国家图书馆的雷击隐患及防护对策
潘其华
（国家图书馆，北京 100081）
引言
国家图书馆 （简称 国 图），对外称 中 国 国 家 图 书 馆 （National Labrary of China） 始 建 于1909年，具有近百年的历史。到2001年 底，馆藏文献资料达 2311万册（件），在亚洲图书馆中属首位。1987年图书馆新馆在北京市海淀区紫竹院公园北侧落成，建筑面积为14.2万平方米，书库大楼高米。至此，包括1931年落成的文津街分馆在内，建筑面积达17万平方米。
1988年国图引进了大型计算机，1999年建成了千兆局域网，通过互联网传递各类书目数据。国图在同志“在全社会大兴勤奋学习之风”的号召下，以全国书目中心、信息网络中心和发展研究中心等形式，为国家领导机关、重点教育、科研、文化单位与企业，以及社会公众提供多方位更全面的服务。目前，国图日均接待到馆读者一万人次以上，国图网站提供24小时“全天候”服务，平均每日点击次数为万次。
在国际电工委员会（IEC）的技术文件“IEC62305—2，Ed.1: Protection Against Lighting Part2: Risk mangement(2003—06—20)”中对雷击风险评估的顺序是：人身安全、文物安全、公众服务系统的安全及财产安全。对国图而言无论是雷击造成的火灾，还是雷击造成的绝缘击穿或是雷击引起的电磁脉冲均可造成人身伤亡、文物损坏或是千兆网24小时“全天候”服务的中断。因此对国图的雷击隐患及防护对策做如下分析。 1 雷击隐患 1．1人身安全
在IEC标准中人的安全是危险度评估的第一因素，充分体现出以人为本。具体对国图而言，在建筑物内的读者或工作人员一般不会遭受直接雷击。在建筑物外部因高大建筑物拦截作用，除游人在树下避雨外一般也不易遭受雷击。由于国图建筑物的基础地网为接地装置，发生跨步电压危害的可能性也很少。因此就人身安全而言，重点需防范雷击火灾。
到目前为止，我国电气火灾每年发生的次数约为全部火灾总数的30%，而发达国家中这一数值约为百分之几。除因电气产品质量低劣和使用管理不善等因素外，相当多的事故是因电气装置的设计，安装和检验不当造成的。如接地故障的起火是由于电气线路的老化而导致绝缘水平下降时，如线路上遭受雷击产生瞬态过电压，绝缘被击穿而引起金属性短路起火或电弧性短路起火。特别是在短路防护电器失效拒动时（这种情况在低压配电线路为TN—C型式下非常容易发生），短路状态将持续，在芯线温度超过355℃时，PVC绝缘分解出的氯化氢因剧烈氧化而燃烧，全线将自然而然形成一条“火龙”。当火灾发生时，火灾自动报警系统也可能在雷击发生的同时因过电压失效，一旦发生这种情况，对上万名专心致志的读者则是致命的威胁！
对于计算机设备的操作人员和使用者而言，雷击造成的过电压可能会因绝缘击穿而发生电接触，一旦流过人身的电流超过30mA，则可能引起心室纤维性颤动,使人休克乃至电击致死。
1. 2文物安全
国图书库内收藏的2311万册（件）中外古籍中含有《永乐大典》、《赵城金藏》、《四库全书》和《敦煌遗书》四大特藏，它们的载体是纸张，可燃性极强，因此，万一发生雷击火灾会造成无法复原的重大损失。1999年6月17日晨，国图附近有一次雷雨天气，雷电并没有直击在国图建筑物上，但却造成了馆内防火控制室内设备线路板的损坏，虽然维修费用仅仅为3000多元，但从损坏到恢复使用的20多天内，整个防火联动设备都处
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于失控状态。因此，一方面要防止雷击引起的火灾，另一方面还要防止雷击影响火灾报警系统的正常运行。
1． 3公众服务系统的安全
国图千兆网服对象广泛，每天的“全天候”服务可达万次点击。如果一次雷击造成运转停顿到20天后完全修复，可能会影响1300万次的服务。
1971年美国通用研究中心R·D希尔用仿真试验模式证明：由于雷电干扰，对无屏蔽的计算机当受到0.07GS强度的磁场感应时，计算机会误动作；当磁场强度增到2.4GS时，计算机硬件会发生永久性损坏。随着计算机设备的飞速发展，1973年首次在1c㎡的面积上集成了10000个电子元件，之后集成电路日趋大型，此时的误动作指标可能降至0.035GS，损坏指标可能已降至1.2GS以下。按新旧量和单位的换算，0.035GS约为2.79A/m、1.2GS约为95.5A/m，此值与一般计算机耐受磁场强度的指标100A/m相近。在IEC62305—3中指出：“雷电这一现象是一干扰源，其释放出几百兆焦耳能量与灵敏的电子设备的可能仅为毫焦耳级的耐受水平相比，差距悬殊”，因此要采取系统和全面的防护措施，以保障公众服务系统的不间断运行。当然，除千兆网外，还有通讯系统、监控系统、自动化办公系统等信息系统的防护。
2 防护对策 2. 1直击雷防护
国图新馆的书库楼高m，为钢筋水泥结构。基础地网为自然接地体，垂直的钢筋为暗敷引下线，接闪器为明装避雷带，外部防雷装置（直击雷防护装置）完全符合《建筑物防雷设计规范》GB50057的要求。但是在建筑竣工后，楼顶先后安装了电视天线、卫星天线、照明灯具等金属物或非金属物。按GB50057中第3.3.2条规定，突出屋面（高于水平避雷带）的物体“1.金属物体可不装接闪器，但应和屋面防雷装置相连；2.在屋面接闪器保护范围之外的非金属物体应装接闪器，并与屋面防雷装置相连”，因此，屋面需增设避雷针。
2.2 防雷电波引入
由于雷电对架空线路（裸露金属管线）的作用，雷电波可能沿低压配电线路、金属电话线、信号线、天馈线侵入室内，危及人身安全或损坏设备。对国图而言，一是从变电室输出的配电线，二是楼顶的照明电线和天馈线均有可能将雷电波引入。为此从变电室引出的配电线应采用屏蔽电缆或穿金属管埋地引入室内，入室时应与建筑物内总等电位联结带实行电气连接。楼顶的电源线、卫星天馈线也应按此原则处理，屏蔽电缆的金属外护层或屏蔽金属管可就近与等电位联结带或楼顶的避雷带相连。 2.3 低压配电接地系统的改造
目前国图计算机房的低压配电系统为TN—C型式，即PE线和N线共用一根金属线，而计算机的工作接地是用一根专门的金属线引至一专用的工作接地的。采用TN—C型式的问题不再赘述，只谈一下分别置地的危险性。当建筑物上落雷时，瞬间内在主钢筋上电位突然抬升，此时基础地网与专用工作地之间会出现很高的电位差，极易发生击穿（地中闪络）。高电压会沿着专用地网的引下线反击到计算机的设备上，造成人身伤亡或损坏设备。因此，GB50057中强制性条文规定，“当电源采用TN系统时，从建筑物内总配电盘（箱）开始引出的配电线路和分支线路必须采用TN—S系统”。TN—C改造为TN—S系统的关键是在总配电盘上做PE和N的分离，可参见图1的7的注释，当PE与N分开后，中性线（N）严禁重复接地。
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图1. TN—C在总配电盘上转为TN—C—S
2.4 等电位连接和综合布线
《图书馆建筑设计规范》JGJ38—99的“条文说明”中指出：“近年来，我国新建图书馆在计算机的应用、自动化、网络化建设上取得了非常大的发展，新建图书馆其自动化发面的投资占整个图书馆投资的比例增长很快。因此，设计上如何考虑此类问题，有现实的经济意义。综合布线系统，是图书馆信息化、网络化、自动化的基础设施。”
从电磁兼容性（EMC）的观点来考虑，要避免或减少电磁干扰（EMI）的有效措施是隔离。如《建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范》GB/T50311中规定了综合布线电缆与电力电缆及与其他管线的间距，同时也提出“综合布线的电缆采用金属槽道或钢管敷设时，槽道或钢管应保持连续的电气连接，并应在两端有良好的接地”。这一接地并非指必须与大地的直接连接，完全可通过建筑物的主钢筋进行接地。对计算机房、通信机房和监控室而言，可通过与建筑物主钢筋相连的网型（M型）或星型（S型）连接网络来实现。可将设备工作地（逻辑地）、保护地（PE）、防静电地、防雷接地通过M型或S型等电位连接网连接到一起，实现电位基本均衡，防止因电位差而产生的电涌电流危害。. 2.5 SPD的应用
SPD的定义是：电涌保护器（浪涌保护器，以前称过电压保护器），一种能瞬态过电压和分走电涌电流的器件。它至少含有一线性元件。可以认为SPD从属于等电位连接的技术范畴，主要应用于无法使用金属导体进行直接等电位连接的场所，如低压配电线路的相线和中性线，带电的信号线、网络线或天馈线等。SPD并联接入这些线路后，在线路上无电涌电流时，SPD是高阻状态，并不影响线路的正常运行；当线路上出现电涌电流时（因雷击或操作过电压）SPD应迅速变成低阻状态，起到瞬态等电位作用，同时电涌电流可通过等电位连接网泄入地中。
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关于SPD选择和使用，目前争议较大。笔者认为，一切应从实际出发，做到：一能有效的起到保护作用，二是要避免浪费。在GB50057中对SPD的要求是：SPD必须能承受预期通过它们的雷电流，并应符合以下两个附加要求，通过电涌的最大钳压，有能力熄灭在雷电流通过后产生的工数续流。SPD的最大持续运行电压Uc应根据供电系统的接地型式来选定。
首先，我们考虑到m高的接闪器可能遭到雷击，大部分雷电流会泄入地中，尚有一部分会同时进入书库大楼的低压配电系统中，此时首先要防直击雷，虽然这种概率不大。按IEC/TC的“建筑物电气装置”的相关标准要求，总配电柜上应安装开关型SPD，其每相对地的预期通过电流值（Iimp）不应低于12.5kA，电压保护水平不应大于2.5kV。这样便满足了GB50057的前两项要求。由于2.5kV的电压保护水平尚偏高，在第一级SPD之后尚需配电安装后续SPD，直到其最大钳压低于被保护设备的耐压水平为止。
对各种电信和信号网络而言，SPD不仅应有与配电系统SPD相同的要求，尚应根据电信，信号系统的具体情况，满足在接口型式，插入损耗、频率、带宽等方面的要求。
小结
雷电灾害是一个古老的自然灾害，在信息化时代又以电和磁的形式造成新的危害。雷击灾害虽是一小概率的事件，但对国图而言又是不得不防范的灾害。现代防雷技术要求一是科学性，一切从实际出发；二是系统性，要在每一环节上采取措施，任何一处的疏忽均可能使整个防护体系功亏一篑。
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