网络机房防雷设计方案

2021/4/1 来源:雷创

网络机房防雷设计方案

一、目前存在的问题
  目前,随着计算机和网络通信技术的高速发展,计算机网络系统对雷击的防护要求越来越高,由于对雷击的防护措施不力或存在认识上的偏差,往往起不到应有的防护效果,机房遭受到雷击频繁发生。特别是在雷雨季节,计算机网络系统的一些电子电气设备受到雷击的干扰,有些遭雷击而烧毁,造成直接经济损失。计算机网络系统的防雷防护要引起足够重视,做到有备无患,对防雷设施进行整改,做好整体防护措施,才能更好地维护机房的安全运行。
二、解决方案
    1.1 建筑物直击雷防护
    按照国家标准 GB 50057-94 《建筑物防雷设计规范》的要求,重要计算机网络系统机房所在大楼为第二类或第三类防雷建筑物,一般都按要求建设有防雷设施,如大楼天面的避雷网 ( 带 ) 、避雷针或混合组成的接闪器等,这些接闪器通过大楼立柱基础的主钢筋,将强大的雷电流引入大地,形成较好的建筑物防雷设施。计算机系统设置在建筑物内,受建筑物防雷系统保护,直击雷直接击中计算机网络系统的可能性就非常小,因此通常不必再安装防护直击雷的设备。
    1.2 计算机网络系统感应雷防护
  感应雷由静电感应产生,也可由电磁感应产生,形成感应雷电压的机率很高,对建筑物内的低压电子设备造成较大的威胁,计算机网络系统的防雷工作重点是防止感应雷入侵。入侵计算机系统的雷电过电压过电流主要有以下三个途径:
    (1) 由交流电源供电线路入侵
  计算机系统的电源由室外架空电力线路输入室内,架空电力线路可能遭受直击雷和感应雷;直击雷击中高压电力线路,经过变压器耦合到 380V 低压侧,入侵计算机供电设备;另外低压线路也可能被直击雷击中或感应出雷电过电压。在 220V 电源线上出现的雷电过电压平均可达 10000V ,对计算机网络系统可造成毁灭性打击。
    (2) 由计算机通信线路入侵
由计算机通信线路入侵分为三种情况。
    情况一:当地面突出物遭直击雷打击时,强雷电压将邻近土壤击穿,雷电流直接入侵到电缆外皮,进而击穿外皮,使高压入侵线路。
    情况二:雷云对地面放电时,在线路上感应出上千伏的过电压,击坏与线路相连的电气设备,通过设备连线侵入通信线路。这种入侵沿通信线路传播,涉及面广,危害范围大。
  情况三:若通过一条多芯电缆连接不同来源的导线或者多条电缆平行铺设时,当某一导线被雷电击中时,会在相邻的导线感应出过电压,击坏低压电子设备。
    (3) 地电位反击电压通过接地体入侵
    雷击时强大的雷电流经过引下线和接地体泄入大地,在接地体附近放射型的电位分布,若有连接电子设备的其它接地体靠近时,即产生高压地电位反击,入侵电压可高达数万伏。建筑物防直击雷的避雷引入了强大的雷电流通过引下线入地,在附近空间产生强大的电磁场变化,会在相邻的导线(包括电源线和信号线)上感应出雷电过电压,因此建筑物避雷系统不但不能保护计算机系统,反而可能引入了雷电流。计算机网络系统等设备的集成电路芯片耐压能力很弱,通常在 100V 以下,因此必须建立多层次的计算机防雷保护系统,层层防护,确保计算机网络系统的安全。
    2. 解决方案
    ( 1 )对于雷电磁场的影响,主要是直击雷击中机房大楼时,雷电流在建筑物的内部分布直接影响到计算机网络系统设备,特别是对电磁干扰敏感的计算机及网络通信终端设备。合理选择机房的位置及机房内设备的合理布局可有效的减少雷害。
    ( 2 )在供电系统及计算机网络终端设备的接口处安装电涌保护器 SPD ,并对出入机房缆线采取屏蔽、接地,实现等电位连接等措施,可有效减少雷击过电压对计算机网络系统设备的侵害。
  ( 3 )机房采用联合接地可有效的解决地电位升高的影响,合格的地网是有效防雷的关键。机房的联合地网通常由机房建筑物基础(含地桩)、环形接地(体)装置、工作(电力变压器)地网等组成。对于敏感的数据通讯设备的防雷,接地系统的良好与否,直接关系到防雷的效果和质量。如果地网不合要求,应改善地网条件,适当扩大地网面积和改善地网结构,使雷电流尽快地泄放,缩短雷电流引起的高过电压的保持时间,以达到防雷要求。

三、实例
    1. 基本情况
    某公司机房,在公司所在大楼三楼,大楼已有避雷针、避雷带等外部防雷设施;计算机网络系统的供电系统由市电三相低压电源供电,机房供电电源由配电室配电柜直供大楼配电箱,由大楼配电箱至机房配电箱供给 UPS 电源设备;机房计算机网络通信线进出采用 UTP 双绞线缆,通讯专线的线路采用语音电缆线,卫星馈线采用 BNC 接口同轴电缆;机房接地利用建筑接地网。

   

     2. 方案设计

  机房所在大楼已有避雷针、避雷带等外部防雷设施,不再作外部防雷补充设计。计算机网络系统雷击电磁脉冲防护按 A 类要求设计,供电系统采取 3~4 级电涌保护器( SPD )(以下简称避雷器)进行保护。网络通信系统采取精细保护,对于进出保护区的电缆、电线在进入保护区时适当安装信号接口电涌保护器( SPD )。机房实行联合接地,建立合格的接地系统,对进出保护区界面的管、线、槽实行等电位连接。有效地将雷电过电压降低到设备能够承受的水平。设计内容主要包括:
    (1) 机房设备瞬态过电压保护的设计;
    (2) 机房等电位连接的设计;
    (3) 接地网制作设计。
    3. 机房电源设备瞬态过电压保护
   计算机网络机房作为一个欲保护的区域,从 EMC (电磁兼容)的观点来看,由外到内可分为几级保护区。建筑物大楼外部是直接雷的区域,在这个区域内的设备最容易遭受损害,危险性最高,是暴露区,为 0 区;建筑物内部到机房所处的位置为非暴露区 , 可将其分为 1 区、 2 区,越往内部,危险程度越低。电源线路是雷电过电压侵入的主要途径之一。从总配电室变压器低压输出端到机房设备端,必须实行分级保护,将雷电过电压降低到设备能够承受的水平。
    3.1 电源避雷器的配置
    (1) 总低压配电室的总配电柜电源输出端配置三相箱式电源避雷器 1 台,作为第一级防雷保护。标称放电电流选用 50 ~ 100kA ,预防直击雷。
    (2) 网络设备所在建筑楼层总配电箱电源引入端配置箱式电源避雷器,作为第二级防雷保护。配置三相箱式避雷器,标称放电电流选用 40kA ,预防感应雷击或操作过电压。
    (3) 网络设备机房配电箱电源引入端配置电源避雷器,作为第三级防雷保护。配置单相箱式避雷器,标称放电电流选用 20kA ,预防感应雷击或操作过电压。
    (4) 重要网络机柜或设备端采用模块式电源避雷器,作为第四级防雷保护。标称放电电流选用 5kA ,预防感应雷击或操作过电压。
    3.2 数据(信号)通信接口避雷器的配置
    根据通信设备的具体情况,主要考虑由室外引入的数据(语音)或视频信号线路的防雷保护。避雷器主要串接在线路的两端设备的接口处。
    (1) 服务器 100M 输入端口处安装单口 RJ45 端口信号避雷器,以保护服务器。
    (2)24 口网络交换机串联 24 口的 RJ45 端口信号避雷器,避免因雷击感应或电磁场干扰沿双绞线窜入而毁坏设备。
    (3) 在 DDN 专线接收设备上安装单口 RJ11 端口信号避雷器,保护 DDN 专线上的设备。
    (4) 在卫星接收设备前端安装同轴端口天馈线避雷器,以保护接收设备。
    4. 等电位连接设计
   在机房做一个接地总汇流排,使交流工作接地、安全保护接地、直流工作接地、防雷接地等四种接地共用一组接地装置。机房接地汇流排尽量安装在防静电地板下隐蔽处。将所有进入大楼的通信电缆及线缆用金属管道进行屏蔽,并将所有的金属管道(包括水管、煤气管及各种屏蔽管道)在进入大楼之前,就近接地。采用联合接地网,目的是消除各地网之间的电位差,保证设备不因雷电的反击而损坏。
5. 接地网制作设计
   接地是避雷技术非常重要的环节之一,无论是直击雷或感应雷,最终都是把雷电流引入大地。因此,对于敏感的数据(信号)通信设备而言,没有合理而良好的接地系统是不能可靠避雷的。因此,对接地电阻 >1Ω 的大楼地网,需按照规范要求整改,以提高机房接地系统的可靠性。根据具体情况,通过沿机房大楼建立不同形式的接地网(包括水平接地体、垂直接地体)来扩大接地网的有效面积和改善地网的结构。基本要求如下:
   ( 1 )在大楼周围做接地网,用较少的材料和较低的安装成本,完成最有效的接地装置;
   ( 1 )接地电阻值要求 R < 1Ω ;
   ( 2 )接地体应离机房所在主建筑物 3~5m 左右设置;
   ( 3 )水平和垂直接地体应埋入地下 0.8m 左右,垂直接地体长 2.5m ,每隔 3~5m 设置一个垂直接地体;
   ( 4 )垂直接地体采用 50×50×5mm 的热镀锌角钢,水平接地体则选 50×5mm 的热镀锌扁钢;
   ( 5 )在地网焊接时,焊接面积应 ≥6 倍接触点,且焊点做防腐蚀防锈处理;
   ( 6 )各地网应在地面下 0.6~0.8m 处与多根建筑立柱钢筋焊接,并作防腐蚀、防锈处理;
   ( 7 )土壤导电性能差时采用敷设降阻剂法,使接地电阻 ≤1Ω ;
   ( 8 )回填土必须是导电状态较好的新粘土;
   ( 9 )与大楼基础地网多点焊接,并预留接地测试点。
   以上是一种传统的廉价实用的接地方式,根据实际情况,接地网材料也可以选用新型技术接地装置,如免维护电解离子接地系统、低电阻接地模块、长效铜包钢接地棒等等。

四、结束语

   计算机网络系统对雷电过压的防护要求比较高,对计算机网络系统进行防雷设计时,应根据机房所在的地理环境进行综合考虑,经过合理的雷电风险分析,针对雷害入侵机房设备的主要来源,进行整体防护,并根据现有的一些成熟的防雷技术经验,采取经济有效的防护措施,保障计算机网络系统设备的安全稳定运行。



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