机房防雷防护应用方案解析

一、防雷系统发展历程

电的普遍使用促进了防雷产品的发展，当高压输电网为千家万户提供动力和照明时，雷电也大量危害高压输变电设备。高压线架设高、距离长、穿越地形复杂，容易被雷击中。避雷针的保护范围不足以保护上千公里的输电线，因此避雷线作为保护高压线的新型接闪器就应运而生。在高压线获得保护后，与高压线连接的发、配电设备仍然被过电压损坏，人们发现这是由于 “感应雷”在作怪。（感应雷是因为直击雷放电而感应到附近的金属导体中的，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：当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，就会在电路中形成电脉冲。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。雷电在高压线上感应起电涌，并沿导线传播到与之相连的发、配电设备，当这些设备的耐压较低时就会被感应雷损坏，为抑制导线中的电涌，人们发明了线路避雷器。

早期的线路避雷器是开放的空气间隙。空气的击穿电压很高，约500kV/m，而当其被高电压击穿后就只有几十伏的低压了。利用空气的这一特性人们设计出了早期的线路避雷器，将一根导线的一端连在输电线上，另一根导线的一端接地，两根导线的另一端相隔一定距离构成空气间隙的两个电极，间隙距离确定了避雷器的击穿电压，击穿电压应略高于输电线的工作电压，这样当电路正常工作时，空气间隙相当于开路，不会影响线路的正常工作。当过电压侵入时，空气间隙被击穿，过电压被箝位到很低的水平，过电流也通过空气间隙泄放入地，实现了避雷器对线路的保护。开放间隙有太多的缺点，如击穿电压受环境影响大；空气放电会氧化电极；空气电弧形成后，需经过多个交流周期才能熄弧，这就可能造成避雷器故障或线路故障。以后研制出的气体放电管、管式避雷器、磁吹避雷器在很大程度上克服了这些毛病，但他们仍然是建立在气体放电的原理上。气体放电型避雷器的固有缺点：冲击击穿电压高；放电时延较长（微秒级）；残压波形陡峭（dV/dt较大）。这些缺点决定了气体放电型避雷器对敏感电气设备的保护能力不强。半导体技术的发展为我们提供了防雷新材料，比如稳压管，其伏安特性是符合线路防雷要求的，只是其通过雷电流的能力弱，使得普通的稳压管不能直接用作避雷器。早期的半导体避雷器是以碳化硅材料做成的阀式避雷器，它具有与稳压管相似的伏安特性，但通过雷电流的能力很强。不过很快人们又发现了金属氧化物半导体变阻器（MOV），其伏安特性更好，并具有响应时间快、通流容量大等许多优点。因此，目前普遍采用MOV线路避雷器。随着通信的发展，又产生了许多用于通信线路的避雷器，由于受通信线路传输参数的约束，这一类避雷器要考虑电容和电感等影响传输参数的指标。但其防雷原理与MOV基本一致。

二、雷击的危害：

雷击的危害主要有三个方面：

*是直击雷。

直击雷是指雷云对大地某一点发生强烈的放电。它可以直接击中设备，也可以击中架空线，如电力线、线和天线等，雷电流沿导线进入设备，从而造成破坏。

第二是感应雷。它可以分为静电感应及电磁感应。

静电感应：当带电雷云（一般带负电）出现在导线上空时，由于静电感应作用，导线上束缚了大量的相反电荷。一旦雷云对某目标放电，雷云上的负电荷便瞬间消失，此时导线上的大量正电荷依然存在，并以雷电波的形式沿导线经设备入地，引起设备损坏。

电磁感应：当雷电流沿着导体流入大地时，由于频率高、强度大，在导体附近便产生很强的交变磁场。如果设备在这个磁场中，便会感应出很高的电压，以致损坏。对于灵敏的电子设备，尤其如此。

第三是地电位反击。

我们简单举例分析，当10KA的雷电流通过引入导体入地时，我们假设接地电阻为10Ω,根据欧姆定律,我们可知在入地点处电压为100KV,因入地点与导线、设备接地相连，所以这几点电压都为100KA。而有楼内接地点电压为0，楼内设备就会产生100KV的电位差，足以使设备损坏。

三、雷电过电压对机房电子设备造成损害的主要途径：

1、网络数据线路在远端遭受直接或感应雷击，沿网络线路进入设备

2、有线通讯线路在远端遭受直接或感应雷击，沿通讯线路进入设备

3、建筑物内部的各种线路，通过感应雷击电磁脉冲辐射，进入设备

4、电源供电线路在远端遭受直接或感应雷击，沿供电线路进入设备

5、地电压过高，反击进入设备

6、天线遭受直接雷击或感应雷击

7、避雷针引下线，在避雷针接闪泄放雷电流时，产生LEMP电磁脉冲辐射

8、临近建筑物或附近地面、树木等遭受雷击，同时带来LEMP和附近地面的跨步电压（地电压反击）95%的闪电发生在云对云之间，产生几百千安的电流和*的LEMP

四、雷电保护的整体概念

1、 IEC防雷分区定义

雷电保护区LPZ0A(0A区)： 该区内的各物体都可能遭受直接雷击,同时在该区内雷电产生的电磁场能自由传播,没有衰减.

雷电保护区LPZ0B(0B区)：该区内的各物体在接闪器保护范围内,不会遭受直接雷击,但该区内的雷电电磁场因没有屏蔽装置,雷电产生的电磁场也能自由传播,没有衰减。

雷电保护区LPZ1(1区)：该区内的各个物体因在建筑内，不会遭受直接雷击，电流经各导体的电流比LPZ0B区更小，本区内的雷电电磁场可能衰减（雷电电磁场与LPZ0A、LPZ0B区可能不一致），这取决于屏蔽措施。

后续防雷区LPZ2等(2区等)：当需要进一步减少雷电流和电磁场时，应引入后续防雷区，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。

2、防雷器分级保护原理

IEC61312定义了防雷的保护分区，根据保护分区的要求需要在每个分区的交界处，安装相对应的防雷器，在LPZ0B区与LPZ1区的交界处安装B级（即*级）防雷器，在LPZ1区与LPZ2区的交界处安装C级（即第二级）防雷器，在LPZ2区内的备前端安装D级（即第三级）防雷器。其工作原理为利用分级的防雷器，层层泄放雷电感应的能量，遂级减低浪涌电压，从而保护用户端设备。

根据VDE 0675规划，对B、C、D三级防雷器保护水平的要求如下：

B级防雷器一般采用具有较大通流量的防雷器,可以将较大的雷电流泄放入地,达到限流的目的,同时将过电压减小到一定的程度.

C、D级防雷器采用具有较低残压的防雷器，可以将线路中剩余的雷电流泄放入地，达到限压的效果，使过电压减小到设备能承受的水平。

雷电防护设计的理论依据

在我们方案设计工作中除了遵照执行相关的国家标准要求外，我们还参考和引入IEC/TC-81有关标准的核心内容作为我们设计的指导思想和理论依据。IEC/TC-81是在电工委员会防雷技术精华的基础上，制订的各种防雷技术标准、规范，对我们的实际工作具有指导意义。

如：在IEC1024-1《建筑物防雷》和IE1312《雷电电磁脉冲的防护通则》标准中，重点提出了防雷分区和等电位连接的概念。根据雷击在不同区域的电磁脉冲强度划分防雷区域，并在不同的防雷区域的界面上进行等电位连接，能直接连接的金属物就直接相连，不能直接连接的如：电力线路和通信线路等，则必须依据不同的防雷区域的科学划分，采用不同防护等级的防雷设备器件，对后续被保护设备进行有效的保护且必须实施等电位连接。实践证明，这种分区分级等电位均压连接，并以防雷设备来确保被保护设备的防护措施是的解决问题，实现有效防护的方法。

从严格的意义上讲，目前我方已进行的智能系统雷电防护工作，在实施的过程必须考虑使用环境的特殊情况。譬如，所在的建筑物的主楼供电系统、主变配电室是否属于专门使用。虽然大楼的建筑物避雷装置可确保建筑物本身免遭雷击损坏和人身安全，但出于大楼的综合管线，如上下水管、电力供电线等等的综合连接问题，市政建设管线与大楼的相互关系，如入户线的屏蔽问题等原因，加之大楼内其它部门所作的改造、塔接，实难于逐一考证，就整幢建筑物是否为一完善的均压系统就难以确定。为此，我们将重点保护的范围集中确定在LPZ0B防雷区—计算机信息系统中心机房的范围内，并且以LPZ0A防雷区与机房范围的界面为一屏障，在这里将所有可能雷电入侵渠道全部切断。运用实施DBSE技术，并合理选用防雷设备，来实现我们的目的----即对计算机信息系统中心机房实现系统雷电防护。

五、防雷器设备选型

在雷电高发地区，网络设备均为精密电子设备。如果不注意防雷措施，轻则设备工作异常，重则损坏设备，造成一定的经济损失。因此，我们在设计智能化系统时必须考虑系统防雷措施。防止雷击是一个系统的工程，必须综合运用外部防护、内部防护和瞬态过压防护等各种手段，尤其必须使用的SPD。

根据使用性质、信号种类、安装方式、电压级别的不同，上海思博提供以下种类的产品：

电源的防雷及电涌保护

用于过程控制领域中的防雷及电涌保护

用于数据网络和标准接口的防雷及电涌保护

用于无线收发系统的防雷及电涌保护

用于电信系统的防雷及电涌保护

均压等电位连接和防雷箱箱体

六、电源防雷规划方案

本项目主要考虑机房的电源防雷系统，机房电源系统的防雷须满足《建筑物防雷设计规范》的要求，根据设备被保护的重要程度，需要采用主级防雷或主次级两级防雷。

我们根据本项目实际情况，我方建议采用“SurgeGate”三级防雷系统，在楼层电缆竖井或楼层配电柜处加装B级智能防雷箱，在机房配电箱进线处设置C级智能防雷箱，在终端设备前设置D级智能防雷插排。

1、一级(B级)智能防雷终端 SGM-B100

符合IEC与VDE标准要求，根据VDE0675对防雷器的分类定义，SGM1-40KA是属建筑物内部的*级（B类）电源防雷器，可提供220/380V供电线路的防雷过电压保护。防雷过电压保护是减少被保护设备或建筑物损坏、火灾、爆炸和人员安全的重要措施。

2、二级(C级)防雷器SGM-B80

3、三级(D级)电涌器

4、机房服务器及核心交换机前端安装三级(D级)电涌吸引器。

型号：（防雷电源插座）

参数：起动时间<25ns，雷电通流量（max）：5kA，工作电压：220V，有劣化指示。

七、信号系统防雷

信号系统由于自身的特殊性，机房内信号线路种类很多，它包括有线信号、计算机网络数据线、遥控、遥测信号线、线、无线通信机模拟/数字信号线，监控视频线等等。而且往往布线上还存在一些问题，加之这些数据设备的耐压又很低，常成为雷电袭击的目标。

用电磁分析来说明，0.07GS的磁场强度，就可以造成计算机原件的误动作。2.4GS的磁场强度就可以使芯片*报废。我们某些同志认为设备在建筑内不会遭雷击，这种观点需要更正。雷击设备主要是通过空间电磁脉冲，它是具有相当穿透性的，一般的建筑只能起到一定的衰减作用，要真正做到保证设备的安全，必须用金属板将设备屏蔽起来，同时将金属屏蔽层接地，这种办法针对一些小部门、局部设备可以采用，而且效果还不错，但绝大多数设备不可能照此办理，同时与金属屏蔽层以外相连的线缆还是需要加SPD设备。

因此，在重要设备，对于核心网交换机、HUB、长线MODEM、程控交换机、摄像头等信号接口上都需要安装相应的信号避雷器以保证设备的安全。由于信号避雷器数量众多就不一一列举。

信号避雷器的选择和安装可参见“智能系统防雷示意图”：

该机房主要信号浪涌抑制器为RJ45防雷器

八、 接地系统防雷

作为大楼的接地，包括防直击雷接地、强电接地、强电保护地、弱电保护地、弱电工作地、弱电逻辑地、防静电地等各种类型的接地线。如何处理好这些接地线是一个很关键的问题。

根据GB50174-93标准及IEC1312标准，各类接地线应采用分类连接方式，采用汇流方式一点接地，同时各类接地线在地下又连接在同一个地网中。所谓分类连接：即接地线按其用途，使用的系统、功用严格区分开，严禁不同类型的接地线连在一根接地线上以免形成反击条件。所谓汇流方式一点接地：即同类设备的接地线均连接到一个汇流点上中间不混接，再由此汇流点用一根线引至地网中。这样可避免形成回路电流。

这种接地方式目前广泛应用于计算机、数据通信行业，已被实践证明是一种安全有效的接地方式。其联合地网的接地电阻按所有接地要求中zui低数值来选取。 防雷器的安装说明

安装避雷器时的引线应采用截面积不小于25mm²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0.5m时，应加大引线的截面积。引线应紧凑并排或绑扎布放。

电源避雷器的接地线应使用不小于16～35mm²的多股铜导线，并尽可能就近与交流保护地汇流排、总汇流排、接地网直接可靠连接，且不能折弯或盘绕。

防雷器正常工作的条件必须满足: 电网供电电压必须不超出防雷器的zui大工作电压，对于电压变化较大的电网，应该选用zui大工作电压更高的防雷器；防雷器的工作环境（如：温度）必须合乎其技术规范的要求。安装前应做好充分的准备，如连接导线的长度、线饵和螺丝的大小等应先根据安装位置和连接位确定好。严禁带电安装电源避雷器。

安装各级电源避雷器时，应做好意外情况的应对方法(如：停电时间过长)。

在中断市电来安装*、二级保护用电源避雷器的同时，应确保备用电源供电正常。在电力室交流配电屏上安装电源避雷器时，应在短时间内完成。

在UPS交流配电屏上安装电源避雷器时，先检查和确保UPS供电满载在可靠的放电时间前提下，安装时应在尽量短的时间内完成。

防雷器安装时应该合理走线，避免二次感应现象的产生。

如原配电箱有空间，防雷器可装入配电柜内；如原配电箱内无剩余空间，防雷器另外采用防雷箱就近装在配电柜旁边。

九、接地工程

接地系统是保证机房电气及计算机设备安全可靠运行的重要措施。本工程设计的三相五线制供电方式。三火一零一地（保护地）进户。

本项目采用联合接地系统。在机房设等电位接地端子箱，内置2条等电位端子接地紫铜板。从接地板用1根ZR-VV-1x25mm2 沿线槽或穿桥架经强电竖井明敷到地下室低压配电房，与大楼的总接地端子板连接。

系统接地与大楼防雷接地共用接地体，机房等电位接地端子箱处的接地电阻不大于4Ω。

采用交流220V供电的消防设备，其金属外壳和金属支架应与PE线连接。特别值得一提的是，UPS系统三孔插座，其接地端子接逻辑地网，此方案是按计算机系统设备要求接逻辑地考虑的，如设备有特殊要求，按厂家要求做施工方案。在室内安全保护地线与电源中性线（零性）要分别接在开关柜和配电箱相应接线排上。保护地（PE）与配电柜体有可靠的电气连接。PE线引至户外，可与中性线重复接地，接在一个接地极上。厚玻璃隔断金属框及防静电地板支脚应至少有两点可靠接地，是为防静电接地。

十、 机房等电位连接方案

1、等电位连接的作用

(1)降低预期接触电压

(2)消除自建筑物外沿PEN线或PE线窜入的危险故障电压

(3)减少保护装置据拒动带来的危害

在计算机防雷安装等电位连接排，设备通过等电位连接带和等电位连接排相连，接地装置通过地线连接到等电位连接排上。

机房设局部等电位连接系统，采用3x20紫铜排组成“田”子型等电位接地网络。由等电位端子排引到各机柜的接地支线和机房内各电子设备的接地支线采用，穿电线管MT25明敷设。

对于其它用电设备比如：采用交流220V供电的消防设备，UPS设备，空调，PC等等具有金属外壳和金属支架应与PE线连接。金属槽（管）两端及中间每隔5米应接地；机房内金属门、窗及其金属构件等，均应可靠接地。

2、等电位联结导体选择

根据以上所述，我们建议等电位连接排，记接地装置和室内等电位连接排之间采用35 mm2 铜质线缆连接。在局部等电位连接，即设备和等电位连接带之间使用6mm2 的铜线连接。并作镀锡处理。

十一、机房接地体施工方案

本项目采用联合接地方式。如果大楼不能提供接地端子，或者提供的接地端子经测试不符合计算机机房需求，则机房需要采用接地体施工。

在大楼外部的草地上完成机房接地体施工，并引一条ZR-BV 35 mm2接地线引入到机房等电位接地箱，接地引线与大楼的钢筋网及各种金属管道绝缘。我方承诺直流地的接地电阻小于1欧姆。

我方将严格按照《建筑物防雷设计规范》 GB50057—94中的要求实施接地工程，接地电阻达到1欧姆以下。具体施工方案如下：

1、首先选择接地地表

（a）、接地地表由甲方地方和范围，我公司将在给出的范围内施工。接地地表范围内应不含各种管道，如水管、煤气管、下水道等，若大楼物业方面事没有特别说明或出具施工范围内的管道图，由于我方施工所造成的其它管道破坏，我方应不承担责任。

（b）、若接地地表为绿地，则我们首先将绿地内的植物移出，作好现场保护后再施工，施工完毕将再将植物移植回来，并作好现场恢复；若接地地表为水泥地，则我们首先将水泥路布破坏，露出土壤后施工，施工完毕后，恢复水泥路面。以上现场保护和恢复的费用包括在我方施工费报价中，但其它可能出现的一些费用，如：绿地占用费、地面毁坏费等，这些费用不包括在我公司本次工程报价中。

2、在接地地表处挖出宽为0.5米，深为1米，的长为20米，“口”字型地槽（长度视地表导电率而定），然后每隔3米左右开挖一个小坑，每坑深0.4-0.5米。

3、将一根1.5米长的铜包钢垂直打在圆坑处。深度1.5m。

4、坑处填充降阻剂，在沟内铺设一层后15厘米宽10厘米的降阻剂。在上面铺设热镀锌扁钢。

5、用镀锌扁铁连接所有铜包钢，使用火泥焊接技术。

6、将接地线与地网连接，引至机房。接地线可以为铜芯电线或镀锌铜排，如果选用镀锌铜排连接至机房，则接地整体效果较好，接地电阻能做到小于1欧姆，但材料费和施工费都较昂贵，较少采用。因此，在接地工程中一般采用35-70平方电源线，并考虑屏蔽处理。

7、施工完毕并做好现场初步恢复后，应立即使用仪器测试。测试时，工程甲方或监理方应有代表在场。接地工程施工完成时zui便于测试，否则，一旦现场*恢复，以后做第二次测试时极为麻烦，需重新开挖土地，找到接地体或接地线后才能做测试，因此，接地工程完后应立即开始测试和验收。

十二、电源防雷器施工工序

配电防雷器安装工序：钻孔——打澎胀螺丝——固定防雷箱——作避雷器及空开导线——连接线路及接地

接地系统施工工序

1、机房等电位铜母排安装：墙面、地面、母排钻孔——打澎胀螺丝——上绝缘子——装母排

2、机房等电位连接：裁导线——两端做线耳——穿金属软管——将母排同设备等连接——将母排与地线连接。

3、母排箱安装：钻孔——固定箱体——裁导线——作线耳——接线。

4、母排地阻检测：打地桩——接导线——摇测——读数——记录。

十三、 接地系统施工工艺

1、施工前的环境和器材检查：

交接间、设备间的接地钢板已完工。

房屋预留地的位置、尺寸均应符合设计要求。

本系统的设计图纸已完成。

材料的质量符合设计要求。

有关施工工具已到位。

2、接地施工工艺的标准：

设备、器具和可拆卸的其它非带电金属部件接地的分支线，必须直接与接地干线相连，严禁串联连接。

螺栓连接紧密牢固，有防松措施。

接地线及保护线与设备，应保证有可靠的电气接触。

接地线与接地线连接采用焊接如搭接时，其搭接长度不小于扁钢宽度的2倍。

3、具体施工方法：

凡与接地引出点之间的连接均采用双金属过渡接头连接。

前端设备机柜、控制箱、配电箱的框架与干线连接。

室内配电装置的金属构架、线槽、布线的桥架、布线的机柜。

各种线路的金属保护管、各种金属接线盒（如BA的DDC箱、门禁控制箱）应采用多股铜线6mm2连接到就近接地端子。

电子设备的外壳采用保护接地。

大型电子计算机采用共用接地方式与防雷接地系统共用接地极。

4、金属混合接头制作工艺：

将铜排和扁钢需焊接的端部打好坡口。

焊接前焊口需清理打磨。

四周利用铜合金焊进行电焊施焊。

每施焊一遍后进行抛光，除去氧化物及焊碴。

焊接完成后，用沥青防腐化防腐清理。

5、接地装置施工注意事项：

凡外露的正常状态下不带电的电子计算机系统设备金属壳体必须与保护接地装置可靠连接。

各类接地装置的安装及其接地电阻值应符合设计要求, 连接正确。

接地装置焊接必须牢固, 需涂复部分涂层必须完整。

交流电源线路不得与直流工作地线紧贴平行敷设。

防雷产品列表