中小型數(shù)據(jù)中心防雷接地問題研究

云南省昆明市西山區(qū)95429部隊(duì) 云南 昆明 650000

雷電放電時(shí)間短能量大，瞬時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁效應(yīng)，它通過不同方式侵入電氣設(shè)備內(nèi)部電路，造成電路誤動(dòng)作導(dǎo)致設(shè)備不能正常運(yùn)行，甚至使電氣設(shè)備整機(jī)或部件損壞，尤其對(duì)數(shù)據(jù)中心密集的電子系統(tǒng)極易產(chǎn)生巨大破壞，這就對(duì)數(shù)據(jù)中心的防雷接地系統(tǒng)提出了極高的要求。

1 防雷接地建設(shè)原則和要求

1.1 數(shù)據(jù)中心建筑防雷設(shè)計(jì)原則和依據(jù) 防雷和接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要依照按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》(GB 50343-2004)以及相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

數(shù)據(jù)中心的防雷設(shè)計(jì)必須按國(guó)家綜合防雷電子信息系統(tǒng)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，堅(jiān)持預(yù)防為主，安全第一的設(shè)計(jì)指導(dǎo)方針。為更好地確保建筑物防雷設(shè)計(jì)的技術(shù)科學(xué)性，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在防雷設(shè)計(jì)前評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境。在進(jìn)行數(shù)據(jù)中心建筑物防雷工程設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者首先應(yīng)認(rèn)真地調(diào)查建筑物所在地點(diǎn)雷電活動(dòng)的規(guī)律，并根據(jù)數(shù)據(jù)中心內(nèi)各分系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，按系統(tǒng)工程的要求，整體規(guī)劃、綜合整改、多重措施保護(hù)，對(duì)數(shù)據(jù)中心內(nèi)外部防雷措施進(jìn)行整體性綜合考慮。

1.2 數(shù)據(jù)中心機(jī)房對(duì)接地系統(tǒng)的要求 數(shù)據(jù)中心機(jī)房的接地布線問題，既是一個(gè)復(fù)雜的理論和技術(shù)問題，也是一個(gè)在實(shí)際施工中要求嚴(yán)格的具體現(xiàn)實(shí)問題。不同的計(jì)算機(jī)制造商在機(jī)房接地問題上都提出了不同的技術(shù)要求，數(shù)據(jù)中心使用管理單位在施工過程中是否真的能夠滿足接地系統(tǒng)的需求，是我們用來衡量一個(gè)數(shù)據(jù)中心機(jī)房建設(shè)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

在數(shù)據(jù)中心機(jī)房的建設(shè)中，必須確保有一個(gè)可靠的接地系統(tǒng)。機(jī)房做好接地系統(tǒng)建設(shè)主要基于兩個(gè)原因：(1)確保人身和設(shè)備安全。如果數(shù)據(jù)中心接地系統(tǒng)做不好，不但可能會(huì)直接引起計(jì)算機(jī)故障、損毀重要部件，嚴(yán)重的還將直接危害操作人員的生命安全。(2)確保電子設(shè)備穩(wěn)定可靠運(yùn)行。所有的電子設(shè)備的電路都基于工作參考點(diǎn)運(yùn)行，也就是要求等電位連接，一個(gè)可靠的接地系統(tǒng)還可解決數(shù)據(jù)中心機(jī)房的防靜電和防干擾屏蔽問題。

因此，在數(shù)據(jù)中心機(jī)房建設(shè)時(shí)，要根據(jù)廠家的技術(shù)要求和機(jī)房環(huán)境的實(shí)際情況建立好接地系統(tǒng)。目前數(shù)據(jù)中心機(jī)房的接地系統(tǒng)一般包括以下幾種：①防雷接地，②保護(hù)接地，③交流工作接地，④直流工作接地(也稱邏輯接地)，⑤防靜電接地，⑥屏蔽接地。

2 雷電防護(hù)措施

避雷針的發(fā)明為人類防護(hù)直擊雷的危害找到了安全屏障，但是，光有避雷針并不能杜絕雷害，數(shù)據(jù)中心的電子設(shè)備仍極易遭受感應(yīng)雷擊毀，預(yù)防感應(yīng)雷主要有以下幾種措施。

(1)等電位連接。從物理學(xué)上講，就是用銅導(dǎo)線把各種金屬物焊接起來以保證等電位，防雷措施中最為重要環(huán)節(jié)就是等電位連接。物體和結(jié)構(gòu)之間的連接也屬于等電位連接，如果結(jié)構(gòu)連接處電性連通不好，由接觸電阻所產(chǎn)生的電位差經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生電火花放電，導(dǎo)致連接部位表層損壞，甚至引發(fā)火災(zāi)。

(2)分流。把室外來的所有電力線和信號(hào)線都通過避雷器再連接至接地線，每一個(gè)需要保護(hù)的電氣設(shè)備的金屬外殼都要安裝避雷器。其作用是通過避雷器把過電壓波分流進(jìn)入大地，相當(dāng)于把所有雷電流的入侵通道進(jìn)行堵截。

(3)接地。接地是最耗人力物力財(cái)力的防雷措施，在各種防雷技術(shù)中都是最受關(guān)注的環(huán)節(jié)，防雷施工的重難點(diǎn)問題就聚焦于接地施工。數(shù)據(jù)中心的各類電器設(shè)備密集，接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)尤為復(fù)雜，地網(wǎng)施工是一個(gè)龐大的工程。

(4)屏蔽。利用銅或鋁等低阻性金屬制成的容器將需要隔離的對(duì)象包圍起來，一般采用良好接地的金屬網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽，整個(gè)屏蔽體表面是導(dǎo)電且連續(xù)的，用來防止雷電產(chǎn)生的電磁脈沖磁場(chǎng)產(chǎn)生影響。顯然，屏蔽作用并不是絕對(duì)有效，并不能完全隔絕某一區(qū)域使其不受外來電力線和磁力線的影響。

3 電源防雷的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)中心的防雷主要包括建筑防雷、電源防雷和信號(hào)防雷三個(gè)部分，建筑防雷一般在建筑物設(shè)計(jì)時(shí)一并考慮，信號(hào)防雷主要指進(jìn)入樓內(nèi)的各類信號(hào)專線的防雷保護(hù)，本文重點(diǎn)對(duì)中小規(guī)模數(shù)據(jù)中心的電源防雷部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)中心電源防雷示意圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)中心電源防雷示意圖

3.1 第一級(jí)防雷器 在數(shù)據(jù)中心10KV總進(jìn)線的低壓配電室部署第一級(jí)避雷保護(hù)裝置，采用大通流量的防雷箱，最大通流量為120k A，限制電壓小于等于2000V，響應(yīng)時(shí)間小于等于100ns，地線采用25mm2銅線進(jìn)行連接，可選用BSPB380C-120P防雷浪涌保護(hù)箱，防雷箱應(yīng)該同時(shí)具備以下功能。

(1)自動(dòng)延時(shí)聲光報(bào)警設(shè)計(jì)。

(2)FS遙信觸點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

(3)在線電壓顯示。

(4)實(shí)時(shí)監(jiān)控三相防雷模塊工作狀態(tài)。

(5)雷擊計(jì)數(shù)器，記錄雷擊發(fā)生次數(shù)。

(6)防雷器主要元器件采用模塊化設(shè)計(jì)。

3.2 第二級(jí)防雷器 在各樓層的二級(jí)配電柜或機(jī)房的UPS的輸入端部署第二級(jí)避雷保護(hù)裝置，使用8/20us波形、最大通流量為60k A的浪涌保護(hù)器，限制電壓小于等于2000V，響應(yīng)時(shí)間小于等于100ns，可選用BSPM380-60LT防雷浪涌保護(hù)器，防雷器前安裝D32型空開，該防雷器同時(shí)采用以下模塊。

(1)AS聲光報(bào)警模塊。附帶聲音與燈光報(bào)警的功能底座，當(dāng)有模塊損壞時(shí)，提醒維護(hù)人員更換。

(2)FS遙信觸點(diǎn)模塊。維護(hù)人員可實(shí)時(shí)監(jiān)控防雷器的工作狀態(tài)。當(dāng)防雷器不能正常工作時(shí)，只需對(duì)已失效的模塊更換，可不停電進(jìn)行更換，有效降低維護(hù)費(fèi)用。

3.3 第三級(jí)電源防雷器 在機(jī)房各PDU進(jìn)線輸入端部署第三級(jí)避雷保護(hù)裝置，使用8/20us波形、最大通流量為40k A的浪涌保護(hù)器，限制電壓小于等于2000V，可選用BSPM220-20LT防雷浪涌保護(hù)器，防雷器前安裝D20型空開。

對(duì)于重要設(shè)備(如路由器等)可加裝精細(xì)電源防雷器，最大通流量為10k A，限制電壓小于等于1500V，作為機(jī)房設(shè)備的末端電源防護(hù)。模塊化設(shè)計(jì)，可帶電插拔，用于工程控制系統(tǒng)、信號(hào)流回路、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之過壓保護(hù)，安裝采用串聯(lián)方式進(jìn)行連接，抑制線路上的高壓脈沖，對(duì)重要后端設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。

4 防雷接地對(duì)其他接地的干擾

4.1 防雷接地的概念 防雷接地，是為了使雷電流及浪涌電流安全泄入大地，以有效保護(hù)建筑物及其內(nèi)工作人員和電氣設(shè)備安全的一種接地。所有建筑物、通信線纜、電子設(shè)備等不允許帶電的金屬連接部分以及一切公共設(shè)施管道的金屬部件必須與防雷接地裝置直接連接。按照工信部和中華人民共和國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《計(jì)算站場(chǎng)地技術(shù)條件》(GB2887-89)文中的規(guī)定：獨(dú)立的防雷接地系統(tǒng)的電阻值應(yīng)不大于10歐。

4.2 防雷接地與其他接地的距離問題 一般情況下，數(shù)據(jù)中心機(jī)房的防雷接地系統(tǒng)，由設(shè)計(jì)方在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)一并進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)機(jī)房其他地線系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)與防雷系統(tǒng)的接地極保證足夠的距離，否則將嚴(yán)重影響電氣設(shè)備工作。一旦受到雷擊電流的通過，接地極周圍大地瞬時(shí)產(chǎn)生相當(dāng)高的電位，如果在防雷系統(tǒng)接地板附近還有其他接地系統(tǒng)，將對(duì)其產(chǎn)生相當(dāng)大的干擾。所以，防雷的接地極必須與其他接地系統(tǒng)保持相當(dāng)距離。

防雷接地與其他接地應(yīng)保持多少距離?這個(gè)問題一直是接地專家們爭(zhēng)論未決的問題，在國(guó)內(nèi)外都無定論。雖然無定論，但有一個(gè)原則：在條件允許的范圍內(nèi)應(yīng)該盡量把距離拉得大一些，盡量使避雷接地遠(yuǎn)離計(jì)算機(jī)機(jī)房，遠(yuǎn)離計(jì)算機(jī)諸接地極。

在高大建筑群密集的地方，想把避雷接地離其他接地距離拉得遠(yuǎn)一些是不可能的，有的地方樓與樓之間的距離也只有十幾米乃至幾米遠(yuǎn)，要設(shè)計(jì)好計(jì)算機(jī)機(jī)房的各種接地，就顯得格外難辦，有的單位為了解決好這個(gè)問題曾多次組織論證，但結(jié)果還是不理想。比較合理的還是采用"共用接地"的方法，共用接地系統(tǒng)的接地電阻值取所有接地系統(tǒng)的最小值。