数据中心机房防雷与接地系统之汇编（上篇）
引言
当前，随着全球数据中心建设浪潮的快速发展，代表数据中心发展进程的数字化、信息化建设进程的也在高速发展。在数据中心内部部署的计算机网络信息或数字存储系统，以及其配属的基础设施系统正扮演着愈来愈重要的角色。在全球范围内，每年都发生有多起因雷电侵入数据中心内部配电系统或网络系统，造成数据中心基础设施系统或计算机及网络通讯设施损坏的事件，并最终导致数据中心内的信息传输中断或受损，甚至威胁到运维人员的人身安全。
而设计及安装良好的防雷接地系统则是保证数据中心机房内计算机及其网络设备安全运行、以及运维工作人员人身安全的重要措施。
一、雷电及其危害
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。关于雷电的产生，学术界是有很多种理论解释，通常我们可以简单地认为是由于大气中热空气上升时，与处于高空的冷空气产生运动摩擦，其中的水蒸气在此过程中形成了带有正负电荷的小水滴，当正负电荷积累到一定的电荷值时，导致不同极性的云团之间以及云团对地之间形成强大的电场，从而产生云团对云团或云团对地的一种击穿放电现象，即我们通常所说的闪电和雷鸣。
雷击以其电热效应、电磁效应、化学效应、机械力效应等的瞬间爆发，造成对建筑物、设施设备或人员的巨大破坏或损害。雷击的危害主要有三个方面：直击雷、感应雷、雷电波侵入导致的地电位升高，数据中心遭受雷击侵入室内的主要途径基本是属于该三类情况。
雷电直接击中设备所在建筑物或设备连接线路并经过网络设备入地的雷击过电流称为直击雷。
由雷电电流产生的强大电磁场经导体感应出的过电压、过电流所形成的雷击称为感应雷。感应雷一般由电磁感应产生，通过电力线路、信号馈线感应雷电压而入侵计算机网络系统，从而造成网络系统设备的大面积损坏。
雷电波侵入导致的地电位升高，即雷击大地时高电位通过电力线的零线、保护接地线和通信系统的地线，以脉冲波的形式传导进入室内，并沿着地线等导线反灌传播到各设施设备系统，导致设施设备损坏。
二、数据中心防雷措施
根据GB 50057-2010《建筑物防雷设计规范》的规定，建筑物应根据建筑物重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，按防雷要求分为三类。作为当前数字及信息时代产物的数据中心应划分为第二类防雷建筑物。
以往一谈到防雷措施或要求，可能第一想到的就是接地电阻值要符合要求，虽然接地电阻值是防雷措施或要求的一项极为重要的指标，但并不是接地电阻小，数据中心机房遭到雷电侵害的概率就会小，两者有时候并没有直接的对应关系。
实际上数据中心内的通信设备遭到雷击损坏的主要原因还有：机房内没有做好适当的雷电分流和雷电过压保护措施，或者其连接不可靠等因素造成。因此，我们必须把数据中心的防雷技术按照系统性工程来做，才能保证数据中心免遭雷电的侵害或者降低雷电的侵害的损失。数据中心防雷措施一般包括如下方法或措施：
01
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。
防直击雷设施构造物及其分类说明
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结构 |
分类说明 |
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接闪器 |
指在一定范围内出现的闪电（直击雷），其不能任意选择放电通道，而只能按照人们事先设计好的的防雷系统及规定的通道，将其能量释放到大地中去。接闪中要严格注意预防感应雷。 接闪器由拦截闪击的接闪杆、接闪带、接闪线、接闪网以及金属屋面、金属构件等组成。 |
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引下线 |
用于将雷电流从接闪器传导至接地装置的导体。 一般使用：金属圆条、扁条、钢筋、金属柱等。 |
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接地体 |
埋入土壤中或混凝土基础中作散流用的导体。 一般采用：水平地极（金属带条）、垂直地极（角钢、钢管、铜板条） |
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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，如下图所示。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[1] （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 (a)
由式（a）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。
雷电流源的电阻包括主放电通道的电阻，大约几kΩ。如果我们把带电的雷云当作电源，接闪器到大地看作是负载。那么放电时，就相当于一个有几kΩ内阻的电源，与一个仅有几Ω接地电阻和少许引线的阻抗的负载连接(如上图)，这电源一般为几MV到几10MV，甚至更高。雷击时接闪器对大地的电压就是雷云的电压，在雷云内阻(包括通道电阻)与接地电阻(包括引下线电阻)的分压，接地电阻越小，其分压值越小，相对来讲就越安全。因此，理论上要求避雷装置的接地电阻越小越好，但是如果要求做到接地电阻很小，势必导致造价升高，在工程上往往只要求做到足够安全范围即可，在一些标准规范上，已经对该电阻值有明确的要求。
以上说明建筑物的避雷接地装置必须有足够可靠或足够小的接地电阻值，否则它不但起不到避雷的作用，反而增加雷击危害的危险。但是，需要明确指出的是，大气变化是成规模的，天空中雷云的发生也是成规模的，而且雷云的移动及变化受到很多可变因素支配，很多条件是随机的，并不是固定不变的，因此认为安装有了避雷装置就会万无一失的想法是错误的，避雷装置只能大大减少或降低被雷击危害的可能性。
02
感应雷的预防方法或措施
（1）等电位连接
等电位连接，也叫均压连接。从物理学讲，等电位连接就是把建筑物内及附近的所有金属物，如混凝土内的钢筋、水管及其它金属管道、设备金属外壳及其它大型的埋地金属物、电缆金属屏蔽层、建筑物的接地线等统一用电气连接的方法可靠地连接起来（或把他们直接焊接起来），使整座建筑物成为一个良好的等电位体。建筑物防雷设计规范GB50057-2010对等电位连接定义为 “将分开的诸金属物体直接用连接导体或经电涌保护器连接到防雷装置上以减小雷电流引发的电位差”。
等电位连接分为：总等电位连接(MEB)和局部等电位连接(LEB) 。总等电位联结做法是通过每一进线配电箱旁的总等电位联结母排将下列导电部分互相连通：进线配电箱的PE(PEN)母排，公用设施的上、下水、热力等金属管道、建筑物金属结构和接地引出线。它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。局部等电位联结做法是在一局部范围内通过局部等电位联结端子板将下列部分用6mm2黄绿双色塑料铜芯线互相连通：柱内墙面侧钢筋、壁内和楼板中的钢筋网、金属结构件、公用设施的金属管道、用电设备外壳等。
根据国家相关标准规范的描述，等电位连接又分为S型星形结构及M型网格形结构。
（2）分流装置
分流装置，也叫避雷器或防浪涌保护器，即SPD。
该做法是指一切从室外进入的导线（包括电力电源线，电话线，天线的馈线，信号线或者这类电缆的金属外套等）都要与接地装置或接地之间并联一种分流器件（避雷器，也叫防浪涌保护器），通过该器件引入至接地线。不仅是在入户处，在每个需要作防雷保护的设施设备或仪器设备的入机外壳或前端配电柜处都要安装分流器件。分流器件只是在雷击时产生作用（高电压下相当于短路），它可将通过导线传入进来的过电压波分流入地，也就是类似于把雷电流的所有入侵通道进行堵截。雷电产生的过电压、过电流能量强大，而单个避雷器的分流能力有限，无法一次性在瞬间完成泄流和限压，所以电源系统必须采取多级的防雷保护，即设计多级避雷器进行雷电波堵截。数据中心低压侧一般设计3级或以上防雷分流器件。
（3）接地措施
接地就是让已经进入防雷系统的雷击能量顺利地流入大地，而不能使其集中在防雷系统的某处，对被保护物体产生破坏作用，只有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。从接闪器、等电位连接、分流三个防雷措施来看，都涉及到雷击闪电能量的泻放入地过程，所以“接地”措施虽然是配角，但是如果没有它，前面这三个措施就不可能达到预期的效果，故它是以上三个措施的基础，接地的妥当与否，成为所有建筑物防雷技术上特别重要的一个项目环节。因此通常第三方防雷检测机构进行的例行测试，其主要的中心工作就是围绕机房接地检测来开展的。
把所有各种接地联成一体的主要作用就是为了防雷安全，因此会牺牲其它接地的作用，特别是抗干扰方面的效果。例如对于电子设备防干扰影响，一般要求单点接地，否则在地线两处接点上的电位差会反馈到电子线路里，成为一个干扰信号，影响电子设备的正常工作[1] 。而从防雷的要求看，均压才能避免反击，而均压就要求多点接地。所以一栋拥有大量电子设备的机房，接地系统是很复杂的，接地体更是一个庞大的地网，比如每层楼或每个房间设置接地总母线，每层楼或每个房间的各设施设备或电子设备通过特殊的设计来与接地母线相连接，以尽可能的减少通过地线传导进来的外来干扰问题。
（4）屏蔽措施
防雷屏蔽实际上就是减少电磁干扰的基本措施。就是用金属网、箔、壳、管等导体把需要保护的对象包围起来。其物理原理就是把闪电的脉冲电磁场从空间入侵的通道阻隔起来或全部截断。显然，这种屏蔽作用不是绝对的，需要考虑实际情况和依据实际原则来选择，同时还要估计到直击雷能量所造成的雷击熔穿破坏的概率，确保屏蔽层的足够厚度等等。屏蔽层的套及壳均需可靠接地。
以上的四种防雷措施实际上是一个密切联系的整体防卫体系，他们必须全面一起实施才可能达到万无一失的效果。
结语
数据中心防雷与接地系统是一个复杂的系统工程。本文介绍了雷电潜在的危害，以及数据中心常见的防雷保护措施。
下一期文章，我们将立足数据中心现场，对数据中心防雷接地系统设计及其施工工艺的要求、以及防雷接地系统的检测和维护开展深度的解析。
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