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数据中心机房综合防雷解决方案_接地、避雷、三级电涌器安装、接地网施工、接地网转换引出
作者:段进成    发布于:2014-08-30 10:40:46    文字:【】【】【
摘要:该文对铁路计算机机房分等级防雷标准,防雷措施,施工注意事项进行阐述,并对不同类型的机房防雷系统的技术指标作了具体论述

数据中心机房综合防雷解决方案


随着铁路计算机网络应用系统不断深入、系统规模不断扩大,计算机机房“雷害”事故的问题也越来越突出。在计算机网络通信设备逐渐取代以前落后的通信设备的过程中,其本身的防雷问题也逐渐显露出来,广梅汕铁路有限责任公司管内地区的计算机机房在雷雨季节以往经常发生“雷害”设备故障,致使网络应用系统运行中断,严重干扰了行车安全,直接影响了公司的铁路运输生产效益。

  造成计算机网络设备“雷害”故障频发的原因是,系统采用的大量联网微电子设备,有的没有按照国家、国际防雷标准进行计算机和网络通信设备实施综合的防雷保护。

  广梅汕铁路有限责任公司下属各计算机网络机房都处在广东的传统强雷击区,据建设部《建筑气象参数标准》中全国主要城镇雷暴日数文章中提供的数据表明,广州地区的年平均雷暴数为87.6日,属高雷暴地区。根据现场地形分析:广梅汕铁路有限责任公司下属各计算机网络机房都分布在野外铁路沿线上,且建筑物的四周较为空旷,在计算机机房前面是延伸的钢轨,所处理环境非常恶劣。根据最近铁道部对铁路沿线通信设备的防雷要求,广梅汕铁路有限责任公司下属的计算机机房都要进行综合的保护。

  本着可靠安全及节省节约的原则,广梅汕铁路有限责任公司下属的计算机机房可按机房的重要程度、规模大小分为三类(即大型机房、中型机房和小型机房)。针对这三类机房做出最有效、最经济、最适当的防雷解决方案对其进行完善综合防雷保护。

1 综合防雷的理论依据

  1.1 防雷区域的划分

  按照IEC61312-1介绍,应将需要保护的空间划分为不同的防雷区(LPZ),以确定各部分空间不同的LEMP(雷闪电磁脉冲)的严重程度和相应的防护对策。

  1.1.1防直击雷区LPZOA

  本区内的各物体都可能遭到直接雷击,因此各物体都可能导走大部雷电流。本区内的电磁场没有衰减。

  1.1.2 防间接雷区:LPZOB

  本区内的各物体不可能遭到直接雷击,流经各导体的电流,比LPZOA 区减少,但本区内电磁场没有衰减。

  1.1.3 防LEMP冲击区LPZ

  本区内的各物体不可能遭到直接雷击,流经各导体的电流,比

  LPZOB区进一步减小,本区内的电磁场已经衰减,衰减程度取决于屏蔽措施。如果需要进一步减小导入的电流和电磁场,就应再分出后续防雷区,如防雷区LPZ2等,应按照保护对象的重要性及其承受浪涌的能力,作为选择后续防雷区的条件,通常,防雷区划分级数越多,电磁环境的参数就越低。

机房雷电保护措施

 

  1.2 雷电过电压对建筑物内部电子设备的损害主要的三个途径

  1)直击雷经过避雷针(带)而直放入地,导致地网地电位上升。地电位的高电压通过设备的接地线引入电子设备造成地电位反击。

  2)雷电流沿引下线入地时,在引下线周围产生磁场,引下线周围的各种金属管(线)上经感应而产生过电压。

  3)进出建筑物或设备机房的电源线和通信线等在外部受直击雷或感应雷而加载的雷电压及过电流沿线路入侵电子设备,造成设备因过电压损坏。

  因此,我们需要针对雷击浪涌入侵的三种途径采用相应的措施和相应的防雷设备进行防护。

  根据雷电保护区的划分规则,建筑物大楼外部是直接受到雷击的区域,在这个区域内的设备最容易遭受损害,危险性最高,为暴露区,也就是防雷分区中的LPZ0A区;建筑物内部及机房所处的位置为非暴露区,按其受到的屏蔽层数可将其分为LPZ1区、LPZ2区,越往内部,雷电做成的危险程度也就越低。这时,雷电过电压对建筑物内部电子设备的损害的主要途径就是通过设备的各种线路。因此,要在电气线路以及金属管道在穿过各个不同防雷分区的界面时,各个不带电的金属构件必须要采取等电位连接措施,以防止雷电通过这些途径损坏设备。

  1.3 综合防雷的防护原理

  1.3.1 过电压

  一切对电气设备绝缘有危害的电压升高,统称为过电压。在供电系统中,过电压按其产生的原因不同,通常分为两类:内部过电压与雷电过电压。

  内部过电压指供电系统内能量的转化或传递所产生的电网电压升高。内部过电压的能量来源于电网本身,其大小与系统容量、结构、参数、中性点接地方式、断路器性能、操作方式等因素有关。

  雷电由高能的低频成份与极具渗透性的高频成份组成。其主要通过两种形式损坏设备:一是通过金属管线或地线直接传导雷电致损设备;另一种是雷电流在释放过程中所产生的雷电电磁脉冲,以各种耦合方式感应到金属管道或其它线路上,在管道或线路上产生雷电过电压而损坏设备。对于电子信息设备而言,绝大部分因雷击而损坏设备的原因都为第二种而引起。

  雷电电磁脉冲的危害主要来自于由雷电引起的耦合能量,通过以下三个通道所产生的瞬态浪涌:

  1)金属管道及各类线路,如自来水管、电源线、天馈线、信号线、航空障碍灯的引线等;

  2)地线通道;

  3)空间通道。

  其中金属管道上产生的浪涌过电压和地线通道的地电位反击是电子信息系统因雷击而损坏的主要原因,所以对这一部分需要作重点防护。

  1.3.2 泄放和均衡

  雷电防护的中心内容是泄放和均衡。 泄放是将雷电与雷电电磁脉冲的能量通过大地泄放,并且应符合层次性原则,即尽可能多、尽可能远地将多余能量在引入通信系统之前泄放入地;层次性就是按照所设立的防雷保护区分层次对雷电能量进行削弱。

  均衡就是保持系统各部分不产生足以致损的电位差,即系统所在环境及系统本身所有金属导电体的电位在瞬态现象时保持基本相等,这实质是基于均压等电位连接。由可靠的接地系统、等电位连接用的金属导线和等电位连接器(防雷器)组成一个电位补偿系统,在瞬态现象存在的极短时间里,这个电位补偿系统可以迅速地在被保护系统所处区域内所有导电部件之间建立起一个等电位,这些导电部件也包括有源导线。通过这个完备的电位补偿系统,可以在极短时间内形成一个等电位区域,这个区域相对于远处可能存在数十千伏的电位差。重要的是在需要保护的系统所处区域内部,所有导电部件之间不存在显著的电位差。

  1.3.3 雷电防护系统

  雷电防护系统由三部分组成,各部分都有其重要作用,不存在替代性。外部防护,由接闪器、引下线、接地体组成,可将绝大部分雷电能量直接导入地下泄放。过渡防护,由合理的屏蔽、接地、布线组成,可减少或阻塞通过各入侵通道引入的感应。内部防护,由均压等电位连接、过电压保护组成,可均衡系统电位,限制过电压幅值。

  雷电过电压保护的基本原理是在瞬态过电压的极短时间内,在被保护区域内的所有导电部件之间建立一个等电位,这种导电部件包括了供电系统的有源线路和信号传输线。并要在极短的时间内,将高达数十千安培的雷电流从电源传输线和信号传输线传导入地。

  1.3.4 防护措施

  IEC /TC-81将整体防雷总结为:DBSE技术—即分流(Dividing)、均压(Bonding)、接地(Earthing)、屏蔽(Shielding)等措施。只要从设计阶段综合考虑四项措施,符合相应的防雷接地规范,就能起到理想的防护效果。
2 综合防雷的设计标准与规范

  中华人民共和国铁道行业标准《铁路电气设备防雷、电磁兼容及接地工程设计规范》

  TB/T2311—2002 《铁路电子设备用防雷保安器》

  TB/T 3074—2003 《铁道信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件》

  铁运[2000]14号 《中国铁道部技术标准-信号维护规则》

  TB10007-99 《铁路信号设计规范》

  GB 50057—94 《建筑物防雷设计规范》(2000版)

  GB 50169—92 《电器装置安装工程接地装置施工及验收规范》

  GBS0174—93 《通信房防雷设计规范》

  GB9361—88 《计算站场地安全要求》

  GA173—1998 《通信信息系统防雷保安器》

  IEC61024 《建筑物防雷》

  IEC61312 《雷电电磁脉冲的防护》

  3 综合防雷的设计思想

  依据国家防雷相关标准,我们从机房接地、机房内等电位连接、机房线路分级防浪涌保护等方面对该机房进行综合防护。总的防雷保护设计方案按计算机机房的规模及重要程度分为三种情况(大型,中型,小型计算机机房),下面分别针对这三种机房实施各自的防雷保护工作。

4 综合防雷的设计方案

  4.1 大型一类机房的防雷保护

  4.1.1 通常一类计算机机房装有大型服务器、交换设备、路由器、光端机、协议转换器、数据处理器等重要设备。服务器内安装有各系统总数据库,这些服务器正常工作中是不允许停机的,如果因意外停机轻者会导致系统的数据丢失或硬件的损坏,严重时会导致整个系统的崩溃及瘫痪,所以一类计算机中心机房及设备是需要重点进行系统综合防雷保护的。

  4.1.2 机房直击雷的防护(在离机房20米架设独立避雷针保护) 机房的直击雷防护主要针对机房所在建筑物所做的防止直击雷击中建筑物而引起的直接损坏和间接引起的雷电电磁脉冲造成的损坏。通常的做法是在建筑物上安装完善的避雷网、带,加装避雷针,由于通信机房有时所处位置较为空旷,所以不建议在建筑物自身上安装超过建筑物高度的避雷针,其原因在于:传统意义上的避雷针是将雷电通过避雷针进行放电入地,而没有考虑强大的雷电流在通过避雷针时所产生的具有较高能量的雷电电磁脉冲,这种有避雷针引雷直接衍生的雷电电磁脉冲是对现代计算机网络系统的最大威胁。在总结以往工程的基础上,我们避雷针人为的设置在距离20米的机房建筑的位置上,人为的使雷电定位放电,同时由于水平距离对雷电电磁脉冲进行了一定的衰减,较工程改造前由于雷电电磁脉冲造成的设备损害有所减少;对于新建机房有条件的可建防雷混凝土外墙。

  4.1.3 电源系统的感应雷防雷保护

  基于一类机房的重要性及其设备的价值考虑,机房的电源系统应按国际、国内、铁道部系统综合防雷标准采用三级防雷保护。电源采用三级防雷保护有利于雷电流的逐渐释放,把雷电过电压逐级衰减,使之降到设备能承受的范围之内。

  电源第一级电涌保护器(B级spd)主要安装在大楼总配电柜(箱)内,依据国家标准B级SPD的保护水平应<4KV,所以我司在选用B级SPD的产品是采用了经过铁道部测试并认可的华炜HW B 40/7全模式防雷箱,该产品放电电流可达到40KA。

  C级SPD安装在计算机中心机房的分配电柜(箱)内。产品选用了华炜HW C 20/4防雷箱,放电电流可达到20KA。

  D级SPD采用铁道部标准的华炜公司的D级防雷产品,型号为HW D10/3防雷箱,放电流10KA,反应速度小于25ns。安装在设备电源输入的前端,使感应雷电过电压下降到设备承受的范围之内达到保护设备的安全。

  三级电源防雷保护安装如下图

机房三级防雷安装图

  

  4.1.4 通信系统的感应雷防雷保护

  根据资料显示,85%以上的通讯传输设备、计算机设备损坏都是端口损坏,导致无法通信。因此机房设备的系统综合防雷,显然是单有电源的防雷保护是不够的,因为雷电流除了会从电源端入侵外还会通过通信通道入侵。对于计算机网络信号的防雷主要针对的是传输设备及终端设备的保护,根据接口的不同类型,安装相应的防雷设备,可以对馈线、串口、并口、网络接口、各种协议接口、话路配线、E1、光纤等进行全面可靠的保护,从而实现保护机房内设备信号系统的安全。

  4.1.5 机房内等电位连接

  机房的等电位措施主要是减少各设备之间由于点位不均导致的设备间放电而造成的设备损坏。主要做法是在具备静电地板的机房内在静电地板下采用铜箔或铜编织带将静电地板下进行敷设。

机房等电位联接

  等电位连接实例

  4.1.6 合理布线及优化设计

  在计算机机房的综合设计上,除防雷部分需要特殊考虑外,设备的摆设及走线也是需要细致的设计,机房的合理布线,通常也会对设备的运行安全起到作用。在机房设备间进行走线时,要注意合理布线及电磁屏蔽,应尽量避免强弱电在同一个线槽内,并且强弱电系统应独立切分开,如遇临近走线时尽量相交避免平行。同时在机房的设备摆放上应注意,在设备与建筑立柱及靠墙之间的距离,最小应大于1.5米,如靠墙太近这容易造成墙内的钢筋在泄流时对设备进行闪络放电。

  4.2 中型二类机房的防雷保护

  通常二类计算机机房装有PC服务器,交换设备及路由器,光端机,协议转换器等设备。服务器内安装有小型数据库;二类机房的防雷保护与一类机房相似,主要的差别在于其防雷保护措施的完善程度,基于二类机房的重要性显然不如一级机房,所以二级机房的电源采用二级组合防雷保护,同时机房内设备用均压环做等电位连接并要在通信线路中安装相应的防雷器做重点保护。

  4.2.1 电源防雷保护

  电源二级保护主要是确保二级机房电源系统的防雷安全,包括对UPS的保护。采用二级保护有利于雷电流的释放,把雷击电流逐级衰减,使之对对电源的危害降到安全范围内。

  第一级电源保护主要针对计算机中心机房的供电保护,从大楼总配电到了机房一般都设有独立分开关控制,第一级防雷器就并联安装在独立分开关的输出端,也就是UPS的进线端。第一级防雷保护采用国际标准的C级保护HW C60/3+1防雷箱,可以阻挡最大60KA(8/20us)的雷电流入侵,反应速度小于25ns,保证了机房开关电源、UPS等设备的防雷安全,使房的电源系统在受到雷击时,不会受到损坏。

  第二级的电源防雷保护主要采用国际标准的D级保护HW D20/2防雷箱,放电流20KA(8/20us),反应速度小于1ns。并联安装在重要设备的前端,做设备级的电源防雷保护,使雷电感应电压下降到小于1.25KV,这样可有效的保证到重要设备的电源安全。

  4.2.2 接地电阻

  机房内等电位连接、地网建设和通信线路的防雷保护与一类机房相同,但对于地网的接地电阻值要求为小于2个欧姆。

  4.2.3 通信系统的防雷保护

  同一类机房一样,通讯系统的防雷主要是在传输设备及终端设备上根据接口安装相应的防雷设备,保护馈线、串口、并口、网络接口、各种协议接口、话路配线、E1、光纤等,从而实现保护机房内设备信号系统的防雷安全。

  4.3 小型三级机房的防雷保护

  通常三类计算机机房装有PC机,路由器,调制解调器设备。基于三类机房的重要性显然不如一、二级机房,同时考虑到大部分站场都已经进行过防雷综合改造及地网改造,所以针对这样的三级计算机机房主要是对电源及信号设备进行重点保护。

  电源保护主要是确保计算机中心的电源系统安全,把感应雷击对电源造成的危害降到最低。防雷器选用放电流20KA(8/20us)的避雷器,反应速度小于1ns。并联安装在重要设备的前端,做设备级的电源防雷保护,使雷电感应电压下降到小于1.25KV,这样可有效的保证到重要设备的电源安全,同样要在机房内设立均压汇流排。

  通信系统的防雷保护同样与一、二类机房一样,主要是在传输设备及终端设备上根据接口安装相应的防雷设备,保护馈线、串口、并口、网络接口、各种协议接口、话路配线、E1、光纤等机房内设备。

  根据三级计算机机房的实际情况,对于三级计算机机房的防雷地网的接地电阻值建议应该小于4Ω。

5 根据机房的规模和用途分类:

  1)大型计算机房(一类计算机机房)建议:

  地网阻值小于1Ω

  电源采用3级保护

  机房用均压环做等电位连接

  通信线路重点保护

  2)中型计算机房(二类计算机机房)建议:

  地网阻值小于2Ω

  电源采用2级保护

  机房用均压环做等电位连接

  通信线路重点保护

  3)小型计算机房(三类计算机机房)

  地网阻值小于4Ω

  电源采用1级保护

  机房用接地汇接排做等电位连接

  通信线路重点保护

  6 工程施工

  6.1 电源及信号避雷器的安装施工

  安装电源避雷器时,要求避雷器的接地端与地网之间的连接距离尽可能越短越好。如果避雷器接地线拉得过长,将导致避雷器上的限制电压过高,可能使避雷器难于起到应有的保护作用。

  电涌保护器的接线线径根据下表选择:

接地线规格选择

  防护级别SPD的类型导线截面积(mm2)

  SPD相线连接铜导线SPD接地端连接铜导线

  B级开关型1625

  C级限压型1016

  D级限压型610

  ●电源避雷器的连接引线,必须有足够粗,并尽可能短;

  ●如果引线长度超过1 m时,应尽可能加大引线的截面积

  ●引线应紧凑并排或帮扎布放

  ●电源避雷器的接地线尽可能就近可靠接地,距离不宜超过5~10m

  ●避雷箱安装要紧贴墙安装,安装要牢固,并紧靠近机房配电箱

  ●电源避雷器的连接螺栓连接紧密、牢固,有防松措施

  ●地线要用绿、黄色相间条纹的专用导线,并在接头处做好 地线标识

  ●施工时要断电操作,保证人员设备安全

  通信部分——重点是保证线路安全畅通,安装时要要特别注意线不能接反接错,地线要连接可靠,不能有松动及接触不良的现象。

  6.2 避雷针、带安装施工

  避雷针、带与引下线之间连接应采用焊接。

  避雷针、带的引下线及接接地装置使用的紧固件均应使用镀锌制品。当采用没有镀锌的地脚螺栓时应采取防腐措施 。

  建筑物上的防雷设施采用多根引下线时,宜在各引下线距地面的1.5~1.8m处设置断接卡,断接卡应加保护措施。

  建筑物上的避雷针等金属网应和建筑物顶部的其他金属物连接成一个整体。

  避雷针、带及其接地装置,应采取自下而上的施工程序.首先安装集中接地装置,后安装引下线,最后安装接闪器.

  避雷带安装施工工艺:将Φ12镀锌圆钢调直,避雷带安装时应平直、牢固,不得有高低起伏和弯曲现象,距离建筑物应一致,全长偏差不得大于10mm,避雷带弯曲处不得小于90°,弯曲半径不得小于镀锌圆钢直径的2.5倍。

  焊接时,单边焊长度≥12d,双边焊长度≥6d(d为圆钢的直径)

  6.3 地网施工

  由于采用联合接地,外部防雷系统接闪电流大,防止互扰的角度考虑,地体的铺设应以封闭环行为佳。

  接地网建设方法如下:

  材料使用:水平接地体采用5×50的热镀锌扁钢,垂直接地体采用4×40的热镀锌角钢。

  地沟要求:按照规范要求,开挖的地沟为0.5米宽、0.8米深,如果环境容许,就开挖成网格状闭合环形地网。

  具体方法:垂直接地体每4米一支;水平接地体的驳接处长度大于0.2米,采用四面焊接工艺;垂直体与水平体焊接全面;焊接处全部采取擦抹沥青防腐;接地体敷设完后的土沟,回填土要用筛选过的没有杂物的泥土回填,回填土不应夹有石块和建筑垃圾等,外取的土壤不得有较强的腐蚀性,在回填时应分层夯实。

   下图为地网施工示意图:

机房接地网安装示意

  铜铁转换头的安装见下图:

机房接地装置安装

 

  7 结束语

  计算机机房根据机房防雷按三类划分后,以防雷的原则和实践相结合,凡是按本方案实施防雷措施的机房和设备基本杜绝了“雷害”,做到了少投入效果满意的结果。


 

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