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 云南 昆明 650000

雷電放電時間短能量大，瞬時產生強大的電磁效應，它通過不同方式侵入電氣設備內部電路，造成電路誤動作導致設備不能正常運行，甚至使電氣設備整機或部件損壞，尤其對數(shù)據(jù)中心密集的電子系統(tǒng)極易產生巨大破壞，這就對數(shù)據(jù)中心的防雷接地系統(tǒng)提出了極高的要求。

1 防雷接地建設原則和要求

1.1 數(shù)據(jù)中心建筑防雷設計原則和依據(jù) 防雷和接地系統(tǒng)設計主要依照按照國家標準《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》(GB 50343-2004)以及相關國家標準規(guī)范。

數(shù)據(jù)中心的防雷設計必須按國家綜合防雷電子信息系統(tǒng)的要求進行設計，堅持預防為主，安全第一的設計指導方針。為更好地確保建筑物防雷設計的技術科學性，設計人員應在防雷設計前評估現(xiàn)場的電磁環(huán)境。在進行數(shù)據(jù)中心建筑物防雷工程設計時，設計者首先應認真地調查建筑物所在地點雷電活動的規(guī)律，并根據(jù)數(shù)據(jù)中心內各分系統(tǒng)的功能特點，按系統(tǒng)工程的要求，整體規(guī)劃、綜合整改、多重措施保護，對數(shù)據(jù)中心內外部防雷措施進行整體性綜合考慮。

1.2 數(shù)據(jù)中心機房對接地系統(tǒng)的要求 數(shù)據(jù)中心機房的接地布線問題，既是一個復雜的理論和技術問題，也是一個在實際施工中要求嚴格的具體現(xiàn)實問題。不同的計算機制造商在機房接地問題上都提出了不同的技術要求，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數(shù)據(jù)中心機房建設質量的重要環(huán)節(jié)。

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

因此，在數(shù)據(jù)中心機房建設時，要根據(jù)廠家的技術要求和機房環(huán)境的實際情況建立好接地系統(tǒng)。目前數(shù)據(jù)中心機房的接地系統(tǒng)一般包括以下幾種：①防雷接地，②保護接地，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 雷電防護措施

避雷針的發(fā)明為人類防護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)中心的電子設備仍極易遭受感應雷擊毀，預防感應雷主要有以下幾種措施。

(1)等電位連接。從物理學上講，就是用銅導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。物體和結構之間的連接也屬于等電位連接，如果結構連接處電性連通不好，由接觸電阻所產生的電位差經常會產生電火花放電，導致連接部位表層損壞，甚至引發(fā)火災。

(2)分流。把室外來的所有電力線和信號線都通過避雷器再連接至接地線，每一個需要保護的電氣設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入大地，相當于把所有雷電流的入侵通道進行堵截。

(3)接地。接地是最耗人力物力財力的防雷措施，在各種防雷技術中都是最受關注的環(huán)節(jié)，防雷施工的重難點問題就聚焦于接地施工。數(shù)據(jù)中心的各類電器設備密集，接地系統(tǒng)設計尤為復雜，地網(wǎng)施工是一個龐大的工程。

(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象包圍起來，一般采用良好接地的金屬網(wǎng)來實現(xiàn)電磁屏蔽，整個屏蔽體表面是導電且連續(xù)的，用來防止雷電產生的電磁脈沖磁場產生影響。顯然，屏蔽作用并不是絕對有效，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 電源防雷的設計

數(shù)據(jù)中心的防雷主要包括建筑防雷、電源防雷和信號防雷三個部分，建筑防雷一般在建筑物設計時一并考慮，信號防雷主要指進入樓內的各類信號專線的防雷保護，本文重點對中小規(guī)模數(shù)據(jù)中心的電源防雷部分進行設計。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 第一級防雷器 在數(shù)據(jù)中心10KV總進線的低壓配電室部署第一級避雷保護裝置，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，響應時間小于等于100ns，地線采用25mm2銅線進行連接，可選用BSPB380C-120P防雷浪涌保護箱，防雷箱應該同時具備以下功能。

(1)自動延時聲光報警設計。

(2)FS遙信觸點的設計。

(3)在線電壓顯示。

(4)實時監(jiān)控三相防雷模塊工作狀態(tài)。

(5)雷擊計數(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計。

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

(1)AS聲光報警模塊。附帶聲音與燈光報警的功能底座，當有模塊損壞時，提醒維護人員更換。

(2)FS遙信觸點模塊。維護人員可實時監(jiān)控防雷器的工作狀態(tài)。當防雷器不能正常工作時，只需對已失效的模塊更換，可不停電進行更換，有效降低維護費用。

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

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

4 防雷接地對其他接地的干擾

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，以有效保護建筑物及其內工作人員和電氣設備安全的一種接地。所有建筑物、通信線纜、電子設備等不允許帶電的金屬連接部分以及一切公共設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的國家標準《計算站場地技術條件》(GB2887-89)文中的規(guī)定：獨立的防雷接地系統(tǒng)的電阻值應不大于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)中心機房的防雷接地系統(tǒng)，由設計方在進行建筑設計時一并進行設計。在設計機房其他地線系統(tǒng)時，應與防雷系統(tǒng)的接地極保證足夠的距離，否則將嚴重影響電氣設備工作。一旦受到雷擊電流的通過，接地極周圍大地瞬時產生相當高的電位，如果在防雷系統(tǒng)接地板附近還有其他接地系統(tǒng)，將對其產生相當大的干擾。所以，防雷的接地極必須與其他接地系統(tǒng)保持相當距離。

防雷接地與其他接地應保持多少距離?這個問題一直是接地專家們爭論未決的問題，在國內外都無定論。雖然無定論，但有一個原則：在條件允許的范圍內應該盡量把距離拉得大一些，盡量使避雷接地遠離計算機機房，遠離計算機諸接地極。

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，要設計好計算機機房的各種接地，就顯得格外難辦，有的單位為了解決好這個問題曾多次組織論證，但結果還是不理想。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。