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计算机信息系统安全防雷研究

文档作者：叶晓燕，仲嘉霖，王俭文档来源：苏州科技学院电子工程系		点击数：	更新时间： 2021年11月04日
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· 4 · 电 力 辱 锈 c童 信 2004年第3期
计算机信息系统安全防雷研究
叶晓燕，仲嘉霖，王俭
(苏州科技学院电子工程系，江苏苏州215011)
摘要：研究了计算机信息系统的安全防雷区域的划分原则，提出了计算机信息系统防雷设备的最佳配置
方案、联接方式及容量计算方法，对单级防雷和多级防雷原理进行了理论分析和实I~_r-程应用效果的分
析对比，并对防雷设计中地网接地电阻值的大小提出了新的研究见解。
关键词：防雷；接地电阻；浪涌残余电压
中图分类号：TP308；TN876．7 文献标识码：B 文章编号：1005—7641(2004103—0O04—03
随着计算机事业的发展和计算机网络的广泛应
用，人们对计算机信息系统及硬件设备的防雷意识也
在不断的提高，特别在电力、金融、邮电、交通、航空这
些重要行业的计算机机房工作的人员，已经意识到防
雷措施的重要性。但是，据调查所知，目前绝大部分计
算机信息安全系统防雷设备的使用者认为：1)计算机
机房的主机或通信设备装上单级电源或信号防雷器，
即可解决防雷问题；2)机房接地网的接地电阻越小越
好，甚至认为地网接地电阻值要求《1 Q。
本文就以上两个问题做了一些研究分析，并提出
新的见解，供同行参考。
1 计算机机房应设置多级防雷
现以法国生产的电源避雷器DS40和DS10系列
为例说明。
DS40和DS10系列的浪涌电流和残压，见表1所列。
表1 DS40—230、DS10—230浪涌电流和残压
(8／2o )
浪涌
显然，表1和表2表征了这两个系列避雷器中放
收稿日期：2003—10—18
作者简介：叶晓燕(1963一)，女，江苏无锡人，讲师，从事计
算机网络系统与检测设备的研究；
仲嘉霖(1947一)，男，江苏苏州人，教授，研究方
向为光电信息技术及计算机信息通信；
王俭(1958一)，男，安徽蚌埠人，副教授，研究方
向为电子电信息及计算机信息通信。
电元件的伏安特性。在其额定通流容量处(DS40系列
为10 kA，DS10系列为5 kA)，残压与浪涌电流的比值
(DS40系列为0．12 Q，DS10—230系列为0．2 Q)即为
额定通流量“短路阻抗值”。
计算机机房的防雷区域按照IEC1312—1的要
求，将需要保护的空间划分为不同的防区(LPZ)，以确
定各部分空间不同的LIMP(雷闪电磁脉冲)的严重程
度和相应的防护对策。
1．1 防雷区域的划分原则
(1)防直击雷区LPZOA
本区内的各物体都可能遭到直接雷击，因此各物体都
有可能导走大部分雷电流。本区内的电磁场没有衰减。
(2)防间接雷区LPZO~
本区内的各物体不可能遭到直接雷击，流经各导
体的雷电流，比LPZOA区域减少，但本区内电磁场没
有衰减。
(3)防LEMP(电磁脉冲)冲击区LI
本区内的各物体不可能遭到直接雷击，流经各导
体的电流，比LPZO~区进一步减小，本区内的电磁场
已经衰减，衰减程度取决于屏蔽措施。如果需要进一
步减小所导引的电流和电磁场，就应再分出后续防雷
区如防雷区LP 等，应按照保护对象的重要性及其
承受浪涌的能力作为选择后续防雷区的条件。通常，
防雷区划分级数越多，电磁环境的参数就越低。
防雷区划分原则如图1所示。
在防雷区划分概念下，计算机信息系统的电力配
电系统设置多级防雷器(Sf'D)的情况如图2所示。
所选用的各SPD(防雷器)及其与被保护设备组成
的整体，应确保雷电流大部分从LPZOA／LPZ1交界处
的接地装置及防雷器流走。
_旦雷电流的初始能量大部分被散逸，随后的各
(如SF )仅需按应付LPZOA和LPZ1交界处的剩
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2004年第3期 电 力 孽 锈 c童 信 -5 ·
图1 防雷区划分原则示意
⋯ 一
⋯⋯ 物 一 茴一LPZ 0e)
专 接地装置
．f
7
r ～～ 一一
外部防雷装置
LPZ-防雷区
等电位连接带
电缆、线路
图2 按不同防雷区所配置的等电位连接
余威胁值加上u 区内电磁场产生感应效应选型和计
算就可确定所需的防雷器容量。
2 防雷设备容量的配置
具备以上两个基本概念(短路阻抗及防雷区划
分)，再来讨论多级防雷的配置问题。各级与级之间接
线(电缆或BV导线)的分布式的自然电感，从工程观
点考虑，用集中参数L代替已足够精确，一般20 1TI左
右的电缆，可用15 v-H集中电感代替。若按雷电波波
头(10 )计算其冲击频率(最高值)约为25 ld-Iz，则
15 v-H电感的感抗Xt．≈2．4 n。
现以DS70R一230、DS40—230、D610—230等3
个器件组成三级电源防雷器保护为例，说明多级防雷
时雷电流分配及防雷器通流容量配置问题。
被保护的40 kVA UPS的短路阻抗Z =0．5 n并
假设电源进线雷电流I =100 l (此值已高估，机房
内一般很少达到)，防雷器、电源电缆、UPS设备均用
等值阻抗表示，可以画出如图3所示的等效电路。
经过计算，可以获得如下数据：
J1=97．7 kA，J2=2．33 kA，J3=2．22 kA
J4=0．1 kA，J5=0．07 kA，J6=0．03 kA
当然以上计算结果是在工程近似的假设条件下计
图3 防雷器与设备连接等效电路
算得到的，作为工程参考，已足够精确。学术研讨时，
还需考虑分布参数问题、雷电波冲击频率问题、避雷器
点火时间先后带来误差等等。
由以上计算得知，即使超强度雷电流侵入电源线，
经过三级配置的避雷器泄放能量，到达被保护设备的
雷电流仅剩余30 A。这种搭配可认为是最佳搭配，
97％ 以上雷电流由最大通流容量的首级避雷器
(DS70R一230的J一=100 l )承担，逐级递减。根据
被防护设备的要求，经过精心设计配置后，能达到如表
2所列参数。
表2 雷电流泄放值
残压高(≥2 kV) 残压较高(≥14 kV) 残压低(≤1 kV)
泄放60％以上雷电流泄放20％以上雷电流泄放10％以上雷电流
经过设计和实际应用，防雷器选型的总原则是：受
保护设备容量越大，选配的防雷器通流容量也越大，这
样配置的理论依据是：用电设备容量越大，其短路阻抗
越小；避雷器的通流容量越大，其短路阻抗也越小。
例如，一台80 kVA的UPS，其ZK=0．1 n，当配
置一级防雷保护装置DS150E，它的z =0．01 n，假
设电源线侵入雷电流Jr =100 kA，则UPS承受的雷
电流工 oBd的计算如图4所示。
图4 防雷器通流容量与短路阻抗的关系
I ～ 一： _丽 ^×100 一 ‘ 09 kA
如果选配DS44—230避雷器，其ZI =0．12 Q，
则此时，UPS承受的雷电流将是：
J =一 _ 丽 ×100 一 斗·．35 kA
可见这种配置极不合理，受保护设备UPS将近承
孽55％雷申．流1
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· 6 · 电 力 孽 锈 c童 谨 2004年第3期
最后需要说明的是：在多级防雷配置中，各级防雷
器的启动(点火)电压如何选择?会不会出现主级还未
启动，次级或末级先启动，从而失去三级保护的作用。
经过研究和实验表明，主级、次级乃至末级防雷器
的启动电压无关紧要，可以选择一样，如都是410 V；
也可以不一样，如主级410 V，次级405 V，或反之。原
因是感应雷电浪涌电压>6 kV，有的高达几十万伏，
几百伏的启动电压都可以忽略，更不在乎两级之间的
差值。但重要的是要选择好防雷设备的响应时间(≤
25 ns)的搭配，如主级20 ns，次级25 ns，属于最佳搭
配；反之，如主级25 ns，次级20 ns，则属不理想搭配，
有可能次级先点火启动，主级后启动。但对于8／20／zs
的雷电波，主、次级启动时间差5 ns，泄放雷电流能量
仅占为 0·25‰，几乎可以忽略因启动先
后，而影响雷电流能量的分配比例。
3 计算机机房地网的接地电阻
处在防雷区的计算机机房内的所有设备均应做等
电位连接，目的在于减小需要防雷的空间内各金属件
和各系统之间的电位差。并将等电位连接点和地网做
良好的连接，而地网的接地电阻总是存在的，当然接地
电阻越小越好，有些研究者认为地网接地电阻值要求
《1 Q。这里暂不讨论其理论合理性，只就工程经费及
其合理性谈谈我们研究的结果。近似地按1 Q工频接
地电阻等于1 Q冲击接地电阻考虑。
按国际电工委员会的规定，220／380 V用电设备
绝缘耐冲击电压最大为6 kV。220／380 V电源线遭受
感应雷过电流的幅值，按国际规范认为40 kA，它与
1嗽地电阻的乘积约为40 kV，这是6 kV的6．7倍，
足以击穿用电设备的绝缘。
由此可见，一味降低地网接地电阻值，会浪费大量
工程费用，并对于用电设备的安全无济于事。所以我们
认为地网接地电阻值以适中为好，但强调“等电位”，即
计算机机房建筑、交流供电地网(变压器地网)、直流地
网等，均按YD6068—98(移动通信基站防雷与接地设计
规范)构成等电位网。然后在电源进线端、信号进线端、
微波收发同轴电缆进机房端口等(LW~A与LPZ1交界
面处)分别安装多级电源防雷器、信号防雷器及同轴电
缆保护器。此时地网接地电阻值的大小就变得无关紧
要。因为只要浪涌过电压值大于防雷器的动作电压，无
论是电源或信号防雷器均能在瞬间动作，而不管浪涌过
电压值高低，并瞬间使电源进线端或信号进线端对地网
短接(忽略防雷器的残压值)而获得等电位。
由此可见，在山区岩石地区，耗费大量工程费用建
造低电阻值的地网很不经济，但做成等电位网，然后配
置多级防雷设备，将对计算机系统或其他弱电控制系
统微电子设备的防雷保护更加有效、安全。
4 结束语
经研究、计算和实际工程应用，认为计算机机房的
防雷保护是一项保证计算机信息系统安全必不可少的
防护措施。而雷电所释放的能量相当大，情况也各不
相同，所以在建立防雷设施和接地系统时，应以最严重
雷电情况来计算相应的防雷设备容量，三级以上的防
雷配置是比较合适和经济的；在防雷接地网的电阻的
设计上，还应考虑正常接地电阻值、土壤电阻率、接地
等效面积等因素，在一些文献中的理论接地电阻<1 Q
的要求，可是在实际应用中是很难实现这么低的电阻
值，而且经济上也是很浪费的。因此，按上面的研究和
分析，我们认为接地电阻是可以略大些。
防雷设备的配置和研究是一门综合性的多学科课
题，随着计算机信息系统安全意识的提高和加强，这方
面的研究需要同行专家和学者们的共同探讨和努力。
参考文献：
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[3] 叶佩生．GA371—2001．计算机信息系统实体安全体系要
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Research on lightning protection of computer information system
YE Xiao-yan，ZHONG胁一lin，WANG
(Suzhou Science and technology Institute，Suzhc~215011，China)
Abs一删：This paper o the principles of lightning protection zone division，the optimum eonfiguration sehc~ne and capacity calculation of
佃【ing protection equipment，the theoretical analysis of Sin and multi—level protection an d the real effect∞m s0fl between them，
and presents a new opinion atx~t earth grounding resistance in designing a lightning protection system．
Key w0H ：lightning protection ；grounding resistance；survivals voltage

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