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机房防雷接地及安全供电
2014-1-15 12:24:15


 

机房防雷接地及安全供电

摘要:雷电和浪涌电压是电子化时代的一大公害。

 一、概述
  
  随着通信技术、计算机技术、信息技术的飞速发展,如今已是电子化时代,日益繁忙庞杂的事物通过计算机、自动化设备及通信的发展变得井然有序,而这些敏感电子设备的工作电压却在不断降低,这些高精度的微电子计算设备内置大量的CMOS半导体集成模块,导致过压、过流保护能力极其脆弱。(美国通用研究公司提供磁场脉冲超过0.07高斯,就可引起计算失效;磁场脉冲超过2.4高斯就可以引起集成电路永久性损坏。)且电子设备的数量和规模不断扩大,因而它们受到过电压特别是雷电袭击而受到损坏的可能性就大大增加,这是由于以雷击中心1.5km-2.0km范围内都可能产生危险过电压,损坏线路上的设备;其后果可能使整个系统的运行断,并造成难以估计的经济损失,雷电和浪涌电压成了电子化时代的一大公害。

  防雷器(SPD)是在最短时间(纳秒级)内将被保护线路连入等电位系统中,使设备各端口电位相等,同时释放系统中因雷击而产生的大量脉冲能量,并短路泄放到大地,降低设备各接口端的电位差,从而保护线路上用户的设备。对系统设备而言,电源线路和信号线路是雷电袭击产生过电压并传导的两条主要通道,因此防雷可分建筑物防)、电源系统防雷和信号系统防雷。
  
  雷电入侵渠道分析
  雷电过电压对机房系统电子设备的损害主要有以下三个途径进入:一、直击雷经过接闪器(如避雷针(带))而直放入地,导致地网地电位上升,高电压由设备接地线引入电子设备造成地电位反击。二、雷电流沿引下线入地时,在引下线周围产生磁场,引下线周围的各种金属管(线)上经感应而产生过电压。三、进出大楼的电源线和通信线等在大楼外受直击雷或感应雷而加载的雷电压及过电流沿线窜入,入侵电子设备。雷电对电气设备的影响,主要由以下四个方面造成:
  1、 直击雷
  直击雷蕴含极大的能量,电压峰值可达5000KV,具有极大的破坏力。如建筑物直接被雷电击中,巨大的雷电流沿引下线入地,会造成以下三种影响:
  a:巨大的雷电流在数微秒时间内流下地,使地电位迅速抬高,造成反击事故,危害人身和设备安全。
  b:雷电流产生强大的电磁波,在电源线和信号线上感应极高的脉冲电压。
  c:雷电流流经电气设备产生极高的热量,造成火灾或爆炸事故。

   2、传导雷
  远处的雷电击中线路或因电磁感应产生的极高电压,由室外电源线路和通信线路传至建筑物内,损坏电气设备。
  3、感应雷
  云层之间的频繁放电产生强大的电磁波,在电源线和信号线上感应极高的脉冲电压,峰值可达50KV。
  4、开关过电压
  供电系统中的电感性和电容性负载开启或断开、地极短路、电源线路短路等,都能在电源线路上产生高压脉冲,其脉冲电压可达到线电压的3.5倍,从而损坏设备。破坏效果与雷击类似。由此产生的雷电过电压对电子设备的破坏主要有以下几个方面:
  (1)损坏元器件
  a:过高的过电压击穿半导体结,造成永久性损坏;
  b:较低而更为频繁的过电压虽在元器件的耐压范围之内,亦使器件的工作寿命大大缩短;
  c:电能转化为热能,毁坏触点、导线及印刷电路板,甚至造成火灾;
  (2)设备误动作及破坏数据文件
  因此,应根据实际情况具体分析,采取相应的防雷保护措施,确保通信系统的安全工作。
  我们对以上三种途径对整个入侵的雷电压及过电流进行防护。
  因此,应根据实际情况具体分析,采取相应的防雷保护措施,确保计算机机房系统的安全工作。
  根据雷电电磁脉冲防护理论和实践经验证明,电子信息设备损坏的主要原因是雷电感应浪涌电压造成的。它可以通过各种引线把感应浪涌电压波引入电子信息设备内部,破坏其芯片和接口。
  从以上雷电入侵渠道的分析中可以得出:在整个计算机机房系统防雷工程中,必须在电源系统、数据信号系统进行可靠、有效的防护工作,并具有可靠的接地装置。
  本方案所采取的措施正是基于以上分析,从各种可能引入雷电流和感应浪涌及各种过电压的电源和数据信号线路入手,选用优质的电源及数据信号防雷器件,对机房内设备及其它重要终端进行保护。
  
  雷电保护分区
  根据IEC(国际电工委员会)雷电保护区的划分要求,建筑物大楼外部是直接雷的区域,在这个区域内的设备最容易遭受损害,危险性最高,是暴露区,为0区;建筑物内部及计算机房所处的位置为非暴露区,可将其分为1区、2区,越往内部,危险程度越低,雷电过电压对内部电子设备的损害主要是沿线路引入(如图1)。保护区的界面通过外部的防雷系统、建筑物的钢筋混凝土及金属外壳等构成的屏蔽层而形成。电气通道以及金属管则通过这些界面,穿过各级雷电保护区的金属构件必须在每一穿过点做等电位连接。
  进入建筑物大楼的电源线和通讯线应在LPZ0与LPZ1、LPZ1与LPZ2区交界处,以及终端设备的前端根据IEC1312——雷电电磁脉冲防护标准,安装上OBO之不同类别的电源类SPD,以及通讯网络类SPD(如图2)。(SPD瞬态过电压保护器),SPD是用以防护电子设备遭受雷电闪击及其它干扰造成的传导电涌过电压的有效手段。

   选用和使用SPD注意事项:
  应在不同使用范围内选用不同性能的SPD。在选用电源SPD时要考虑供电系统的形式、额定电压等因素。LPZ0与LPZ1区交界处的SPD必须是经过10/350us波形冲击试验达标的产品。对于信号SPD在选型时应考虑SPD与电子设备的相容性。
  SPD保护必须是多级的,例如对大楼电子设备电源部分雷电保护而言,至少应采取泄流型SPD与限压型SPD前后两级进行保护。为各级SPD之间做到有效配合,当两级SPD之间电源线或通讯线距离未达规定要求时,应在两级SPD之间采用适当退耦措施。
  信号SPD应满足信号传输速率、工作电平、网络类型的需要,同时接口应与被保护设备兼容。信号SPD由于串接在线路中,在选用时应选用插入损耗较小的SPD。在选用SPD时,应让供应商提供相关SPD技术参数资料。正确的安装才能达到预期的效果。SPD的安装应严格依据厂方提供的安装要求进行安装。
  
  等电位连接的要求
  实行等电位连接的主体应为:设备所在建筑物的主要金属构件和进入建筑物的金属管道;供电线路含外露可导电部分;防雷装置;由电子设备构成的信息系统。
  实行等电位连接的连接体为金属连接导体和无法直接连接时而做瞬态等电位连接的电涌保护器(SPD)。
  通过星型(S型结构或网形M型)结构把设备直接地以最短的距离连到邻近的等电位连接带上。小型机房选S型,在大型机房选M型结构。机房内的电力电缆(线)、通信电缆(线)宜尽量采用屏蔽电缆。架空电力线由终端杆引下后应更换为屏蔽电缆,进入大楼前应水平直埋50m以上,埋地深度应大于0.6m,屏蔽层两端接地,非屏蔽电缆应穿镀锌铁管并水平直埋50m以上,铁管两端接地。

二、设计依据
  
  依据国际电工委员会IEC标准、德国VDE标准和中国GB标准与部委颁发的设计规范的要求,计算机机房系统设备等都必须有完整完善之防护措施,保证该系统能正常运作。这包括机房电源供电系统、监控系统等装置应有防护装置保护。
  
  2.1 GB50057-94〈建筑物防雷设计规范〉
  
  2.2 GB50174-93〈计算机房防雷设计规范〉
  
  2.3 GB2887-89〈计算站场地技术文件〉
  
  2.4 GB9361-88〈计算站场地安全要求〉
  
  2.5 JGJ/T16-92〈民用建筑电气执行规范〉
  
  2.6 GA173-1998〈计算机信息系统防雷保安器〉
  
  2.7 IEC1312〈雷电电磁脉冲的防护〉
  
  2.8 IEC61643〈SPD电源防雷器〉
  
  2.9 IEC61644〈SPD通讯网络防雷器〉
  
  2.10 VDE0675〈过电压保护器〉
  
  2.11 GB50343-2004〈建筑物电子信息系统防雷技术规范〉

三设计方案
  
  根据“分析概述”及“设计依据”对防雷系统的要求,结合计算机机房系统具体实际情况设计本方案,由于雷电侵害,通信系统、计算机系统等时常遭受打击,轻者接口损坏,通信中断或数据误、错码,重者使系统瘫痪,严重影响工作的顺利进行。因此,雷电已成为电子信息时代的一大公害,雷电防护已成为电子设备急需解决的问题。
  雷击附近的建筑物、避雷针(塔)或雷击远处的电源通信线路,都会在设备或接口处产生极高的感应电压,对设备造成威胁,据统计,感应雷、传导雷对电子设备的损坏已占雷击损坏的80%以上。现代防雷强调在作好直击雷防护的前提下,更应采取均压等电位连接,屏蔽,联合接地,箝位保护等新技术,分区分级做好精密仪器、计算机网络系统等敏感电子设备的雷电电磁脉冲的防护。
  
  (一)直击雷防护:
  直击雷防护系统包括接闪器(避雷针、避雷带)、引下线、地网三个部分。直击雷防护系统起到了保护建筑物结构、提供雷击放电的通道的作用。当建筑物遭到直接雷击时,接闪器接闪雷电,雷电流沿引下线到地网,流到大地。在设计时要求接闪器最先可靠接闪,接地网的接地电阻较低。
  (二)电源防雷:
  目前,经实际运行经验验证,由电源系统耦合进入的感应雷击造成设备的损坏占雷击灾害损失60%以上的概率。因此,对电源系统的避雷保护措施是整个防雷工程中必不可少的一个环节。要防止由外输电线路的感应雷电波和雷电电磁脉冲的侵入,使其在进入大楼电源系统之前将其泄放入地。
  由于单级防雷可能会带来因雷电流过大而导致的泄流后残压过大或者保护能力不足引起的设备损坏。因此采用电源系统多级保护。
  
  1、机房电源系统的防雷
  根据机房大小及设备保护的重要程度,采用一级、二级或三级防雷,设备末端需要有防浪涌插座。在大楼低压配电屏已设置一级电源防雷装置的基础上,至少在机房配电柜上口再加设二级电源防雷装置。防雷器装置在接地、连接等方面均须满足国家标准。在设备终端处采用带突波吸收功能的电源插座为设备提供电源,对设备进行防浪涌保护。
  电源第一级防雷保护:
  在总配电柜内,三相B级电源防雷器,进行电源第一级防雷保护,主要作用是泄放掉电源线路上大部分的雷电流。并联安装于主断路器的出线侧,并在防雷器回路中串接32A/3P空开,做为防雷器自身脱扣装置失效下的保护。
  电源第二级防雷保护:
  在机房内UPS电源前端,安装单相C级电源防雷器,做为电源系统的第二级防雷保护,主要作用是限制电源线路上的过电压。并联安装于主断路器的出线侧,并在防雷器回路中串接20A/1P空开,做为防雷器自身脱扣装置失效下的保护。
  电源第三级防雷保护:
  在监控机房内重要设备电源处,安装单相D级电源防雷插座,做为电源系统的第三级防雷保护。其作用是当发生能量大的雷击时,感应雷电流在经过B级、C级防雷器的泄放后,其残压仍然可能高于设备的最高耐压值,重要设备的端口及内部的高精度集成电路比较脆弱,仍有可能被烧坏。因此,D类防雷器的安装就显得特别必要了。TPSD10JF7防雷插座能将过电压的水平限制在设备所能承受的水平内。这样,经过D类防雷器的泄放,设备的安全运行就更为可靠了。

   配电柜采用的空气开关应选择进口或合资产品。配电柜内的二级电源避雷器,选用进口可靠性高的产品,容量≥60kA(8/20s)的型号。
  2.机房信号系统的防雷
  根据配置要求,机房内在安装电源防雷器的同时必须加装信号避雷器,以便保护与通信网络、数据网络和计算机网络相连的重要设备。

  (1)所有建筑物进出线路(含天馈线路)均应加信号防雷器。
  (2)网络布线系统:机房总迸线部分加装信号防雷器,在部分特别重要的服务器或设备前加装避雷器,对此类特别重要设备进行保护。
  (3)设备监控系统:所有模块加装信号防雷器。图3-17是电视监控系统浪涌电压保护原理图。
  (4)门禁系统:在门禁管理主机前加装信号防雷器。
  所有信号避雷器应具备以下功能:
  (1)保护l000/l00/l0BASE-T以太网接口卡和LAN设备接人线。
  (2)保护数据终端及个人电脑串口。
  (3)在持续性故障时具有失效保护短路功能。
  (4)在长时司持续性过压、异常强烈的雷电冲击情况下,要安全断开。
  
  4、等电位连接:
  分别在32号院和33号院的监控机房的防静电活动地板下,采用30×3紫铜排做等电位连接网格。机房内各设备机壳、金属管道、金属门窗、地板支架等都采用6mm2接地线以最短的距离和与等电位网格连接。使监控机房内所有设备处于等电位状态。

四、机房接地系统
  随着计算机技术及网络技术的迅猛发展,在各类计算机机房、数据中心、网络申心拥有数台、数十台乃至数百台计算机或服务器的情况越来越普遍。如何更高效、更安全地管理这些服务器或计算机,成为机房管理人员及操作维护人员必须面对的课题,如机房的环境条件、电气技术、机房装饰及防雷接地等存在的机房安全问题。这里首先介绍机房的电气接地、防雷系统安全。
  机房电气接地系统有四种:
  (1)交流工作接地,接地电阻不应大于4Ω。
  (2)安全工作接地,接地电阻不应大于4Ω。
  (3)直流工作接地,接地电阻应按计算机系统具体要求确定。
  (4)防雷接地,应按现行国家标准GB50057一1994(2000版)《建筑物防雷设计规范》执行。
  目前,可行而又经济的接地方法是将交流接地和安全工作接地合二为一,与直流接地、防雷接地分别用三根接地引线引至大楼的地面总等电位连接箱,再将它们引至避雷地桩形成综合接地网,这样他们就有同样的电位,在发生雷击时,不会发生雷电反击而损坏设备。只要接地电阻小于1Ω,就可保证接地线间不产生电位差、不相互干扰,也是工程上最常见的做法。为了保证接地电阻小于lΩ,将采用优质的接地体和副下线,根据实际情况综合运用深埋、添加降阻剂、增大接地线横截面面积、增加接地体数量等方法来降低接地电阻,以达到国家标准的要求。若防雷接地一定要单独设置接地装置时,其余三种接地宜共用一组接地装置,其接地电阻不应大于其中最小值,并应按现行国家标准《建筑物防雷设计规范》的要求采取防止反击措施。但是,交流与安全工作接地、防雷接地、直流接地分开的方式存在一个问题,即在发生雷电反击时,容易损坏设备。必须使防雷接地与其他两种接地间有一定的距离,方可避免雷电反击的破坏。由于直流接地与其他接地是分开的,来自其他接地线的干扰也可消除。但重新打接地地桩,费用比较高,而且一般建筑物受周围环境的限制,另外找地桩有一定的困难。
  在TN一S系统中,交流工作地和安全保护地分别取自电源供电线上的N线和PE线。联合接地的电阻一般都要求满足R<lΩ的规定。据有关调查材料报道:北京、上海、重庆、深圳和海南等地的一些高层建筑项目的联合接地电阻大都为0.2~0.5Ω,某些高层建筑个别测试点接地电阻值最大不过0.8Ω。联合接地电阻不应大于lΩ的要求,是设计规范要求的一个最低限值,在具体工程中应越小越好。如达不到要求,应增加接地体数量或采取人工降阻措施来满足实测要求。
  由变电所引至机房的主馈线电缆有两种接法:
  (1)当变电所与机房处于同一建筑内时,由变电所低压柜引出的馈线,迸机房UPS电源管理间的电缆采用三相五线(3L+N+PE)绝缘防火电缆。
  (2)当变电所与机房处于不同的建筑内时,由变电所低压柜引出的馈线,进机房ups电源管理间的电缆可采用三相四线(3L+N)绝缘防火电缆,在人户处做重复接地,并在此后变为三相五芯,引出的PE线联至各级设备。
  对直流工作接地有特殊要求且需单独设置接地装置的电子计算机系统,其接地电阻值及与其他接地装置的接地体之间的距离应按计算机系统及有关规定的要求确定。
  当多个电子计算机系统共用一组接地装置时,应将各电子计算机系统分别采用接地线与接地体连接。电源电缆PE线在电源管理间的互投切换箱内,需作辅助等电位接地端子排。一定要做直流工作接地的程控交换机房和计算机网络设备机房,在总体规划时应邻设于计算机机房。
  电源交流工作接地和安全保护接地取自计算机机房电源管理间,单独从变电所总等电位接地
  母排上,用截面积不小于16mm2的绝缘防火电缆引至有直流接地的机房,在设有专用金属接线箱内做直流接地端子排,供直流接地设备端接使用。变电所总等电位接地母排应设避雷器、放电间隙或浪涌电压抑止器等保护装置,以防雷击时接地装置电位升高、通过接地线反击电气设备、引起直流地电位较大波动而导致电子设备工作失常。
  凡外露的正常状态下不带电的电子计算机系统设备金属壳体,必须与保护接地装置可靠连接。接地装置焊接应当牢固,需涂复部分涂层要完整。交流电源线路不要与直流工作地线紧贴平行敷设。
  此外,机房内防静电活动地板距地面高度应按机房敷设电缆量的多少和下送风量的大小而定,至少要大于0.3m。沿机房四边墙线用20mm×4mm扁钢(要求高的机房采用30mm×3mm铜带)敷设,并将活动地板金属支撑管脚做多点重复接地焊接,在近电源管理间一侧用6mm2以上的铜芯绝缘线穿钢管或PVC管,接入电源管理间内的辅助等电位接地母排,连同沿墙敷设的扁钢带共同构成安全可靠的等电位平面。这样,机房地板下面形成了屏蔽,保护各种信号线路免受电磁干扰。
  工程的设计阶段,在有时不知道信息系统的规模和具体位置的情况下,若预计将会有信息系统,应在设计时就将建筑物的金属支撑物、金属框架或钢筋混凝土的钢筋等自然构件、金属管道、配电的保护接地等与防雷装置组成一个共用接地系统,并应在一些合适的地方预埋等电位联结板。

五、机房静电防护系统
  静电对电子计算机的主要危害是由于静电噪声对电子线路的干扰,引起电位的瞬时改变,甚至击穿元器件,导致存储器中的信息丢失或误码。静电的产生因素很多,其中与机房的湿度有关。相对湿度越低,即越干燥,静电电压越高,影响电子计算机设备的正常工作越明显。据有关实验数据表明,当计算机机房的相对湿度为30%时,静电电压为5000V;当相对湿度为20%时,静电电压就到了10000V;相对湿度降到5%时,则静电电压可高达20000V。
  静电不仅会便计算机设备的运转出故障,而且还会影响操作人员的身心健康,给操作人员带来心理上的极大不安,降低工作效率。
  人在机房内的活动是在地面上进行的,铺设防静电地面是机房建设的重要环节。常用的技术措施有以下凡条:
  (1)基本工作间不用活动地板时,可铺设导静电地面,导静电地面可采用导电胶与建筑地面粘牢,导静电地面的体积电阻率均应为1.0×107~l.0×1010Ωcm,其导电性能应长期稳定。
  (2)主机房内采用的活动地板可由钢、铝或其他阻燃性材料制成。活动地板表面应是导静电的。单元活动地板的系统电阻应符合现行国家标准《计算机机房用活动地板技术条件》的规定。
  (3)主机房内的工作台面及坐椅垫套材料应是导静电的,其体积电阻率与导静电地板相同。
  (4)主机房内的导体必须与大地作可靠的连接,不得有对地绝缘的孤立导体。
  (5)导静电地面、活动地板、工作台面和坐椅垫套必须进行静电接地。
  (6)静电接地的连接线应有足够的机械强度和化学稳定性。导静电地面和台面采用导电胶与接地导体黏接时,其接触面积不宜小于l0cm2。
  (7)静电接地可以经限流电阻及自己的连接线与接地装置相连。




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