中小型数据中心防雷接地问题研究

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雷电放电时间短能量大，瞬时产生强大的电磁效应，它通过不同方式侵入电气设备内部电路，造成电路误动作导致设备不能正常运行，甚至使电气设备整机或部件损坏，尤其对数据中心密集的电子系统极易产生巨大破坏，这就对数据中心的防雷接地系统提出了极高的要求。

1 防雷接地建设原则和要求

1.1 数据中心建筑防雷设计原则和依据 防雷和接地系统设计主要依照按照国家标准《建筑物电子信息系统防雷技术规范》(GB 50343-2004)以及相关国家标准规范。

数据中心的防雷设计必须按国家综合防雷电子信息系统的要求进行设计，坚持预防为主，安全第一的设计指导方针。为更好地确保建筑物防雷设计的技术科学性，设计人员应在防雷设计前评估现场的电磁环境。在进行数据中心建筑物防雷工程设计时，设计者首先应认真地调查建筑物所在地点雷电活动的规律，并根据数据中心内各分系统的功能特点，按系统工程的要求，整体规划、综合整改、多重措施保护，对数据中心内外部防雷措施进行整体性综合考虑。

1.2 数据中心机房对接地系统的要求 数据中心机房的接地布线问题，既是一个复杂的理论和技术问题，也是一个在实际施工中要求严格的具体现实问题。不同的计算机制造商在机房接地问题上都提出了不同的技术要求，数据中心使用管理单位在施工过程中是否真的能够满足接地系统的需求，是我们用来衡量一个数据中心机房建设质量的重要环节。

在数据中心机房的建设中，必须确保有一个可靠的接地系统。机房做好接地系统建设主要基于两个原因：(1)确保人身和设备安全。如果数据中心接地系统做不好，不但可能会直接引起计算机故障、损毁重要部件，严重的还将直接危害操作人员的生命安全。(2)确保电子设备稳定可靠运行。所有的电子设备的电路都基于工作参考点运行，也就是要求等电位连接，一个可靠的接地系统还可解决数据中心机房的防静电和防干扰屏蔽问题。

因此，在数据中心机房建设时，要根据厂家的技术要求和机房环境的实际情况建立好接地系统。目前数据中心机房的接地系统一般包括以下几种：①防雷接地，②保护接地，③交流工作接地，④直流工作接地(也称逻辑接地)，⑤防静电接地，⑥屏蔽接地。

2 雷电防护措施

避雷针的发明为人类防护直击雷的危害找到了安全屏障，但是，光有避雷针并不能杜绝雷害，数据中心的电子设备仍极易遭受感应雷击毁，预防感应雷主要有以下几种措施。

(1)等电位连接。从物理学上讲，就是用铜导线把各种金属物焊接起来以保证等电位，防雷措施中最为重要环节就是等电位连接。物体和结构之间的连接也属于等电位连接，如果结构连接处电性连通不好，由接触电阻所产生的电位差经常会产生电火花放电，导致连接部位表层损坏，甚至引发火灾。

(2)分流。把室外来的所有电力线和信号线都通过避雷器再连接至接地线，每一个需要保护的电气设备的金属外壳都要安装避雷器。其作用是通过避雷器把过电压波分流进入大地，相当于把所有雷电流的入侵通道进行堵截。

(3)接地。接地是最耗人力物力财力的防雷措施，在各种防雷技术中都是最受关注的环节，防雷施工的重难点问题就聚焦于接地施工。数据中心的各类电器设备密集，接地系统设计尤为复杂，地网施工是一个庞大的工程。

(4)屏蔽。利用铜或铝等低阻性金属制成的容器将需要隔离的对象包围起来，一般采用良好接地的金属网来实现电磁屏蔽，整个屏蔽体表面是导电且连续的，用来防止雷电产生的电磁脉冲磁场产生影响。显然，屏蔽作用并不是绝对有效，并不能完全隔绝某一区域使其不受外来电力线和磁力线的影响。

3 电源防雷的设计

数据中心的防雷主要包括建筑防雷、电源防雷和信号防雷三个部分，建筑防雷一般在建筑物设计时一并考虑，信号防雷主要指进入楼内的各类信号专线的防雷保护，本文重点对中小规模数据中心的电源防雷部分进行设计。数据中心电源防雷示意图如图1所示。

图1 数据中心电源防雷示意图

3.1 第一级防雷器 在数据中心10KV总进线的低压配电室部署第一级避雷保护装置，采用大通流量的防雷箱，最大通流量为120k A，限制电压小于等于2000V，响应时间小于等于100ns，地线采用25mm2铜线进行连接，可选用BSPB380C-120P防雷浪涌保护箱，防雷箱应该同时具备以下功能。

(1)自动延时声光报警设计。

(2)FS遥信触点的设计。

(3)在线电压显示。

(4)实时监控三相防雷模块工作状态。

(5)雷击计数器，记录雷击发生次数。

(6)防雷器主要元器件采用模块化设计。

3.2 第二级防雷器 在各楼层的二级配电柜或机房的UPS的输入端部署第二级避雷保护装置，使用8/20us波形、最大通流量为60k A的浪涌保护器，限制电压小于等于2000V，响应时间小于等于100ns，可选用BSPM380-60LT防雷浪涌保护器，防雷器前安装D32型空开，该防雷器同时采用以下模块。

(1)AS声光报警模块。附带声音与灯光报警的功能底座，当有模块损坏时，提醒维护人员更换。

(2)FS遥信触点模块。维护人员可实时监控防雷器的工作状态。当防雷器不能正常工作时，只需对已失效的模块更换，可不停电进行更换，有效降低维护费用。

3.3 第三级电源防雷器 在机房各PDU进线输入端部署第三级避雷保护装置，使用8/20us波形、最大通流量为40k A的浪涌保护器，限制电压小于等于2000V，可选用BSPM220-20LT防雷浪涌保护器，防雷器前安装D20型空开。

对于重要设备(如路由器等)可加装精细电源防雷器，最大通流量为10k A，限制电压小于等于1500V，作为机房设备的末端电源防护。模块化设计，可带电插拔，用于工程控制系统、信号流回路、计算机系统之过压保护，安装采用串联方式进行连接，抑制线路上的高压脉冲，对重要后端设备进行保护。

4 防雷接地对其他接地的干扰

4.1 防雷接地的概念 防雷接地，是为了使雷电流及浪涌电流安全泄入大地，以有效保护建筑物及其内工作人员和电气设备安全的一种接地。所有建筑物、通信线缆、电子设备等不允许带电的金属连接部分以及一切公共设施管道的金属部件必须与防雷接地装置直接连接。按照工信部和中华人民共和国的国家标准《计算站场地技术条件》(GB2887-89)文中的规定：独立的防雷接地系统的电阻值应不大于10欧。

4.2 防雷接地与其他接地的距离问题 一般情况下，数据中心机房的防雷接地系统，由设计方在进行建筑设计时一并进行设计。在设计机房其他地线系统时，应与防雷系统的接地极保证足够的距离，否则将严重影响电气设备工作。一旦受到雷击电流的通过，接地极周围大地瞬时产生相当高的电位，如果在防雷系统接地板附近还有其他接地系统，将对其产生相当大的干扰。所以，防雷的接地极必须与其他接地系统保持相当距离。

防雷接地与其他接地应保持多少距离?这个问题一直是接地专家们争论未决的问题，在国内外都无定论。虽然无定论，但有一个原则：在条件允许的范围内应该尽量把距离拉得大一些，尽量使避雷接地远离计算机机房，远离计算机诸接地极。

在高大建筑群密集的地方，想把避雷接地离其他接地距离拉得远一些是不可能的，有的地方楼与楼之间的距离也只有十几米乃至几米远，要设计好计算机机房的各种接地，就显得格外难办，有的单位为了解决好这个问题曾多次组织论证，但结果还是不理想。比较合理的还是采用"共用接地"的方法，共用接地系统的接地电阻值取所有接地系统的最小值。