計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能否正常工作，除了本身的軟硬件條件外，還有外部工作環(huán)境，主要是影響該系統(tǒng)正常工作的外部及內(nèi)部過電壓，防止外部及內(nèi)部過電壓也是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)正常工作投資的一部分，如果忽略了這部分投資，造成系統(tǒng)的損壞， 出現(xiàn)更換及維修設(shè)備的費(fèi)用，從一定時期的周期投資費(fèi)用上來講，很可能超過一次性裝備防過電壓設(shè)備的費(fèi)用。在這里暫不計(jì)政治、社會及其它影響，有可能這方面的影響遠(yuǎn)比防雷器件的投資大得多。1992年中央氣象局就因雷擊造成設(shè)備損壞，出現(xiàn)過未報(bào)天氣預(yù)報(bào)的事故，造成了很壞的社會影響。
1 過電壓的產(chǎn)生及危害
過電壓的概念：由電源系統(tǒng)外部（主要是雷電）和系統(tǒng)內(nèi)部工作造成的工作電壓超過正常供電值，即稱為過電壓。暫態(tài)過電壓存在的時間非常短，只有幾十微秒的時間。
1.1 雷電（外部過電壓Lightning）的產(chǎn)生及危害
雷云形成的假說很多，至今沒有一種被公認(rèn)為無懈可擊的完整學(xué)說，主要有威爾遜假說。廣州的唐山樵先生的說法：雷電的出現(xiàn)除與氣流、風(fēng)速密切相關(guān)，而且與地球磁場也有一定聯(lián)系。雷雨云內(nèi)部的不停運(yùn)動和相互摩擦，使雷雨云產(chǎn)生大量的正、負(fù)電荷的小微粒，即所謂的摩擦生電。這樣龐大的雷雨云相當(dāng)于一塊帶有大量正、負(fù)電荷的云塊，這些正、負(fù)電荷不斷地產(chǎn)生和復(fù)合，當(dāng)這些云塊在水平方向向東或向西移動時（最大風(fēng)速可達(dá)40m/s），它與地球磁場磁力線產(chǎn)生切割，就好像導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生電流一樣，云中的正、負(fù)電荷將產(chǎn)生定向移動，其移動的方向按右手定則判斷。若云層由西向東移動，因地磁場磁力線是由地球南極指向北極，所以，大量的正電荷向上移動，負(fù)電荷向下移動，當(dāng)正、負(fù)電荷積聚的足夠多時，場強(qiáng)達(dá)到（25～30kV/cm）時，將引起雷云間、雷云中或雷云對地的放電。沒有大氣運(yùn)動就不會有雷電，這說明為什么雷電總是伴隨著狂風(fēng)暴雨出現(xiàn)。
大地被雷擊時，多數(shù)是負(fù)電荷從雷云向大地放電，少數(shù)是雷云中的正電荷向大地放電；在一塊雷云發(fā)生的多次雷擊中，最后一次雷擊往往是雷云上的正電荷向大地放電。觀測證明，負(fù)電荷放電的能量平均為30kA；發(fā)生正電荷向大地放電的雷擊顯得特別猛烈，一般為100 kA，高的達(dá)200～300kA。
前幾年山東黃島油庫特大火災(zāi)事故，也是由于雷擊所致，火災(zāi)造成100多人傷亡，毀掉原油數(shù)萬m3，損失直接經(jīng)濟(jì)7000多萬元，造成附近生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重破壞。此次事故皆因領(lǐng)導(dǎo)不重視所至。
雷電破壞性很強(qiáng)的原因：
a. 在短短幾十?s，把雷云蘊(yùn)藏的能量放出來。但據(jù)有關(guān)資料計(jì)算，每次閃擊發(fā)出的能量只相當(dāng)于幾千克石油所放出的能量。
b. 大多數(shù)雷電流峰值為幾十kA，也有少數(shù)的上百kA和幾百 kA。
c. 在電源或輸電線上的感應(yīng)電壓，低則幾萬伏，高的達(dá)幾十上百萬伏。
雷擊的三種主要形式：
直擊雷：帶電的云層與大地上某一點(diǎn)之間發(fā)生猛烈的放電現(xiàn)象，稱直擊雷。避雷針并不能百分之百的攔截上空來的雷電，有的雷電并不是經(jīng)最短的路徑泄放電流，有時繞過避雷針，對建筑物產(chǎn)生側(cè)擊或繞擊。據(jù)外國有關(guān)資料介紹，一個直擊雷不僅僅影響到被擊中的對象，而且對周圍半徑1.5km范圍內(nèi)都有影響。
感應(yīng)雷：強(qiáng)大的脈沖電流對周圍的導(dǎo)線或金屬物體產(chǎn)生電磁感應(yīng)發(fā)生高電壓，以致發(fā)生閃擊的現(xiàn)象，也叫二次雷。當(dāng)感應(yīng)到導(dǎo)線時傳輸?shù)木嚯x更遠(yuǎn)。一小女孩雨淋后，跑回家，欲打開金屬大門，結(jié)果被擊倒，搶救無效死亡。
球形雷：在雷電頻繁的雷雨地區(qū)，偶爾會發(fā)現(xiàn)紫色、殷紅色、灰紅色、藍(lán)色的“火球”。
這些火球有時從天空降落，然后又在空中或沿地面水平方向移動，有時平移，有時滾動。這些火球一般直徑10幾cm，大的超過1m，存在的時間從幾s到幾min，一般為幾s的居多。
1975年9月25日，海南省臨高縣一座知青宿舍，有一個發(fā)綠光的球形雷從開著的窗口竄入屋內(nèi)，一位女青年因害怕而奪門而逃，球雷隨風(fēng)尾追，碰到他身上爆炸，女青年死亡。
1983年8月15日，北京市東郊煉焦化工廠，因球形雷燒毀體積10m3的酒精罐兩個。
球形雷形成的原因推測：一是等粒子體；二小范圍的急促氣旋造成，三核反應(yīng)。到目前試驗(yàn)室未完滿重復(fù)這一現(xiàn)象。
近年來，由于建筑物的防雷設(shè)計(jì)逐漸完善，直擊雷造成的建筑物損壞和火災(zāi)事故已有所減少，但是，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，敏感電子設(shè)備的工作電壓不斷降低。如第一代的計(jì)算機(jī)元件主要是電子管，過去沒有什么防雷保護(hù)措施，也很少發(fā)生雷擊事故。而今，新型超級計(jì)算機(jī)、人工智能計(jì)算機(jī)都使用集成電路模塊，其耐壓、過流的能力脆弱，國際電工委員會已將雷電災(zāi)害稱為“電子化時代的一大公害”。從大量的計(jì)算機(jī)雷擊事例中分析可以認(rèn)為：由雷電感應(yīng)和雷電波侵入造成的雷電電磁脈沖（LEMP）是計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備損壞的主要原因
具體有以下規(guī)律：
a. 從被損壞部件在電路中的位置看，均在與外線連接的主機(jī)、終端機(jī)或MODOM接口中的驅(qū)動器和接收機(jī)，或擊穿MODEM后再擊穿主機(jī)或終端的接口，越過接口的部件很少被擊穿，可見雷電感應(yīng)過電壓波侵入途徑是室外通訊線和電源線。
b. 從接口與線路看，損壞的多是接口，線路絕緣很少損壞，保護(hù)重點(diǎn)應(yīng)是接口。
c. 發(fā)生雷擊外線路的長度，有長到二十多公里，也有短到幾十米的，可見雷電波的侵入在引出機(jī)房之外的線路就可發(fā)生。
d. 導(dǎo)線屏蔽程度對雷擊事故發(fā)生差別非常大，不加屏蔽或簡單屏蔽多次遭雷擊，屏蔽效果很好的導(dǎo)線，雷擊發(fā)生率極低。
e. 架空線路的的雷電感應(yīng)過電壓。無屏蔽架空線路雷電感應(yīng)過電壓幅值按下式計(jì)算：
Vg: 感應(yīng)過電壓，kV
I ：雷電流幅值，kA
Ha：導(dǎo)線離地面高度，m
S： 雷擊點(diǎn)與導(dǎo)線的垂直距離，m據(jù)上式估算，在一公里遠(yuǎn)處有50kA的雷擊電流，在4m高的導(dǎo)線上可產(chǎn)生5kV的感應(yīng)過電壓，顯然，這對計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備都會造成巨大的災(zāi)難。
f. 地下電纜的雷電感應(yīng)過電壓。5 kA雷電流流入地網(wǎng)，在其附近（5～10m）的無屏蔽電纜上將感應(yīng)出5～7.5 kV的高壓。但電纜有金屬護(hù)套并兩端接地，則感應(yīng)過電壓將降為（5%～10%）。
另外，光纖通訊發(fā)展很快，光纖本身是非金屬材料不怕雷擊，但是為了防止外界的腐蝕作用和增強(qiáng)架空拉設(shè)的強(qiáng)度，電纜內(nèi)部加有抗拉的鋼芯，外加上金屬護(hù)套，也與雷電聯(lián)系在一起。
1.2 內(nèi)部過電壓(Inter Overvoltage)的產(chǎn)生及危害
在電力系統(tǒng)內(nèi)部，由于斷路器的操作、負(fù)荷的投入和切除或系統(tǒng)故障等系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)變化，而使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，從而引起的電力內(nèi)部電磁能量轉(zhuǎn)換或傳輸過渡過程，將在系統(tǒng)中出現(xiàn)過電壓，這種過電壓稱為內(nèi)部過電壓。在電力系統(tǒng)引起的內(nèi)部過電壓的原因大致可分為：
a. 電力大負(fù)荷的投入和切除（電梯、大功率空調(diào)機(jī)、冷凍機(jī)、等）；
b. 感性負(fù)荷的投入和切除（電機(jī)、繼電器的線圈、帶負(fù)荷墊板變壓器）；
c. 功率因素補(bǔ)償電容器的投入和切除；
d. 短路故障等。
內(nèi)部過電壓雖然沒有外部過電壓的危害大，但是，由于它長年作用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，容易造成元器件的老化，減少設(shè)備的使用壽命和正常使用。
1.3 核致電磁脈沖（NEMP）
2 過電壓對電子設(shè)備的危害例證
例１：１９９４年７月７日下午３時５７分，湖南省沅陵縣麻溪鋪鎮(zhèn)政府辦公大樓頂?shù)男l(wèi)星接收天線受雷擊２４６臺電視機(jī)無一幸免，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)３０萬元。
例２：１９９２年６月２０日２０時０５分，中國氣象局氣象中心大樓落雷，避雷裝置和建筑物完好，但大樓大型計(jì)算機(jī)小型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中斷，６條北京同步線和１條國際同步線路被擊斷，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中斷４６小時，不僅經(jīng)濟(jì)損失數(shù)十萬元，次日中央電視臺氣象預(yù)報(bào)成為空白，影響非常巨大。
例3：武昌水果湖地區(qū)是湖北省委、省人民政府及各廳局所在地，其周邊地區(qū)為國務(wù)院批準(zhǔn)的東湖高新技術(shù)開發(fā)區(qū)，該地區(qū)湖泊與山丘交替，雷暴日比周邊其它地區(qū)多。特別是高新企業(yè)的建立，樓房增多，房屋頂上金屬物體較多，特別是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代化通信設(shè)施的飛速發(fā)展，使雷電事故發(fā)生率明顯提高。兩三年的時間遭直擊雷的損害達(dá)二十多次，造成電話總機(jī)、通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等的巨大損失，有時一周都不能工作。
九十年代初，在省政府的重視下，在該地區(qū)完成了第一期防雷工程，分別在省勞動廳（７層）、省檔案館（１４層）、省物價(jià)局（６層）房頂上加裝防雷接閃設(shè)備，效果較好。但由于當(dāng)時沒有考慮防感應(yīng)雷，沒有過電壓保護(hù)措施，致使該地區(qū)雷擊事故時有發(fā)生。省政府大院的微波通信和電話總機(jī)，國防工辦電話總機(jī)多次遭到了雷擊，而附近的中科院物理所等單位的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信設(shè)備上裝設(shè)了各類避雷過壓保護(hù)器，未發(fā)生事故。
與水果湖區(qū)相鄰的卓刀泉地區(qū)，也是雷擊事故多發(fā)區(qū)。在此的湖北省口腔醫(yī)院電話總機(jī)、７７２所供電系統(tǒng)、省氣象局計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)接口多次遭雷擊，經(jīng)調(diào)查，并不是因遭直擊雷所致，皆因未采取防感應(yīng)雷措施。而這些單位之間的武漢信聯(lián)證券公司在屋頂上鐵塔上裝設(shè)一套避雷針，在信號、配電等設(shè)施上分別安裝了電源、天饋信號避雷器，對地網(wǎng)進(jìn)行了全面改造，在周圍多處遭雷擊的情況下，公司未因雷擊受到損失。
3 計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備的過電壓防護(hù)
對于過電壓引起的危害，以引起了發(fā)達(dá)國家的重視，美國、法國、德國、英國等國都有相關(guān)的防過電壓的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，如德國的ＶＤＥ ０６７５《過電壓防雷保護(hù)器》。國際電工委員會制訂的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有：《雷電電磁脈沖的防護(hù)》(ＩＥＣ1312—1，2，3—94，95，96)、《低壓電力配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器》(ＩＥＣ1643-1)。
基于過電壓的危害，及防過電壓產(chǎn)品取得的良好效果，我國正在著手制定相關(guān)的規(guī)范，如通信部門的《通信局雷電過電壓保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范（送審稿）》。我國許多相關(guān)現(xiàn)行規(guī)范中也提到了過電壓防護(hù)。如：《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》ＧＢ50057-94（文說明）中指出:“關(guān)于電子元件的過電壓保護(hù)分三部分，即２２０/３８０Ｖ、信息線路、有電子元件的設(shè)備本身…，在裝置附近的供電設(shè)備是否裝設(shè)過電壓保護(hù)器，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的重要性，由信息線路設(shè)計(jì)者一起解決，或由設(shè)備的使用者解決或由設(shè)備的制造者提供”。從此規(guī)范中可以看出，建筑電氣設(shè)計(jì)者們早就對過電壓問題引起了重視，只是不便于干預(yù)其它行業(yè)，而強(qiáng)行要求裝設(shè)過電壓保護(hù)器。
隨著智能大廈的推廣應(yīng)用，電視、電話、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)的普及，迫切需要過電壓防護(hù)跟上發(fā)展形勢。
3.1 降低入侵感應(yīng)電壓幅值
這是基本的方法，具體做法是不用架空線，采用屏蔽良好的電纜并將屏蔽層和備用芯線兩端接地，正確選擇布線路徑，盡可能直接埋地敷設(shè)，并在電纜上方埋設(shè)避雷線。但若單靠改善線路結(jié)構(gòu)達(dá)到避雷的目的在經(jīng)濟(jì)上很難辦到，特別是在雷電活動強(qiáng)烈的地區(qū)，即使全線采用同軸電纜，感應(yīng)電壓也達(dá)100多伏甚至上千伏，所以還必須在線路兩端設(shè)備處設(shè)過電壓保護(hù)裝置。
3.2 保護(hù)裝置
安裝過壓保護(hù)裝置是為了達(dá)到兩個目的：不產(chǎn)生誤動作和原件不遭損壞；另一種是不影響儀器設(shè)備的工作性能。
3.3 現(xiàn)代防雷
富蘭克林美國科學(xué)家（1706-1790），放風(fēng)箏發(fā)明了避雷針。從富蘭克林發(fā)明避雷針到現(xiàn)在，科學(xué)技術(shù)發(fā)生了巨大變化，為適應(yīng)高科技的現(xiàn)狀，要采用現(xiàn)代防雷技術(shù)?，F(xiàn)代防雷的技術(shù)原則強(qiáng)調(diào)全方位防護(hù)，綜合治理，層層設(shè)防，把防雷看做是一個系統(tǒng)工程，這是由于雷電的危害無孔不入，在整個空間范圍侵襲微電子設(shè)備，很難防范。
現(xiàn)代綜合防雷技術(shù)“BCDGS”：
B：“等電位聯(lián)接”(Bonding)，其目的是防止強(qiáng)大雷電流流過之處立即升高至很高的電位，與周圍金屬物和設(shè)備之間出現(xiàn)很大的電位差，造成旁側(cè)閃絡(luò)放電。同時可消除因地電位驟然升高而產(chǎn)生“反擊”的現(xiàn)象。消除因電位差引起的人身事故。
等電位聯(lián)結(jié)：隨著我國電氣行業(yè)日新月異的 變化，我國許多新修訂的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)正逐步同IEC（國際電工委員會）接軌。等電位聯(lián)接是“使各外露可導(dǎo)電部分和裝置外可導(dǎo)電部分電位基本相等的電氣聯(lián)接”，分為總等電位聯(lián)接、局部等電位聯(lián)接、輔助等電位聯(lián)接?？偟入娢宦?lián)接就是在建筑物每一電源進(jìn)線處及進(jìn)出建筑物的金屬管道、金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件等連成一體一般有總等電位聯(lián)結(jié)端子板，并與其它等電位聯(lián)結(jié)端子板放射連接。等電位聯(lián)接能夠降低接觸電壓，防二次雷擊，防間接接觸電擊及接地故障引起的爆炸和火災(zāi)，在電氣設(shè)計(jì)中，等電位聯(lián)接是一種行之有效的安全措施，早已為國際上許多國家所采用，這項(xiàng)內(nèi)容在王厚余老先生的極力倡導(dǎo)和推薦下，被寫進(jìn)了我國的設(shè)計(jì)規(guī)范《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50054—95），并于1996年6月1日實(shí)施。為了使這一內(nèi)容在工程中得到更好的推廣，1997年，航空設(shè)計(jì)院的徐華等人在王厚余、劉屏周的具體指導(dǎo)下，編制了《等電位聯(lián)接安裝》（97SD567）標(biāo)準(zhǔn)圖。
C：傳導(dǎo)（Conducting），作用是把閃電的巨大能量引導(dǎo)到大地中耗散掉。只能攔截建筑物上空的閃電，對于遠(yuǎn)處落雷產(chǎn)生的過電壓波沿各種導(dǎo)線的入侵無能為力。避雷針引導(dǎo)閃電入地的導(dǎo)線流有巨大的電流，會產(chǎn)生感應(yīng)電磁場，也可能損壞設(shè)備，所以必須與其它防雷措施配合。
D：分流（Dviding），從室外來的導(dǎo)線（電源線、電話線、信號線）都要并聯(lián)一種 避雷器至接地線。把循導(dǎo)線傳入的過電壓波在避雷器處分流入地，也就是把雷電流的所有入侵通道堵截，使之降到不危害設(shè)備的程度。但是一級不夠，要多級堵截。
電子信息設(shè)備比一般的電氣設(shè)備更易被過電壓擊毀。一般的電氣設(shè)備工作電壓較高，都具有一定的耐雷水平，如果電源進(jìn)線的暫態(tài)過電壓不超過6kV，這些設(shè)備一般不會損壞。而電子設(shè)備的耐暫態(tài)過電壓的能力很低，據(jù)介紹，弱電設(shè)備電源部分的沖擊耐電壓值分別是：交流220V系統(tǒng)為1500Ｖ，直流48伏系統(tǒng)為330Ｖ，電信交換與用戶終端設(shè)備為1000Ｖ；計(jì)算機(jī)不得低于1500Ｖ。又由于在短時間內(nèi)電能釋放的能量太大，為使最終的工作設(shè)備不損壞，必須在過電壓到達(dá)弱電設(shè)備之前把電能釋放掉。所以低壓供電電源線路系統(tǒng)的防護(hù)，要求不得少于三級，最好是四級，從而將過電壓降到設(shè)備所能承受的水平。一般防御電壓為6kV、4 kV、2.5 kV和小于1.5kV：即三相總電源、進(jìn)入室內(nèi)的單相電源和進(jìn)入用電設(shè)備前的三級保護(hù)。
（轉(zhuǎn)載）
