機房電源防雷系統(tǒng)設(shè)計

劉冬喜

（南車成都機車車輛有限公司信息中心，成都 610051）

在信息中心的主機房里，裝備有很多服務(wù)器和交換機以及大量網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)備，這些設(shè)備普遍存在著絕緣強度低，過電壓耐受能力差等致命弱點，一旦遭受雷擊過壓的沖擊，輕則造成這些電腦系統(tǒng)的運行中斷，設(shè)備永久性損壞，重則使這些系統(tǒng)所承擔(dān)的須實時運行的應(yīng)用系統(tǒng)中斷和癱瘓，將造成不可估量的直接或間接的影響以及巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為此，有必要、也必須對關(guān)鍵的系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行防雷害和過電壓保護(hù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 設(shè)計原則

防雷工程的系統(tǒng)設(shè)計、電涌保護(hù)器選型、安裝和維護(hù)對所保護(hù)的設(shè)備關(guān)系重大，對業(yè)務(wù)正常運行具有非常重要的作用。防雷工程設(shè)計及防雷器件的選擇應(yīng)遵從以下的原則。

（1）安全性和可靠性原則

防雷工程的設(shè)計應(yīng)考慮的首要問題就是科學(xué)性、合理性、安全性和可靠性。防護(hù)產(chǎn)品應(yīng)是成熟可靠的產(chǎn)品。

（2）先進(jìn)性原則

采用先進(jìn)和成熟的工業(yè)設(shè)計技術(shù)，使系統(tǒng)能夠最大限度地適應(yīng)技術(shù)發(fā)展和業(yè)務(wù)發(fā)展的需要。根據(jù)信息中心的設(shè)備特點，系統(tǒng)總體設(shè)計的先進(jìn)性原則，主要體現(xiàn)在防護(hù)設(shè)計中的梯度性，能滿足將來擴充的需要。

（3）實用性原則

本著安全最大化原則，配置防雷保護(hù)系統(tǒng)的投入與安全的期望值成正比，投入所帶來的經(jīng)濟(jì)效益是顯著的，能減少每年的運行維護(hù)費用、提高和延長設(shè)備工作時間、避免雷電災(zāi)害或重大事故造成的經(jīng)濟(jì)損失，為用戶的系統(tǒng)設(shè)備增值，有效保護(hù)用戶的投資，保證整個系統(tǒng)正常運行。實用性就是能夠最大限度地滿足用戶的需要。

（4）開放性，可擴充性和可維護(hù)性原則

防雷保護(hù)技術(shù)是不斷發(fā)展變化的，所選產(chǎn)品必須滿足行業(yè)的有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；符合國家或國際有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。為信息中心的發(fā)展提供保證。

因為系統(tǒng)雷電防護(hù)設(shè)計是一項系統(tǒng)工程，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越合理，系統(tǒng)的各個部份（要素）之間的有機結(jié)合就越合理，相互之間的作用就越協(xié)調(diào)，從而才能使整個系統(tǒng)在總體上達(dá)到最佳的運行狀態(tài)。

1.2 雷電危害分析

1.2.1 雷電遠(yuǎn)點襲擊電力線

我國電力線輸電方式是由發(fā)電廠通過升壓變壓器升壓后，輸電至低壓變壓器，經(jīng)低壓變壓器的輸出給用戶。由于我國的電壓基本波形是50 Hz/s的正弦波形曲線，在電力線上形成50次/s的交變磁場。如遇雷害發(fā)生時，在雷電未擊穿大氣時，將呈現(xiàn)出高壓電場形式。根據(jù)電學(xué)基本原理，磁場與電場之間是相互共存可逆變化的，那么，雷擊高壓電場通過靜電吸收原理，向大地方向運動。雷電首先擊在電力線上，并從電力線的負(fù)載保護(hù)地線入地釋放，這樣就擊穿了設(shè)備。在高壓線上的表現(xiàn)為擊穿變壓器的絕緣，在變壓器低壓端與負(fù)載的連線上遭雷擊，損失的是用電設(shè)備。為此，在選擇防雷器時，首先考慮遠(yuǎn)點雷擊。

1.2.2 雷電近點電力線的侵入

所謂雷電近點襲擊電力線，實際上是雷電襲擊被保護(hù)設(shè)備所在的建筑物避雷針或金屬屋面，從而引起雷電電磁脈沖的保護(hù)問題。雷電打在建筑物避雷裝置上，按照GB50057－94《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》規(guī)定和IEC61312定義，避雷針引下線由于線路電感的作用，最多只能將50%的電流引入大地，余下電流的一小部分將通過電力線屏蔽槽、水管、暖氣管、金屬門窗等與地面有連接的金屬物質(zhì)聯(lián)合引雷，還有部分電流從大樓流竄至不間斷電源（UPS）輸入輸出負(fù)載的電源線、局域網(wǎng)線、各類信號線等。結(jié)果將擊穿UPS輸出對地線和輸入對地線、終端設(shè)備電源對邏輯地線、網(wǎng)口對邏輯地線等。

1.2.3 雷電高壓反擊(又稱地電位反擊)

雷電襲擊建筑物避雷針、金屬頂面、女兒墻的避雷帶，由引下線將雷電流引入大地，由于大地電阻的存在，雷電電荷不能快速全部地與大地負(fù)電荷中和，必然引起局部地電位升高，這種反擊電壓少則數(shù)千伏，多則數(shù)萬伏，直接燒壞用電器的絕緣部分。

值得注意的是：防雷的概念不僅僅是對雷電災(zāi)害的防護(hù)，由于大型設(shè)備起停，切投等引起的電網(wǎng)波動而產(chǎn)生的浪涌過電壓是目前電子系統(tǒng)最大的威脅，其危害的比例絕對高于自然雷擊的比例。雷電過電壓，浪涌過電壓，均歸于瞬態(tài)過電壓（瞬態(tài)浪涌電流）的范疇之內(nèi)。

通過具體分析雷害入侵被保護(hù)系統(tǒng)的各種途徑可知，防雷保護(hù)設(shè)計工作不是簡單的避雷設(shè)施的安裝和堆砌，而是一項要求高、難度大的系統(tǒng)工程，涉及多方面的因素。為此，我們的設(shè)計指導(dǎo)思想是：在遵照和執(zhí)行國際有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，國家有關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，參考和引入IEC國際電工委員會的有關(guān)防雷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，以期達(dá)到更好的防護(hù)效果。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 電源系統(tǒng)防雷措施

對雷擊事故的分析表明，從供電線路入侵的雷電過電壓占雷擊事故的大部分，可直接損害計算機和通信設(shè)備，而變壓器、UPS等設(shè)施不能消除雷電過電壓，因此按IEC61312的原則，此系統(tǒng)（計算機、通信和各類電子系統(tǒng)）的供電線路上應(yīng)設(shè)置多級防雷保護(hù)措施，一般為三級配置，從而將過電壓降到設(shè)備能承受的水平。

另外，雷電流主要是由首次雷擊電流和后續(xù)雷擊電流所組成。因此，雷電過電壓的保護(hù)必須考慮到如何抑制（或分流）首次雷擊電流和后續(xù)雷擊電流。所以設(shè)計供電線路雷電過電壓保護(hù)方案時要采取多級保護(hù)措施。

根據(jù)信息中心的具體位置以及內(nèi)部的供電系統(tǒng)情況，電源感應(yīng)雷電防護(hù)采取三級防護(hù)：

（1）在位于大樓總配電柜總供電的開關(guān)輸出端口安裝三相電源避雷器1臺（V25-B/3+NPE）作為機房電源供電的第一級保護(hù)。該型號的電源避雷器采用模塊式設(shè)計和專用的NPE接地模塊，性能可靠，外形美觀，安裝方便。作為機房電源供電的第一級保護(hù)，該防雷器不僅能有效消除高強度雷電流對電源系統(tǒng)及設(shè)備的沖擊，同時對因電壓波動過大特別是供電線路中存在的浪涌過電壓也具有明顯的抑制作用。

（2）在該機房的樓層配電箱向機房電源進(jìn)線的端口處安裝電源避雷器1臺（V20-C/3+NPE），作為二級保護(hù)。此級防雷器完全達(dá)到保護(hù)下端設(shè)備電源，并通過保護(hù)自身而達(dá)到粗保護(hù)其它設(shè)備電源免遭感應(yīng)雷電和浪涌過電壓侵害的目的。

（3）由于機房內(nèi)精密設(shè)備較多，因此方案設(shè)計在所有終端設(shè)備電源前的UPS設(shè)備輸出端安裝末級電源避雷器1臺（V20-C/1+NPE），作為向終端電源設(shè)備的精保護(hù)。該級防雷保護(hù)能吸收低能雷電流和浪涌過電壓，從而有效地達(dá)到終端電源設(shè)備尤其是交換機等核心設(shè)備免遭一切感應(yīng)雷電和浪涌過電壓侵害的目的。

2.2 中心機房等電位連接

為了保證機房內(nèi)部人員和設(shè)備的安全，在機房的防靜電地板下，用4 mm×40 mm的銅帶制成等電位連接帶，并用6 mm2的BVR銅芯電纜將機房內(nèi)的設(shè)備機殼、機柜及其他各種入戶管線的金屬屏蔽層都與等電位連接帶連接起來，使整個機房設(shè)備形成一個有效的等電位連接平臺，同時用25 mm2的BVR銅芯電纜穿管將這個等電位連接平臺與機房地網(wǎng)連接起來，從而切實有效地防止傳導(dǎo)雷從外界侵入，保證中心機房工作人員和設(shè)備的安全。

2.3 接地系統(tǒng)

接地種類有防雷接地（避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)的接地）、交流工作接地（電源零線）、安全保護(hù)接地（機殼接地、防靜電接地）、直流工作接地（邏輯接地、信號接地）四大類。它們根據(jù)各種不同用途，有不同的技術(shù)要求。在制作接地裝置時，應(yīng)嚴(yán)格按各類技術(shù)規(guī)范執(zhí)行。

按中華人民共和國公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GB371-2001 計算機信息系統(tǒng)實體安全技術(shù)要求的規(guī)定，接地可分為聯(lián)合接地和獨立接地兩種方式。聯(lián)合接地是把需要接地的各系統(tǒng)統(tǒng)一接到一個地網(wǎng)上，這種接地方式可以最大限度地減小各設(shè)備地線之間的地電位反擊。獨立接地是把需要接地的各設(shè)備系統(tǒng)分別接到各自的地網(wǎng)上，這種接地方式是針對有特殊要求接地的設(shè)備和不能建造聯(lián)合接地的地方，它能滿足各自接地的要求。

根據(jù)具體情況，信息中心采用專用地網(wǎng)，以符合計算機信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)接地要求。其具體的設(shè)計施工方案如下：

在信息中心大樓背后2 m左右處的綠化帶建設(shè)一個人工輔助接地網(wǎng)，其形狀根據(jù)施工現(xiàn)場的情況確定為 “L”型。先開挖總長度為25m，深0.6m，寬0.5 m的接地溝槽，溝槽內(nèi)每隔5 m安裝一個非金屬接地極，接地極之間用4 mm×40 mm的熱鍍鋅扁鋼焊接。然后，將新地網(wǎng)與建筑物地網(wǎng)用熱鍍鋅扁鋼連接，同時用25 mm2的BVR銅芯電纜穿管將地網(wǎng)連接線引到機房適宜位置處與機房等電位連接帶有效連接。以上工程完工后，將所有焊接點做防銹處理，再向地網(wǎng)溝槽內(nèi)回填充實土壤并用水泥對地面恢復(fù)處理，完成地網(wǎng)的建設(shè)工程，使其達(dá)到≤1 Ω的規(guī)范要求，從而符合計算機信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 電源防雷實施

按圖1實施，選用OBO V25-B/3+NPE電源防雷器和OBO V20-C/3+NPE電源防雷器，執(zhí)行三級防雷，有效保護(hù)終端設(shè)備的安全。

圖1 電源防雷器安裝示意圖

3.2 地線安裝

地網(wǎng)采用非金屬接地模塊ABJ-II-1產(chǎn)品, 它是一種以非金屬材料為主的接地體，由導(dǎo)電性和穩(wěn)定性較好的非金屬礦物和電解物組成，增大了接地體本身的散流面積，減小了接地體與土壤之間的接觸電阻，具有強吸濕保濕能力，使其周圍附近的土壤電阻率降低，介電常數(shù)增大，層間接觸電阻減小，耐腐蝕性增強，因而能獲得較小的接地電阻和較長的使用壽命。

地網(wǎng)與機房及設(shè)備連接方法如圖2。

圖2 地網(wǎng)與機房及設(shè)備連接示意圖

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)投入使用后，有效地解決了中心機房設(shè)備遭電源雷擊的問題，通過兩個雷雨季節(jié)的考驗，達(dá)到設(shè)計要求，效果良好。