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防雷技术

机房系统防雷设计方案

发布时间:2016-12-01  

第一章

雷电灾害是最严重的十种自然灾害之一。全球每年因雷击造成人员伤亡,财产损失不计其数,导致火灾、爆炸、信息系统瘫痪等事故频繁发生,卫星、通信、导航、计算机网络,乃至到每个家庭的家用电器都会受到雷电灾害的严重威胁。我国雷暴活动也十分频繁,全国有21个省会城市,雷暴日都在50天以上,最多达134天。随着计算机技术(Computer)、控制技术(Control)、通讯技术(Communication)、显示技术(CRT)的发展和广泛应用,各系统集数据采集、信息传送于一体的网络形成,随之引入了大量设备。由于这些设备大量采用高度集成化的CMOS电路和CPU单元,其对瞬间过电压的承受能力大幅降低,将成为受雷电损害的主要设备。所以对于雷雨多发地区各系统采取有效的保护措施是非常必要的,明析瞬间过电压产生途径和危害是正确采取防护措施的前提。据美国通用研究公司提供磁场脉冲超过0.07高斯,就可引起计算失效;磁场脉冲超过2.4高斯就可以引起集成电路永久性损坏。那么如何设置防雷措施和接地、有效抑制雷击过电压及电磁干扰是一个全新的课题,也是大多数技术人员迫切需要解决的问题,因为它是保障网络畅通,设备运行完好及人身安全的重要技术手段和环节,是众多信息技术产业人员在网络维护及财产管理工作的重要组成部分。


本方案制定的目的是考虑实际环境因素和用户实际需要而做出一套比较完整而易于操作的防雷设计及安装技术的防雷方案,从而达到机房网络设备、电子设备安全地运行。

第二章 雷电防护原理


① 直击雷

直接雷击的防护应采用避雷针或避雷带。按照滚球法计算被保护物应在接闪器的保护范围内,接地冲击电阻不大于10Ω。避雷装置包括:接闪器、引下线和接地装置。

② 感应雷

感应雷击防护应主要从线路防护考虑。机房电源进线处应加装电源避雷器,机房信号进线处应加装信号避雷器。计算机场地的安全保护接地应不大于,交流工作接地应不大于。直流工作接地如果设备有特殊要求,按设备的特殊要求接地,无特殊要求则参照交流工作接地的要求,应不大于

机房用电是由配电房集中供电实现的,既:由总配电房内配电柜分动力、空调、照明等多条供电线路分别供至楼内用电系统。因此,对网络数据及语音、安全防范等系统设备供电线路防感应雷保护也要整体考虑。



第三章 防雷措施


由于雷电的危害巨大,人类一直以来都在研究对雷电的防护措施,目前对雷电进行防护的措施主要包括以下几种方法。

3-1:外部防雷

根据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》(2010年版)规范的要求,必须对弱电系统所在建筑物做外部防雷措施。在设计建筑物外部防雷时,对其建筑物设计时必须考虑到楼顶上须设避雷带及避雷针,另外,建筑物应采用暗敷设引下线(可以利用建筑物构造柱内的主筋做引下线),其间距不大于25米。

另外对中心机房应金属均压环,并将其与房内金属导电外壳等做等电位连接。

外部防雷接地装置建议采用独立接地装置,并尽可能与大楼建筑接地在地面下用热镀锌扁钢进行焊接,每两幢建筑之间,不少于两处焊接位置。



3-2:内部防雷

3-2-1等电位连接:把各种金属物用粗的导线焊接起来,或把它们直接焊接起来,以保证等电位。也包括物体与结构件之间或者同一物体的各部分金属外套之间做到电性的连接。

3-2-2传导:传导的作用是把闪电的巨大能量引导到大地下耗散掉。不是它对保护的对象产生破坏作用。

3-2-3分流:分流的做法是将凡是从室外进来的导体(包括电力电源线、电话线、信号线或者这类电线的金属外壳等)都要并联一种避雷器至接地线。不仅是在入户处,在每个需要做防雷保护的仪器设备的入机壳处都要安装。它的作用是把沿导线传入的过电压波在避雷器处经避雷器分流入地,也就是类似于把雷电流的所有入侵通道堵截了,而且不至一级堵截。

3-2-4接地:接地是闪电能量的泻放入地,虽然接地措施在整个防雷措施中是配角,但是如果没有很好的接地措施,所有的措施包括等电位连接、传导、分流这三个防雷措施都不可能达到预期的效果。因此接地也是整个防雷措施的基础,接地的妥当与否,成为历来防雷技术上特别受重视的项目,它又是最费工、费钱、费力的防雷措施,是防雷工程的重点和难点。

3-2-5屏蔽:屏蔽就是用金属网、箔、壳、管等导体把需要保护的对象包裹起来,形成一个近似于法拉第笼式的保护装置。从物理意义上来讲,就是把闪电的脉冲电磁场从空间入侵的通道阻隔起来。各种屏蔽措施也同样要接地。

第四章 设计依据


依据国际电工委员会IEC标准和中国GB标准与部委颁发的设计规范的要求,大楼和大楼内之计算机房、程控机机房等设备都必须有完整完善之防浪涌保护措施,保证该系统能正常运作。这包括电源供电系统、不间断供电系统,电脑网络、卫星通信设备等装置,均应有SPD防护装置保护。设计依据包括有:


1)《建筑物防雷设计规范》(2010版) GB50057-2010

2)《电子计算机机房设计规范》 GB50174-93

3)《雷电电磁脉冲的防护》 IEC 6I312

4)《过电压保护器》 IEC 61643

5)《SPD 通讯网络防雷器》 IEC 61644

6)《低压配电设计规范》 GB 50054-95

7)《工业与民用电力装置的过电压保护设计规范》 GBJ 64-83

8)《电子设备雷击保护导则》 GB 7450-87

9)《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》 GB 50169-92

10)《建筑物防雷》 IEC 61024

11)《建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范》 GB/T50311-2000

12)《建筑物电子信息系统防雷技术规范》 GB50343-2004


第五章 防雷方案设计

51电源系统防雷措施

根据IEC1312防雷及过电压规范中有关防雷分区的划分,针对重要系统的防雷应分为三个区,分别加以考虑。只做单级防雷可能会带来因雷电流过大,而导致的泄流后残压过高而破坏设备,或者因保护能力不足引起的设备损坏。电源系统多级保护,可防范从直击雷到工业浪涌的各级过电压的侵袭。

根据国家有关低压防雷的有关规定,外接金属供电线路进入建筑物之前,必须埋地穿金属管槽15米以上的距离进入建筑物,且要在建筑物的线路进入端加装低压避雷器。必须做到在电源的进入端安装低压端的总电源防雷器,将由外部线路可能引入的雷击过电压、过电流引至大地泄放,以确保后接设备的安全。

5-2计算机机房网络通信系统防雷设计

计算机机房网络通信系统雷电防护包括广域网雷电防护、局域网雷电防护、无线通信系统雷电防护、光缆通信雷电防护和机房内部设备之间的串口雷电防护等。


广域网远距离传输数据通信,在进入机房设备(调制解调器或其它设备)前端应安装具备二级保护的防雷保护器,第一级一般为惰性气体火花间隙放电器,通过RLC解偶后,进入第二级半导体过电压保护器。需要防护线与线之间、线与大地之间的雷电入侵,保护器的损耗指标应该适应计算机设备的IEEE标准通信的有关要求。

数据传输线路(X.25ISDNDDN等)的防雷保护器必须能够抵御和吸收(8/20uS感应雷击)5KA雷电流,须具备线路与大地之间及线与线之间的雷电保护。进行PSDN等防雷设计,必须在使用前详细了解电涌保护器件及设备的工作要求。例如:PSDN调制解调器有带铃压和不带铃压二类,带铃压调制解调器工作电压为48v54v,铃压为175v180v,电涌保护器的保护电压应大于180v;不带铃压的调制解调器工作电压为48v54v,电涌保护器的保护电压应不小于54v。如果两类电涌保护器混装,将对前者造成通讯信号短路,对后者造成防雷工作能力丧失。

局域网雷电防护的重点是做好局域网网线的屏蔽,同时加强终端设备局域网端口的雷电防护。局域网络通常以双绞线传输数据,无屏蔽保护,布线也往往不尽规范,除了有可能遭受感应雷击的袭击外,交流线路的干扰也会对网络系统造成影响。在局域网络的两端安装避雷器,可有效地防止各种过电压对设备造成的破坏。局域网的网口应该采取雷电防护措施,服务器、网络交换机、集线器等端口应加设专用电涌保护器。出户的局域网线及BNC远程局域网也须安装电涌保护器。485数据线接口、422数据线并口、RS232数据串口、TTY传感器数据接口等,均应安装匹配的电涌保护器,匹配原则应参照防雷标准和计算机通信协议。

无线通讯经常在建筑物上架设天线,属于地面特别突出物,是雷电释放的危险途径。馈线进入设备前应加装电涌保护器。电涌保护器的插入损耗要求较小,所以一般只能使用间隙放电器件进行有效防护。光缆一般不会传导雷电,但光缆金属护套和金属芯线可能引入雷电烧毁设备,必须在进入设备之前,使芯线和护套接地,以达到避雷的目的。

5-3 监控系统防雷设计

监控系统一般由以下三部分组成:1、前端部分。主要由黑白(彩色)摄像机、镜头、云台、防护罩、支架等组成。2、传输部分。使用同轴电缆、电线、多芯线采取架空、地埋或沿墙敷设等方式传输视频、音频或控制信号等。3、终端部分。主要由画面分割器、监视器、控制设备等组成。

5-3-1前端设备的防雷:

前端设备有室外和室内安装两种情况,安装在室内的设备一般不会遭受直击雷击,但需考虑防止雷电过电压对设备的侵害,比如安装在地下停车场等的摄象机等。而室外的设备则同时需考虑防止直击雷和感应雷。前端设备如摄像头应置于接闪器(避雷针或其它接闪导体)有效保护范围之内。为了施工方便避雷针一般架设在摄像机的支撑杆上,引下线可直接利用金属杆本身或选用Φ 8的镀锌圆钢或35mm2铜导线,此时应注意依据GB50198-94《民用闭路监视电视系统工程技术规范》第2章、第2.5节、供电、接地与安全防护、第2.5.4条的要求,系统采用专用接地装置时,其接地电阻不得大于。为防止电磁感应,沿杆引上摄像机的电源线和信号线应穿金属管屏蔽。为防止雷电波沿线路侵入前端设备,应在设备前的每条线路上加装WJX系列的三合一或者二合一的监控摄象机多功能电涌保护器。

5-3-2传输线路的防雷:

CCTV系统主要是传输信号线和电源线。室外摄像机的电源可从终端设备处引入,也可从监视点附近的电源引入。控制信号传输线和报警信号传输线一般选用芯屏蔽软线,架设(或敷设)在前端与终端之间。GB50198-94《民用闭路监视电视系统工程技术规范》的规定,传输部分的线路在城市郊区、乡村敷设时,可采用直埋敷设方式,当条件不充许时,可采用通信管道或架空方式。采用通信管道或架空方式时,应注意传输线缆与其它线路其它线路共沟的最小间距和与其它线路共杆架设的最小垂直间距。比如与220V交流配电线的最小间距为0.5米,与通讯电缆的最小间距为0.1米,与110KV电力线的最小垂直间距为2.5米,与1KV以下电力线的最小垂直间距为1.5米,与广播线的最小垂直间距为1.0米,与通信线的最小垂直间距为0.6米等等。

直埋敷设方式防雷效果较好,而架空线比较容易感应雷击。为避免首尾端设备损坏,在使用架空线传输时,应在每一支撑杆上做接地处理,架空线缆的吊线和架空线缆线路中的金属管道均应接地。中间放大器输入端的信号源和电源均应分别接入合适的避雷器。传输线埋地敷设也并不能完全阻止雷击设备的发生,统计数据显示雷击造成埋地线缆故障大约占总故障的30%左右,即使雷击比较远的地方,也仍然会有部分雷电流流入电缆。所以采用带屏蔽层的线缆或线缆穿钢管埋地敷设,保持钢管的电气连通。对防护电磁干扰和电磁感应非常有效,这主要是由于金属管的屏蔽作用和雷电流的集肤效应。如电缆全程穿金属管有困难时,可在电缆进入终端和前端设备前穿金属管埋地引入,但埋地长度不得小于15米,在入户端将电缆金属外皮、钢管同防雷接地装置相连。

5-4、等电位连接与共用接地

5-4-1等电位连接是现代防雷技术重要的防护措施之一。将进入中心大楼的各类管线的屏蔽层、机架等在进入大楼前进行等电位连接后接地。在进入设备前再进行二次等电位连接后接地。将各种进入大楼的电缆的外层和其它管线外层在进入大楼前进行等电位连接后接地。

5-4-2将分开的外导电装置用等电位连接导体连接后接地,以减少系统设备所在的建筑物金属构件与设备之间或设备与设备之间因雷击产生的电位差。利用钢筋混凝土结构的建筑物内所有金属构件的多重连接建立一个三维的连接网络是实现等电位连接的最佳选择。为方便等电位连接施工,应在一些合适的地方预埋等电位连接预留件。

进入系统所在建筑物的各类水管、采暖和空调管道等金属管道的金属外层在进入建筑物处应做等电位连接,燃气管道入户后应在法兰盘连接处插入一块绝缘板,并在绝缘板两端用开关型SPD连接后户内金属管道要参加等电位连接,并与建筑物组合在一起的大尺寸金属件连接在一起,按GB50054的要求做总等电位连接之后,接向总等电位连接带,并可靠连通接地。

5-4-3在建筑物入口处,即LPZOBLPZ1区交界处进行总等电位连接后接地,在后续的雷电防护区交界处按总等电位连接的方法进行局部等电位连接,连接主体应包含系统设备本身(含外露可导电部分)、PE线、机柜、机架、电气和电子设备的外壳、直流工作地、防静电接地、金属屏蔽线缆外层、管道、屏蔽槽、电涌保护器SPD的接地等均应以最短的距离就近与这个等电位连接带直接连接。连接基本方法应采用网型(M)结构或星型(S)结构。网型结构的环行等电位连接带应每隔5m经建筑物墙内钢筋、金属立面与接地系统连接。当采用S型等电位连接网格时,系统的所有金属组件除在接地基准点,即ERP处连接外,均应与共同接地系统的各组件有足够的绝缘(大于10KV1.2/50μs)。

5-4-4宜利用建筑物的基础钢筋地网作为共同接地系统。如建筑物没有基础钢筋地网,宜在建筑物四周埋设人工垂直接地体和水平环型接地体。接地体的接地电阻不宜大于4Ω。原则上应在各雷电防护区界面处做等电位连接,但由于工艺要求或其它原因,被保护设备的安装位置不会正好设在界面处而是设在其附近,在这种情况下,当线路能承受可能发生的电涌电压时,电涌保护器安装在被保护设备处,而线路的金属保护层工屏蔽层宜首先在界面处做一次等电位连接接地。

5-4-5埋于土壤中的人工垂直接地体宜采用铜包钢接地极。其直径不应小于10mm扁钢截面不应小于100mm2,其厚度不应小于4mm;角钢不应小于40X40X4mm;钢管壁厚不应小于3.5mm。人工垂直接地体的长度宜为2.5m。人工垂直接地体间的距离及人工水平接地体间的距离为5m,当受条件限限制时可适当减小。人工接地体在土壤中的埋设深度不应小于0.5m,在冻土区人工接地体应埋设在冻土层以下。接地体应远离由于砖窑、烟道等高温影响土壤电阻率升高的地方。


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