机房防雷与接地
摘 要
伴随着我国经济建设与科技建设的高速发展，计算机产业和信息产业的快速普及，计算机机房得到了快速发展。机房接地系统涉及多方面的综合性信息处理工程，是机房建设中的一项重要内容。接地系统是否良好是衡量一个机房建设质量的关键性问题之一。先进的电子设备耐受过电压、过电流的能力相对较低，缺乏必要的雷害防护技术措施，成为困扰广大电气设计人员的问题之一。
机房供电系统通常采用TN-S运行方式。工程上采用较为常见和经济的等电位连接做法，避免发生雷电反击而损耗设备。控制接地电阻小于1欧姆，就可以保证接地线不产生电位差，避免相互干扰，保证计算机设备及人员的安全运行要求。建筑物防雷作为一个综合系统工程，考虑不同的防雷分区在等电位连接的原则下以及根据不同电气设备耐压值等级等因素，对机房防雷按照外部防雷，内部防雷和电涌保护作为一个整体进行综合分析和设计。文章通过一个工程中的案例，详细剖析机房防雷和接地的具体做法。理论和机房实际运行经验表明，该方式是安全可靠的。
目 录
绪 论 .............................................................. 1
一、机房接地 ........................................................ 2
1.1防雷与接地需求分析 ........................................... 2
1.2机房等电位连接 ............................................... 3
二、机房防雷 ........................................................ 5
三、工程实例 ........................................................ 7
3.1 接地设计方案 ................................................ 7
3.2 防雷设计方案 ................................................ 8
结 论 ............................................................. 10
参考文献 ........................................................... 11
绪 论 随着计算机技术及网络技术的迅猛发展，特别是智能化大厦，智能化城市的出现，使人们对接地技术产生了新的关心。尤其在计算机机房、通讯机房的工程建设中，接地技术更是被提到了较高的高度。关于接地问题的争论，尤其是对电子设备、信息系统的接地问题的争论，在国内或者国外都屡屡发生。可以说，一个国家的接地标准及规程的配备情况代表了该国家的科技发展水平和社会基础设施的配备程度。随着国家标准的逐步完善，如《建筑物防雷设计规范》GB GB50057-94-2000的局部修改，和《计算机信息系统雷电电磁脉冲安全防护规范》GA267-2000的出台与实施，以及新的国家标准《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2004和新的国家标准图集《电子信息系统机房工程设计与安装》 09DX009 P30-34的出台等，都标志着我国对接地和防雷的重视以及技术的进步。 如何更高效、更安全地管理这些服务器和计算机，成为机房管理人员及操作维护人员必须面对的课题。机房防雷与接地系统是机房建设中很重要的两个子系统，接地系统是否良好是衡量一个机房建设质量的关键性问题之一；同时，先进的电子设备包括电子计算机耐受过电压、过电流的能力相对较低，缺乏必要的雷害防护技术措施，因此必须要引起足够的重视。
一、 机房接地
1.1防雷与接地需求分析
低压配电系统的接地方式直接关系到人身、设备安全及设备的正常运行。从机房建设来看，既需要建立可靠的接地系统，又需要建设完善的防雷系统，而接地系统和防雷系统二者之前存在着密不可分的关系。《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343－2004[1]，电子信息系统应采用外部防雷和内部防雷综合防护如图1-1所示
图1-1电子信息系统应采用外部防雷和内部防雷综合防护
由图1-1可知，接地装置的设置，接地系统的选择，等电位连接都是防雷措施的一部分。因此，防雷与接地两个系统是一个相互交织的综合系统，密不可分。
按照目前现行《电子计算机机房设计规范》GB50174-93[2]，机房电气接地系统有四种：
（1）交流工作接地，接地电阻不应大于4
（2）安全工作接地，接地电阻不应大于4
（3）直流工作接地，接地电阻应按计算机系统具体要求确定。
（4）防雷接地，应按现行国家标准GB 50057——1994（2000版）《建筑物防雷设计规范》执行。 [3]
《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2004指出，防雷接地应与交流工作接地、直流工作接地、安全保护接地共用一组接地装置，接地装置的接地电阻值必须按接入设备中要求的最小值确定。目前数据中心机房常见和经济的做法是将交流接地与安全工作接地合二为一，与直流接地，防雷接地分别用三根接地引线引至大楼的地面总等电位箱，再将它们引至避雷地桩形成综合接地网，从而形成等电位，避免发生雷电反击而损耗设备。只要接地电阻小于1欧姆，就可以保证接地线不产生电位差，避免相互干扰。
若防雷接地必须设置单独接地装置时，其余三种接地宜共用一组接地装置，其接地电阻不应大于其中最小值，并应按照《建筑物防雷设计规范》的要求采取雷电反击措施，使防雷接地和其他两种接地间有一定的距离，否则量系统在形式上分开了，而实际（电气上）仍未分开，许多工程实际情况已经证明采用统一接地体是解决多系统接地的最佳方案。
1.2机房等电位连接
不同低压配电系统的接地方式决定了系统中低压保护电气选择和供电系统的实现方式。根据最新修订的《低压配电设计规范》GB50054-95[4]，将配电系统分为TN，TT， IT三类系统。机房供电系统采用TN-S系统，该系统具有干扰少，适用于数据处理和精密电子仪器要求。
由一个系统的诸外露导电部分做等电位连接的导体所组成的网络称等电位连接网络，系统的诸外露导电部分是指：电源线、信号线、金属管道、大尺寸金属物架、建筑物柱内钢筋都必须通过电涌保护器或直接进行等电位连接，各保护区界面处同样要彼此进行局部等电位连接，各局部等电位相互连接后，最后与主等电位相连，构成一个完整的等电位连接网络[5]。
等电位连接是当今世界防雷理论的前沿，是雷电防护前沿重要的技术措施。等电位理论的提出基于国内外众多对闪电过程的观测结果：闪电电流不是一个电压源而是一个电流源，严格讲是一个电流波。雷电的破坏力在于强大的电流特性而不在于放电时产生的高压，当雷电流在泄放的渠道上一旦冲击设备时，雷击也就发生了。如果在所有设备及管线，以及建筑物之间不存在电流差，雷电流的泄放渠道按照设计要求入地，设备防雷也就实现了。由此可见，彻底消除雷电引起
的带有毁坏性的电位差，是设备防雷的重要技术措施，实现这一技术措施的手段就是等电位连接。现行《建筑物防雷设计规范》GB50057-94：信息系统的所有外露导电物应建立一等电位网络，而且信息系统的各种箱体、壳体、机架等金属组件与建筑物的共用接地系统也要进行等电位连接。《计算机信息系统雷电电磁脉冲安全防护规范》 GA 267-2000[6]也明确规定：所有进入计算机信息系统设备机房建筑物的外来导电物体，都应在建筑物面做等电位连接。以上国家强制性规范都提到等电位连接，说明了等电位连接的重要性。它是信息机房综合防雷体系中必须的环节。而且对于IT设备来说，在共用同一等电位接地系统并实施等电位联结后，IT装置是以等电位连接系统的电位为参考电位，而不是以大地为参考电位。
在机房内采用25×3的铜排（横截面积大于50mm²），制作成一个均压网（等电位连接网），并把机房内电涌保护器的接地、静电地板龙骨架、机柜外壳以共地不共线的方式连接到汇流排上。机房内等电位连接示意图[7]1-2所示
图1-2机房内等电位连接示意图
设备所在建筑物的主要金属构件和进入建筑物的金属管道，供电线路含外露可导电部分防雷装置，由电子设备构成的信息系统实行等电位连接的连接体为金属连接导体和无法直接连接时而做瞬态等电位连接的电涌保护器(SPD)
通过星型（网形M型）结构把设备直流地以最短的距离连到邻近的等电位连接带上。小型机房宜选S型，在大型机房宜选M型结构。
机房防静电架空地板沿机房四边墙线用20mm*4mm扁钢（要求高的机房采用30mm*3mm铜带）敷设，并将活动地板金属支撑管脚做多点重复接地焊接，在近
电源管理间一侧用6mm²以上的铜芯绝缘线穿铜管或PVC管，接入电源管理间内的辅助等电位接地母排，连同沿墙敷设的扁钢带共同构成安全可靠的等电位平面。从而在机房地板下形成了屏蔽保护各种信号线路免受电磁干扰。
二、机房防雷
机房电源系统的防雷设计必须满足GB 50057-1994（2000版）《建筑物防雷设计规范》和GB 50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》的相关要求。根据防雷分区的划分可知，除屋顶天线以外的智能化设备大都在LPZ1以内，一般情况下机房处于防雷分区LPZ2区域内。建筑物防雷分区如图2-1所示。
图2-1 建筑物防雷分区
IEC的防雷分级问题正是考虑不同的防雷分区在等电位连接的原则下以及根据不同电气设备耐压值等级等因素对防雷等级进行区分的。电源防雷等级划分如表2-1所示。
表2-1电源防雷的等级划分
机房应采取三级防雷措施，即在电源配电柜电源进线处安装间隙放电避雷器作为一级防护，安装B级防浪涌避雷器作为二级防护，在分配电柜内安装C级避雷器作为三级防护。若有金属线缆式的外接网络进线入机房，可采用信息防雷器来连接，并接地。采用共用接地装置时，接地电阻值不应大于1Ω。TN-S系统浪涌电压保护原理图如图2-2所示。
图2-2 TN-S系统浪涌电压保护原理图
三、工程实例
3.1 接地设计方案
某数据中心机房位于大楼三层，面积约1000m²。
1）本工程配电采用TN-S系统，独立设置接地线（PE）。采用大楼联合接地系统，并且要求接地小于1欧姆。
2）机房内设有功能性接地 和保护性接地，共用一组接地装置。
A）保护接地，防雷保护接地延引大楼的接地
B）机房内做M网型结构均压等电位网格。机房室内等电位做法在机房地板下沿机柜一周敷设等电位铜带30×3mm²（均压环），铜带用ZR-BVR6mm2与各机房动力配电柜PE排相连，并设置100*0.3mm²铜箔等电位网格。机房动力设备的地线、动力设备的外壳、不带电的金属管道、金属线槽外壳、计算机设备外壳、防静电地板支架、吊顶龙骨、等均须用ZR-BVR6mm2与等电位铜排网络就近可靠相连。机房内设置等电位端子箱，机房内等电位端子箱采用ZR-BVR50mm²的电缆与大楼综合接地端可靠连接。机房等电位接地示意图如图3-1所示。
图3-1 机房等电位接地示意图
3.2 防雷设计方案
一个完整的防雷方案包括防直接部分和防感应雷击两部分，中心机房所在的建筑物已具备防直接雷击防护措施，因此本方案只对机房电子设备的配电系统采取相应的防感应雷击措施。
工程计算机交流配电系统采用三级防雷：
第一级在大楼低压配电室内加装防雷器，实现第一级防雷（由大楼实现）。 第二级在UPS输入配电柜内加装B级防雷器，实现第二级防雷。 第三级在机房UPS输出列头配电柜内加装C级防雷器，实现第三级防雷。 本工程选用国际某知名品牌防雷器，机房防雷设计示意图如图3-2所示：
图3-2 机房防雷设计示意图
结 论
随着科技的飞速发展，信息会在我们的生活中扮演越来越重要的角色，而数据中心作为加速信息传递的特定设备网络机房，建设规模越来越大，数量不断增加，而数据中心的安全性往往关系到国计民生，应该引起高度重视。
数据中心的安全性牵涉面很广，机房防雷和接地系统关系机房能否安全运行的一个重要组成部分。文章从机房供电系统运行方式和机房所处防雷分区为切入点。采用工程上较为常见和经济的等电位连接做法。通过理论和工程实际运行经验表明，该接地方式是安全可靠的。建筑物防雷是一个综合系统工程。考虑不同的防雷分区在等电位连接的原则下以及根据不同电气设备耐压值等级等因素，对机房防雷按照外部防雷，内部防雷和电涌保护作为一个整体进行综合分析和设计，确保机房安全运行。
参考文献
[1] 《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343－2004） [2] 《电子计算机机房设计规范》 GB50174-93 [3] 《建筑物防雷技术规范》（GB50343－2004） [4] 《低压配电系统设计规范》（GB/T50054-95
[5] 《工业用电与民用配电设计手册》 第三版 第十四章 第三节，第四节
[6] 《计算机信息系统雷电电磁脉冲安全防护规范》 GA267-2000 [7] 《电子信息系统机房工程设计与安装》 09DX009 p30-34