计算机场地防雷系统设计方案
时间：2011-01-20 阅读：1700
随着供电企业生产、管理等自动化系统的应用，计算机及其网络设备数量日益增加，在供电企业中的功能地位越来越突出。自然界中的雷电是非常普遍的，而雷灾是计算机及其网络设备的致命杀手，信息系统落雷后，不只是硬件的损坏，一些软件和数据资料的损坏所造成的损失是不可估计的。针对电子设备日益广泛的应用，防雷技术也在不断更新发展，若仍采用旧的防雷观念或技术必将导致更大的灾祸和损失。所以计算机及其网络设备应采取全面的防雷措施，从系统的角度进行综合防御。
本方案的目的是提出一套完整而易于操作的防雷设计和运行方案，在计算机机房的建设与改造中予以参考。
本方案的设计依据：
IEC1312《雷电电磁脉冲的防护》
GB50057-94《建筑物防雷设计规范》
VDE0675《过电压保护器》
GA173-1998《计算机信息系统防雷保安器》
GB-50174-93《计算机房防雷设计规范》
GB2887-89《计算机场地技术条件》
1 雷击的危害
通常所谓的雷击是指一部分带电的云层与另一部分带异种电荷的云层，或者是带电的云层对大地之间迅猛的放电。云层对大地的放电，则对建筑物、电子电气设备和人、畜危害甚大，这是电气防雷设计的主要对象。
雷击的危害主要有四个方面：
（1）直击雷
带电的云层对大地上的某一点发生猛烈的放电现象，称为直击雷。它的破坏力十分巨大，若不能迅速将其泻放入大地，将导致放电通道内的物体、建筑物、设施、人畜遭受严重的破坏或损害——火灾、建筑物损坏、电子电气系统摧毁，甚至危及人畜的生命安全。
（2）雷电波侵入
雷电不直接放电在建筑和设备本身，而是对布放在建筑物外部的线缆放电。线缆上的雷电波或过电压几乎以光速沿着电缆线路扩散，侵入并危及室内电子设备和自动化控制等各个系统。因此，往往在听到雷声之前，我们的电子设备、控制系统等可能已经损坏。
（3）感应过电压
雷击在设备设施或线路的附近发生，或闪电不直接对地放电，只在云层与云层之间发生放电现象。闪电释放电荷，并在电源和数据传输线路及金属管道金属支架上感应生成过电压。
雷击放电于具有避雷设施的建筑物时，雷电波沿着建筑物顶部接闪器（避雷带、避雷线、避雷网或避雷针）、引下线泄放到大地的过程中，会在引下线周围形成强大的瞬变磁场，轻则造成电子设备受到干扰，数据丢失，产生误动作或暂时瘫痪；严重时可引起元器件击穿及电路板烧毁，使整个系统陷于瘫痪。
（4）地电位反击
如果雷电直接击中具有避雷装置的建筑物或设施，接地网的地电位会在数微秒之内被抬高数万或数十万伏。高度破坏性的雷电流将从各种装置的接地部分，流向供电系统或各种网络信号系统，或者击穿大地绝缘而流向另一设施的供电系统或各种网络信号系统，从而反击破坏或损害电子设备。同时，在未实行等电位连接的导线回路中，可能诱发高电位而产生火花放电的危险。
由于计算机设备的信号电压只有5~10伏，电磁兼容能力较差，很容易感受脉冲过电压的袭击，它受雷击的概率又比较高，受雷电损坏的可能性就大。计算机系统环节多、接口多、线路长等原因，给雷电的耦合提供了条件。系统的电源进线接口，信号输入输出接口，接口的线路较长等是感应脉冲过电压容易侵人的原因，也是过电压波侵入的主要通道。
2 综合防雷系统设计
2.1 综合防雷设计的六大要素
防雷设计是一个很复杂的问题，不可能依靠一、二种*的防雷设备和防雷措施就能*消除雷击过电压和感应过电压的影响，必须针对雷害入侵途径，对各类可能产生雷击危害的因素进行综合防护，才能将雷害减少到zui低限度。这种综合防护主要包括接闪、分流（保护）、均压、屏蔽、接地、合理布线，统称为综合防雷六大要素。
（1）接闪
接闪就是让在一定程度范围内出现的闪电放电不能任意地选择放电通道，而只能按照人们事先设计的防雷系统的规定通道，将雷电能量泄放到大地中去。
（2）分流（保护）
这是现代防雷技术迅猛发展的重点，是保护各种电子设备或电气系统的关键措施。
所谓分流就是在一切从室外来的导体（包括电力电源线、数据线、线或天馈线等信号线）与防雷接地装置或接地线之间并联一种适当的避雷器SPD，当直击雷或雷击效应在线路上产生的过电压波沿这些导线进入室内或设备时，避雷器的电阻突然降到低值，近于短路状态，雷电电流就由此处分流入地了。雷电流在分流之后，仍会有少部份沿导线进入设备，这对于一些不耐高压的微电子设备来说是很危险的，所以对于这类设备在导线进入机壳前，应进行多级分流（即不少于三级防雷保护）。
（3）均压
指使建筑物内的各个部位都形成一个相等的电位，即等电位。若建筑物内的结构钢筋与各种金属设置及金属管线都能连接成统一的导电体，建筑物内当然就不会产生不同的电位，这样就可保证建筑物内不会产生反击和危及人身安全的接触电压或跨步电压，对防止雷电电磁脉冲干扰微电子设备也有很大的好处。钢筋混凝土结构的建筑物备实现等电位的条件，因为其内部结构钢筋的大部分都是自然而然地焊接或绑扎在一起的。为满足防雷装置的要求，应有目的地把接闪装置与梁、板、柱和基础可靠地焊接、绑扎或搭接在一起，同时再把各种金属设备和金属管线与之焊接或卡接在一起，这就使整个建筑物成为良好的等电位体。
（4）屏蔽
屏蔽的主要目的是使建筑物内的通信设备、电子计算机、精密仪器以及自动控制系统免遭雷电电磁脉冲的危害。建筑物内的这些设施，不仅在防雷装置接闪时会受到电磁干扰，而且由于它们本身灵敏性高且耐压水平低，有时附近打雷或接闪时，也会受到雷电波的电磁辐射的影响，甚至在其他建筑物接闪时，还会受到从该处传来的电磁波的影响。因此，我们应尽量利用钢筋混凝土结构内的钢筋，使其构成一个网笼，从而实现屏蔽。
（5）接地
接地就是让已经流入防雷系统的闪电电流顺利地流入大地，而不能让雷电能量集中在防雷系统的某处对被保护物体产生破坏作用，良好的接地才能有效地泄放雷电能量，降低引下线上的电压，避免发生反击。
过去的一些旧规范要求电子设备单独接地，目的是防止电网中杂散电流干扰设备的正常工作。但现在，防雷工程设计已不提倡单独接地，而是更多的与防雷接地系统共用接地装置，但接地电阻要由原来的小于4Ω减少到1Ω。我国的现用的规范规定，如果电子设备接地装置采用的接地系统，则其与防雷接地系统的地中距离要大于20m。防雷接地是防雷系统中zui基础的环节，也是防雷安装验收规范中zui基本的安全要求。接地不好，所有防雷措施的防雷效果都不能发挥出来。
（6）合理布线
指如何布线才能获得的综合效果。在防雷设计中，必须考虑防雷系统与照明、、计算机网络管线的关系。为了保证在防雷装置接闪时这些管线不受影响，首先，应该将这些电线穿于金属管内，以实现可靠的屏蔽；其次，应该把这些线路的主干线的垂直部分设置在建筑物的中心部位，且避免靠近用作引下线的柱筋，以尽量缩小被感应的范围。除考虑布线的部位和屏蔽外，还应在需要的线路上加装避雷器、压敏电阻等浪涌保护器。
2.2 综合防雷设计分类
根据以上综合防雷六要素可以把现代防雷保护分为外部防雷保护（建筑物或设施的直击雷防护）和内部防雷保护（雷电电磁脉冲的防护）两部份，外部防雷系统主要是为了保护建筑物免受直接雷击引起火灾事故及人身安全事故，而内部防雷系统则是防止雷电波侵入、雷击感应过电压以及地电位反击电压侵入设备造成的毁坏，这是外部防雷系统无法保证的。
2.2.1 外部防雷系统及其设计
如上面所述外部防雷主要是指防止建筑物或设施（含室外独立电子设备）免遭直击雷的危害，其技术措施有接闪器、引下线、接地体等几种。下面分别阐述它们的类别和具体设计。
2.2.1.1接闪器
接闪器是避雷针、避雷带（线）、避雷网以及用作接闪的金属屋面和金属构件等的总称。功能是把接引来的雷电流，通过引下线和接地装置向大地中泄放，以保护建筑物免受雷害。现在常用的接闪器有避雷针、避雷带（线）、避雷网等几种。
（1）避雷针
避雷针是靠把雷雨云所带的异种电荷引导到自身上来，通过良好的接地装置，把雷电流泄入大地，保护建筑物不受雷击的一种金属装置。
（2）避雷带（线）
房屋建筑屋顶周围，用扁平的金属带做接闪的方法称之为避雷带，它是由避雷线改进而来。特别是大面积的建筑，它的保护范围大而有效，这是避雷针所无法比的。
避雷带一般采用扁钢制作，如果同时还有避雷针，则避雷针应与避雷带相互连接。
（3）避雷网
避雷网是指利用钢筋混凝土结构中的钢筋网作为雷电保护的方法，也叫做暗装避雷网。暗装避雷网是把zui上层屋顶作为接闪设备。建筑物顶上往往有许多金属突出物，都必须与避雷网焊成一体做接闪装置。
2.2.1.2引下线
连接接闪器与接地装置的金属导体称为引下线。现代建筑多利用建筑物的柱筋作避雷引下线，它还比专门引下线有更多的优点，因为柱钢筋与梁、楼板的钢筋都是连接在一起的，和接地网络形成了一个整体的"法拉第"笼，它们处于等电位状态，雷电流会很快被分散掉，可以避免反击和旁侧闪击的现象发生。
为便于检查避雷设施连接导体的导电情况和接地体的散流电阻，要在建筑物四周的引下线上做断接卡子，断接卡子距地面zui高为1.8M。当利用混凝土柱钢筋做引下线时，因为是从上而下连接一体，因此不能设置断接卡子测试接地电阻。需在柱内做为引下线的钢筋上，距室外地面0.5m处的柱子外侧，另焊一根圆钢（Φ≥10）引至柱外侧的墙体上，做为防雷测试点。每根引下线处的冲击接地电阻不能大于5Ω。
2.2.1.3接地体
接地装置应优先利用建筑物钢筋混凝土基础内的钢筋。有钢筋混凝土地梁时，应将地梁内钢筋连成环形接地装置；没有钢筋混凝土地梁时，也可在建筑物周边无钢筋的闭合条形混凝土基础内，用40x4mm镀锌扁钢直接敷设在槽坑外沿，形成环形接地。
当将变压器和柴油发电机的中性点工作接地、电气保护接地和弱电系统工作接地等共用接地装置时，接地电阻值应不大于1Ω。 采用共用接地装置时，弱电系统应将各自设备机房内与建筑物绝缘的接地端子，用25mm2以上的铜芯电缆或导线穿焊接钢管做单独的引下线，在建筑物基础处与接地板相连。弱电系统一般要求接地电阻不大于4Ω，如若设独立的接地系统，其与防雷接地系统的距离要大于20m。
2.2.2 内部防雷系统及其设计
构筑和作用于建筑物内部的防雷工程称为内部防雷工程，其系统就是内部防雷系统。建筑物内部防雷工程涉及面较宽，面对的是包括感应雷、传导雷和因线路上浪涌高电压所造成电网波动在内的众多损害，归纳起来危害zui大的主要方面是高电压的引入。
高电压引入是指雷电高电压通过金属线引导到室内或其他地方造成破坏的雷害现象。高电压引入的电源有三种：其一是直击雷直接击中金属导线，让高压雷电以波的形式沿着导线两边传播而引入室内，即雷电波侵入；第二种是来自感应雷的高电压脉冲，即感应过电压；第三是地电位反击，这种反击会沿着电力系统的零线，保护接地线和各种形式的接地线，以波的形式传入室内或传播到更大的室内范围，造成大面积的危害。
针对以上三种雷害内部防雷系统主要有屏蔽、安装防雷器SPD和等电位连接等三种措施。屏蔽措施已经在防雷设计六大要素中有所阐述，下面主要阐述防雷器SPD设计安装和等电位连接。
2.2.2.1 防雷器SPD设计安装
SPD中文简称电涌保护器，又称浪涌保护器。电涌保护器主要是指抑制传导来的线路过电压和过电流的装置。它的组成器件主要包括放电间隙、压敏电阻、二极管、滤波器等。根据构成组件和使用部位的不同，电涌保护器可分为电压开关型SPD、限压型SPD和组合型SPD。而根据应用场合分类，电涌保护器又可分成电力系统SPD和信息系统SPD。
依照《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94 2000）和《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2004，应采取分级保护、逐级泄流的原则。其具体设计做法：
一是在大楼电源的总进线处安装放电电流较大的一级电源避雷器，这里一般要用三相电压开关型SPD；二是在重要楼层或重要设备电源的进线处加装二或三级电源避雷器，一般用限压型SPD；三是在末端配电处安装四级或称为末端电源避雷器，一般用限压型SPD。究竟要使用几级SPD，可以有建筑防雷等级确定。一般一类防雷建筑需要四级；二类需要三级；三类需要二级。为了确保遭受雷击时，高电压首先经过一级电源避雷器，然后再经过二、三级或末级电源避雷器，一级电源避雷器和二级电源避雷器之间的距离要大于10米，如果两者间距不够，可采用带线圈的防雷箱，这样可以避免二级或三级电源避雷器首先遭受雷击而损坏。
对于无人值守场合，可选用带有遥信触点的电源SPD；对于有人值守场合，可选用带有声光报警之电源SPD。
这里有三个需要注意的地方：一是电涌保护器与母排连接的导线要短而直，长度不能超过5m，连接线过长可能导致上级SPD还没分流，电涌就串到下级SPD处，导致下级SPD一下子被烧毁；二是SPD安装线路上应该装有过电流保护器，原因是为了防止因SPD老化而造成短路。这里的过电流保护器主要使用断路器，按一般经验做法，二级SPD上的断路器整定电流选40A，三级SPD上的断路器整定电流选32A，末级SPD上的断路器整定电流选2，而一级SPD无需装设，因为一级SPD使用电压开关型SPD，其内部已有自带的过电流保护器。三是各个SPD都需要与接地装置之间进行等电位连接。
对于通信SPD在选型时应考虑SPD与电子设备的相容性。通信SPD应满足信号传输带率、工作电平、网络类型的需要，同时接口应与被保护设备兼容。通信SPD由于串接在线路中，在选用时应选用插入损耗较小的SPD。
以下是应用在本方案中的防雷模块配置一览表：
| 序号 | 保护设备/安装位置 | 说明 | 备注 | |
| 电源部分 | 1 | 机房主配电柜 | 三相电压开关型SPD | 三相四线 |
| 2 | UPS配电柜 | 限压型SPD | 三相四线 | |
| 3 | 关键设备前端 | 限压型SPD | 一拖三型（三孔） | |
| 通信网络部分 | 4 | 、调制解调器 | 通信线号防雷器 | RJ11型接口 |
| 5 | 服务器、网络交换机、集线器 | 100M以太网类型防雷器 | RJ45接口 | |
| 6 | 综合业务数据网设备 | ISDN设备防雷器 | RJ45接口 | |
| 7 | 数据终端设备（DDN接入设备） | DTU高速Modem防雷器 | RJ11接口 | |
| 8 | 卫星接收机 | 卫星同轴接口电缆防雷器 | N、BNC型接口 | |
| 9 | 局域网卡 | 电缆保护器 | RJ45接口 | |
| 10 | 网卡保护器 | N型接口 | ||
| 其它 | 11 | 防止地电位反击 | 地极保护器 |
2.2.2.2 等电位连接
等电位连接是综合防雷系统中的zui重要的一项基本措施。GB50057—94 2000版里强调了等电位连接在内部防雷中的作用。等电位连接是为减小在需要防雷的空间内发生火灾、爆炸、生命危险的一项很重要的措施，特别是在建筑物内部防雷空间防止发生生命危险的zui重要的措施。
建筑物的等电位连接设计主要有以下几种：
（1）总等电位连接和局部等电位连接
总等电位连接MEB的作用在于降低建筑物内间接接触电压和不同金属部件间的电位差，并消除自建筑物外经电气线路和各种金属管道引入的危险故障电压的危害，它主要通过进线配电箱近旁的总等电位联结端子板（接地母排）将下列导电部分互相连通：进线配电箱的PE（PEN）母排；公用设施的金属管道；建筑物金属结构；如果做了人工接地，也包括其接地极引线。建筑物每一电源进线都应做总等电位连接，各个总等电位连接端子板应互相连通。
局部等电位连接LEB是指当电气装置或电气装置的某一部分的接地故障保护不能满足切断故障回路的时间要求时，应在局部范围内做的等电位连接。它包括PE母线或PE干线；公用设施的金属管道；如果可能，也包括建筑物金属结构。
（2）建筑物内部导电部件的等电位连接
等电位连接不仅仅是针对雷电暂态过电压的，还包括其它如工作过电压、操作过电压等暂态过电压的防护，特别是在有过电压的瞬间对人身和设备的安全防护。因此，有必要将建筑物内的设备外壳、水管、暖气片、金属梯、金属构架和其他金属外露部分与共用接地系统做等电位连接。而且需要注意的是，绝不能因检修等原因切断这些连接。
（3）信息系统的等电位连接
对信息系统的各个外露可导电部件也要建立等电位连接网络，并与共用接地系统相连。接至共用接地系统的等电位连接网络有两种结构：S型（星型）结构和M型（网格型）结构。对于工作频率小于0.1MHZ的电子设备，一般采用S型（星型）结构；对于频率大于10MHZ的电路，一般采用M型（网格型）结构。
（4）接地网的等电位连接
计算机房的工作接地、屏蔽接地和防雷接地等采用同一接地系统，避免各接地间产生的瞬态过电压差对设备造成影响。因此，钢筋混凝土结构建筑物利用基础钢筋网做接地体，一般要围绕建筑物四周增设环形接地体，并与建筑物被柱内用作引下线的柱筋焊接，这样就大大降低了接地网由于雷电流造成地电位不均衡的概率。
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