雷电对电子计算机网络系统的危害与防护

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雷电对计算机信息系统的危害 1990年～2000年是联合国确定的国际减轻自然灾害的十年。由联合国国际十年减灾委员会公布的严重影响着人类正常生活、工作基本安全的十大自然灾害中，雷暴由于它对人类生命、财产的严重威胁，被列在了显著的地位。在人类生存的自然环境中由雷暴所引起的人身伤亡、火灾、爆炸、建筑物的倒塌、森林大火等事例数不胜数，特别是近年来伴随着电子技术的飞速发展及电子用电设备的广泛应用，各种电子用电设备遭受雷击的事例也时有发生。雷害事故所造成的直接损失和间接损失是严重的，甚至是无法估量的。为此，国际标准化组织成员、国际电工委员会(IEC)也将其称为“电子化时代的一大公害”。 我们也始终关注着由雷害所造成的过电压对电子设备破坏的前期防护这一关键和新的技术问题。近些年来，在这一新的技术领域，北京恒实诚信电子技术有限公司加大了防雷技术开发的投入，并与有关科研院所密切合作，自行研制开发出了专项的防雷技术产品系列，更重要的是，我们认为进一步加强与我们的最终合作伙伴──使用着和正在准备使用我们的产品的用户对这一问题的沟通和讨论，共同提高预防雷患的意识，并且应用必备的技术和产品，实施必要的防护措施，以期保证防止人身伤害事故，保证用电设备和系统的安全运行，是十分迫切和必要的，下面就让我们与您一起共同针对这一问题展开沟通互补和讨论。

一、对雷电危害的新认识：

近些年来由雷电引发的灾害频繁发生，并呈迅速上升的趋势，由雷害所造成的严重破坏作用和巨大的经济损失，引起了人们的忧虑和关注。虽然从世界上人类活动区域的范围内进行的有关的统计结果表明雷电现象发生的绝对值并没有多大增加，但为什么雷电引起的灾害的频度却日趋增多，而且造成的破坏程度也日趋严重呢？客观上的原因我们在前面已提到过。近些年来由于高新技术的发展，尤其是电子技术的飞速发展，推动了电子用电设备的普及和应用，其中借助计算机系统进行信息处理、数据处理、自动化控制、网络通讯、设计开发等，大大提高了人们的工作质量和效率，但随之而来的问题是，先进的电子设备包括电子计算机耐受过电压、过电流的能力相对较低，同时也缺乏必要的雷害防护技术措施，另外，在现代高新技术电子产品的生产中大量采用了大规模及超大规模的电子集成电路制造技术，且集成的程度越高，内部的线间距离越小，则元器件的耐压程度也就越低，受到过电压后即损坏，更经受不起雷电强烈冲击的破坏；另电子一方面，当今电子设备、计算机系统的网络化程度越来越高，如通讯系统、视频、信号、工业自动化控制网络、计算机网络系统等，它们的传输线路，特别是暴露在室外的长距离输送线，以及动力电源输送线路等，都有可能遭受雷击，产生雷过电压，并侵入设备，将设备击毁。但目前对在雷害现象环境下运行的各种电子用电设备所能够提供有效防护的防雷技术研究和防雷技术产品却相对发展滞后，特别是高品质的防雷技术产品相对馈乏，未能对置身于雷害现象下运行的电子产品形成有力的防护，致使雷害事故日趋增多。 中国科学院-----全宇辰 第 2 页 共 10 页 2

同时是由于人们主观认识的局限性所造成的，限于人们对雷电现象有关知识的了解程度，使人们对雷害的巨大破坏力缺乏足够的认识和防御意识，而未能采取一定的防护措施，也是雷害肆虐的一个重要因素。 另一方面，从传统的建筑物防雷和避雷的观念和认识上也容易把人们对雷害防护的认识引向一个误区。在传统观念上人们普遍认为只要按照国家的建筑物防雷设计规范做好建筑物的防雷措施，如安装好建筑物的防雷装置(避雷针、引下线和接地装置的总合)均压环等，建筑物内外的所有防雷工作就“万事大吉”了。但实际情况是怎样的呢？当雷击现象发生时，建筑物的外部防雷装置确实有效的抵御了雷击对建筑物结构的破坏，同时均布的避雷引下线与建筑物的均压坏也形成和起到了稀疏法拉第网笼的作用，保证了建筑物内的人员不致因跨步电压升高而导致跨步死亡。但这时建筑物的防雷装置却非但不能保护好建筑物内的各种用电设备免遭雷击，反而使其遭受雷击的可能性增大，而且建筑物的避雷装置接闪能力越强，遭雷击的侵入的可能性就越大，这是因为当雷电击中建筑物避雷装置的避雷针上或击中附近其它建筑物的避雷针时，避雷针引下线就承担起了使雷击入侵电流入地释放的作用，在雷击电流快速的由引下线导入大地时，瞬时间内在引下线上自上而下的产生了一强力的变化磁场，处在这个强力变化磁场作用范围内的所有用电器、信号、电源及它们的传输线路都因相对地切割了这个强力变化磁场的磁力线而产生出感应高压，进而在与地线的低电位之间产生电压差，从而迅速将用电设备及通信设备击毁。 基于上述原因，迅速提高和增强人们对雷电灾害的认识和防御意识，深入开展防雷技术的研究，推出高品质的防雷技术产品，实施有效的雷害防护技术措施，确保用户的设备系统安全运行，不但是所有雷电科学研究工作者的愿望，同时也是我们公司在雷害防护事业上的发展意识。

二、雷电损坏计算机系统的机理分析

我们公司自行设计、开发、生产制造的产品广泛的与电子计算机行业的产品和通讯行业的产品协调运作。我们的防雷技术研究、开发和防雷技术产品应用的切入点，就是计算机行业产品的应用用户，即运行在各行各业的计算机网络系统，为此我们先仅就雷电对计算机系统的危害及防护作重点的阐述。 通过前面的讨论，使我们意识到，研究电子计算机的雷电防护，首先应对雷电的形成、雷电的活动强度等有关知识有所了解，同时还应弄清楚雷害究竟是通过那些渠道、途径侵入计算机系统的，才能有针对性的采取相应的防护措施，预防雷害的侵入，然后还应了解被保护的对象──计算机系统的基础耐雷能力，这样才能使我们的防护措施达到更高的防护水准。下面让我们就这些问题做逐一的讨论。

1、雷电是怎样形成的： 雷电是一种自然环境条件下人们常见的一种气象现象。耀眼的闪光、沉闷的雷声，以及雷电对大自然造成的巨大破坏。这些雷电现象的表征，是人们对雷电现象的感性认识。这一自然现象曾经使人们困惑不解，但人们一直试图了解和解释这一现象，直至1749年美国科学家富兰克林经过科学研究，特别是著名的“风筝试验”后，确定和证实雷闪的电本质之后，才奠定了现代防雷科学技术发展的基础，开始了人类以科学方式致力于雷电现象中国科学院-----全宇辰 第 3 页 共 10 页 3

机理及防护技术的研究。 (1)雷云的形成

雷云的形成过程为：由于大气层中温度、压力的变化使大气中的水分子遇冷凝结成小水滴，无数个小水滴大量积聚便形成了积雨云。在积雨云的形成和运动过程中由于起电则成为了雷雨云。关于积雨云起电的机理有多种解释理论，如辛普森的水珠分裂学说是这样解释积雨云的起电过程：“积雨云中的水滴在高速气流中作激烈运动，分裂成为一些带负电的较大颗粒和带正电的较小颗粒，后者被上升气流带上高空浮于云上部，前者则沉于云层底部，这样正负两种电荷在云层中被分离而分布在上下两层，这就是90%雷云下部带负电的原因。其它的解释理论如：威尔逊的静电感应学说、沃克曼的相变学说、雷纳德的冰的温度梯度学说等等，都能各自解释积雨云带电形成雷云这一过程。 由雷云进而产生的雷暴按其发生的原因可分为好几种，主要的有三种，实际上的雷暴，其发生的原因不是单纯一种，而往往是几种成因的复合作用。下面我们重点介绍主要的三种雷暴和其成因： ①峰雷暴： 峰雷暴是指在两个大气团相对运动时，在其分界面上，也就是在冷气团和暖气团相遇的峰面上发展起来的雷暴。峰雷暴能使相关地区的天气发生急剧变化。峰雷暴又分为冷峰雷和热峰雷。冷峰雷暴是由强大的冷空气侵入暖湿空气下面、排挤抬升了暖湿空气，暖湿空气在被抬升至一定高度后变化形成了雷云，由于冷空气往往来势凶猛，所以冷峰雷暴是雷暴中最强烈的一种，这种雷暴一般是在沿着冷暖空气交界处，即峰面好几百公里宽的带形地区发展，其最高移动速度可达100公里/小时左右。热峰雷暴则是由于暖空气主动侵入冷空气地区，逐渐升到冷空气的上边形成淡薄的雾状，然后变成棉花似的云团，最后逐渐发展成积雨云。若天气炎热而空气中的水分很多，则强烈的潮湿气流上升到2～5公里高空时便形成积雨云。由于云中水气冷凝时放出的潜热很大，致使上升气流仍比周围空气热。积雨云继续发展最后变成巨大的浓积雨云直至形成雷云。但是热峰峰雷暴的发展一般情况下要比冷峰雷暴的发展要相对缓和的多，并且很少会发展成强烈的雷雨。 ②热雷暴： 热雷暴多发生在夏季，由于夏季强烈的日光照射，地表面附近的空气被晒热后便形成上升气流而形成热雷云，热雷暴经常伴随有暴雨，持续时间短，并带有区域性。 ③地形雷暴： 其为由于地形的影响而产生的雷暴。在地形起伏较大及海边的山地，暖湿空气随地形抬升时形成的雷云。 (2)雷云放电

雷云放电时由于正负电荷的中和而产生了耀眼的闪光，放电时强大的电流迅速加热了周围的空气，并使其猛烈膨胀而发出震耳欲聋的声音，这也就是在雷暴发生时我们看到的闪电和听到的雷声。 雷云放电又分为云中闪击和云对地的闪击。云闪为分云内放电和云间放电，云闪发生的概率比地闪大的多，但因它发生在数千乃至数万米的高空，因此对地面设备相对造成灾害性影响要小，为此我们着重考虑地闪的影响。所谓地闪就是雷云对大地的放电。地闪的发生和发展可分为四个阶段，即：云中放电、对地先导、定向闪击和回闪。地闪发生前，中国科学院-----全宇辰 第 4 页 共 10 页 4

雷云中放电频繁，云中的闪光和地面的场强变化显著，云中放电造成了云中电荷的重新分布和电场的畸变，当雷云近地端，电荷密集处电场强度达到一定限度时(25-30KV/cm²)，雷云就开始了对地的先导放电，对地先导放电的顶端接近地面时，就会激发起大地上的感应电荷从地面的突出部分向上的“迎面先导”，一但当雷云对大地的先导放电与大地的“迎面先导”会合时，那么它们之间的强烈的电离通道就已形成，放电就变成了定向闪击，定向闪击总是沿最短的路径进行的，这是因为雷云对地先导放电的同时，大地的感应电场被激发开始向上发出一道“迎面先导”与之衔接，当雷云的先导放电距地面50～100米时，(我们一般称先导放电在这个高度的最前端叫做定位高度)。雷击点就选择趋向于电场强度最大且升起迎面先导的地方完成闪击放电。为此地面上比较突出的地方和导电良好之处，在这时都要比周边各处的电场强度大得多，且聚集着更多的电荷，从而成为了雷击的主要目标，如：山顶、高塔、高大的建筑物、旷野中的孤立大树、房屋的尖顶及屋檐，甚至一片导电不甚良好的地域中局部有部份导电良好的地点都容易遭受雷击，这就是我们常说的雷击有选择性的道理。 雷电的破坏作用的具体表现为：强大的电流、炙热的高温、猛烈的冲击波、剧变的磁场和强烈的电磁辐射等物理现象，在计算雷电的能量时，一般是以雷击入地电流的为计量单位，据有关资料介绍，在自然环境中，雷电的能量概率为： 95%的户外直击雷的电流强度超过14KA。 50%的户外直击雷的电流强度超过30KA。 5%的户外直击雷的电流强度超过150KA。 2%的户外直击雷的电流强度超过200KA。 表述雷电的活动强度，我国常用“雷电日数”和“雷闪频数”这二个统计指标，我们的工作，用前一指标就适用了。所谓“雷电日数”是指在一昼夜内的雷击强度，即一昼夜内只要有可闻雷，不管次数多少均记为一个雷电日，我国是个多雷灾的国家，在长江中下游地区年均雷电日在30～80天，华南地区70～90天，广东及海南地区是120天，西南地区是80～100天，东北地区是35天以上，其中大部分地区从2～3月至11～12都可听到雷声。