电位连接技术、③屏蔽和隔离技术、④合理布线技术、 ⑤共用接地技术、⑥分流与钳位技术

3.2防护方法

在一个完善的建筑物电子信息系统防雷工程（特别是针对微电子设备的防雷工程）中，下述六个综合措施缺一不可。如果某一个环节考虑不周，即使进行了防雷方面的工作也起不到防雷作用，还有可能引雷入室而造成电子设备失灵或永久性损坏。

1、直接雷防护

直接雷防护就是利用避雷针、避雷带、避雷网等防直击雷装置，把闪电强大电流传到大地去，以保护建筑物和构筑物的安全。防直击雷装置应严格按照国标GB50057-94《建筑物防雷设计规范》的要求进行设置，其中避雷针必须按滚球法计算其保护范围和高度。

2、屏蔽和隔离措施

① 所谓屏蔽，就是用金属网、箔、壳等把需要保护的对象包围起来，把闪电以及强干扰的电磁脉波在空间的入侵通道全部阻断，以保护电子电器设备安全。金属屏蔽网（屏蔽室）应与等电位接地端子或接地带进行可靠连接。

对比较脆弱或比较重要设备，与其相连的尤其是进出屏蔽区域的电缆应采用屏蔽电缆。屏蔽层宜在两端及雷电防护区交界处做等电位连接。有时为了加强屏蔽作用，还需要将电缆穿入铁管之内，并将铁管两端以及在防雷区交界处进行等电位连接。

② 所谓隔离，就是让敏感的电子信息设备尽可能避开或远离雷电和浪涌容易干扰或破坏的地方。比如把电子信息设备安放在远离窗户以及大功率电感性或电容性负载的地方；使用光缆进行连接（光缆的加强钢筋应在两端做等电位接地连接）；不用手或只用带静电手套（手腕）的手直接接触电子信息设备的元器件、线路板和端口等。

3、等电位连接

配置有信息系统设备的机房内应设等电位连接端子板，端子板应可靠接地。机房内的电气和电子设备的金属外壳（包括机柜和机架）、屏蔽线外层以及各种SPD接地端均应以最短的距离就近与等电位连接端子板连接，以防止不同设备、不同导体之间出现电位差造成设备故障和人员伤亡，或者由于地电位的反击而损坏电子电器设备。

4、共用接地

所谓共用接地是将在同一区域的交流工作地、直流工作地、安全保护地、防静电接地、防雷接地等共用一组接地装置。共用接地系统的接地电阻应以接入设备中最小值确定。信息系统的接地电阻一般不宜大于4Ω。

防静电的散流和接地装置应按照有关规范进行设计。

当有特殊要求时也可采用独立接地。但是，没有直接连通的地网及其设备之间要按规范留有足够的距离，或者采用等电位连接体进行连接，防止不同的地网及其设备之间在雷击时因电位不同而发生跳击。

5、合理布线

所谓合理布线就是将容易引起干扰的线缆（比如强电和弱电线缆、架空和非架空线缆、室外进线和室内线缆等）分开敷设，并保持一定间距，并且符合国家标准GB/T50311规范的规定；或者利用金属走线槽进行分开走线。

大楼建筑物电气线路的主干线，应敷设在建筑物的电气竖井内，并且应当避开作为防雷引下线的结构柱子，防止雷电感应高电压的袭击。

接入串联型浪涌保护器的输入和输出线路不应交叉重叠；当闭合线路较长时，闭合线路所包围的面积应尽可能小。

6、分流与钳位

所谓分流与钳位就是使用浪涌保护器（SPD）。在进入室内的电源线路、信号线路特别是重要设备的前面按规范逐级加装该保护装置，将感应到电源线、天馈线以及信号线的雷电流泄放到大地，并将雷电以及浪涌钳位到设备能承受的范围，从而保护电子电器设备不被雷电感应高电压以及操作过电压所损坏。

审核编辑 ：李倩