数据中心机房防雷与接地系统
雷电是一种自然界中常见的放电现象,是伴有闪电和雷鸣的一种雄伟壮观而又令人生畏的放电现象。雷电的危害一般分为两类：一是雷直接击在建筑物上发生热效应作用和电动力作用；二是雷电的二次作用，即雷电流产生的静电感应和电磁感应。雷电的具体危害表现如下：
1．雷电流高压效应会产生高达数万伏甚至数十万伏的冲击电压，如此巨大的电压瞬间冲击电气设备，足以击穿绝缘使设备发生短路，导致燃烧、爆炸等直接灾害。
2．雷电流高热效应会放出几十至上千安的强大电流，并产生大量热能，在雷击点的热量会很高，可导致金属熔化，引发火灾和爆炸。
3．雷电流机械效应主要表现为被雷击物体发生爆炸、扭曲、崩溃、撕裂等现象导致财产损失和人员伤亡。
4．雷电流静电感应可使被击物导体感生出与雷电性质相反的大量电荷，当雷电消失来不及流散时，即会产生很高电压发生放电现象从而导致火灾。
5．雷电流电磁感应会在雷击点周围产生强大的交变电磁场，其感生出的电流可引起变电器局部过热而导致火灾。
6．雷电波的侵入和防雷装置上的高电压对建筑物的反击作用也会引起配电装置或电气线路断路而燃烧导致火灾。
(1)直击雷的预防方法或措施
防直击雷是数据中心外部建筑物必须考虑的措施。防直击雷设施的主要构造是:接闪器、引下线、接地体等。建筑物外采用接闪网形式的接闪器,会更好的预防球形雷进入室内导致的危害。当前一些建筑物采用幕墙玻璃的外墙,其外墙是是一整张金属构建网,其防雷效果会更好。表1为防直击雷设施构造物及其分类说明。
发生雷击的时候，天空中的雷云通过避雷针及接闪器向大地放电的过程，可以近似用RC放电过程来模拟。因为大地与雷云之间相当于一个充了电的极大电容器，如图1所示。图中雷云与大地之间的电容用电容器C表示，雷云内部和雷电流通道的电阻用R1表示，接闪器和它与大地之间接地电阻(包括连接线的电阻和接地体的散流电阻)用R2表示。
由以上等效电路图可知,雷击时电流i与R及接闪器上的高电压相互关系适合RC放电方程:
iR-UC=0（其中:R=R1+R2）
R1为雷云内部和雷电流通道的电阻;
R2为接闪器和它与大地之间的连接电阻。
又因I=-C·dUC/dt。所以RC·dUC/dt+UC=0
解此微分方程得:UC=Ae-t/RC
由上式可知,当t=0时,A=UC为最大值,所以A就是刚刚发生闪击那一瞬间接闪器对大地的电压,也就是雷云对大地的电压。并且R越小,UC衰减得越快,表示雷击时散流得越快。
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。做好数据中心机房接地系统的重要性,已经逐渐被通信行业认识及普遍接受。但是,在具体实施这项工作时,却往往面临诸多困难。
(1)接地体
在做接地系统的接地体时,施工管理人员一定要认真负责检查施工的整个过程。接地体是一个隐蔽工程,一般做好后就埋于地下,甚至有的接地体完工后,会在表面用混凝土进行浇灌。因此,接地体做好以后,如果再想去检查就困难了。因而要求施工管理人员,熟悉接地线的有关图纸、设计要求、施工工艺标准;在施工过程中严把质量关,特别是材料关。另外接地体做好后,一定要进行测量检查,接地体必须达到技术要求后,才能进行掩埋处理。
接地体应采用镀锌钢材,其规格要求如下:
·钢管Φ50mm,壁厚应不小于3.5mm;
·角钢应不小于50mm×50mm×3mm;
·扁钢应不小于40mm×4mm。
垂直接地体长度为1.5～2.5m。垂直接地体间距为其自身长度的1.5～2倍。当垂直接地体埋设有困难时,可设多根环形水平接地体,彼此间隔可为1～1.5m,且应每隔3m相互焊接连通一次。
接地体之间所有焊点，除浇注在混凝土中的以外，均应进行防腐蚀处理。接地装置的焊接长度——对扁钢为宽边的2倍；对圆钢为其直径的10倍。
接地体埋深,其上端距地面应不小于0.7m。在寒冷地区,接地体应埋设在冻土层以下。接地坑应回填土壤或降阻材料。
(2)接地引入线
接地引入线长度应不超过30m,其材料为镀锌扁钢,截面积应不小于40mm×4mm。接地引入线应作防腐、绝缘处理、并不得在暖气地沟内布放;埋设时应避开污水管道和水沟;裸露在地面以上部分,应有防止机械损伤的措施。接地引入线应以对称方式(南北或东西)由地网就近引入,其中2根与电力室接地汇集线相连,另2根与机房接地汇集线相连。两接地汇集之间应采用截面积不小于40mm×4mm镀锌扁铜相互妥善连通。
(3)接地汇集排
接地汇集排一般设计成环形或排状,建议材料选用为铜材,其截面积应不小于120平方毫米。
(4)接地排/线连接
接地极的连接应采用焊接,接地线与接地极的连接应采用焊接。异种金属接地极之间连接时接头处应采取防止电化学腐蚀的措施。电气设备上的接地线,应采用热镀锌螺栓连接;有色金属接地线不能采用焊接时,可用螺栓连接。螺栓连接处的接触面应按现行国家标准GB50149-2010《电气装置安装工程母线装置施工及验收规范》的规定执行。
据相关资料介绍,对接地体同引出连接排的连接处的防腐有多种,表2是各种方法的优劣势比较,从中可以看出,采用阴极保护是最佳选择。
采用埋入电位更负的活泼金属与被保护金属偶接,从而具有减缓或阻止腐蚀的作用。根据提供保护电流方式的不同,阴极保护法又可分为牺牲阳极和外加电流两种。
牺牲阳极保护法是一种防止金属腐蚀的方法,即将还原性较强的金属作为保护极,与被保护金属相连构成原电池。还原性较强的金属将作为负极发生氧化反应而消耗,被保护的金属作为正极就可以避免腐蚀。这种阳极消耗快,安设位置及方法必须便于更换.低电位金属材料有镁、镁合金、纯锌、锌合金、铝合金等。
外加电流阴极保护法通过外加直流电源以及辅助阳极,迫使电子从土壤流向被保护金属,使被保护金属结构电位高于周围环境来进行保护。外加电流阴极保护系统由以下几部分组成:辅助阳极、测试桩、直流电源、辅助材料、参比电极和导线。此外,为使阳极输出的保护电流更均匀,避免阳极附近结构物产生过保护,有时在阳极周围还须涂刷阳极屏蔽层。
(5)临时接地点/或箱设计
临时接地点是指因电气维护工作中的安全需要，临时将线路或电气设备接地的地方。如变压器维护、配电柜维护，均要使用临时接地棒，在维护设备之前将线路进行明显的直接接地措施。临时接地棒也是电力施工作业接地使用的必备安全用具。
临时接地点设计主要针对采用钢材做接地排的一些机房,因为钢材较容易腐蚀,一般会刷防腐蚀层或包裹防腐蚀材料,在进行电气维护工作中的时候,需要进行临时接地的时候,经常会导致无法进行明显的有效的接地线挂接。因此设置必要的临时接地点是维护工作的需要,一般采用铜材料作为临时接地点的材料,采用箱式或直接引出铜排方式,见图4。
数据中心防雷接地系统应该邀请第三方单位进行检测,检测单位一般为各地气象局的防雷中心或有资质的防雷检测公司,防雷接地检测数据参照国家及行业相关标准执行。
(1)防雷接地检测必要性
安装了防雷接地保护装置之后,雷电防护是否就已经万事大吉了呢?答案是否定的,因为所有的防雷接地装置是否有效发挥作用才是雷电防护的关键所在。因此,做好防雷接地保护装置检测就显得尤为必要。
首先,防雷接地保护装置必须有效连接、接地电阻值应该符合规范要求,才能达到防雷作用。
其次,防雷接地保护装置安装完毕后,由于随时间、环境湿度、后期施工等影响可能导致装置损坏、连接电阻增大。
再次,防雷元器件一般为易损件,需要定期维护更换。
最后,由于对新情况新问题的深入了解,防雷接地标准会更新升级。
(2)防雷接地检测周期
·项目交付前的检测,初次检测建议全检;
·进行优化改造后的检测;
·定期检测:《建筑物防雷装置检测技术规范》的要求,具有爆炸和火灾危险环境的防雷建筑物检测间隔时间为6个月,其他防雷建筑物检测间隔时间为12个月。
(3)防雷设施安全检测的一般项目与内容(见表3)
(4)防雷接地系统的维护
防雷设备的维护主要要求是维持防雷设备指示正常、无发热异常现象。接地装置及连接点和避雷针的维护主要要求是维持焊接质量稳定可靠、连接无腐蚀情况及连接牢固有效、保证能承受大电流冲击。接地排的维护主要是防腐蚀。防雷接地系统维护建议周期表见表4。
（原文有删减）
（来源：《数据中心建设+》杂志）