摘要：本文主要介绍了两部分内容，即[1]雷电侵入电子信息系统的途经；[2]电子信息系统的雷电防护。
关键词：雷电侵袭；直击雷击；感应雷击；雷电防护
在电子信息系统中，由于系统内的电子设备的数量和规模不断扩大，特别是电子计算机的大量采用。而电子计算机、微处理器及其它电子仪器设备普遍存在绝缘强度，过电压耐受能力差的弱点。当其受到电磁脉冲，特别是闪电电磁脉冲的袭击，使得这些灵敏度高的电子系统设备出现永久性损坏，给日常的经济工作和生活带来巨大的损失。
干扰，是指在闪电发生时，计算机周围的电场强度比较高。由于电子元件的敏感较高且处于较高电场强度下，在没有任何防范的措施下容易受到电场的干扰。
电子元件不同程度的衰减，是由于电子设备在雷击的情况下，由于雷击的峰值电流不是很大，电子元件只是受到很小程度的损害，且并不能对运行造成影响。但长此下去，会使电子元件的寿命大大降低，这是用户最容易忽略的。
用户设备的永久性损害是在雷击的作用下，电子元件由于高温（过电压耐受能力差）直接损毁。这是电子设备受雷击较为严重的情况。
为此，在电子信息系统中，特别是对计算机和精密的电子设备，如何对雷电采取有效的防护措施，保障其安全，已受到普遍的关注。
一、雷电侵袭电子信息系统的途径
雷电现象是指雷雨云之间或雷雨云对地猛烈的放电过程。在该过程中，不仅会产生强大的雷电流（可达数十至数千安），并且会伴随强烈的闪光和巨大的声响。雷击主要分为直击雷击和感应雷击。
（一）直击雷击是指雷雨云之间或雷雨云与地面建筑物之间某一点的放电。其主要危害有：
1、强大的雷电电流通过被击物体时产生热效应，这种热效应所产生巨大的热量会使被击物体温度突升，甚至引起火灾。
2、达数十甚至数百千安雷电电流通过，会使空气急剧膨胀，并以超级速度向四周扩散，其外围附近的冷空气被强烈压缩，形成“冲击波”。它会破坏其附近的建筑物、树木，伤害人员等。
3、雷电流通过导体产生的雷电电磁场，出现电动力效应，会使处在其中的导体受力变形甚至折断。
（二）感应雷击是指雷电通过静电感应或电磁感应对被击物体的损坏。雷电流有50%是直接进入大地的，还有50%是进入各电气通道（如电源线、信号线和金属管道等）。当雷闪放电发生或雷击输电线路时，雷电流会产生强大的电磁场，它通过直接或电容耦合方式在输电线路上形成暂态过电压，并以流动波形式沿线路传播，一般在以雷击中心1.5～2km范围内都可能产生危险过电压，损坏电路上的设备。据统计，在整个瞬变脉冲事故中雷击过电压约占20%左右。
感应雷击其主要危害有：
1、在雷雨云出现后，雷雨云下的建筑物由于静电感应作用而带上大量相反电荷。雷击过后，雷雨云所带的电荷很快入地与地电中和，而地面上某些地方的感应电荷，由于与大地间电阻较大，不能在同样短的时间内相互消失，形成了局部地区高的感应电压。该电压可达数十千伏甚至数百千伏，这样高的电压可使接地不良的电气系统遭受破坏。根据《建筑物防雷设计规范GB50057-94》中的计算公式，防雷装置地上高度hx处的电位:
U=UR+Ul=IRl+L0*hx.di/dt=100*1+30*1.5*15=775(kV)
式中：UR雷电流流过防雷装置时接地装置上的电阻电压降(kV);
Ul 雷电流流过防雷装置时引下线的电感电压降(kV);
I 雷电流幅值；二类防雷建筑取100kA
R1 冲击接地电阻；对于采用共用接地极的建筑一般取1(Ω)
L0 引下线的单位长度电感；取1.5μH/m
di/dt雷电流徒度(kA/μs)
2、雷电产生电磁感应的破坏。由于雷电有极大的峰值和徒度，在其周围形成强大的变化的电磁场，处在变化电磁场中的导体会感应出较大的电压，该电压由导线可传至较远电气设备。根据美国A/D报告研究表明，当电磁感应强度B为0.03GS时，计算机产生误动作，当B为2.4GS时，计算机芯片会产生永久性损坏。
可以算出：电子设备误动作概率为：P=93.6%，电子设备产生永久性损坏为：P=60％。
3、雷电产生地电位反击的破坏。电子信息系统内计算机及微电子设备均要求有相同的地。如果在建筑不同接地系统被泄入雷电流时，会引起电位不均，高电位的地会反击低电位的电，导致电气设备损坏。
4、雷电对架空线路的影响。雷电雷击到架空线路导致的电流耦合会产生瞬态的高电压，为了避免瞬态的高电压沿着线路侵袭到含有电子信息系统的建筑物中，架空线路在入户处应套管屏蔽。
备注：由于建筑物的高压供电电缆、低压供电电缆、通信电缆、都是从外部引入，无论是架空还是埋地都面临着遭直接雷击和感应雷击的危险。为了避免这些可能出现的危险，在设计的过程中，应尽量考虑到电子信息系统所在的雷电区域。例如：当土壤电阻率为500Ωm时，那么就要考虑电子信息系统的区域就是建筑物的面积+方圆500m之内的供电通信设施。
二、如何对电子信息系统进行雷电防护
电子信息系统应采用外部防雷和内部防雷等措施进行防护，主要有：加强建筑物防雷系统；接地和屏蔽接地；合理选择设备摆放位置；合理选择电缆走线和电缆屏蔽；采用光传输介质的电缆。
（一）减少感应电压
因为雷电流具有优先流经最外层接地导体入地的特性，因此，采取在建筑物的外层增加接地导体的做法，可以加强该建筑物的防雷性能。建筑物的外层接地导体越多，其内部的电磁场越小，瞬态过电压侵入干扰电子设备的可能性也越小。也就是说，对于内部装有重要的电子设备的建筑物，可以采取在其外部增设接地导体的做法来增加防护。
（二）减小感应电压
许多系统都会有安装于室外或建筑物顶部的一些设备，最常见的室外设备如：天线；测试传感器；空调器的部分设备；太阳能热水器的外部设备；闭路电视的外部设备；电信基站等。
此类露天设备，不仅会受到感应雷引起的瞬态过电压的威胁，还会受到直击雷的侵袭，应尽可能地防护直击雷的侵袭。比如，确保室外所有露天设备得到保护，而且与防雷系统有有效的屏蔽连接。为确保所有的露天设备得到保护，在建筑物防雷系统方案中可能需要在建筑物顶部加装避雷针（网栅）等防护措施。
空调系统的露天部分，其金属外壳最好与建筑物顶部的避雷网络相连，暴露的电线应与金属管道做屏蔽连接，或选择结构能提供适当的屏蔽保护的路径走线。对于金属塔，其内部应使用L型槽钢，附着于金属塔上的电缆应在塔的内部（而不是外面）走线，以防止直击雷的侵入。
（三）接地与连接
由于接地的不良，等电位的不平衡，电子设备因地电位不一致，会产生阻抗耦合瞬态干扰等现象。
1、所有的引入部件（水管和气管、电力和数据电缆）都应该连接至一个单独的地电位参考点上。这个等电位带可以是电源地、金属板、内部的环行导体或外墙内部的局部导体环。无论它是什么类型，这个等电位屏蔽连接带还应与接地系统的接地极相连。
2、所有的金属管和电力、数据电缆最好在一处引入和引出，并且将它们或它们的金属外层连在一个点上后再与总的地线端子连接。这样可以减少建筑物内的雷电流，最好是能将建筑物之间的地线进行大量的并行互连，可以大大地减小连接建筑物之间的雷电流。这种方案可通过网格式地线系统来实现.
建筑物之间的电力和数据电缆还应采用金属管、金属线槽、沟等类似的设施进行防护。而且这些金属管、槽还应与网格地线系统进行屏蔽连接，两端部应与电缆的公共引入出点的总等电位排再次连接。
（四）设备摆放位置的选择
电子设备的摆放位置不能靠近大电流和受到感应瞬态过电压威胁的地方。具体来说：设备不能摆放在建筑物的底层，该处太靠近楼顶的避雷针和建筑防雷系统的导体网；同样，设备的摆放位置也不能靠近建筑物的外墙，尤其是外墙的拐角处，因为雷电流优先流经该处；设备的摆放位置不能太靠近诸如天线、烟囱等高大建筑物，因为由于雷电的吸引性，这些高大建筑物往往成为雷电泻入大地优先选择的路径，而巨大的雷电流会形成非常强的干扰电磁场；当建筑物具有相当于屏蔽中结构的理想效果（金属墙和顶部都有效地屏蔽连接）时，设备的摆放问题可以不考虑。
（五）电缆布线与屏蔽
电力网、数据通信、信号和信号电缆在建筑物内同样也可能受到瞬态过电压的威胁。故建筑物内部的设备布线应尽可能避开类似于新设备建筑物顶部或墙内的可能带有雷电电流的导体（见前面叙述的设备摆放位置的选择）。当电源线和数据线之间形成的环型面积较大时，从耦合感应的效果来说，它将会获得更多的雷电能量，因此应该尽量避免。为减小环型面积、电源、数据通信、信号或电话等线路应彼此隔离地并排敷设，电缆可分别放置于相邻的管道或内部有金属隔离的同一槽道内。楼层间的电缆布线也可能会形成环路，其目的在于减小环路的面积。
对电缆施行屏蔽是另一种十分有效的做法，它将有助于减小电缆受到电磁辐射或对外产生电磁辐射。电力电缆可由金属管或电缆槽防护，而数据槽通常采用外层有金属编织带屏蔽电缆的方式。
屏蔽对于电场和磁场被起到了类似屏障的作用，其效果取决于屏蔽的材料，结构及冲击电磁波的频率。
尽管在默认的情况下，尤其是在仪器表系统中，为有助于减小环路的面积，往往会选择单端接地；但对瞬态过电压防护的效果来说，其屏蔽还是应该两端接地。
（六）建筑物之间的数据传输应采用光缆
下列情况的数据线路应特别采取防护：穿越各自独立的建筑物；穿越同一建筑物未做交叉屏蔽连接的各独立（即结构上非整体的）部分，例如同一建筑物因沉降断裂而分离的各部分或以砖砌长廊连接的侧厅类建筑。
对于建筑物之间的数据传输，采用光缆是最佳的方式，它将在建筑物之间实现电气上的彻底隔离，防止包括瞬态过电压在内的EMC问题。
不能因为数据传输采用光缆而降低对设备电源部分的防护要求。
参考文献：
[1]电子系统防护手册（电子设备的雷电及瞬态过电压防护技术指南）作者：[英]FURSE CO. LTD
[2]建筑物防雷设计规范（GB50057-2000）
[3]建筑物电子信息防雷设计规范（GB50343-2004）
[4]BS6651：1992