摘要 本文通过对SPD接线方式的比较及计算，论述了凯文接线方式在信息系统及信息机房中雷电防护措施应用的重要意义，并通过信息系统及其机房检测的步骤以及信息系统及其机房检测的相关问题的论述，创新了机房检测的技术方法。
关键词 信息机房 防雷检测 方法研究
中图分类号： TU89 文献标识码：A
Research on Lightning Detection Methods of
Information System and Information Room
CHEN Chang, XU Qiteng, LIU Dingqi
(Guangzhou Meteorological Bureau, Guangzhou, Guangdong 510080)
AbstractThis paper based on the comparison and calculation of SPD wiring, talks about the significance of Kevin wiring in the application of lightening detection in information systems and informatiooom, and according to the checking steps of information systems and the engine room, and discuss the related problems of information systems and information room, innovate the technical methods of testing the information room.
Key wordsinformation room; lightning detection; methods
0 引言
20世纪80年代以来,伴随着我国经济的高速发展，高精尖的电子设备被广泛应用于人们的工作和生活当中，特别是与高新技术关系密切的领域，由于广泛采用对雷电电磁干扰极为敏感的大规模及超大规模集成电路，使得雷电电磁辐射脉冲对微电子设备的正常工作的影响几率大大增加，甚至造成设备的严重损害。据我国气象部门统计，①1997-2009年上报的全国雷电灾害数据中包含61614起经济损失事故，其中90%以上与信息系统受雷害有关，保守估计年均经济损失达上百亿元人民币，所以如何做好机房信息系统及其机房检测，有着十分重要的意义。
1 信息系统及其机房检测的步骤
1.1 防雷区的重要性
由于信息系统及其机房内的各类防雷措施大部分是在防雷区分界面处实施的，因此，在对信息系统及其机房进行检测时，正确划分防雷区尤为重要，图1给出了一个防雷区划分的实例。
图1信息系统机房防雷分区及防雷措施
1.2 检测流程和内容
信息系统及其机房防雷检测流程和检测项目内容如图2所示。
图2信息系统及其机房检测流程与内容
2 信息系统及其机房检的几个问题
2.1 SPD接线方式
在实际防雷工程中，电涌保护器（SPD）在抑制电源系统和信号系统电涌中所占的比重越来越大，然而，作者从参与的多起雷灾调查与鉴定中发现，由于SPD接线过长或接线方式不正确，致使SPD不能真正发挥作用，从而防护失败的例子比比皆是。由于SPD连接线过长，雷电流泄放引起的感抗压降导致设备损坏的例子如图3所示。该例中，SPD电压保护水平UP =1kV，标称放电电流In = 20kA（8/20），弱电设备耐压水平UW = 1.5kV；单位长度导线电感LK = 1.5H/m。为便于分析，假定流过SPD的雷电流为20 kA（8/20），此时SPD两端残压UBC = UP = 1kV。经计算，由SPD两端连接线引起的感抗压降为11.25 kV，则施加于弱电设备上的电位差为11.25 kV，远大于设备的耐压水平UW=1.5 kV，故而设备损坏。具体分析计算过程如下：
UBC = UP = 1.0kV
LK = 1.5 H/m
UAB = LAB €? = 1 €?1.5 €? = 3.75kV
UCD = LCD €? = 2 €?1.5 €? = 7.5kV
UAD = UAB + UBC + UCD = 12.25kV
图3有问题的SPD接线方式
由上述分析可知，由SPD两端连接线引起的感抗压降是导致设备损坏的直接原因，如果能够将其有效消除，即UAB = 0 kV，UCD = 0 kV，则施加于弱电设备上的电位差即为SPD两端的残压UBC = UP = 1kV，小于弱电设备耐压水平UW = 1.5kV，则设备不会损坏。针对图3采用凯文接线方式后，如图4所示，SPD启动后，施加于弱电设备上的电位差为SPD两端的残压UBC = UP = 1kV＜UW = 1.5kV，设备受到保护。
图4采用凯文接线方式
凯文接线法不仅适用于单台设备的保护，同样适用于多台设备的保护，也适用于小型机房内设备的保护，还可以将其应用于机柜内设备的保护。若将SPD凯文接线法与机房内等电位连接措施综合应用，可实现对大型机房内设备的保护。凯文接线法与等电位连接措施综合应用图例如图5所示，需要强调的是机房均压网或汇流排（也可以是机柜内的汇流排）仅通过SPD接地线接地。
图5凯文接线与等电位连接综合应用
2.2 等电位连接措施判定
信息系统机房等电位连接完备性检测包括两方面的内容：第一，所有进入机房所在建筑物的外来导电物（包括线缆屏蔽层）均应在LPZ0区与LPZ1区界面处做等电位连接和接地处理；第二，所有穿过各后续防雷区界面处导电物均应在界面处做等电位连接和接地处理。实际的信息系统机房防雷工程施工中往往忽略了上述两方面最主要的等电位连接处理，而直接将来自机房所在建筑物外部的线缆屏蔽层引入到机柜中进行等电位连接处理。表面上看，也采取了等电位连接措施，实际上这样的做法埋下了非常大的防雷安全隐患，是将线路屏蔽层上的感应过电压高电位直接引入了机柜，由于机柜直接通过机房内等电位连接端子接地，而接地端子的电位与大地相等，这样就在设备上引入了高的电位差，这是导致设备损坏的根本原因，这种情况如图6所示。因此，等电位连接的完备性检测的第一方面必须满足，这样能够将来自外部线路屏蔽层上的感应过电压抑制在LPZ0区与LPZ1区界面处，不会引入高电位差而损坏设备。
图6不正确的等电位引入高电位差
2.3 屏蔽材料选择
屏蔽材料的电导率、磁导率决定着屏蔽体的屏蔽性能，根据电磁场理论可知，在高频电磁场中，电阻小的屏蔽材料能够产生大的涡流电流，从而产生的反磁场强度也越大，起的屏蔽效果也会越好；而在低频电场中，电阻小的屏蔽材料对电场的反射能力比电导率弱的材料强，所以对于高频电磁场和低频电场的屏蔽材料应选用电导率高的良导体。
在良导电性的介质中，电磁波透入深度可用式（1）计算：②
==（1）
铜的磁导率 = 0r =4€?0-7H/m，
电导率 = 0r = 5.8€?07€?.97 = 5.63 €?07S/m；
钢的磁导率 = 0r =4€?0-4H/m (r取1000），
电导率= 0r = 5.8€?07€?.13= 7.54 €?06S/m（r 取0.13）。③
在频率f相等的情况下，其电磁透入深度之比如式（2）。
=== 11.57 （2）
利用式（1）可以计算出不同频率下，铜与钢的透入深度如图6所示。
从上述可知，对于相同的电磁场环境，铜的透入深度为钢的11.57倍，也就是说钢对阻挡电磁场的穿透性能好于铜；另外，随着频率的增大，电磁场在铜和钢材料中的透入深度呈非线性减少。在低频部分（特别是在低于25kHz以下部分），电磁场在钢和铜中的穿透能力随频率的增大而快速下降，在频率大于500kHz后，钢和铜的透入深度已经达到微米级，而且相互越来越接近，已远小于屏蔽材料的厚度了，选择任何一种都可以。又因为雷电能量90%以上集中在25kHz以下，因此对于电磁场的屏蔽，选择钢材要好于铜材。
图6不同频率下电磁场在铜和钢中的穿透深度
2.4 屏蔽层接地处理
当传输线路处于交变电磁场中时，会在传输线路的芯线或屏蔽层上感应出过电压，损坏信息设备接口。对传输线路采取屏蔽措施，是降低感应过电压损坏的有效方法。在采取屏蔽措施时，应做好屏蔽管线的接地，使屏蔽层两端有效接地，并与均压等电位带连接。屏蔽层单端做等电位连接和接地时，只能起到电场屏蔽作用，无磁屏蔽作用，芯线上仍能感应出过电压而损坏设备。为减少屏蔽芯线的感应电压，在屏蔽层单端端做等电位连接的情况下，应采用绝缘隔开的双层屏蔽，外层屏蔽应在两端作等电位连接。在这种情况下外屏蔽层与其它同样做了等电位连接的导体构成环路，感应出电流，因此产生减低源磁场强度的磁通，从而抵消了无外屏蔽层时所感应的电压。
2.5 重视UPS电源系统的防雷
为了保障信息系统机房的可靠供电，绝大部分机房都配备了UPS电源系统，UPS主要分为两大类三种形式：一类是后备式，另一类是在线式，还有一种介于 两者之间的在线互动式。后备式：电路简单、成本低、可靠性高，容量在2kVA以下，适用于用电量不大的设备供电，在市电正常供电时，由市电直接向负载提供电源，当市电供电中断，蓄电池才对逆变器供电，并由UPS的逆变器对负载提供交流电源。在线互动式：大部分时间由市电供电，质量差，市电掉电时交流旁路开关存在断开时间，存在电能中断时间。在线式：结构复杂、成本高、可靠性高，易于维护，实现对负载的稳压、稳频供电，输出电压质量高。平时是由交流电→整流→逆变器方式对负载提供交流电源，一旦市电中断时，UPS改由蓄电池→逆变器方式对负载提供电源。只有当蓄电池放电至终了电压时，由控制电路发出信号去控制自动切换开关，转换成由另一路交流旁路的市电供电。市电恢复供电后，UPS又重新切换到由逆变器对负载提供电源。因此，在线式UPS电源，在正常情况下，总是由UPS电源的逆变器对负载供电，这就避免了所有由市电电网带来的任何电源波动及干扰对负载供电所产生的影响，因此它的供电质量明显优于后备式UPS电源，近些年来得到广泛应用。
虽然UPS电源系统能够提供优质可靠的电源，但其本身容易遭受雷电的影响，需要加强对雷电的防护。对于后备式UPS，当受雷击影响市电跌落时，转由UPS电池组供电，输出的电源稳定，不会损害设备。在线式UPS则不同，当受雷击影响时，UPS切换至旁路（该旁路主要用于UPS的维护，通常由技术人员操作）由市电供电，通常相线处于热备状态，能够顺利切换，而中性线处于冷备状态，切换过程中容易失败，从而使加在设备上的电压由220V变为380V（可能会发生零点漂移，不是380V），即产生常态过电压，随时间的延长，会导致设备电源变压器（或稳压器）等发热损坏。因此，为了应尽可能减少UPS的自动切换，需要加强UPS电源系统的防雷保护，采用全保护模式，既要考虑共模过电压的情况，也要考虑差模过电压的情况。当UPS前端有架空线路时，为避免差模过电压对UPS的影响，尤其要考虑差模过电压的影响。
3 结论
本文所提及的检测方法在广州市防雷设施检测所的实践中有着重要的指导意义。多年来，应用该方法进行检测，对广州地区的信息机房的检测中，对信息机房雷电防护措施及缺的单位给出了不少中肯的意见，在很大程度上减少了被检测单位的经济损失。
注释
①张文娟等.雷电灾害信息管理系统.见:第八届中国国际防雷论坛组委会,编.第八届中国国际防雷论坛论文摘编.长沙:2010:267.
②黄礼镇.电磁场原理[M].北京:人民教育出版社,1980.
③杨继深,荀京京.电磁干扰的抑制方法[J].安全与电磁兼容,1998(3):22-25.