浅谈广西玉林机电学校计算机网络防雷设计

浅谈广西玉林机电学校计算机网络防雷设计

第一作者 陈文华 第二作者 张桂兰 第三作者 黄春莎

广西玉林市气象局  537000

黑龙江省铁力市气象局 152500

百色市右江区气象局 533600

０引言

随着现代通信技术的高速发展，精密电子设备被广泛应用在各行业的计算机通信网络系统中，由于精密电子设备抗过电压、过电流及电磁脉冲的能力极低，因而它们受到过电压特别是雷电袭击而受到损害的可能性就大大增加，其后果可能使整个系统运行中断，并造成难以估量的经济损失，雷电和浪涌电压成为电子时代的一大公害。雷电防护包括针对建筑物的直击雷防护，以及针对建筑物内设备、人员的雷电波侵入防护和雷击电磁脉冲防护两大部分。为较好地维护机房网络设备的安全可靠运行，最大限度地抑制雷害对机房设备的伤害， 减少雷击对机房的危害，根据现有的比较成熟的防护技术，针对所在机房雷害的来源，进行防雷设计。

1雷电的防护

1.1雷电对计算机系统的影响

雷电的破坏力极大，以雷击中心1.5km-----2km范围内都可能产生危险过电压，损害线路上的设备。雷电对计算机网络系统的入侵主要有以下三个途径：1、直击雷经过建筑物接闪器入地泄放雷电流，导致数万伏的地网地电位，通过设备接地线入侵网络设备形成地电位反击。2、雷电流沿建筑物避雷引下线入地时，在引下线周围产生强磁场，从而在引下线周围的金属管（线）上经感应而产生过电压，通过网络系统的电力或信号线入侵网络系统。3、进出建筑物的电源线或通信线等在大楼外受直接雷或感应雷而加载的雷电压及过电流沿线路窜入，侵害网络设备。

对于计算机系统的保护除了做好常规的建筑物外部防雷，在进出建筑物的各保护区上的电缆屏蔽层、金属管道上做等电位连接，在电源线上安装避雷及过压保护器外，还应在计算机房内和UPS房内加装相应的过电压保护装置，以消除电网浪涌、雷电感应电压、设备切换等意外事件对设备的冲击和毁坏。要求进入UPS和计算机房内的电源线、信号线应通过防雷、防过电压处理，设备外壳、金属门、窗、管道、静电地板等应进行等电位处理。

1.2设计依据

建筑物防雷设计规范[S] GB50057-2010

雷电电磁脉冲的防护[S]IEC1312

计算机房防雷设计规范[S] GB-50174-93

计算机场地技术条件[S]GB2887-89

本方案中的所采用的过电压保护产品是避雷器（SPD）。计算机网络机房直击雷防护措施严格依据GB50057-2010第二类建筑物设计标准，其避雷针、引下线、地网系统应符合规定要求。

1.3计算机系统防雷研究

1.3.1电源系统的防雷措施

计算机网络系统的电源并非独立的供电系统,无论高压或低压电力线路均可能直接遭受直击雷和感应雷，造成电源线路的过电压，对计算机网络系统设备造成毁灭性的损坏。

由于雷电产生了强大的过电压、过电流，无法一次性在瞬间完成泄流和限压，所以电源系统必须采取多级的防雷保护，至少必须采取泄流和限压前后两级防雷保护。按照我国现行的计算机信息系统防雷技术要求规定，电源系统应该采取三级雷电防护，即在建筑物总配电装置高压端各相安装高通容量的防雷装置，作为第一级保护，在低压侧安装阀门式防雷装置作为第二级保护，在楼层配电箱安装电源避雷箱作为第三级保护。重要场合宜采取更多级的保护措施，如在UPS 电源输出端加装防雷器，对重要设备电源输入端加装电源终端防雷设备等等。通过使用多级电源防雷设施，彻底泄放雷电过电流、限制过电压，从而尽可能地防止雷电通过电力线路窜入计算机网络系统，损害系统设备。

1.3.2信号系统的防雷措施

现代建筑物内的信息网络不再是一个信息孤岛，它必须是一个互连互通的开放性网络，来满足人们信息交换的需求。各建筑物之间以及建筑物与外部网络之间都需要物理介质的连接，内网与外网连接的通信方式有多种，有通过普通电话双绞线为通信介质实现互连的，如PSTN（拨号接入）、ISDN技术、DDN 技术、ADSL 技术等等；有通过5 类非屏蔽双绞线、光纤为介质实现通信连接的。这些介质都可能因遭受直击雷或感应雷而侵害两端连接的网络系统。首先，暴露的通信电缆会直接受到雷电袭击，而平行铺设的电缆，当某一电缆被雷电击中时，也会在相邻的电缆感应出过电压。其次，即便是埋在地下的通信电缆，当地面遭受直击雷或雷电通过地面泄放时，强大的雷电压会穿透土壤，使雷电流入侵到电缆，窜入网络，导致系统很容易遭受巨大的损坏。

为了避免因通信电缆引入雷电侵害的可能性，通常采用的技术是在电缆接入网络通信设备前首先接入信号避雷器（信号SPD），即在链路中串入一个瞬态过电压保护器，它可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，阻断过电压及雷电波的侵入，尽可能降低雷电对系统设备的冲击。由于信号避雷器串接在通信线路中，所以信号避雷器除了满足防雷性能特征外，还必须满足信号传输带宽等网络性能指标的要求。因而选择相关产品时，应充分考虑防雷性能指标及网络带宽、传输损耗、接口类型等网络性能指标。

1.3.3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，和无法直接连接时而做瞬态等电位连接的电涌保护器(SPD)。计算机房六面应敷设金属蔽网，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。

1.3.4接地要求

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，并应采用防地电位反击的等电位连接保护器。

1.3.5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，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。直流地的接法通常采用网格地，直流网格地应采用铜带，在活动地板下面按一定密度成交叉网格排列，其交叉点与活动地板支撑的位置要交错排列，网格地交点处需用锡焊焊接在一起。为了使直流网格地与大地绝缘，在铜带下应垫2～3mm 厚的绝缘橡皮或聚氯乙烯等绝缘物体。接地引下线应选用多芯铜电缆。计算机终端及网络的节点机柜不宜就地做接地保护，应由系统统一考虑设计，以防止不同接地系统的电压差而损坏设备，以确保整个系统的等电位。静电防护也是机房安全要求的一个重要环节，当静电电压达到2KV 时，人就会有受电击的感觉，静电电压积累到一定程度，也会导致设备发生故障，通常机房内绝缘体的静电电压不应大于1KV，因而机房必须采取较好的静电防护措施。

２实例分析

下面根据广西玉林机电学校为实例对其计算机系统做防雷设计方案。

2.1项目说明

现代防雷技术强调全方位防护，综合治理，建立一套完整的防雷系统，把防雷作为一个系统工程。广西玉林机电学校所处位置为多雷区，雷击事故较多，据学校提供的资料以及现场查勘，学校与计算机系统有关的建筑物的电源、信号线路等均没有安装雷电防护措施，一旦发生雷击，将会危及工作人员和计算机网络设备的安全。为此，针对这一情况做出以下防雷工程设计方案。

2.2设计范围

本方案设计内容为：

（1）感应过电压的防护（计算机中心机房、分支交换机机柜电源线路防护）;

（2）接地系统（计算机中心机房汇集环制作及接地，分支交换机机柜的接地）。

2.3设计方案

（1）玉林机电学校计算机系统涉及范围比较大，根据图书馆、教学综合楼、行政办公楼3个重要机房的位置，分为3个区域来防护。

（2）由于闪电形成的感应电磁波会在电源线、信号线、计算机网络线路、电话线路等金属环路中产生感应过电压、过电流，这些感应过电压、过电流通过传输线传入设备，从而导致设备受损。根据国家现行有关《标准》和《规范》要求，电源线路应做好二级以上保护，使之逐级对地泄放雷电流能量，减少残压对设备的影响。

串联型电源SPD和并联型SPD的比较（见图1）

图1：串、并联电源SPD安装示意图

并联式SPD的安装，连接线较长（相对串联而言），如果采用的材料不满足要求（线过长或过细），连接线自身会产生很高的残压（2000V以上），一般需二级以上防护。广西地凯公司提供的DK-220AC20/10a串联型SPD的残压小于800V。串联型SPD具有四级保护：有泄流、稳压、滤波、滤波稳压，只需安装一级保护即可。

由于学校三个主要机房内设备较多，功率大，不适合安装串联型SPD，所以设计了三级并联型电源SPD加一级精细防护，各分支交换机柜由于电源结构的问题，不适合安装多级并联型电源SPD，而安装串联型电源SPD正好解决了这一问题又起到了四级保护作用。

进入机房及各分支机柜的信号线都是光纤，不需再安装信号SPD，只需将光纤金属加强芯良好接地即可。各分支交换机柜到各终端的信号线都在楼内运行，距离短，没有架空，不考虑安装信号SPD。

（3）电源避雷安装设计如下（见图2）：

在玉林机电学校图书馆一楼总配电房安装一组DK-380AC60-4并联型电源SPD，作为机房电源一级防护；在七楼配电房安装一组DK-380AC40-4并联型电源SPD，作为机房电源二级防护；在七楼网络中心机房内的UPS前端安装一台DK-380AC20-4并联型电源SPD，在办公室电源进线端安装一组DK-380AC20-4并联型电源SPD，在八楼机房电源进线端安装一组DK-380AC20-4并联型电源SPD，在多媒体教室电源进线端安装一组DK-380AC20-4并联型电源SPD，在九楼值班室电源进线端安装一组DK-380AC20-4并联型电源SPD，作为电源线路的三级防护；在七楼网络中心机房内的19个机柜上各安装一个DK-220AC10b插座式电源SPD，作为主机房内设备的精细防护。

在实验楼二楼、轻化楼二楼、建工楼二楼、礼堂的交换机柜电源进线端各安装一个DK-220AC20/10a串联型电源SPD，作为交换机柜电源线路防护。

在东区学生宿舍一至六栋楼（共计6栋）一楼的交换机柜电源进线端各安装一个DK-220AC20/10a串联型电源SPD，在南区学生宿舍1、2、3、4、6栋一楼的交换机柜及5栋的2个交换机柜电源进线端各安装一个DK-220AC20/10a串联型电源SPD，在培训中心楼4个单元的交换机柜电源进线端各安装一个DK-220AC20/10a串联型电源SPD，作为交换机柜电源线路防护。

图2：电源SPD安装示意图

在学校教学综合楼一楼B区的总配电房安装一组380AC60-4并联型电源SPD，作为机房电源一级防护；在九楼的楼层配电柜安装一组380AC40-4并联型电源SPD，作为机房电源二级防护；在中心机房内的UPS前端安装一组DK-380AC20-4并联型电源SPD，在网络实验室的电源进线端安装一组DK-380AC20-4并联型电源SPD，作为机房电源三级防护；在中心机房内的8个机柜上各安装一个DK-220AC10b插座式电源SPD，作为主机房内设备的精细防护。

教学综合楼A区2楼及5楼的交换机柜电源进线端各安装一个DK-220AC20/10a串联型电源SPD，在C区2楼及5楼的交换机柜电源进线端各安装一个DK-220AC20/10a串联型电源SPD，在D区1、2、3、4、5、6楼的交换机柜电源进线端各安装一个DK-220AC20/10a串联型电源SPD，作为交换机柜电源线路防护（见图3）。

图3：交换机安装SPD示意图

在工会二楼的交换机柜电源进线端安装一个DK-220AC20/10a串联型电源SPD，在3号教学楼3楼编辑室及保安室的交换机柜电源进线端各安装一个DK-220AC20/10a串联型电源SPD，作为交换机柜电源线路防护。

在旧行政办公楼一楼配电柜安装一组DK-380AC40-4并联型电源SPD，作为机房电源一级防护，在二楼机房电源进线端安装一组DK-380AC20-4并联型电源SPD，作为机房电源二级防护，在机房内2个机柜上个安装一个DK-220AC10b插座式电源SPD，作为主机房内设备的精细防护；在机房内一个交换机柜电源进线端安装一个DK-220AC20/10a串联型电源SPD, 作为交换机柜电源线路防护。

在综合楼2楼、1号教学楼3楼、2号教学楼2楼、卫生所1楼、保卫处1楼的几个交换机柜电源进线端各安装一个DK-220AC20/10a串联型电源SPD，在16栋家属楼的交换机柜电源进线端各安装一个DK-220AC20/10a串联型电源SPD，作为交换机柜电源线路防护。

（4）接地系统

接地电阻要求：接地装置是防雷工程中最重要的一项，根据相关要求，计算机的接地系统宜采用联合接地方式，接地电阻应不大于4Ω。联合接地的优点就是保证雷击时设备间减小电压差，最大可能地实现等电位。

根据实地测量，广西玉林机电学校与计算机系统有关的各楼房接地电阻值均小于4Ω，可以共用作为机房接地网，不需要重新整改。

（5）等电位接地线的设计

现代防雷接地强调的是等电位接地，具体设计方法如下（见图4）.

图4：中心机房、机柜接地施工图

在6个计算机机房、一个多媒体教室及网络中心办公室内，分别采用35mm2铜作等电位均压接地汇集环，通过BV-10mm2铜线分别把机房内所有正常工作不带电的设备金属外壳和金属门窗等金属构件都接到均压等电位汇集环上，再通过铜铁过渡接头就近与机房内柱主钢筋焊接（焊接点应为两个以上）。实现工作地、保护地、防雷地三地合一。

在每个分支交换机机柜旁分别采用BV-10mm2铜线把SPD和机柜都接到接地端子上，接地端子就近与内柱钢筋焊接，以满足工作地、保护地、防雷地三地合一要求（见图5）。

图5：接地端子连接图

３其它防护措施

信息中心是网络系统的核心，网络的重要通信设备均设置在此，所以计算机机房的选位也涉及到防雷安全。从防雷角度考虑，计算机机房应避免选择在大楼的顶部或边角位置，对多层或高层建筑物宜设置在二、三层，以减轻建筑物遭雷击时直接雷对网络设备的冲击。另外对室外网络布线，应尽量使用光纤通信介质，如果使用电缆应避免使用架空走线方式，而采取地埋敷设电缆。

４、结束语

几年来，我国不断加强对计算机信息系统的安全保护工作，出台了相关的管理规定。规定要求各单位切实重视计算机信息系统的防雷设施的建设，并组织职能部门对计算机信息系统（场地）进行防雷安全定期检测。只有建立多层次的计算机防雷系统，才能确保计算机信息系统的安全运行，最大限度地防御和减轻雷电灾害对计算机信息系统造成的危害和损失。

1