莱阳某中学微机室的一次雷击事故分析及补救措施
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摘要: 随着计算机技术的快速发展，许多中小学校都建立了计算机室，但由于计算机元器件的集成度愈来愈高，信息存储量愈来愈大，而其本身工作电压仅有几伏，信息电流仅有微安级，因此对外界干扰极其敏感，对雷电等电磁脉冲和过电压的耐受能力很低。所以学校先进的教学设备在雷雨季节能否安全稳定的运行，是摆在我们面前的一个新课题，针对莱阳市某中学微机室的一次雷击事故，本文总结了主要雷击风险源和雷击事故造成的原因，通过对该校进行现场勘察分析，制定和完善了该学校微机室的防雷设计方案。
关 键 词：电子信息系统；雷电感应；防护措施；设计方案
中图分类号：G47文献标识码：A文章编号：
前言
我国是雷暴十分频繁的国家，而雷电产生的灾害，特别是雷电电磁脉冲对微电子设备的破坏，现已影响越来越大。它成灾率高，损失大，往往悄然发生，这是近年来雷电灾害最显著的特征，也是防雷科学技术需要解决的重要课题之一。
近几年我国在雷电防护研究、防雷产品研制、防雷人才培养等方面取得巨大进步，尽管如此，学校机房遭到雷击依然频繁发生，这是由于随着计算机快速的发展，计算机教育在学校中基本普及，而现在学校对雷击防护措施不力或存在认识上的偏差和电子设备抗电磁脉冲干扰的能力还十分脆弱，很容易因雷击而损坏。建筑物由避雷针保护，在避雷针保护范围内的计算机室理应不能遭受雷击，但计算机信息系统设备却常受到雷电高压以及雷电电磁脉冲侵入对系统和设备造成干扰和永久性损坏，影响学校的正常教学。本文以2009年8月莱阳市某中学微机室遭到雷电感应入侵，造成网络系统瘫痪、计算机损坏，致使学校不能正常教学的一次雷击事故为例，指出了学校微机室的防雷是一个系统的工程，应依据电子设备的特点，按照现代防雷技术的要求，即：直击雷的防护、等电位连接、规范的综合布线、安装浪涌保护器、完善合理的接地系统等组成的综合防护体系，做好各项技术措施，才能最大限度地降低雷电给学校微机室造成的危害，保证机房的安全，保证正常的教学秩序。
1.现场勘察与分析
1.1现场勘察：学校教学楼防直击雷装置年久失修，避雷带和引下线多处断裂、锈蚀，实地测量接地电阻偏大（实测值40Ω），造成微机室内5台计算机主机网卡毁坏，交换机COM1端口损坏，虽然学校配电室电源系统避雷装置安装齐全，能有效拦截配电线路上的部分雷电流，保护后端设备用电安全。但教学楼配电及微机室内网络系统及设备均无防感应雷和直击雷装置，无法有效拦截雷电流，致使雷电流沿相应线路传到室内，造成设备损坏。
1.2分析：莱阳地处山东半岛东部，境内以山地、丘陵、平原三大类型为地貌特征，位于东经120°31’-120°59’ 之间，北纬36°34’-37°09’ 之间，夏季雷雨天气较多，年平均雷暴日数达23.1天，年最多雷暴日高达38天，属于雷电灾害高发区。学校微机室内用电设备较多，据统计微机室内80％以上的雷击事故是由感应雷击造成的，当有雷击时，雷电波会经线路侵入各系统，对微电子设备造成损害。它的主要侵入通道是通过电源线路、各类信号传输线路、天馈路线和进入系统的管、缆、桥架等导体侵入设备系统，造成电子设备失灵或永久性损坏。所以学校由于微机室内电子设备较多而成为雷击概率较大的地方。通过对现场的勘察，该微机室处于教学楼二楼中间位置，教学楼防直击雷装置不完善，没有安装浪涌保护装置，没有做等电位连接等。总之，防雷设施的严重不完善是造成此次雷击事故的主要原因。
2.雷电浪涌的主要特性
2.1当有直击雷发生时，雷云向大地放电多为负闪击，其电流峰值以20～50kA居多。正闪击比负闪击猛烈，其电流峰值往往在100kA以上。如图1所示：
图1雷电浪涌波形图
由于直击雷的发生，会引起附近金属导线产生感应雷电浪涌，形成局部感应高电压，在高压架空线路可达400kV，一般低压架空线路可达100kV，电信线路可达40kV。通常一次雷击的发生可能出现三种雷击：短时首次雷击、后续雷击、长时间雷击。
2.2雷电浪涌过电压（电流）对微机室设备造成损坏可分为以下几种情况：
2.2.1感应雷的高电压、大电流通过通讯和数据线路传入设备；
2.2.2雷电通过供电系统侵入设备，间电压和间电流发生骤变；
2.2.3雷电对建筑物附近放电，导致建筑物内部网络线路由于电磁感应产生瞬间过电压；
2.2.4由于静电感应，瞬间产生大量电荷。当大量电荷来不及释放，高电位传入网络和设备；
2.2.5接地措施处理不当，引起高电位反击。
通过以上分析可知，对学校微机室的防雷应根据环境因素，雷电活动规律，设备所在雷电防护区和系统对雷电电磁脉冲的抗扰度，雷击事故的受损程度以及设备的重要性，采取相应的防护措施。
3微机室防雷要求
由于雷击的时间、地点及强度的随机性，要避免雷击事故的发生是不可能的，只能坚持以预防为主。对雷电可能侵入的通道和途径，提前采取相应的措施，将被保护的设备遭受雷击的风险降到最低限度。学校微机室外部和内部防雷措施都要符合要求，外部是教学楼要有良好的接地和屏蔽（屏蔽指建筑物钢筋混凝土结构金属框架组成的屏蔽、屋顶金属表面、金属门窗框架等），这些措施是雷击产生的电磁场向内递减的第一道防线。内部是设备各种线路端口分别安装与之适配的浪涌保护器（Surge Protective Device简称SPD），设备做好等电位连接，各种线路布局合理，这样才能构成综合的防雷系统。
4防雷设计
4.1《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010第3.0.1条规定“应根据建筑物的重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，按防雷要求分为三类”，其附录A给出的建筑物年预计雷击次数的计算公式如下：
N=kNgAe
N：建筑物年预计雷击次数（次/a）
k：校正系数，依据《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010附录A的规定“位于河边、湖边、山坡下、山谷风口等处的建筑物，以及特别潮湿的建筑物取1.5”，本建筑位于山坡下，故校正系数取1.5。
Ae：与建筑物截收相同雷击次数的等效面积（Km2），对于本建筑，经计算，
Ae=[LW＋2(L＋W)·＋πH(200-H)]·10-6
式中：L= 75米、W= 15米、H= 14米分别为教学楼的长、宽、高。
计算得：Ae=0.0185 km2
Ng：建筑物所处地区雷击大地的年平均密度（次/km2/a）
雷击大地的年平均密度，首先应按当地气象台、站资料确定；若无此资料，可按下式计算：Ng=0.1Td；Td：年平均雷暴日，根据莱阳市气象局提供的资料确定为23.1d/a。经计算，Ng=2.31次/km2/a。所以N1=kNgAe=1.5×2.31×0.0185=0.0641（次/年），计算结果为：N=0.0641次/a。依据《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）规定“预计雷击次数大于或等于0.05次/a，且小于或等于0.25次/a的住宅、办公楼等一般性民用建筑物或一般性工业建筑物”应划为第三类防雷建筑物，本建筑N1=0.0641次/a＞0.05次/a，故应划为第三类防雷建筑物。