机房防雷解决方案

机房防雷解决方案

机房防雷解决方案

一、说明
1、概述
    众所周知,雷电具有极大的破坏性,其电压高达数百万伏,瞬间电流可高达数十万安培。雷击所造成的破坏性后果体现于下列三种层次:①设备损坏,人员伤亡;②设备或元器件寿命降低;③传输或储存的信号、数据(模拟或数字)受到干扰或丢失,甚至使电子设备产生误动作而暂时瘫痪或整个系统停顿。目前,世界上各种建筑、设施大多数仍在使用传统的避雷针防雷。用避雷针防止直接雷击实践证明是经济和有效的。但是,随着现代电子技术的不断发展,大量精密电子设备的使用和联网,避雷针对这些电子设备的保护却显得无能为力。避雷针不能阻止感应雷击过电压、操作过电压以及雷电波入侵过电压,而这类过电压却是破坏大量电子设备的罪魁祸首。每年各种通讯控制系统或网络因雷击而受破坏的事例屡见不鲜。
现代防雷技术系统的防雷方案包括外部防雷和内部防雷两个方面: Ø外部防雷包括避雷针、避雷带、引下线、接地极等等,其主要的功能是为了确保建筑物本身免受直击雷的侵袭,将可能击中建筑物的雷电通过避雷针、避雷带、引下线等,安全泄放入大地

Ø内部防雷系统是为保护建筑物内部的设备以及人员的安全而设置的。通过在需要保护设备的前端安装合适的防雷器,使设备、线路与大地形成一个有条件的等电位体。将可能进入的雷电流阻拦在外,将因雷击而使内部设施所感应到的雷电流得以安全泄放入地,确保后接设备的安全。
    避雷带、引下线(建筑物钢筋)和接地等构成的外部防雷系统,主要是为了保护建筑物本体免受雷击引起的火灾事故及人身安全事故,而内部防雷系统则是防止感应雷和其他形式的过电压侵入设备造成损坏,这是外部防雷系统无法保证的。
2、防雷方案设计依据
(1)建筑物防雷设计规范                              GB50057-94
2) 电子计算机机房设计规范                          GB50174-93
(3) 民用建筑电气设计规范                            JGJ/T16-92
(4) 计算站场地安全要求                              GB9361-88
(5) 计算站场地技术文件                              GB2887-89
(6) 计算机信息系统防雷保安器                        GA173-1998
(7) 雷电电磁脉冲的防护                              IECI312
(8) 微波站防雷与接地设计规范                        YD 2011-93
(9) 通信局(站)接地设计暂行技术规定                YDJ26E9
二、雷害的途径分析
    雷电对电气设备的影响,主要由以下四个方面造成:①直击雷;②传导雷; ③感应雷;④开关过电压。
    直击雷:雷电直接击中建筑物,雷电不到50%的能量将会从引下线等外部避雷设施泄放到大地,其中接近40%的能量将通过建筑物的供电系统分流,其中5%左右的能量通过建筑物的通信网络线缆分流,其余的雷击能量通过建筑物的其他金属管道、缆线分流。这里的能量分配比例会随着建筑物内的布线状况和管线结构而变化。直击雷波形为10/350us。

  传导雷(雷电波侵入):在更大的范围内(几公里甚至几十公里),雷电击中电力或信息通讯线路,然后沿着传输线路侵入设备。其中地电位反击也是传导雷中的一种:雷电击中附近建筑物或附近其他物体、地面,导致地电压升高,并在周围形成巨大的跨步电压。雷电可能通过接地系统或建筑物间的线路入侵雷电延建筑物内部设备形成地电位反击。
  感应雷(雷电波感应):在周围1000公尺左右范围内(有资料为 500公尺 或 1500公尺 ,距离应随着雷击大小和屏蔽措施而变化)。发生雷击时,LEMP 在上述有效范围内,在所有的导体上产生足够强度的感应浪涌。因此分布于建筑物内外的各种电力、信息线路将会感应雷电而对设备造成危害。
  随着现代高科技的发展,精密仪器,通讯设备,数据网络的应用越来越广泛,因而感应雷造成的雷击事故也越来越多,除直接造成了巨大的经济损失外,因重要设备损坏使系统网络陷入瘫痪后造成间接的损失更是惊人。
三、防雷方案设计思想
1、直击雷的外部防护措施
    虽然有不少专家学者在努力的研究有效的防止直击雷的方法,但直到今天我们还是无法阻止雷击的发生。实际上现在公认的防直击雷的方法仍然是200年前富兰克林先生发明的避雷针。
A. 接闪器
    避雷针及其变形产品避雷线、避雷带、避雷网等统称为接闪器。历史上对接闪器防雷原理的认识产生过误解。当时认为:避雷针防雷是因为其尖端放电综合了雷云电荷从而避免了雷击发生,所以当时要求避雷针顶部一定要是尖端,以加强放电能力。后来的研究表明:一定高度的金属导体会使大气电场畸变,这样雷云就容易向该导体放电,并且能量越大的雷就越易被金属导体吸引。这样接闪器的防雷是因为将雷电引向自身而防止了被保护物被雷电击中。现在认为任何良好接地的导体都可能成为有效的接闪器,而与它的形状没有什么关系。
为了降低建筑被雷击的概率,宜优先采用避雷网、作为建筑物的接闪器,如果屋面有天线等通信设施可在局部加装避雷针保护,这样接闪器的高度不会太高,不会增大建筑的雷击概率。避雷网的网格尺寸应不大于10mX10m,避雷针应与避雷网可靠连接。
B. 引下线
    引下线的作用是将接闪器接闪的雷电流安全的导引入地,引下线不得少于两根,并应沿建筑物四周对称均匀的布置,引下线的间距不大于18米,引下线接头必须采用焊接,引下线应与各层均压环焊接,引下线采用10毫米的圆钢或相同面积的扁钢。对于框架结构的建筑物,引下线应利用建筑物内的钢筋作为防雷引下线。采用多根引下线不但提高了防雷装置的可靠性,更重要的是多根引下线的分流作用可大大降低每根引下线的沿线压降,减少侧击的危险。目的是为了让雷电流均匀入地,便于地网散流,以均衡地电位。同时,均匀对称布置可使引下线泻流时产生的强电磁场在引下线所包围的电信建筑物内相互抵消,减小雷击感应的危险。
C. 接地体
  接地体是指埋在土壤中起散流作用的导体,接地体应采用:钢管直径大于50毫米,壁厚大于3.5毫米;角钢不小于50×50×5毫米;扁钢不小于40×4毫米。 应将多根接地体连接成地网,地网的布置应优先采用环型地网,引下线应连接在环型地网的四周,这样有利于雷电流的散流和内部电位的均衡。垂直接地体一般长为1.5-2.5米,埋深0.6米,地极间隔5米;水平接地体应埋深1米,其向建筑物外引出的长度一般不大于50米。框架结构的建筑应采用建筑物基础钢筋做接地体。根据有关的标准(GB50057-94和GB50174-93),建筑物的防雷接地电阻应在10欧姆以下,机房的接地电阻应在4欧姆以下。
2、直击雷电流在电源系统的分配: 
  根据GB50057-94的标准对直击雷电流分类:
第一类200KA(10/350us)第二类 150KA(10/350us)第三类 100KA (10/350us)
  一个能量为200KA的直击雷,由整个系统的电源、管线、地网、通信网络线来分担。以一栋建筑的防雷来讲,电源部分承担其中近45%(100KA),以三相四线为例,每线承担大约有25KA(10/350us)的雷电流。通信站基本无管道系统,不计。地网和通信线路承担剩余55%的雷电流。由此可见,电源系统对直击雷的防护非常关键。
由此可见,直击雷的内部防护措施应选用10/350us冲击雷电流的开关型SPD产品。另外,对于个别架空线引入的传导雷,也应采用上述一级防护措施。
3、感应雷的防护
  前面已提到感应雷是因为直击雷放电而感应到附近的金属导体中的,其实感应雷可通过两种不同的感应方式侵入导体,一是静电感应:在雷云中的电荷积聚时,附近的导体也会感应上相反的电荷,当雷击放电时,雷云中的电荷迅速释放,而导体中原来被雷云电场束缚住的静电也会沿导体流动寻找释放通道,就在电路中形成电脉冲。二是电磁感应:在雷云放电时,迅速变化的雷电流在其周围产生强大的瞬变电磁场,在其附近的导体中产生很高的感生电动势。研究表明:静电感应方式引起的浪涌数倍于电磁感应引起的浪涌。
    感应雷可以通过电力电缆、视频线、网络线和天馈线等侵入,由于电力电缆的距离长且对雷电波的传输损耗小,所以由电源侵入的感应雷造成的危害十分突出,按原邮电部的统计约占了雷击事故的80%。因此,对建筑物内的系统设备进行感应雷防护时,电源是重点。
感应雷还可以通过空间感应侵入室内的内部线路,虽然经过建筑物和机壳的屏蔽衰减后其能量大为减小,但站内许多电信设备的抗过压能力也很弱,如果处理不当也可能造成设备故障。所以还必须要对有重要设备的网络机房进行防静电和做屏蔽处理;同时由防雷击电磁脉冲的原理得知,网络设备的摆放应该离开墙面一定的安全距离,并避免摆放在大楼的柱子边上;当然还必须选用适当的SPD。
4、接地汇集线的布置
    接地汇集线(汇流排)应布置在靠近防雷器的地方,以使防雷器的接地连接线最短,各楼层的分汇集线应直接与楼底的总汇集线相连,这样能保证实现单点接地方式,当楼层高于30米时,高于30米部分的分汇集线应与建筑物均压环相连,以防止侧击。
近年来IEC的研究认为:接地汇集线的多重互连是有益的,但部标尚未采纳。 
5、等电位连接
    各种系统的防雷要求种类很多,但其防雷思想是一致的,就是努力实现等电位。绝对的等电位只是一个理想,实际中只能尽量逼近,目前是综合采用分流、屏蔽、箝位、接地等方法来近似实现等电位。                                  

四、防雷设备的选择和使用原则
根据IEC1312防雷及过电压规范中有关防雷分区的划分,针对重要系统的防雷应分为三个区,分别加以考虑。只做单级防雷可能会带来,因雷电流过大而导致的泄流后残压过大破坏设备或者保护能力不足引起的设备损坏。电源系统多级保护,可防范从直击雷到工业浪涌的各级过电压的侵袭。
 
第一级电源防雷:
根据国家有关低压防雷的有关规定,外接金属线路进入建筑物之前必须埋地穿金属管槽15米以上的距离进入建筑物,且要在建筑物的线路进入端加装低压避雷器。必须做到在电源的进入端安装低压端的总电源防雷器,将由外部线路可能引入的雷击高电压引至大地泄放,以确保后接设备的安全。
对于三相电源主级防雷器,三相进线的每条线路应有40-100KA的通流容量,可将数万甚至数十万伏的过电压限制到几千伏以内,防雷器并联安装在总配电室进线端处,做直击雷和传导雷的保护。可选用HD-D380B-XX100电源防雷箱或HD-D380M100防雷模块,此级防雷器并联安装,通流容量为100KA,对后接设备的功率不限,可以对通过线路传输的直击雷和高强度感应雷实施泻放保护。
 
第二级电源防雷:
虽然已经在总电源进线端安装了第一级的防雷器,但是当较大雷电流进入时,第一级防雷器可将绝大部分雷电流由地线泄放,而剩余的雷电残压还是相当高,因此第一级防雷器的安装,可以减少大面积的雷击破坏事故,但是并不能确保后接设备的万无一失;假设由配电室总电源拉至其它建筑物的电源线路全部为三相走线,也存在感应雷电流和雷电波的二次入侵的可能,需要在管理处安装电源第二级防雷器。
第二级防雷器,作为次级防雷器,可将几千伏的过电压进一步限制到2千伏以内,雷电多发地带建筑物需要具有60KA的通流容量,将第一级防雷器泄放后出现的雷电残压以及电源线路中感应的雷电流给予再次泄放。三相线路选用HD-D380C-XS60电源防雷箱,通流容量60KA;单相线路可选用HD-D220C-XS60电源防雷箱,通流容量60KA;此级防雷器并联安装,对后接设备的功率不限。
第三级电源防雷:
这也是系统防雷中最容易被忽视的地方,现代的电子设备都使用很多的集成电路和精密的元件,这些器件的击穿电压往往只是几十伏,最大允许工作电源也只是mA级的,若不做第三级的防雷,由经过一、二级防雷而进入设备的雷击残压仍将有千伏之上,这将对后接设备造成很大的冲击,并导致设备的损坏。作为第三级的防雷器,三相线路选用HD-D380C-XS20电源防雷箱或者选用HD-D380M20电源防雷模块,通流容量20KA,此级防雷器并联安装,对后接设备的功率不限。
单相用电设备,可选用HD-D220C-XS20电源防雷箱或者选用HD-D220M20电源防雷模块,通流容量20KA,作为第三级电源防雷器,其并联在设备前端。
 
末级电源防雷:
针对一些较贵重的弱电设备,虽然前面已做好三级防雷,但仍有一些雷击残压进入设备,为防止设备因雷电流的冲击而损坏,应在设备供电之插座采用防雷插座,型号为HD-D220CZ,通流容量10KA。
 
电源线路防雷与接地应符合以下规定:
(1)    进、出电子信息系统机房的电源线路不宜采用架空线路。
(2)    电子信息系统设备由TN交流配电系统供电时,配电线路必须采用TN-S系统的接地方式。
(3)    配电线路设备的耐冲击过电压额定值应符合表5.41-1规定。电子信息系统设备配电线路浪涌保护器安装位置及电子信息系统电源设备分类示意如图5.4.1-1和图5.4.1-2所示。
(4)    在直击雷非防护区(LPZOA )或直击雷防护区(LPZO)与第一防护区(LPZ1)交界处应安装通过I经分类试验的浪涌保护器或限压型浪涌保护器作为第一级保护;第一防扩区之手的各分区(含LPZ1区)交界处应安装限压型浪涌保护器。使用直流电源的信息设备,视其工作电压要求,宜安装适配的直流电源浪涌保护器。
(5)    浪涌保护器连接导线应平直,其长度不宜大于0.5m。当电压开关型浪涌保护器到限压型浪涌保护器之间的线路长度小于10m、限压型浪涌保护器之间的线路长度小于5m时,在两级浪涌保护器之间应加装退耦装置。当浪涌保护器具有能量自动配合功能时,浪涌保护器之间的线路长度不受限制。浪涌保护器应有过电流保护装置,并宜有劣化显示功能。
(6)    浪涌保护器安装的数量,应根据被保护设备的抗扰度和雷电防护分级确定。