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机房防雷接地及安全供电

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機房供電工程(三)機房防雷接地及安全供電
 

機房防雷接地及安全供電 
摘要:雷電和浪涌電壓是電子化時代的一大公害。

 

 

一、概述

 

 

隨著通信技術、計算機技術、信息技術的飛速發展,如今已是電子化時代,日益繁忙龐雜的事物通過計算機、自動化設備及通信的發展變得井然有序,而這些敏感電子設備的工作電壓卻在不斷降低,這些高精度的微電子計算設備內置大量的CMOS半導體集成模塊,導致過壓、過流保護能力極其脆弱。(美國通用研究公司提供磁場脈沖超過0.07高斯,就可引起計算失效;磁場脈沖超過2.4高斯就可以引起集成電路永久性損壞。)且電子設備的數量和規模不斷擴大,因而它們受到過電壓特別是雷電襲擊而受到損壞的可能性就大大增加,這是由于以雷擊中心1.5km-2.0km范圍內都可能產生危險過電壓,損壞線路上的設備;其后果可能使整個系統的運行中斷,并造成難以估計的經濟損失,雷電和浪涌電壓成了電子化時代的一大公害。

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防雷器(SPD)是在最短時間(納秒級)內將被保護線路連入等電位系統中,使設備各端口電位相等,同時釋放系統中因雷擊而產生的大量脈沖能量,并短路泄放到大地,降低設備各接口端的電位差,從而保護線路上用戶的設備。對系統設備而言,電源線路和信號線路是雷電襲擊產生過電壓并傳導的兩條主要通道,因此防雷可分建筑物防)、電源系統防雷和信號系統防雷。
雷電入侵渠道分析
雷電過電壓對機房系統電子設備的損害主要有以下三個途徑進入:一、直擊雷經過接閃器(如避雷針(帶))而直放入地,導致地網地電位上升,高電壓由設備接地線引入電子設備造成地電位反擊。二、雷電流沿引下線入地時,在引下線周圍產生磁場,引下線周圍的各種金屬管(線)上經感應而產生過電壓。三、進出大樓的電源線和通信線等在大樓外受直擊雷或感應雷而加載的雷電壓及過電流沿線竄入,入侵電子設備。雷電對電氣設備的影響,主要由以下四個方面造成:
1、 直擊雷
直擊雷蘊含極大的能量,電壓峰值可達5000KV,具有極大的破壞力。如建筑物直接被雷電擊中,巨大的雷電流沿引下線入地,會造成以下三種影響:
a:巨大的雷電流在數微秒時間內流下地,使地電位迅速抬高,造成反擊事故,危害人身和設備安全。
b:雷電流產生強大的電磁波,在電源線和信號線上感應極高的脈沖電壓。
c:雷電流流經電氣設備產生極高的熱量,造成火災或爆炸事故。

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2、傳導雷
遠處的雷電擊中線路或因電磁感應產生的極高電壓,由室外電源線路和通信線路傳至建筑物內,損壞電氣設備。
3、感應雷
云層之間的頻繁放電產生強大的電磁波,在電源線和信號線上感應極高的脈沖電壓,峰值可達50KV。
4、開關過電壓
供電系統中的電感性和電容性負載開啟或斷開、地極短路、電源線路短路等,都能在電源線路上產生高壓脈沖,其脈沖電壓可達到線電壓的3.5倍,從而損壞設備。破壞效果與雷擊類似。由此產生的雷電過電壓對電子設備的破壞主要有以下幾個方面:
(1)損壞元器件
a:過高的過電壓擊穿半導體結,造成永久性損壞;
b:較低而更為頻繁的過電壓雖在元器件的耐壓范圍之內,亦使器件的工作壽命大大縮短;
c:電能轉化為熱能,毀壞觸點、導線及印刷電路板,甚至造成火災;
(2)設備誤動作及破壞數據文件
因此,應根據實際情況具體分析,采取相應的防雷保護措施,確保通信系統的安全工作。
我們對以上三種途徑對整個入侵的雷電壓及過電流進行防護。
因此,應根據實際情況具體分析,采取相應的防雷保護措施,確保計算機機房系統的安全工作。
根據雷電電磁脈沖防護理論和實踐經驗證明,電子信息設備損壞的主要原因是雷電感應浪涌電壓造成的。它可以通過各種引線把感應浪涌電壓波引入電子信息設備內部,破壞其芯片和接口。
從以上雷電入侵渠道的分析中可以得出:在整個計算機機房系統防雷工程中,必須在電源系統、數據信號系統進行可靠、有效的防護工作,并具有可靠的接地裝置。
本方案所采取的措施正是基于以上分析,從各種可能引入雷電流和感應浪涌及各種過電壓的電源和數據信號線路入手,選用優質的電源及數據信號防雷器件,對機房內設備及其它重要終端進行保護。
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雷電保護分區
根據IEC(國際電工委員會)雷電保護區的劃分要求,建筑物大樓外部是直接雷的區域,在這個區域內的設備最容易遭受損害,危險性最高,是暴露區,為0區;建筑物內部及計算機房所處的位置為非暴露區,可將其分為1區、2區,越往內部,危險程度越低,雷電過電壓對內部電子設備的損害主要是沿線路引入(如圖1)。保護區的界面通過外部的防雷系統、建筑物的鋼筋混凝土及金屬外殼等構成的屏蔽層而形成。電氣通道以及金屬管則通過這些界面,穿過各級雷電保護區的金屬構件必須在每一穿過點做等電位連接。
進入建筑物大樓的電源線和通訊線應在LPZ0與LPZ1、LPZ1與LPZ2區交界處,以及終端設備的前端根據IEC1312——雷電電磁脈沖防護標準,安裝上OBO之不同類別的電源類SPD,以及通訊網絡類SPD(如圖2)。(SPD瞬態過電壓保護器),SPD是用以防護電子設備遭受雷電閃擊及其它干擾造成的傳導電涌過電壓的有效手段。

 

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選用和使用SPD注意事項:
應在不同使用范圍內選用不同性能的SPD。在選用電源SPD時要考慮供電系統的形式、額定電壓等因素。LPZ0與LPZ1區交界處的SPD必須是經過10/350us波形沖擊試驗達標的產品。對于信號SPD在選型時應考慮SPD與電子設備的相容性。
SPD保護必須是多級的,例如對大樓電子設備電源部分雷電保護而言,至少應采取泄流型SPD與限壓型SPD前后兩級進行保護。為各級SPD之間做到有效配合,當兩級SPD之間電源線或通訊線距離未達規定要求時,應在兩級SPD之間采用適當退耦措施。
信號SPD應滿足信號傳輸速率、工作電平、網絡類型的需要,同時接口應與被保護設備兼容。信號SPD由于串接在線路中,在選用時應選用插入損耗較小的SPD。在選用SPD時,應讓供應商提供相關SPD技術參數資料。正確的安裝才能達到預期的效果。SPD的安裝應嚴格依據廠方提供的安裝要求進行安裝。
等電位連接的要求
實行等電位連接的主體應為:設備所在建筑物的主要金屬構件和進入建筑物的金屬管道;供電線路含外露可導電部分;防雷裝置;由電子設備構成的信息系統。
實行等電位連接的連接體為金屬連接導體和無法直接連接時而做瞬態等電位連接的電涌保護器(SPD)。
通過星型(S型結構或網形M型)結構把設備直接地以最短的距離連到鄰近的等電位連接帶上。小型機房選S型,在大型機房選M型結構。機房內的電力電纜(線)、通信電纜(線)宜盡量采用屏蔽電纜。架空電力線由終端桿引下后應更換為屏蔽電纜,進入大樓前應水平直埋50m以上,埋地深度應大于0.6m,屏蔽層兩端接地,非屏蔽電纜應穿鍍鋅鐵管并水平直埋50m以上,鐵管兩端接地。

二、設計依據
依據國際電工委員會IEC標準、德國VDE標準和中國GB標準與部委頒發的設計規范的要求,計算機機房系統設備等都必須有完整完善之防護措施,保證該系統能正常運作。這包括機房電源供電系統、監控系統等裝置應有防護裝置保護。
2.1 GB50057-94〈建筑物防雷設計規范〉
2.2 GB50174-93〈計算機房防雷設計規范〉
2.3 GB2887-89〈計算站場地技術文件〉
2.4 GB9361-88〈計算站場地安全要求〉
2.5 JGJ/T16-92〈民用建筑電氣執行規范〉
2.6 GA173-1998〈計算機信息系統防雷保安器〉
2.7 IEC1312〈雷電電磁脈沖的防護〉
2.8 IEC61643〈SPD電源防雷器〉
2.9 IEC61644〈SPD通訊網絡防雷器〉
2.10 VDE0675〈過電壓保護器〉
2.11 GB50343-2004〈建筑物電子信息系統防雷技術規范〉 (一)直擊雷防護:
三、設計方案
根據“分析概述”及“設計依據”對防雷系統的要求,結合計算機機房系統具體實際情況設計本方案,由于雷電侵害,通信系統、計算機系統等時常遭受打擊,輕者接口損壞,通信中斷或數據誤、錯碼,重者使系統癱瘓,嚴重影響工作的順利進行。因此,雷電已成為電子信息時代的一大公害,雷電防護已成為電子設備急需解決的問題。
雷擊附近的建筑物、避雷針(塔)或雷擊遠處的電源通信線路,都會在設備或接口處產生極高的感應電壓,對設備造成威脅,據統計,感應雷、傳導雷對電子設備的損壞已占雷擊損壞的80%以上。現代防雷強調在作好直擊雷防護的前提下,更應采取均壓等電位連接,屏蔽,聯合接地,箝位保護等新技術,分區分級做好精密儀器、計算機網絡系統等敏感電子設備的雷電電磁脈沖的防護。
直擊雷防護系統包括接閃器(避雷針、避雷帶)、引下線、地網三個部分。直擊雷防護系統起到了保護建筑物結構、提供雷擊放電的通道的作用。當建筑物遭到直接雷擊時,接閃器接閃雷電,雷電流沿引下線到地網,流到大地。在設計時要求接閃器最先可靠接閃,接地網的接地電阻較低。
(二)電源防雷:5.gif
目前,經實際運行經驗驗證,由電源系統耦合進入的感應雷擊造成設備的損壞占雷擊災害損失60%以上的概率。因此,對電源系統的避雷保護措施是整個防雷工程中必不可少的一個環節。要防止由外輸電線路的感應雷電波和雷電電磁脈沖的侵入,使其在進入大樓電源系統之前將其泄放入地。
由于單級防雷可能會帶來因雷電流過大而導致的泄流后殘壓過大或者保護能力不足引起的設備損壞。因此采用電源系統多級保護。

1、機房電源系統的防雷
根據機房大小及設備保護的重要程度,采用一級、二級或三級防雷,設備末端需要有防浪涌插座。在大樓低壓配電屏已設置一級電源防雷裝置的基礎上,至少在機房配電柜上口再加設二級電源防雷裝置。防雷器裝置在接地、連接等方面均須滿足國家標準。在設備終端處采用帶突波吸收功能的電源插座為設備提供電源,對設備進行防浪涌保護。
電源第一級防雷保護:
在總配電柜內,三相B級電源防雷器,進行電源第一級防雷保護,主要作用是泄放掉電源線路上大部分的雷電流。并聯安裝于主斷路器的出線側,并在防雷器回路中串接32A/3P空開,做為防雷器自身脫扣裝置失效下的保護。
電源第二級防雷保護:
在機房內UPS電源前端,安裝單相C級電源防雷器,做為電源系統的第二級防雷保護,主要作用是限制電源線路上的過電壓。并聯安裝于主斷路器的出線側,并在防雷器回路中串接20A/1P空開,做為防雷器自身脫扣裝置失效下的保護。
電源第三級防雷保護:
在監控機房內重要設備電源處,安裝單相D級電源防雷插座,做為電源系統的第三級防雷保護。其作用是當發生能量大的雷擊時,感應雷電流在經過B級、C級防雷器的泄放后,其殘壓仍然可能高于設備的最高耐壓值,重要設備的端口及內部的高精度集成電路比較脆弱,仍有可能被燒壞。因此,D類防雷器的安裝就顯得特別必要了。TPSD10JF7防雷插座能將過電壓的水平限制在設備所能承受的水平內。這樣,經過D類防雷器的泄放,設備的安全運行就更為可靠了。

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配電柜采用的空氣開關應選擇進口或合資產品。配電柜內的二級電源避雷器,選用進口可靠性高的產品,容量≥60kA(8/20s)的型號。
2.機房信號系統的防雷
根據配置要求,機房內在安裝電源防雷器的同時必須加裝信號避雷器,以便保護與通信網絡、數據網絡和計算機網絡相連的重要設備。

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(1)所有建筑物進出線路(含天饋線路)均應加信號防雷器。
(2)網絡布線系統:機房總迸線部分加裝信號防雷器,在部分特別重要的服務器或設備前加裝避雷器,對此類特別重要設備進行保護。
(3)設備監控系統:所有模塊加裝信號防雷器。圖3-17是電視監控系統浪涌電壓保護原理圖。
(4)門禁系統:在門禁管理主機前加裝信號防雷器。
所有信號避雷器應具備以下功能:
(1)保護l000/l00/l0BASE-T以太網接口卡和LAN設備接人線。
(2)保護數據終端及個人電腦串口。
(3)在持續性故障時具有失效保護短路功能。
(4)在長時司持續性過壓、異常強烈的雷電沖擊情況下,要安全斷開。
4、等電位連接:
分別在32號院和33號院的監控機房的防靜電活動地板下,采用30×3紫銅排做等電位連接網格。機房內各設備機殼、金屬管道、金屬門窗、地板支架等都采用6mm2接地線以最短的距離和與等電位網格連接。使監控機房內所有設備處于等電位狀態。

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