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一個實例全面講解機房如何做防雷接地?

2021-05-13  揚帆35

關于防雷接地這一部分介紹的比較少。下面我們就重點介紹一下防雷接地知識。

對于機房的接地,我們平時主要是參考三個規范比較多。

《電子計算機機房設計規范》(GB 50174)

《建筑物防雷設計規范》(GB 50057)

《建筑物電子信息系統防雷技術規范》(GB50343)

本期我們來通過一個實例,詳細了解機房如何做防雷接地?

一、為什么要做防雷接地?

計算機和網絡越來越深入人們生活和工作中,同時也預示著數字化、信息化時代的來臨。 這些微電子網絡設備的普遍應用,使得防雷的問題顯得越來越重要。由于微電子設備具有高密度、高速度、低電壓、和低功耗等特性,這就使其對各種諸如雷電過電壓、電力系統操作過電壓、靜電放電、電磁輻射等電磁干擾非常敏感。如果防護措施不力,隨時隨地可能遭受重大損失。

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二、機房防雷的必要性

雷擊可以產生不同的破壞形式,國際電工委員會已將雷電災害稱為“電子時代的一大公害”,雷擊、感應雷擊、電源尖波等瞬間過電壓已成為破壞電子設備的罪魁禍首。從大量的通信設備雷擊事例中分析,專家們認為:由雷電感應和雷電波侵入造成的雷電電磁脈沖(LEMP)是機房設備損壞的主要原因。為此采取的防范原則是“整體防御、綜合治理、多重保護”。力爭將其產生的危害降低到最低點。

 三、機房防雷接地系統設計

一、防雷設計

防雷接地系統是弱電精密設備及機房保護的重要子系統,主要保障設備的高可靠性,防止雷電的危害。中心機房是一個設備價值非常高的場所,一旦發生雷擊事故,將會造成難以估量的經濟損失和社會影響,根據GB50057《建筑物防雷設計規范》和IEC61024-1-1標準的有關規定,中心機房的防雷等級應定為二類標準設計。

目前大樓總配電室根據建筑物防雷設計規范,提供了第一級防雷,因此,在本工程網絡中心機房市電配電柜前配置第二、三級復合防雷器。

防雷器采用獨立模塊,并應具有失效告警指示,當某個模塊被雷擊失效時可單獨更換該模塊,而不需要更換整個防雷器。

二三級復合防雷器的主要參數指標:單相通流量為:≥40KA(8/20μs),響應時間:≤25ns

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二、接地系統設計

國家標準GB50174《計算機機房設計規范》中計算機機房應具有以下四種地:計算機系統的直流地、交流工作地、交流保護地和防雷保護地。

各接地系統電阻如下:

? 計算機系統設備直流地接地電阻不大于1Ω。

? 交流保護地的接地電阻應不大于4Ω;

? 防雷保護地的接地電阻應不大于10Ω;

? 交流工作地的接地電阻應不大于4Ω;

1、機房室內等電位連接

在機房內設立一環形接地匯流排,機房內的設備及機殼采用S型的等電位連接形式,連接到接地匯流排上,用50*0.5銅鉑帶敷設在活動地板支架下,縱橫組成1200*1200網格狀,在機房一周敷設30*3(40*4)的銅帶,銅帶配有專用接地端子,用編織軟銅線機房內所有金屬材質的材料都做接地,接入大樓的保護地上。

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工程中的所有接地線(包括設備、SPD、線槽等)、金屬線槽搭接跨接線均應做到短、平、直,接地電阻要求小于或等于1歐姆。

2、機房屏蔽設計

整個機房屏蔽采用彩鋼板進行六面體屏蔽,屏蔽板之前采用無縫焊接,墻身屏蔽體每邊跟接地匯流排接地不少于2處。

3、機房接地裝置設計

由于機房接地電阻要求較高,在該大樓附近另外增加人工接地裝置,在地網槽內打入15根鍍鋅角鋼,并用扁鋼焊接起來,并采用降阻劑回填。機房靜電接地采用50mm2多股銅芯線穿管引入。

接地裝置的接地電阻要求小于或等于1歐姆。

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 四、機房地網制作方法

一、標準接地網的制作

      在距建筑物1.5~3.0m處,以6m*3m矩形框線為中心,開挖寬度為0.8m、深0.6~0.8m的土溝,兩長邊中間貫通,采用長2.5m的L5(5*50*50)鍍鋅角鋼,在溝底的每個交點處垂直打入一根,共計6-20根,作為垂直接地極;

然后采用4號(4*40)鍍鋅扁鋼將六根角鋼焊接連通,作為水平接地極;再用4號鍍鋅扁鋼焊在地網框架的中間部位,引出至機房外墻角,離地高0.3m,作為PE接地端;最后從該接地端引出16-50平方毫米以上護套地線,沿墻邊穿墻進入室內,連至機房內等電位接地匯集排。

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二、利用大樓鋼筋做地網

       新建或翻建機房時,可利用入地混凝土立柱子內的鋼筋作接地裝置。在立柱內選取至少4根主筋(對角或對稱的鋼筋),用氧焊接通后再焊在兩根伸出柱面的M12以上銅螺紋管上,作為接地端,引線至機房,與等電位接地匯流排連通,等電位接地排可設在防靜電地板下面。

 五、如何做機房防雷接地?

 所謂接地,即把電路中的某一金屬殼與大地邊接在一起,形成電氣回路。目的是為了讓電流易于流如入大地,對人及設備形成保護。

接地的方法:

直流地懸浮法即直流地不接大地,與地嚴格絕緣;

直流地接地法,把計算機等設備中數字電路等的電位點地和網絡。

無論采用何種形式,均須有接地母線,接地地杖,在此特別強調建議采用接地埋接地網絡板,能更好的引導至大地,接地時應注意如下問題:

? 盡量不要在機房內把直流地和交流工作地短路或混接;

? 不允許交流線路與直流地線平行敷設,以防止干擾或短接;

? 直流地線網應裝接在地板下,便于邊接,即可減小接地電阻,便于泄流。

1、接地銅排

室內機房接地采用30*5(寬*厚,單位mm)規格之銅片,圍繞機房墻壁一周離地面10cm高,且與室外接地體母線相連接。在銅片每隔50 cm鉆一小孔,以利于分布在機房各區域的設備進行接地。

2、接地銅板

接地銅板采用寬60mm(厚10mm)之L型銅板固定于樓板,此銅墻鐵壁板作為所有應與機房接地之設施的總接地。

3、地網

機房有架設高架地板,則應以2.5mm之多芯裸銅線纏綿高架地板柱做地網。

 六、機房防雷接地工程實例

一、項目情況

某數據中心機房位于大樓三層,面積約1000m2。

本工程配電采用TN-S系統,獨立設置接地線(PE)。采用大樓聯合接地系統,并且要求接地小于1歐姆。

機房內設有功能性接地和保護性接地,共用一組接地裝置。

1、保護接地,防雷保護接地延引大樓的接地。

2、機房內做M網型結構均壓等電位網格。機房室內等電位做法在機房地板下沿機柜一周敷設等電位銅帶30×3mm2(均壓環),銅帶用ZR-BVR6mm2與各機房動力配電柜PE排相連,并設置100*0.3mm2銅箔等電位網格。機房動力設備的地線、動力設備的外殼、不帶電的金屬管道、金屬線槽外殼、計算機設備外殼、防靜電地板支架、吊頂龍骨、等均須用ZR-BVR6mm2與等電位銅排網絡就近可靠相連。機房內設置等電位端子箱,機房內等電位端子箱采用ZR-BVR50mm2的電纜與大樓綜合接地端可靠連接。機房等電位接地示意圖如圖1-1所示。

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二、防雷設計思路

一個完整的防雷方案包括防直接部分防感應雷擊兩部分,中心機房所在的建筑物已具備直接雷擊防護措施,因此本方案只對機房電子設備的配電系統采取相應的防感應雷擊措施。

工程計算機交流配電系統采用三級防雷:

第一級在大樓低壓配電室內加裝防雷器,實現第一級防雷(由大樓實現)。

第二級在UPS輸入配電柜內加裝B級防雷器,實現第二級防雷。

第三級在機房UPS輸出列頭配電柜內加裝C級防雷器,實現第三級防雷。

機房防雷設計示意圖如圖2-1所示:

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三、防雷設計思路

  由于網絡集成系統防護點多、面廣,因此,為了保護建筑物和建筑物內各向電子網絡設備不受雷電損害或使雷擊損害降低到最低程度,應從整體防雷的角度來進行防雷方案的設計。現在都采取綜合防雷,綜合防雷設計方案應包括兩個方面:直擊雷的防護感應雷的防護,缺少任何一方面都是不完整的,有缺陷的和有潛在危險的。

1、直擊雷的防護   

       如果無直擊雷防護,按IEC1312的估算幾乎所有雷電流都流經進出建筑物的導體型線路(如電源線、信號線等)侵入設備,這樣的損害就非常之嚴重,因此做好直接雷擊防護是做感應雷擊防護的前提;直擊雷防護按照國標GB50057《建筑物防雷設計規范》設計和施工,主要使用避雷針、網、線、帶及良好的接地系統,其目的是保護建筑外部不受雷擊的破壞,給建筑物內的人或設備提供一個相對安全的環境。  

2、電源系統的防護  

  統計數據資料表明,微電子網絡系統80%以上的雷害事故都是因為與系統相連的電源線路上感應的雷電沖擊過電壓造成的。因此,做好電源線的防護是整體防雷中不容忽視的一環。  

3、信號系統的防護   

        盡管在電源和通信線路等外接引入線路上安裝了防雷保護裝置,由于雷擊發生在網絡線(如雙絞線)感應到過電壓,仍然會影響網絡的正常運行,甚至徹底破壞網絡系統。雷擊時產生巨大的瞬變磁場,在1公里范圍內的金屬線路,如網絡金屬連線等都會感應到極強的感應雷擊;

另外,當電源線或通信線路傳輸過來雷擊電壓時,或建筑物的地線系統在瀉放雷擊時,所產生強大的瞬變電流,對于網絡傳輸線路來說,所感應的過電壓已經足以一次性破壞網絡。即使不是特別高的過電壓,不能夠一次性破壞設備,但是每一次的過電壓沖擊都加速了網絡設備的老化,影響數據的傳輸和存儲,甚至死機,直至徹底損壞。所以網絡信號線的防雷對于網絡集成系統的整體防雷來說,是非常重要的環節。  

4、等電位連接   

       集成網絡系統主干交換機所在的中心機房應設置均壓環,將機房內所有金屬物體,包括電纜屏蔽層、金屬管道、金屬門窗、設備外殼以及所有進出大樓的金屬管道等金屬構件進行電氣連接,并接至均壓環上,以均衡電位。   

5、接地   

機房采用聯合接地可有效的解決地電位升高的影響,合格的地網是有效防雷的關鍵。機房的聯合地網通常由機房建筑物基礎(含地樁)、環形接地(體)裝置、工作(電力變壓器)地網等組成。對于敏感的數據通訊設備的防雷,接地系統的良好與否,直接關系到防雷的效果和質量。如果地網不合要求,應改善地網條件,適當擴大地網面積和改善地網結構,使雷電流盡快地泄放,縮短雷電流引起的高過電壓的保持時間,以達到防雷要求。

四、電源防雷

電源系統防雷采用三級防雷的方式。對機房配電箱的防雷應采取不少于二級保護(細保護),既在機房的主配電箱的輸入一套安裝二級防雷器,在機房配電箱輸出端每一路安裝三級防雷器。即在配電柜中總開關前端安裝二級防雷器,這樣既節省空間,又起到了美觀、易維護的作用,并分別在市電配電柜、UPS配電柜各自的總開關前端安裝三級防雷器,以保護機房內的設備。

五、接地系統

本機房有四種接地形式,即:計算機專用直流邏輯地、交流工作地、安全保護地、防雷保護地。

1、計算機機房接地系統

在機房活動地板下方安裝銅排網,將機房所有計算機系統非帶電殼體接入銅排網并由此引入大地。機房接地系統采用專用接地系統,專用接地系統由大樓提供,接地電阻≤1Ω。

2、機房內等電位接地具體做法:

用3mm×30mm的銅帶,在機房活動地板下交叉排成方格,其交叉點與活動地板支撐的位置交錯排列,交點處壓接在一起,并在銅帶下用墊絕緣子固定。在機房離墻400mm的距離沿墻采用3mm×30mm紫銅條造成一個M型或S型的地網,紫銅條間的接駁位用10mm鏍母壓接后燒銅焊,通過35mm2銅纜引下線駁接建筑物的聯合接地體,這樣就形成一個法拉第籠式接地系統,并保證接地電阻不大于1Ω。

機房等電位連接:將天花龍骨、墻身龍骨、活動地板支架、非計算機系統的管、金屬的門、窗等均做等電位連接,并分別取多點通過16m m2的地線接入機房接地銅排網。

3、交流工作地

在電力系統中運行需要的接地(配電柜中性點接地),應不大于4歐姆。與變壓器或發電機直接接地的中性點連接的中性線稱零線;將零線上的一點或多點與地再次做電氣連接稱重復接地。交流工作地是中性點可靠地接地。當中性點不接地時,若一相碰地而人又觸及另一相時,人體所受到的接觸電壓將超過相電壓,而當中性點接地時,且中性點的接地電阻很小,則人體受到電壓相當于相電壓;同時若中性點不接地時,由于中性點對地的雜散抗阻很大,因此接地電流很小;相應的保護設備不能迅速切斷電源,對人及設備產生危害;反之則行。

4、安全保護地

安全保護地是指機房內所有機器設備的外殼以及電動機、空調機等輔助設備的機體(外殼)與地之間做良好的接地,應不大于4歐姆。當機房內各類電器設備的絕緣體損壞時,將會對設備和操作及維修人員的安全構成威脅。所以應使設備的外殼可靠接地。

5、防雷保護地

即機房的防雷系統的接地,一般以水平連線和垂直接地樁埋設地下,主要是把雷電電流由受雷裝置引到接地裝置,應不大于10歐姆。

防雷裝置可分為三個基本部分:即接閃器、引下線和接地裝置,接閃器即接受雷電電流的金屬導體。本方案只將加裝防雷器的引下線與動力配電柜內的接地銅排連接。要求接地電阻≤4Ω。

六、防雷設計方案

1、直擊雷的防護

  機房所在大樓已有避雷針、避雷帶等外部防雷設施,不再作外部防雷補充設計。如之前無直擊雷防護,需在機房頂層做避雷帶或是避雷網,若機房在空曠地帶,視情況還需安裝避雷針,避雷針、避雷帶必須做好引下線,接入地網。

2、電源系統的防雷

(1)、對于網絡集成系統的電源線防護,首先,進入系統總配電房的電源進線,應采用金屬鎧裝電纜敷設,電纜鎧裝層的兩端應良好接地;如果電纜沒有鎧裝層,則就將電纜穿鋼管埋地,鋼管兩端接地,埋地的長度應不小于15米。由總配電房至各大樓的配電箱以及機房樓層配電箱的電力線路,均應采用金屬鎧裝電纜進行敷設。這樣可以大大減少電源線感應過電壓的可能性。

(2)、在電源線路上安裝電源防雷器,是必不可少的防護措施。根據IEC防雷規范中有關防雷分區的要求,將電源系統分為三級保護。

① 可在系統總配電房的配電變壓器低壓側安裝流通容量80KA~100KA的一級電源防雷箱。

② 在各大樓的總配電箱安裝通流容量為60KA~80KA的二級電源防雷箱;

③ 在機房的重要設備(如交換機、服務器、UPS等)的電源進線處安裝通流容量20~40KA的三級電源防雷器;

④ 在機房控制中心硬盤刻錄機及電視墻設備電源處用插座式防雷器。

 所有防雷器均應良好接地。選用防雷器要注意接口的形式和接地的可靠性,重要場所應設置專用的接地線,切不可將防雷接地線與避雷針接地線并接,且要盡量遠離、分開入地。

3、信號系統的防雷

(1)、網絡傳輸線主要使用的是光纖和雙絞線。其中光纖不需要特別的防雷措施,但若室外的光纖是架空的,那么需要將光纖的金屬部分接地。而雙絞線屏蔽效果較差,因此感應雷擊的可能性比較大,應將此類信號線敷設在屏蔽線槽中,屏蔽線槽應良好接地;也可穿金屬管敷設,金屬管應全線保持電氣上的連通,并且金屬管兩端應良好接地。

(2)、在信號線路上安裝信號防雷器,對防感應雷是一種行之有效的辦法。對于網絡集成系統,可在網絡信號線進入到廣域網路由器之前安裝專用信號防雷器;在系統主干交換機、主服務器以及各分交換機、服務器的信號線入口處分別安裝RJ45接口的信號防雷器(如RJ45-E100)。信號防雷器的選型應綜合考慮工作電壓、傳輸速率、接口形式等。避雷器主要串接在線路的兩端設備的接口處。  

① 服務器輸入端口處安裝單口 RJ45 端口信號避雷器,以保護服務器。  

② 24口網絡交換機串聯 24 口的 RJ45 端口信號避雷器,避免因雷擊感應或電磁場干擾沿雙絞線竄入而毀壞設備。  

③ 在DDN專線接收設備上安裝單口RJ11端口信號避雷器,保護DDN 專線上的設備。

④ 在衛星接收設備前端安裝同軸端口天饋線避雷器,以保護接收設備。

(3)、對于監控系統機房的防雷保護

① 在硬盤錄像機的視頻線出線端加裝視頻信號防雷器或采用機架式視頻信號防雷箱,12口全保護,安裝方便。

② 在矩陣與視頻分割器的控制線進入端加裝控制信號防雷器(DB-RS485/422)。

③ 機房電話線采用音頻信號防雷器,串接在電話機前端電話線處,安裝方便,易維護。

④ 在報警器前端信號線接入處裝控制信號防雷器,對報警器信號線做有效的防雷保護。

     注意:所有防雷器均應良好接地,選用防雷器要注意接口的形式和接地的可靠性,重要場所應設置專用的接地線,切不可將防雷接地線與避雷針接地線并接,且要盡量遠離、分開入地。

4、機房等電位連接

     在機房防靜電地板下,沿著地面上布置40*3紫銅排,形成閉合環接地匯流母排。將配電箱金屬外殼、電源地、避雷器地、機柜外殼、金屬屏蔽線槽、門窗等穿過各防雷區交界的金屬部件和系統設備的外殼,以及對防靜電地板下的隔離架進行多點等電位接地就進至匯流排。并采用等電位連接線4-10mm2銅芯線螺栓緊固的線夾作為連接材料。同時在機房找出建筑物主鋼筋,經測試確與避雷帶連接良好,用14mm鍍鋅圓鋼通過銅鐵轉換接頭將接地匯流母排與之連接起來。形成等電位。采用聯合接地網,目的是消除各地網之間的電位差,保證設備不因雷電的反擊而損壞。

5、接地網制作設計

接地是避雷技術非常重要的環節之一,無論是直擊雷或感應雷,最終都是把雷電流引入大地。因此,對于敏感的數據(信號)通信設備而言,沒有合理而良好的接地系統是不能可靠避雷的。因此,對接地電阻 >1Ω 的大樓地網,需按照規范要求整改,以提高機房接地系統的可靠性。根據具體情況,通過沿機房大樓建立不同形式的接地網(包括水平接地體、垂直接地體)來擴大接地網的有效面積和改善地網的結構。

采用共用接地裝置時,共用接地電阻值不應大于1Ω;

采用專用接地裝置時,其接地電阻值不應大于4Ω。

基本要求如下:   

1 )在大樓周圍做接地網,用較少的材料和較低的安裝成本,完成最有效的接地裝置;  

2)接地電阻值要求 R ≤1Ω ;  

3)接地體應離機房所在主建筑物 3~5m 左右設置;  

4)水平和垂直接地體應埋入地下 0.8m 左右,垂直接地體長 2.5m ,每隔 3~5m 設置一個垂直接接地體,垂直接地體采用 50×50×5mm 的熱鍍鋅角鋼,水平接地體則選 50×5mm 的熱鍍鋅扁鋼;  

5)在地網焊接時,焊接面積應 ≥6 倍接觸點,且焊點做防腐蝕防銹處理;  

6)各地網應在地面下 0.6~0.8m 處與多根建筑立柱鋼筋焊接,并作防腐蝕、防銹處理;  

7)土壤導電性能差時采用敷設降阻劑法,使接地電阻 ≤1Ω ;  

8)回填土必須是導電狀態較好的新粘土;   

9)與大樓基礎地網多點焊接,并預留接地測試點。   

       以上是一種傳統的廉價實用的接地方式,根據實際情況,接地網材料也可以選用新型技術接地裝置,如免維護電解離子接地系統、低電阻接地模塊、長效銅包鋼接地棒等等。

 五、機房防雷接地注意事項

1、考慮到雷電或其他電信設備的干擾,計算機房不宜設置在大樓的頂層或靠外墻側,特殊情況限制的,應設置屏蔽層防止雷電干擾。對于特別重要的計算機系統,應考慮設置獨立的屏蔽機房。建筑物(包括計算機機房)內設備及管線接地安裝應按照相關規范執行,做好等電位聯結;

2、防止雷電危害還應防雷擊引起的電磁脈沖,計算機房的配電箱應設置SPD(防電磁浪涌)保護裝置,防止機房供電電源由于雷擊電磁脈沖而造成斷電。另外,對于重要的系統主機,其通訊電纜也應設置SPD保護裝置,由于通訊電纜數量一般比較多,因此通訊線的保護設置應根據具體實際情況合理設置;

3、電氣接地系統宜采用TN-S接地系統,PE線與相線分開,機房電源接入處應做重復接地;

4、機房接地一般分為交流工作接地、直流工作接地、安全工作接地、防雷保護接地。根據《建筑物防雷設計規范》的要求,防雷設計采用共用接地系統時,各接地系統宜共用一組接地裝置。信息系統的所有外露導電物(各種箱體、殼體、機架等金屬組件)應建立一等電位聯結網絡。

因此,電氣防雷設計應在計算機房設置專用的等電位聯結排,通過引下線與大樓總等電位聯結排連接。根據共用接地系統的層層等電位原則,采用結構主鋼筋作為引下線,更適用于共用接地系統。另外強調,大樓接地系統的接地電阻不應大于1Ω。 

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