防雷接地设计方案(定稿)..

机房 防 雷 设 计 方 案 第一章第一章 概概 述述 雷击是年复一年的严重自然灾害之一 随着我国现代化建设的不断提高 通信及数据设备越来越多 规模越来越大 一方面大型电子计算机网络 程控 交换机组等系统设备耐过电流 耐雷电压的水平越来越低 另一方面由于信号 来源路径增多 系统较以前更容易遭受雷电波的侵入 致使雷电灾害频频发生 据统计 雷电对电子设备的损坏占设备损坏因素的比例高达 33 防雷电及过 电压已成为具有时代特点的一项迫切要求 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 高度 200m 的雷电闪击电流 100KA 时 雷电闪电产生的闪电电 磁脉冲电磁辐射半径在 2km 内 对电力 电子线路产生的感应电流约为 800A 米 电磁波变化磁场强度为 0 03 0 3 高斯 仅 0 03 高斯能量就会损坏微机及自 动控制的芯片 传感器探头和磁盘存储数据 雷电脉冲电压达到 2000 伏 8 20us 时 目前现有半导体 集成电路的晶片是无法抗御的 因此非常有 必要安装相应的防雷保护设备 雷击所造成的破坏性后果体现于下列四种层次 1 建筑物毁坏及引起火灾 2 设备损坏 人员伤亡 3 设备或元器件寿命降 低 4 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 对于雷雨多发地区 计算机房必须设计 安装防雷系统装置进行 保护 第二章第二章 方案设计说明方案设计说明 2 12 1 雷电的全面防护 系统防雷是一项综合性工程 其目的主要如下 1 解决不同系统之间因电磁兼容问题产生的浪涌电压 干扰电压 传输 抑制等问题 提高传输质量 2 实现供电系统 供电设备防感应雷击 防雷电波入侵 消除短路故障 电流和开关电磁脉冲 SEMP 的危害 3 实现供配电系统 低压配电系统 UPS 电源 微机网络及通信设备的 接地安全 接地装置的等电位联接 4 实现消除静电 ESD 危害 5 通过加装避雷针等防止直击雷危害 通过加装避雷器消除通信线路 微机设备 监控设备 闭路电视等设备感应雷电的危害 6 防止雷击或过电压造成人员伤亡 具体实施主要包括外部防雷 直击雷 和内部防雷 感应雷 两个方面 外部防雷包括 避雷针 避雷带 引下线 接地装置 接地电阻 4 欧姆 等等 其主要的功能是为了确保建筑物本体免受直击雷的侵袭 将可能击中建 筑物的雷电通过避雷针 避雷带 引下线等 泄放入大地 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 主要 以空间屏蔽 等电位连接 减少接近耦合 安全距离 过电压保护等措施 通 过在需要保护设备的前端安装合适的避雷器进行过电压保护 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 雷电的全面防护图见下图所示 2 2 雷电防护区的划分雷电防护区的划分 按照 IEC1312 1 及 GB50057 94 要求 应将要保护的空间划分为不同的防雷 区 以规定各部分空间不同的雷击电磁脉冲的严重程度和指明各区交界处的等 电位连接点的位置 各区以在其交界处的电磁环境有明显改变作为划分不同防 雷区的特征 防雷区宜按以下分区 1 1 LPZLPZ OAOA 区区 直击雷非防护区 本区内的各物体都可能可能遭到直接雷击和导 走全部雷电流 本区内的电磁场没有衰减没有衰减 2 2 LPZLPZ OBOB 区 区 直击雷防护区 本区内的各物体不可能不可能遭到直接雷击 但本 区内的电磁场没有衰减没有衰减 3 3 LPZLPZ 1 1 区 区 屏蔽防护区 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 LPZ OB 更小 本区内的电磁场可能衰减 这取决于屏蔽措施 4 4 LPZLPZ 2 2 区等 区等 后续防雷区 当需要进一步减小导入的电流和电磁场时 应引入后续雷区 并按照需要保护的系统所要求的环境选择后续防雷区的要求 条件 通常 防雷区的数越高电磁环境的参数越低 第三章第三章 方案设计思想方案设计思想 3 13 1 直击雷的外部防护 直击雷的外部防护措施措施 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 多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 按三类防雷建筑物标准 避雷网的网格尺寸 应不大于 20m 20m 避雷针应与避雷网可靠连接 如果采用优化型避雷针更好 的保护建筑物 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 三类防雷建筑物引下线的间距不大 于 25 米 引下线接长必须采用焊接 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 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 其目的是为了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 其目的是为了 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建筑物内相互抵消 减小雷击引下线泻流时产生的强电磁场在引下线所包围的建筑物内相互抵消 减小雷击 感应的危险 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 接地体应采用镀锌钢材 钢管 直径大于 50 毫米 壁厚大于 3 5 毫米 角钢 不小于 40 40 4 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 8 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 钢架结构的建筑应采用建筑物基础钢筋做接地体 钢架结构的建筑应采用建筑物基础钢筋做接地体 3 23 2 直击雷电流在电源系统的分配 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 200KA200KA 10 350us10 350us 第二类 150KA150KA 10 350us10 350us 第三类 100KA100KA 10 350us10 350us 如上图所示 一个能量为 100KA 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 45 100KA 以三 相四线为例 每线承担大约有 25KA 10 350us 的雷电流 地网和通信线路承担 剩余 55 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 33 3 感应雷的防护 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 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 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通信站的内部线路 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 4 4 接地汇集线的布置 接地汇集线的布置 接地汇集线 汇流排 应布置在靠近避雷器的地方 以使避雷器的接地连 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 5 5 等电位连接 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 见下图 6 6 电源避雷器的选择和应用原则 电源避雷器的选择和应用原则 考虑到电源负荷电流容量较大 为了安全起见及使用和维护方便 数据通 信电源系统的多级防雷 原则上均选用并联型电源避雷器 电源避雷器的保护模式有共模和差模两方式 共模保护指相线 地线 L L PEPE 零线 地线 N PEN PE 间的保护 差模保护指相线 零线 L NL N 相线 相线 L LL L 间的保护 对于低压侧第二 三 四级保护 除选择共模的保护方式外 还应尽量选择包括差模在内的保护 残压特性是电源避雷器的最重要特性 残压越低 保护效果就越好 但考 虑到我国电网电压普遍不稳定 波动范围大的实际情况 在尽量选择残压较低 的电源避雷器的同时 还必须考虑避雷器有足够高的最大连续工作电压 如果 最大连续工作电压偏低 则易造成避雷器自毁 电源系统低压侧有一 二 三级不同的保护级别 应根据保护级别的不同 选作合适标称放电电流 额定通流容量 和电压保护水平的电源避雷器 并保 证避雷器有足够的耐雷电冲击能力 原则上 每一级的交流电源之间连接导线 超过 25m 以上 都应做该级相应的保护 电源低压侧保护用的电源避雷器 应该选择有失效警告指示 并能提供遥 测端口功能的电源避雷器 以方便监控 管理和日后维护 电源避雷器必须具有阻燃功能 在失效 或自毁时不能起火 电源避雷器必须具有失效分离装置 在失效时 能自动与电源系统断开 而不影响通信电源系统的正常供电 电源避雷器的连接端子 必须至少能适应 25mm 的导线连接 安避避雷器 时的引线应采用截面积不小于 25mm 的多股铜导线 建议使用 25mm 的多股铜 导线 并尽可能短 引线长度不宜超过 0 5m 当引线长度超过 1 0m 时 应加 大引线的截面积 引线应紧凑并排或绑扎布放 电源避雷器的接地 接地线应使用不小于 25 35mm 的多股铜导线 并尽可 能就近与交流保护地汇流排 或总汇流排 接地网直接可靠连接 另外根据 GB50057 94 关于雷击概率计算中环境参数的选择 见附件 2 根据 YD T5098 2001 条文说明中 2 0 4 款 10 350 和 8 20 us 波能量换算的公 式 Q 10 350us 20Q 8 20us Q 10 350us 20Q 8 20us 由于 10 350us 模拟雷电电流冲击波的能量远大于 8 20us 模拟雷电电流冲击波 的能量 因此一般需要使用电压开关型 SPD 如放电间隙 放电管 才能承受 10 350us 模拟雷电电流冲击波 而由 MOV 和 SAD 组成的 SPD 一般所承受的标称 放电电流是 8 20us 模拟雷电电流冲击波 第四章第四章 防雷设计依据防雷设计依据 设计依据包括有 1 建筑物防雷设计规范 2000 GB50057 94 2 建筑物电子信息系统防雷技术规范 GB50343 2004 3 计算站场地技术文件 GB2887 89 4 计算站场地安全要求 GB9361 88 5 民用建筑电气设计规范 JGJ T16 92 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 IEC 6I312 8 电子计算机机房设计规范 GB50174 93 第五章第五章总体方案设计总体方案设计 1 1 现场情况现场情况 各系统的主机都在同一机房内 各系统的主机都在同一机房内 监控系统由监控系统由 1 台固定摄像机 台固定摄像机 计算机网络系统包含计算机网络系统包含 8 路终端 路终端 电话线路一条 电话线路一条 投影仪一台 投影仪一台 接地系统 原来未做地网 接地系统 原来未做地网 2 2 防雷方案设计 防雷方案设计 根据现场情况 我们要对此各系统从以下 2 个方面做出防护方案 A 对机房设备做出防护 B 对前端设备做出防护 第一 中心机房的防护措施第一 中心机房的防护措施 机房的防护主要有包括电源的三级防护和各系统主机的各种信号线路的防 护 主要的具体措施如下 1 配电系统设多级防雷保护 在机房配电柜 箱 进线端并联安装单相电源防雷器 1P60AN TC 具 有声光报警 和远程遥信报警 并配备雷击次数计数器 对整栋建筑物的电压 系统进行防护 此级残压 1500V 数量需要 1 套 在机房内 UPS 电源输入端并联安装单相电源防雷器 1P20AR 此级残压 1000V 数量需要 1 套 此处需距离机房配电柜 箱 线长 5M 以上 在中心机房的贵重用电设备 如中心交换机 服务器 视频分配器 控 制切换柜等 电源末级 精细级 防雷插座 1P20AS 3 此级残压 800V 数 量估计需要 3 套 小计 小计 1P60AN TC 1 套套 1P20AR 1 套套 1P20AS 3 6 套套 插座具体数量根据实际用电设备确定 插座具体数量根据实际用电设备确定 另 在 1P60AN TC 和和 1P20AR 电源避雷器电源避雷器前端各串联安装 1 套 1P D 曲 线的空气开关 型号分别为 D32A 和 D16A 电源三级防护的效果示意图如下 电源防雷产品的简图 单相同理 雷击过电压 第一级防雷器的 限制电压左右3KV 第二级防雷器的 限制电压左右2KV 第三级防雷器的 限制电压左右1KV 安全电压 4000V 2500V 1500V L3 L1 L2 N PE 机 房 空 开 电源浪涌保 护器 2 信号线路的保护 2 1 机房处监控系统 在会议室内在摄像机视频线进线端安装视频信号防雷器 12TBO75 DH12TBO75 DH 保 护视频信号端口 小计 小计 12TBO75 DH12TBO75 DH 1 1 套套 2 2 电话线路保护 在电话信号线路机房进线端 串联安装 1 套信号浪涌保护器 170TR1102 DT 用于防护 1 路电话信号线路 小计 小计 170TR1102 DT 1 1 套套 2 3 计算机网络系统 在计算机网络系统中心交换机的进线端 串联安装 1 套网路信号浪 涌保护器 8TR4504 DH 在输出端串联安装 1 套网路信号浪涌保护 器 8TR4504 DH 8 用于 8 路网络输出端口的防护 小计 小计 8TR4504 DH 1 1 套套 8TR4504 DH 8 1 1 套套 3 机房防雷接地系统 根据 GB50057 2000 要求 中心机房接地电阻要求 1 在中心机房 利用 就近的大楼柱子钢筋 引出接地汇流排 接地排使用 100 300 10mm 铜排 铜排配备标准接地端子 接地排用 40 4mm 镀锌扁钢焊接引出 施工完立柱面 按原样修复 把机房内的金属机壳 机柜 浪涌保护器等的地线接到汇流排上 形成一个地电位连接 有效的避免了因为机房内设备感应到不同过电压时形成 的电压差 从而达到有效的保护了设备的安全 接地处理如下图 汇流排 钢筋 防 雷 器 金 属 机 壳 机柜等 金属物 机房内有静电地或均压环均压环 可以直接汇流排与其有效的地线连接形成一个 地电位连接 有效的避免了因为机房内设备感应到不同过电压时形成的电压差 从而达到有效的保护了设备的安全 4 防雷系统接地处理 根据 GB50057 94 规定 计算机机房宜采用联合接地方式 单点接地方 式 设置接地系统 以避免落雷时 各地网间的电位差引起高电位反击损坏设 备 联合地网的接地电阻取系统要求的最小值 即小于 1 另外 为避免接 地线形成回路产生干扰 杂波 同时为更有利于雷击时或电源发生故障时的大 电流尽快入地 不同用途的接地用线应单独设计为提高供电设备 卫信通信设 备 网管设备 微机终端设备和保安监控设备硬件环境运行的可靠性和安全性 提高抗干扰能力 解决电磁兼容性问题 采用联合接地方案 应用均压环或汇流排实现等电位连接 在两种地不允 许共地时 可采用隔离型等电位连接器 在无雷暴时 隔离避雷器作用将两种 地隔离 减少地线之间干扰 在有雷电时 隔离器启动 使雷电流快速泄放 1 对现行国家标准规定的地阻值 功率地 保护接零 Rn 4 安全保护地 热地 Rpe 4 直流 逻辑 工作地 冷地 Rdc 1 屏蔽接地 Rp 4 超短波通讯抗干扰接地 Rg 1 防雷接地 Rf 4 建筑物或构筑物接地 Rj 4 防静电接地 要求串联串联 1M 限流电阻接至安全保护地泄流排上 因此 在接地系统关联技术处理上 应用引下线 均压环或泄流排实现等 电位联接 地网地阻要求遵从最小原则按 1 设计地网 2 地网工程 材料选用非金属接地模块 镀锌钢管 镀锌扁钢和高分子降阻剂 根据地 网土壤电阻率等条件搭配使用 地网结构尽可能采用为星型网状式 3 引出线 断接卡 泄流排根据现场情况及设备要求决定材料类型 4 信息网络设备系统要求 N PE 之间的电压漂移 1V 5 机房要求接地电阻小于 1 欧姆 中心机房若建筑物接地不能满足接地 电阻小于 1 欧姆的要求 需进行如下改造 1 成都地区土壤电阻较低 湿度较大 采用传统的金属材料接地方式 很容易将地阻做到 1 以下 但是由于传统金属接地极容易受气候 土壤湿度 土壤酸碱度和时间等因素的影响 造成接地极短时间内生锈 腐蚀而造成接地 电阻上升而不能快速 有效的泄放雷电脉冲 LPS 高频闪电电磁脉冲 LEMP 开关电磁脉冲 SEMP 和其它故障电流 在雷击和故障电流产生 时极有可能造成机房贵重设备损坏和人员伤亡 2 所以改造选时用金属接地极 非金属接地模块配合高分子降阻剂 能够较为有效解决上述问题 采用金属接地极可以快速有效的降低接地电阻至 合格 指标 而非金属接地模块需要在地下深埋一段时间 2 周 后 才能逐步 体现它的优势 非金属接地模块特点在于有良好防腐作用和长期稳定性 它能 长时保