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机房工程中防雷接地的建设方案
作者:安防监控_视频监控系统_摄像头安装_机房建设_弱电工程-上海铭越科技 发布日期:2020-03-26 16:06

1 系统概述
 
防雷接地系统一直是数据机房关注的重点,技术日趋成熟。目前,雷电对设备的破坏途径更加多样化,破坏程度更加广泛和深入。防雷接地系统必须从系统角度进行综合防御,提供高效接闪体,安全引导雷电流入地,完善低电阻地网,清除地面回路,进行电源浪涌冲击防护和信号及数据线瞬变防护。
 
2 设计思路
 
防雷接地系统包括防雷保护和接地保护两个关联的子系统。
 
在防雷保护方面,本项目主要考虑室内雷电防护方面的内容,室外防雷措施已在建筑土建施工时进行考虑。室内防雷措施主要是在各主要供配电链路上安装必要的防雷保护器来进行过电压保护。
 
在接地保护方面,把正常情况下不带电而在故障情况下可能带电的电气设备外壳、构架、支架通过接地和大地接连起来,其作用就是将电气设备不带电的金属部分与接地体之间作良好的金属连接,降低接点的对地电压,避免人体触电危险。
 
国家标准《计算站场地技术文件(GB 2887—89)》及《计算机机房设计规范(GB 50174—2008)》中均对计算机机房接地系统的要求作了具体的规定。标准计算机机房一般应具有以下四类接地,计算机系统直流地、交流工作地、安全保护地和防雷保护地。这四类接地在采用综合接地方式,共同使用一个等电位MEB接地系统时,要求接地电阻≤1 Ω。
 
3 防雷设计
 
3.1 雷电防护分区和防雷等级
 
3.1.1 雷电防护区
 
雷电防护区的划分是将需要保护的控制雷电电磁脉冲环境的建筑物,从外部到内部划分为不同的雷电防护区(LPZ),见图1。
 
图1 建筑物外部和内部雷电防护区划分
 
本项目机房所在的建筑物外层防雷系统由大楼建设单位完成,本设计方案重点对第二防护区(LPZ2)和后续防护区(LPZn)进行防雷设计,针对机房电源进行防雷保护。本项目在UPS市电配入电柜都安装二级电源防雷器,在UPS市电配出电柜都安装三级电源防雷器,将雷击对电源的影响减到最低。
 
3.1.2 雷电防护分级
 
建筑物电子信息系统可根据其重要性、使用性质和价值,按表1 选择确定雷电防护等级。
 
表1 建筑物电子信息系统雷电防护等级的选择表
 
雷电防护等级电子信息系统A级1)大型计算中心、大型通信枢纽、国家金融中心、机场、大型港口、火车枢纽站等。2)甲级安全防范系统,如国家文物、档案库的闭路电视监控和报警系统。3)大型电子医疗设备和五星级宾馆。B级1)中型计算中心、中型通信枢纽、移动通信基站、大型体育场(馆)监控系统、证券中心。2)乙级安全防范系统,如省级文物、档案库的闭路电视监控和报警系统。3)雷达站、微波站、高速公路监控和收费系统。4)中型电子医疗设备。5)四星级宾馆。C级1)小型通信枢纽、电信局。2)大中型有线电视系统。3)三星级以下宾馆。D级除上述A、B、C级以外一般用途的电子信息系统设备。
 
根据被保护建筑物所在地区的地形地质和气象条件情况,以及建筑物内各楼层及楼顶被保护的电子信息系统设备的分布状况,本设计方案确定本项目的雷电防护等级为B级。
 
3.2 防雷系统设计
 
3.2.1 系统要求
 
根据分区的原则,应在机房系统不同防雷区界面,对正常不带电的金属直接进行等电位连接,而对带电的线路则使用SPD(过电压保护器)做等电位连接。根据界面的不同,使用不同试验波形、不同能量、不同容量的SPD安装在不同的位置,构成分级防护。
 
第一级能承受直接雷击的高能量SPD,泄放雷电流的主要能量。这一级的防护不在本方案的设计范围内,本方案重点设计第二级和第三级。
 
第二级限制雷电经过第一级的残压或产生的感应过电压。第三级对设备进行精细保护,同时限制操作过电压。防雷方案中须考虑防雷器失效情况下的保护电路设计,要包含对地电位反击的防护措施。
 
3.2.2 防雷器的配置
 
在大楼机房内UPS配电柜SD01和SD02输入端各安装1个二级电源防雷器,接在进入大楼的电力电缆末端。这些防雷器与机房大楼的一级防雷相配合,实现二级防雷措施,防止将雷电引入机房内供电系统,对整个机房的用电设备进行有效的保护。
 
机房内电气设备的保护,一般采用C级防雷器。针对一般机房设备的分布特点,在机房内UPS输出配电柜PM-A和PM-B输入端,各安装B级电源防雷器,实现三级防雷措施对机房内的各种用电设备进行保护。
 
3.2.3 防雷器选择
 
选用电源用SPD考虑的原则:
 
1)被保护设备所处雷区的雷电浪涌强度;
2)被保护设备对雷电浪涌的暴露程度;
3)被保护设备的重要程度和价值。
 
选用电源用SPD考虑的主要技术参数有最大放电电流Imax、持续工作电压Uc、漏电流Ip。
 
1) 最大放电电流Imax 在配电柜电源输入端,可加装第二级保护。以衢州为例,已测到的最大雷电流强度为122 kA,年雷暴日数为45 d,属多雷区。
 
根据《建筑物防雷设计规范(GB 50057—94)》,感应雷最大电流Ig可按最大雷电流强度Is的50%计算,取安全系数Ks=1.3,则有Imax2≥Ks×Ig=Ks×Is×50%=1.3×122×50%=79.3(kA)对一些重要的微电子设备,可以在设备前端加装第三级保护,其目的是可以获得更低的残压,使保护更可靠。根据GB 50057—94,感应雷最大电流Ig可按最大雷电流强度Is的30%计算,取最大雷电流强度为122 kA×50%=61 kA,取安全系数Ks=1.3,则有Imax3≥Ks×Ig=Ks×Is×30%=1.3×61×30%=23.79(kA)
 
2) 持续工作电压Uc 浪涌保护器的最大连续工作电压小于Uc,应满足使用现场电网电压的波动。对于供电质量比较差的地区,Uc至少应大于320 V。因为浪涌保护器的工作时间是以微秒计算,一般不超过100 μs,而工频电压一个周波长为20 ms,足以烧坏浪涌保护器。
 
3) 漏电流Ip 漏电流根据《计算机信息系统防雷保护器(GA 173—98)》规定,并联型电源避雷器的漏电流应小于20 A。漏电流Ip越大,电涌保护器将聚集能量而发热的可能性增大,而漏电流又是随着压敏电阻的温度升高而增大的,因此,此时该压敏电阻就处于恶性循环状态。这也表明了漏电流随时间的变化率(增加率)越大,电涌保护器聚集能量将越快,从而性能会越差,保护器使用寿命下降。一般情况下,保护器的漏电流小于10 A为宜。
 
根据SPD的选用原则和主要技术参数,我们使用德国OBO BETTERMANN公司的防雷及过电压保护器(SPD)。二级电源防雷器采用型号规格为V25-B C/3 NPE的防雷产品,三级电源防雷器采用型号规格为V25-C/3 NPE的防雷产品,其主要技术参数均符合技术要求。
 
3.3 配电柜中防雷器的设计图
 
配电柜中的防雷器设计图见图2、图3。
图2 电源防雷器示意图
图3 市电输入柜内的二级SPD防雷器设计图
 
4 接地系统设计
 
机房防雷接地系统设计为多点联合接地方式,将强电、弱电、安全保护、防雷共用接地由汇流接地排重复引入大地。
 
做好计算机机房接地系统的建设主要有两个目的:
 
1)机房建立接地系统是为了设备和人身的安全。在机房中要做到安全用电,保护设备和工作人员的安全,做好接地系统建设是必需的。特别是做好防雷电的措施,对人和设备的安全尤为重要。
 
2)机房建立接地系统是计算机设备稳定、可靠工作的需要。由于计算机设备和通讯设备都要求有可靠的工作参考点,即等电位。另外,还有防干扰的屏蔽问题和防静电的问题,都需要通过建立良好的接地系统解决。
 
在接地系统设计时,首先要求土建在主机房、配电室内预留弱电系统专用接地点,接地电阻阻值≤1 Ω。然后,在中心机房、运营商机房、监控室、UPS配电室等区域使用30 mm×4 mm的紫铜排安装组成共用的等电位接地铜网,机房内所有设备的金属外壳和金属线管、龙骨等金属部件都必须接地处理,采用ZR-BVR 6 mm2的导线与接地铜网连接。
 
监控室、配线间内所有设备的金属外壳和金属线管等金属部件都必须接地处理,采用规格ZR-BVR 6 mm2导线与接地铜网连接。
 
根据机房需要,我们把一定截面积的铜带,在活动地板下面交叉排成600 mm×600 mm的方格,其交叉点与活动地板支撑架的位置交错排列。交点处用锡镍焊接或压接在一起。为了使直流网格地与大地绝缘,在铜带下应垫上2~3 mm厚的绝缘板,形成与结构楼板地面的绝缘,其对地电阻为1 MΩ以上,绝缘板选用绝缘强度高、吸水性差、耐油污的材料制作。活动地板的支撑架,通过ZR-BVR 6 mm2导线与接地铜网连接。
 
为确保配电柜、UPS设备、精密空调和机柜等重要设施的接地效果,设计方案中采用2根不同长度的ZR-BVR 10 mm2导线与铜网连接。
 
机房装修工程中的防雷接地,主要共用的接地铜网必须可靠地和大楼等电位体相连接。本项目中,机房共用接地网通过2根不同长度的ZR-BVR 50 mm2导线和大楼等电位体。
 
5 施工工艺
5.1 施工过程具体要求
1)主机房、电源间的地面用30 mm×4 mm铜带敷设环行接地母线,地板支架接地点主机房内不少于30点。
2)机房内所有的工作地、安全保护地、防静电接地、金属隔断、金属门窗,和线槽、管道、电缆屏蔽层等等,均接在该地网上,形成联合接地。联合接地的接地电阻值应≤1 Ω。
3)所有机柜和设备采用设备或外壳对角线两点与接地母线紧密连接,接地支线应尽可能短。
4)配电柜接地排与接地母线连接。
5)等电位接地网格与引至本层的专用接地母线采用接地端子排进行连接。见图4。
图4 机柜、配电柜等设备的接地示意图
6)接地线不能并接,接地汇流排上的每个螺丝只能接一根地线,接地线应符合要求,且接触良好并做好防氧化处理。
 
5.2 吊顶龙骨防雷接地
吊顶主龙骨采用轻钢QC75铁质龙骨,副龙骨采用T型(或三角型嵌入式)钢制龙骨,在龙骨的连接、交叉处用自攻螺丝紧固加强联接性能,规格ZR-BVR 6 mm2的等电位接地线与机房接地母排联接成一体。
 
5.3 钢骨架金属板墙面防雷接地
采用金属骨架联接成一个整体的钢质骨架,与表面金属钢板电气连接。再用铜芯线与机房接地母排联接一体。
 
5.4 防静电活动地板防雷接地
用铜带在机房活动地板下交叉排成方格,其交叉点与活动地板支撑的位置交错排列。交点处压接在一起。为了使直流网格地和大地绝缘,在铜带下垫约3 mm厚的绝缘物体。直流接地干线由大楼提供专用接地就近引入。
活动地板的钢质支架用电线相互连接,再与机房接地母排联接一体。另外,非计算机系统的管和金属的门、窗等均作接地处理且保证等电位。
 
5.5 其他防雷接地
1)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;
2)各类接地装置的安装及其接地电阻值应符合设计要求,连接正确;
3)交流电源线路不得于直流工作地线紧贴平行敷设;
4)等电位连接可靠,接地材料选择铜质材料。
 
6 结 语
防雷接地系统的成功建设,顺利通过了政府有关部门的验收,为中心机房的安全应用奠定了扎实基础。
本次机房工程中防雷接地的设计方法,简单明了,易于理解。建设内容的投入资金较少,应用效果良好。本项目已成为业界的经典工程,并具有良好的示范作用和推广意义。

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