计算机及微电子设备的雷电电磁脉冲防护

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计算机及微电子设备的雷电电磁脉冲防护

                                                              

                                                                      王殿江                                         

                                             (鹤岗市气象局   黑龙江   鹤岗  154100)



    雷电电磁脉冲的英文缩写是LEMP，雷电电磁脉冲的效应是指除直击雷电以外的各种雷击灾害的总称。

    我们知道，闪电对计算机的影响有两种概率：第一种是计算机的失效概率PM，它指计算机暂时失去正常功能或导致数据处理差错时的概率。现在一般公认为闪电磁场强度超过5.57A/m(0.07Gs)时就将计算机引起失效。第二种是计算机元件损坏概率PD，当磁场强度超过191A/m(2.4Gs)时，计算机的集成电路将遭受永久性损坏。

    同时，雷击电子设备的途径也是有两种的：一种是雷电冲击行波，它是通过户外传输信息的线路、设备间的连接以及电力进线侵入设备，使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害。另一种是雷击大地或接地体，引起地电位上升，波及附近的电子设备，对设备产生反击，损害其对地绝缘。

    计算机的失效概率和损坏概率是受上述两种途径影响的，因此，计算机及其它微电子设备的雷电电磁脉冲防护必须有以下几个方面：

    一、确定防雷区（LPZ）、作好防LEMP措施

    防雷区是将需要保护的空间划分为不同的防雷区，以规定各部分空间不同的LEMP的严重程度和指明各区交界处的等电位连接点的位置。

    LPZ0A：此区域内的各物体都可能遭到直接雷击，物体能导走全部雷电流。

    LPZ0B：此区域内的各物体都不能遭到直接雷击，电磁场没有衰减。

    LPZ1 ：此区域内的各物体都不能遭到直接雷击，电磁场因屏蔽而可能衰减。

    LPZ2 ：此区域内的各物体都不能遭到直接雷击，电磁场因屏蔽而进一步衰减。

    需要保护的空间划分成不同防雷区的一般原则见（图1）和（图2）

     

        LPZ0A             天线              LPZ0A和LPZ1的界面   





               LPZ0B   

                                                       旗杆或栅栏

            电力电缆

                                              LPZ1







   

                                         LPZ2

                                         

                                           等电位连接点

                                                                  

                                         通信电缆

                     金属管道      (1)

图1：将一个需要保护的空间划分为不同防雷区（LPZ）的原则

                        

                     





                 LPZ0A                                                         

                 

                                                     LPZ0B   

               代表屏蔽1的建筑物     

                                                  外部防雷装置

                LPZ 1    代表屏蔽2的房间   

                                                           

                      LPZ2

                                                           电缆、线路      

                    计算机机房                             

         

            







                在LPZ1和LPZ2界面上的等电位连接带     屏蔽2的等电位连接   



                         在LPZ0A、0B与LPZ1界面上的等电位连接带

          图2：将一建筑物划分为几个防雷区和做符合要求的等电位连接

    防雷区（LPZ）应按原则划分，当有屏蔽时，LPZ1区内的磁场强度从H0衰减为H1，其值应按下式计算：

                                                

                    H1  ＝ H0／10SF/20 （A/m）

                    H0  ＝ i0/(2πSa)(A/m)

         式中   i0 －雷电流(A)；

                Sa － 雷击点与屏蔽空间的平均距离(m)。

    由此得出LPZ1区域中的磁场强度，磁场强度由公式计算得出。那么，安全距离也可以由公式计算得出：

               ds/1=W.SF/10(m)

         式中  SF－ 屏蔽系数(dB)；

               W － 网格宽度（m）。

根据上述公式，确定计算机中心系统的安全位置。



    二、屏蔽措施

屏蔽措施就是采用金属网箔、壳、管等接地导体，把被保护对象包围起来，阻断雷电电磁脉冲，是防止感应雷雷击的有效措施，是减少电磁干扰的基本措施。减少感应效应的原则

        A、外部屏蔽：各种线路入户宜选用绝缘导线穿金属管敷设，金属管接地应良好。

        B、计算机中心应分别设置维修和测试电源插座。

        C、线路屏蔽：低压配电线路宜选用铜芯屏蔽导线或铜芯屏蔽电缆。

                              （2）



当屏蔽线路从室外的LPZ0A区或LPZ0B区进入LPZ1区的情况下，线路屏蔽层的截面积Sc应符合下式规定：Sc≥ii . ρc . Lc . 106 / Ub(mm2)

        式中     ii -  代表注入屏蔽层的雷电流(kA);

                 ρc -  代表屏蔽层的电阻率 (Ω.m);

                 Lc  -  代表线路长度(m);

                 Ub  -  代表线路绝缘的耐冲击电压值(kV)。



    三、等电位（均压）

    均压是防止雷电二次闪击及跨步电压的有效措施，将各种金属物体作电气连通处理，在雷击时使它们的电位均衡，减小电位差，不会产生相互放电，其目的：是减少雷电流所引起的电位差，防止高压反击损坏仪器设备。

    等电位对于无屏蔽的建筑物是特别重要的。计算机系统的各种金属箱体、壳体、机架等组件与建筑物共用接地系统连接在一起形成等电位连接，等电位连接间距为约每隔5m作一连接，连接线的截面积为铜6-16mm2，等电位连接带宜采用不小于50mm2铜或镀锌钢。计算机及微电子设备系统中心等电位连接采用的是S型星型结构，接至共用接地系统。（见图3）

                                                                                          

                                          S型星型结构

                 

  EPR   接地基准点

        建筑物的共用接

  地系统和等电位连接网                                                

        设备                                    

.    等电位连接网与                                                

    共用接地系统的连接                                             

                                                                                             

                     .

                                                EPR

                                              （图3）              

    并且要求计算机信息系统和其它微电子设备的所有金属组件除等电位连接外，与共用接地系统的各组件有大于10kV、1.2／50μs的绝缘。加绝缘的目的是使外来的干扰电流不能进入所涉及的电子装置。

      

    四、过电压侵入

    雷电产生的强大的雷电流，对架空线路或金属管道的作用，使雷电流可能沿着这些管线侵入室内。瞬间可能产生极高电势，危及人身安全或损坏设备。

采用三相五线制供电，并加装浪涌保护器。是防护过电压侵入的最有效措施。

                                (3)

雷电过电压来自雷电对配电装置的直接雷击、反击和架空进线上出现的雷电侵入波。

1、                应该采用避雷针或避雷线对配电装置进行直击雷保护并采取措施防止反击。

2、                应该采取措施防止或减少线路的雷击闪络并配置避雷器以减少雷电侵入波过电压的危害。

3、                雷电侵入波过电压保护，必须保证所有电气设备绝缘良好。



五、浪涌保护器的选择

浪涌保护器的选择应根据具体指标来确定，波形和响应时间均符合标准并能接受雷击检验的浪涌保护器。

    用在计算机机房防雷的避雷器必须达到两种效果：一种是确保PM和PD，另一种是它的接入不影响仪器设备的工作性能，必须做到在任何有关参量下不要超过需要保护设备的耐受能力。所以避雷器必须在实际使用中检验其性能。      

   

    六、接地的技术要求

接地可以采用网、管、带等作接地极并将其焊接到连接带上并和引下线卡接。埋设深度³0.5m，埋设中加入定量降阻剂，最大限度地降低接地电阻，接地电阻不大于4Ω。















                                             2003年7月6日

      

参考文献

《IEC1312－1－3》雷电电磁脉冲的防护

（GB50057－94）建筑物防雷设计规范

（GB7450－87）电子设备雷击保护导则

（GB9361－88）计算机场地安全要求

《IEC1024－1》技术规范

《现代防雷技术基础》

《GA371-2001》计算机信息系统实体安全技术要求

《GA267－2000》计算机信息系统雷电电磁脉冲安全防护规范