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1、个人资料整理仅限学习使用目录引言 1 1关于电涌 11.1 雷电流的描述21.2 几种雷电流等值波形22侵入信息 系统的各种途 径及其过电压分 析 32.1 通过线路产生暂态过电压42.1.1 暂态电位的抬高42.1.2 过电压的耦合与转移52.2 通过场产生暂态过电压62.2.1 雷电流波形对室内电磁场分布的影响72.2.2 磁场感应出暂态过电压72.2.3 电场感应出暂态过电压72.3 暂态过电压波的传输特性82.3.1 均匀传输线方程82.3.2 波的折射与反射103、防护措施 123.1 等电位连接123.2 屏蔽措施133.2.1 线缆的屏蔽133.2.2 设备外壳屏蔽143.3 接
2、地系统153.4 信号线路的防护16结束 语 17参考 文献 18精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 20 页个人资料整理仅限学习使用雷电波侵入计算机信息系统的各种途径南京信息工程大学傅春华 210044 【摘 要】：本文介绍了雷电对计算机信息系统造成各种危害的可能途径，雷电波在沿线路传播时的传输特性，以及针对各种入侵途径所采取的有效防护措施。【关键词 】：防雷、计算机信息系统、雷电波、暂态过电压。【引 言】：信息时代的到来，使得计算机信息系统的应用得到了普及，各种先进的电子设备广泛地配备于各类建筑物中。而计算机信息系统的关
3、键部分CPU ，ROM ，RAM 及大规模集成电路均是MOS 工艺，其耐过电压，过电流的能力正逐年下降。虽然新一代的设备已采取了许多抗干扰措施，但这些防范措施主要是针对电网过电压和低能量的电磁干扰，而雷电造成的过电压防护技术还比较薄弱，一旦建筑物受到直接雷击或其附近区域发生雷击，雷电过电压，过电流和脉冲电磁场会通过供电线，通信线，接收天线，金属管道和空间辐射耦合等途径侵入计算机信息系统，威胁电子设备的正常工作和安全运行。因此，必须对侵入计算机信息系统的各种途径进行合理和有效的分析，才能找到正确防护计算机信息系统的方法，本文正是在这一方面做出尝试。1. 关于电涌电涌被称为瞬态过电，是电路中出现的
4、一种短暂的电流、电压波动, 电涌可来自电气装置外部，也可来自电气装置内部，即来自电气装置内的电器设备。外部电涌经常由雷电或公用电网开关的投切引起，这两类有害的电源扰动都可扰乱计算机和微机信息处理系统的工作，引起停工或永久性设备损坏。而 88的电涌产生于建筑物内部的设备，如：空调、电梯、电焊机、空气压缩机、水泵、开关电源、复印机和其它感性负荷。雷电电涌本身并不是恒流源，也不是恒压源，它的幅值大小随时间的变化很大。由雷击产生的电涌持续时间很短微秒量级），幅值很大，极易造成电子精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 20 页个人资料整
5、理仅限学习使用设备的损坏。据资料表明，每年因雷击而产生的电子设备的损失，绝大部分 200 150 100 波头时间 f ( s 10 10 10 波长( 半幅值 时间t( s 350 350 350 总电荷 Q(As 100 75 50 表-(a 首次雷击的雷电流波形参数波形参数建筑物防雷类别第一类第二类第三类电流幅值 Im(kA 50 37.5 25 波头时间 f ( s 0.25 0.25 0.25 波长( 半幅值 时间t( s 100 100 100 表-(b 后续雷击的雷电流波形参数1.2 几种雷电流等值波形为便于工程计算，需要将雷电流波形等值为几种可用解读式表达的波形，。通常将雷电流
6、波形等值为以下四种： 双指数波形，其等值波形的表达式为：i(t=AIm(e- t e-t 等值斜角波形，其等值波形的表达式为：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 20 页个人资料整理仅限学习使用 等值余弦波形，其等值波形的表达式为：幂指数波形，其波形表达式为：常用于 SPD测试的 8/20 s 雷电流即可用幂指数波形来表达，其拟合表达式为：上式中拟合常数 A = 0.01243( s 3 , = 3.911 s 。其波形如图 1 所示。2雷电过电压侵入信息系统的各种途径及分析当雷击发生时，强大的雷电流及其所产生的雷电电磁脉冲
7、能够通过传导、耦合、感应等方式在计算机信息系统中产生各种暂态过电压，沿线传输就形成过电压波。这些暂态过电压波对电子系统的安全正常运行具有极大的危害，极易造成电子设备的工作失灵或损坏，甚至造成人员伤亡。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 20 页个人资料整理仅限学习使用究其根本不难发现，引起这种暂态过电压的方式不外乎两种，一种是以线路的方式产生，一种是由场的方式产生，下面分别介绍暂态过电压是如何由这两种方式产生的，并讨论其传输特性。2.1 通过线路产生暂态过电压在这种情况下，强大的雷电流会通过防雷装置引下线和接地体）形成暂态过
8、电压，进而危害电子设备，也可以通过耦合与转移过电压，危害电子设备的正常工作。2.1.1 暂态电位的抬高考虑一避雷针系统，如图2 所示。当雷击于该系统时，距地面任一高度h 处A点）的暂态电位uA为：式中 i 为雷电流， Rg为系统的冲击接地电阻， L0为引下线单位长度的寄生电感。从该式可以看出， A点的暂态电位 uA由两部分组成，一部分为雷电流流经引下线及接地体时由冲击接地电阻Rg产生的压降，另一部分为寄生电感产生的压降，由于雷电流的幅值很大，其波头上升陡度也很大，因此uA可以达到很高的幅值，这一现象便称为暂态电位抬高。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - -
9、- - - -第 5 页，共 20 页个人资料整理仅限学习使用暂态电位的抬高可能会发生反击现象，危及其附近的电子电气设备，甚至是人身安全。因此，在实际的工程设计中必须加以重视。图3 是暂态高电位在屏蔽室入口处发生反击现象的示意图，暂态电位的抬高使得屏蔽室与接地连接线处于同一高电位，该高电位会在信号线入口处的屏蔽室小孔与信号线间产生放电击穿，使信号线也带上高电位。这一高电位会直接损坏与之相连的电子设备，也可沿信号线传播到远处，危害其它设备。此外，暂态过电压还可通过共用接地系统及供水管道等危及附近未受雷击的建筑物，如图4 所示。当建筑物2 受雷击时，其产生的暂态过电压会通过各建筑物间的接地连接线及
10、供水管道传播到建筑物1 和建筑物 3，使建筑物 1 和建筑物 3 的接地系统也带上高电位。由于建筑物3 没有采取过电压保护措施，带高电位的地线便会与电源线和信号线发生反击，危及与这些线路相连接的电子电气设备。2.1.2 过电压的耦合与转移暂态过电压经常可以通过电源线或信号线耦合到其它电子电气设备上，如图5所示，设备外壳与引下线和接地体处于等电位状态。当雷击于楼1 时，设备外壳也处于高电位下，该高电位会与尚处于零电位的信号线发生反击，使信号线也带上高电位。这样，暂态过电压便沿着信号线传到远处楼2 的设备 2中。而此时设备 2 外壳与其接地体尚处于零电位，信号线与设备2 外壳将再次发生反击现象。于
11、是过电压便完成了其耦合与转移的过程，通过反击现象的反复发生，使大量电子设备遭到损坏。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 20 页个人资料整理仅限学习使用另外，地下电缆也常常发生过电压耦合。当雷击于电缆附近地面时，靠近雷击点的电缆绝缘层将会被强大雷电流产生的电弧烧伤，部分雷电流就可以从该点进入电缆，并沿电缆两端传播，如图6 所示。此时，雷电流一方面会在电缆内部芯线与护套以及芯线与芯线间耦合出过电压，另一方面，由于电缆内阻的原因，沿电缆传播的雷电流还会在电缆长度方向上产生一个电位压降，使电缆护套与土壤间产生电位差。随着电位差的逐
12、渐增大，在某一点A点）将电缆外层绝缘击穿，雷电流由该点进入土壤，使电缆与土壤等电位。一般来说，在电缆方向上会产生一系列这样的点，将雷电流不断地分流进土壤，这一暂态分流会在电缆芯线上耦合出另一暂态过电压分量，这些过电压分量将沿着电缆两端传输，进而损坏两端的电子设备。2.2 通过场产生暂态过电压不论是云对地放电还是云间闪电，由于存在这上升陡度很大的强雷电流，附近空间均会产生很强的强电磁场。这些强电磁场能对计算机信息系统中的回路和线路上感应出很强的暂态过电压，前者为磁场感应，后者为电场感应，它们都会对信息系统产生不可低估的损坏。正因如此，计算机房应设置于建筑物的最高安全区域,并且应在高层建筑物的顶四
13、层以下因为此时的分流系数Kc 趋于稳定）。在同一层中，计算机的摆放位置应避开那些内部钢筋会作引下线用的立柱、初级屏蔽中的屏蔽空洞 2s 时会因波头陡度不足而低估室内可能出现的磁场水平。2.2.2 磁场感应出暂态过电压在计算机信息系统中，大量敷设着各种导体线路，这些线路网络结构错综复杂，它们会在不同空间上形成许多回路，这些回路的存在，使得室内电子设备遭受过电压危害的机率大大提高。当雷击发生时，室内空间产生脉冲暂态磁场，这种快速变化的磁场交链这些回路，感应出暂态过电压，危及与这些回路导体相连的电子设备。另外，空间暂态磁场还能在由平行信号线或电缆导体所形成的窄长回路中感应出暂态过电压，如图7 所示。
14、电缆的双芯线构成一个窄长感应回路，当雷击发生时，雷电流所产生的暂态磁场交链电缆双芯线感应回路，在回路中感应出暂态过电压，从而危害电缆两端的电子设备。暂态磁场也能在芯线与地间构成的窄长回路中感应出暂态过电压，同样能够使电子设备受到损坏。2.2.3 电场感应出暂态过电压精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 20 页个人资料整理仅限学习使用在负极性雷放电的先导阶段，先导通道中充满了负电荷，它对架空线产生静电感应作用，使架空线上距先导通道近端感应出正电荷，如图8 所示。这些正电荷受到先导通道中负电荷的束缚，而架空线上的负电荷则被排斥到
15、线路远端经系统中性点或线路泄漏电阻入地。当主放电开始，先导通道中的负电荷被迅速中和，使得架空线上原先被束缚的正电荷被迅速释放，形成暂态过电压波。该过电压波沿架空线两侧传播，可将线路两端的电子电气设备损坏。这种暂态过电压是由于静电荷感应作用引起的，称之为过电压静电分量。2.3 暂态过电压波的传输特性雷电暂态过电压以波的形式沿线路传输，对电子设备产生极大危害。它变化速度很快，其波形频谱中含有丰富的高频分量，宜采用分布参数电路理论来分析。2.3.1 均匀传输线方程对于雷电暂态过电压传输的分析，我们可以将传输线看作为均匀传输线，这样可以简化分析过程。图9 为均匀传输线的电路模型，在该图中，任取距原点
16、x 处的一个长度元电路，其节点b 的 kcl 方程为：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 20 页个人资料整理仅限学习使用其回路 abcd 的 kvl 方程为：将以上 kcl 和 kvl 方程中关于 dx 的二阶无穷小略去，且忽略R0和 G0，即R0=0，G0=0，并加以整理有：将方程 1）、2）分别对 x，t 求偏导，然后消去i, 并对方程 1）、2）进行类似的运算，再消去u，可得以下两个偏微分方程：以上就是无损线的波动方程，其通解可表示为：上两式中， v 称为波速度， z 为波阻抗，它们可分别表示为：精选学习资料 - -
17、 - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 20 页个人资料整理仅限学习使用下面对 3）、4）中各分量进行进一步分析，以研究其物理意义。对于 ，当 t = t0时有：uf(x-vt = uf(x-vt0 该电压分量沿线分布如图10 中实线所示，当经过一段时间t 后，该电压分量变为：uf(x ，t0+t = uf(x-vt-vt0 = uf(x-x-vt0 uf(x ，t0+t的分布如图 10虚线所示，由图10 可知， uf(x ，t0与 uf(x ，t0+t的波形完全相同，但后者比前者在x 的方向上多移动了一段距离x=vt ，因此 uf(x ，t随时
18、间的增大是向前 是一个以波速 v 沿 x 负方向运动的波，称为电压反行波。同理式 和 ib(x ，t 分别是沿 x 的正方向和负方向运动的波，它们称为电流前行波和反行波。这样，在任何瞬时，线路上任一点的电压和电流都可以看成是相应的前行波和反行波的叠加。2.3.2 波的折射与反射精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 20 页个人资料整理仅限学习使用波沿线传输时，如果线路特性突然改变，如雷电过电压波从波阻抗较大的架空线进入波阻抗较小的电缆，或在线路中间或末端接有集总参数等，波将在参数突变的边界处发生折射和反射。如图11 所示，一
19、波阻抗为 Z1 的线路 1 与波阻抗为 Z2的线路 2 在 A处相连，幅值为 U的无穷长直角波自无穷远处沿线路 1 传来，当尚未到达A点时，线路 1 上只有前行波 uf1=U以及相应的电流前行波 if2. 当波到达 A点时，一方面将出现沿线路2 前进的折射电压波uf2和电流波 if2，另一方面将出现沿线路1 反行的反射电压波ub1和电流波ib1。设线路 2 也为无穷长或其末端的反射波尚未返回，则此时线路2 上只有前行的电压波和电流折射波，由点A处的边界条件可知， A点左右两侧的电压和电流在该点必须连续，即有：uf1+ub1=uf2， if1+ib1=if2 将 if1=uf1/Z1，ib1=-
20、ub1/Z1，if2=uf2/Z2，uf1=U代入上两式有：由上两式解出 ub1和 uf2，有：式中的 u 和u分别称为电压的折射与反射系数，很显然，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 20 页个人资料整理仅限学习使用同理可得电流波的折射与反射系数，它们分别为：相应地电流折射波和反射波可分别表示为：if2 =i if1 ， ib2 =i if1 应当指出，以上公式虽然是对两条具有不同波阻抗的无穷长线路推导出来的，但也适合于线路末端有不同负载的情况。下面考虑三种接负载的特殊情况。1）线路末端开路，此时相当于Z2，则按电压和电
21、力波折、反射系数公式有： u= 2， u= 1 ，i = 0 ， i= -1 。2）线路末端短路，此时相当于Z2=0，则有：u= 0，u= - 1 ， i = 2 ， i = 1。、S(Shielding 、E(Earthing 三方面的问题，将对路和场这两个主要入侵途径的防护融入其中，以达到对计算机信息系统的综合防护。3.1 等电位连接 Bounding）等电位连接是将各类电气，电子信息设备和分开的导电装置用等电位连接导体连接，以减少与所在建筑物金属构件之间或装置与装置之间因雷电产生的电位差。利用钢筋混凝土结构的建筑物所有金属构件的多重连接，建立一个三维的连接网络是实现等电位连接的最佳选择。
22、精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 20 页个人资料整理仅限学习使用配置有信息系统设备的机房内应设等电位连接网络，电气和电子信息设备的金属外壳和机柜，机架，金属屏蔽线缆外层，直流工作地，安全保护地及各种 SPD接地端，均应以最短的距离与等电位连接网络直接连接。所有进入机房的自来水管，采暖管，排风管，热水管，信号电缆外屏蔽层，电力电缆外铠与建筑物组合在一起的大尺寸金属件均应在大楼的入口处即 LPZ0B与 LPZ1区交界处进行总等电位连接后与地网连接，机房和控制室内 PE线，直流地，屏蔽地，防静电接地和SPD接地均应与建筑物主
23、钢筋连接地等电位连接带可靠电气连接。建筑物顶的旗杆、标志牌、广告牌等金属物体必须可靠接地。等电位连接基本方法应采用网型M ）结构或星型 S）结构，如图 12 所示。网型结构的环形等电位连接带应每隔5M经建筑物墙内钢筋、金属立面与接地系统连接，连接时应遵循就近接入的原则，连接线应短而直。星型结构连接时，除接地基准点 EPR ）外，其它部分应保持绝缘，连接线要平行敷设，其构成的回路面积要尽量小。3.2 屏蔽措施 所示，这种回路面积如果过大，雷电电磁脉冲穿过回路时感应出很高的暂态电压，危及与线路端接的设备。一种可行的方式是按图13(a来布线，这样就大大地减小了两者所构成回路的面积，抑制了电磁脉冲对回
24、路的感应作用。3.2.2 设备外壳屏蔽出于暂态过电压防护的目的，进入电子仪器的电源线应采用压敏电阻之类的保护元件与仪器的屏蔽体系相连接，在屏蔽信号电缆的输入和输出端，宜采用暂态抑制二极管之类的保护元件与仪器屏蔽体系相连接，以便在仪器的出、入口将沿信号线侵入的暂态过电压波堵住，不让它进入仪器，其典型防护措施如图 14。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 20 页个人资料整理仅限学习使用3. 3 接地系统Eart hi ng）对计算机信息系统的雷电防护来说，良好的接地系统是防雷效果的关键。不论是直击雷防护还是雷电的静电感应、电
25、磁感应和雷电波入侵的防护技术，最终都是把雷电流送入大地。因此没有先进的接地技术，就不可能有先进的防雷技术。计算机信息系统接地的种类和要求有：交流工作地R4）、安全保护地R4）、逻辑工作地 R1）、电源避雷器接地R4）、信号避雷器接地 R10）、静电接地 R100）、屏蔽接地 R2）、天线基座接地 R4）、天馈线金属屏蔽层接地R4），这些接地之间的相互关系是以不同计算机设备的要求而定的。这里简单谈论一下屏蔽接地和直流接地的处理。屏蔽接地是消除电磁场对人体危害和防止电磁干扰的有效措施。对各类用电设备的金属外壳设置屏蔽装置，使外壳接地。这样可防止设备漏电伤人，同时对用电设备起到屏蔽作用，增强电子设备
26、抗干扰能力，对大面积金属体感生的静电荷引入地，避免因静电引起的干扰和火灾。直流接地的设置原则在于消除接地回路的公共阻抗和接地环路引起的干扰电压，为系统提供一个稳定的基准电压。目前我国现有的计算机系统中，直流地的接地方式一般有三种: 串联接地，并联接地和网格接地。串联接地与并联接地是采用多股屏蔽软线将各机柜的直流地联在一起，而后引出机房，焊接在接地体上。如图15 所示，这两种接地方式的接地连接导线的长度，各设备接地点阻抗也不可能完全相同，且导线与导线，导线与接地体之间的杂散电容，杂散电感以及在高频下的谐振效应很难使一定长度的导线两端电压相等，形成逻辑电位不在同一个基准电位上，产生干扰耦合，影响计
27、精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 20 页个人资料整理仅限学习使用算机正常工作。可见以上两种直流地的接法是很难提供稳定的基准电位并且抗干扰能力低。而采用网格地便能克服上述的不足，如图16 所示。网格地是用钢带制成网格，密布在整个机房活动地板下的真地面上，形成大面积的低阻抗环路，网格的任一点都是信号电位的有效等电位基准占. 使整个机房接地网成为一个有效等电位面，为计算机提供了相同的工作电位，提高了抗干扰的能力。3.4 信号线路的防护在信号线路、电话线、 X.25、DDN 专线等与外界通信的物理链路和计算机网线，双绞线 6、 IEC.61312. 雷电电磁脉冲的防护 . 7、王庆，傅正财等 . 雷电流波形对雷击建筑物时室内磁场分布的影响. 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 20 页
