随着电子信息技术的飞速发展,信息网络已成为人们日常工作和生活中必不可少的应用工具,作为信息网络支撑点的电子信息系统机房,承担着电子信息的传输、运算、存储等功能,而数据中心机房又是电子信息系统机房中的一个重要门类,它大量使用了电子技术、通讯技术和计算机技术,采用了大规模及超大规模集成电路,信息化和网络化程度越来越高,但它们常置于复杂的电磁环境中,有的甚至暴露于室外,这都可能遭受雷击,产生雷击过电压,并侵入设备,将设备损毁。为此,建立数据中心机房时,必须认真考虑机房防雷接地系统,以保证数据中心机房可靠安全运行。
　　
　　1 雷电的种类及危害
　　
　　雷电,是由雷云(带电的云层)对地面建筑物及大地的自然放电引起的。它分直击雷、电磁脉冲、球形雷、云闪四种。直击雷和球形雷都会对人和建筑物造成危害。直击雷就是在云体上聚集大量电荷,它需要找到一个通道来泄放,如建筑物、铁塔等,直击雷是威力最大的雷电,而球形雷的威力比直击雷小。电磁脉冲主要影响电子设备,它是受感应作用所致。云闪由于是在两块云之间或一块云的两边发生,所以对人类危害最小。
　　
　　雷电产生的高温、冲击波以及电磁辐射等物理效应,使其能在瞬间产生巨大的破坏作用,常常危害人身安全和击毁建筑物等。就数据中心机房而言,对电子设备造成影响的主要是直接雷和电磁脉冲。
　　
　　(1)直接雷击
　　
　　数据中心机房所在的建筑物遭受从建筑物顶部或侧面窜入的直接雷击,其瞬间电流一般高达10～100kA,强大的雷电流往往通过建筑物避雷装置导入到地网,由于地网本身有电阻,会产生极高的地电位,形成地电位反击,从而对建筑物内的电子设施等造成一定的破坏。
　　
　　(2)电磁脉冲
　　
　　强大的电磁脉冲产生的雷电流通过建筑物的防雷引下线时会在其周围产生极强的磁场,在此磁场范围内的电线电缆、金属导体等导电物体上又会产生感应电流,形成一定幅值的冲击电压,造成对数据中心机房内的信号线路、通信设备、供配电系统和计算机信息系统的影响和干扰,严重时甚至会造成中断。根据相关研究材料介绍,当磁感应强度达到0.07Gs时,计算机会误动作,当磁感应强度达到2.4Gs时,无屏蔽的电子设备元器件会出现永久性的损坏[1]。
　　
　　2 防雷接地建设原则和要求
　　
　　(1)参考标准
　　
　　数据中心机房的防雷接地应按现行国家标准《建筑物防雷设计规范》(GB50057-2000)和《建筑物电子信息系统防雷技术规范》(GB50343-2004)的有关规定执行。
　　
　　(2)具体要求
　　
　　①数据中心机房的接地设施应满足人身安全及电子信息系统正常运行的相关要求;
　　
　　②防雷接地、防静电接地、屏蔽接地、防电击接地等保护性接地和交流工作接地、直流工作接地、信号接地等功能性接地宜共用一组接地装置。其接地电阻要求小于1Ω;若防雷接地单独设置接地装置时,其余几种接地宜共用一组接地装置,其接地电阻不应大于其中最小值,并应按现行国家标准《建筑物防雷设计规范》要求采取防止反击措施。
　　
　　③在机房设置等电位联结端子箱。用接地母线与大楼综合接地体相连。机房内需铺设接地铜排网(等电位连接地网),机房内金属管道、线槽、地板支架、吊顶和墙体龙骨以及机柜外壳等不带电的金属结构均应与等电位接地网相连。
　　
　　④对接地有特殊要求需单独设置接地线的电子信息设备,其接地线与其它接地线之间的连接,在保证不受干扰的情况下,应尽量同路径敷设,以减小形成的环路面积。
　　
　　3 数据中心机房防雷接地方法与措施
　　
　　本项目以浙江广播电视集团国际影视中心综合大楼4～6层的数据中心机房集群为例,对数据机房的接地方法与措施进行探讨。建筑物的综合防雷系统包含外部防雷和内部防雷两方面内容。由于本项目数据中心机房位于楼宇内,它的建筑防雷等已由大楼本身的外部防雷系统考虑实施,故本文仅对数据中心机房内部的防雷系统进行分析研究。机房内部防雷接地系统如图1所示。
　　
　　系统主要包括公用接地(大楼联合接地排)、等电位连接、防雷接地(浪涌保护器)、机房工作接地、机房静电释放系统(保护接地)等。如上所述,除防雷接地外,其它各项接地也是防雷措施的一部分,它们互不可分,相互渗透,共同组成了机房综合防雷系统。
　　
　　(1)公用接地
　　
　　公用接地(大楼联合接地排)指的是建筑物的综合接地,它又是一个总等电位体,因此,根据要求,以上等电位连接地、防静电接地、交流工作接地、直流工作接地、机房防雷接地等均需连接到大楼的公用接地装置上。公用接地装置在大楼建设时已考虑,经测试,其接地电阻约0.1Ω。
　　
　　(2)等电位连接
　　
　　等电位连接接地就是防电击接地,它的作用为保护绝缘被击穿时人身和设备的安全,在绝缘未被击穿时也有保护人身安全的作用,同时为IT设备提供基准电位,保证所有电子线路在一个基准平面上工作,从而提高设备工作的稳定性。根据数据中心机房建设防雷规范有关要求,机房内所有设备的可导电金属外壳、各类金属管道、金属线槽、建筑物金属结构等均应作等电位连接,不应有对地绝缘的孤立导体。为此,在实施过程中,必须认真对待。
　　
　　本项目机房采用SM混合型等电位联合接地方式,一是在机房地板下设置若干等电位联接端子箱,并与地下一层总等电位节点(大楼联合接地排)相连,它是通过采用40×4mm镀锌扁钢从弱电井引接。二是铺设用30×3mm铜排构成等电位联接接地干线,间距1200×1200mm,呈网状结构,并与等电位联接端子箱相连,形成机房等地位连接接地整体,详见图2。
　　
　　(3)机房防雷接地
　　
　　建立数据中心机房防雷接地的目的就是要避免雷电的侵袭,从而保护信息系统设备和人身的安全。为防止电磁脉冲(感应雷)沿机房电源线进入,损坏机房内设备,在低压侧各配电柜进线处设置避雷器,即浪涌保护器(SPD)。它是一种为各种电子设备提供安全防护的电子装置。当电气回路因受突然产生尖峰电流或者电压时,浪涌保护器能在极短的时间内导通分流,从而避免浪涌对回路中其他设备的损害。由于从地下低压配电室到四楼、五楼机房距离较长,为了解决SPD上的残压和电缆感应电压的问题,本项目机房整套电源系统设计了三级防雷器,第一级SPD避雷器安装在地下一层低压配电柜内,第二级安装在机房同层UPS机房,第三级安装在机房电源柜的进线端。这样与建筑物整体构成多级电源防雷,可有效地对电源系统进行防护。
　　
　　(4)机房交流工作接地
　　
　　机房交流工作接地的作用是为确保人身和设备的安全。数据中心机房的供配电(包括工艺电和动力电)采用TN-S三相五线制供电方式(见图3)。交流设备中的交流工作地(零线,也称N线)是将其中性点用绝缘导线串联起来连接到配电柜的中性线上,然后通过零线接地;保护接地(地线,也称PE线)单独接地,和零线没有任何电气连接。采用TN-S系统保证了设备外壳正常状态无电流,抗干扰性强,既保证了设备安全,也保证了工作人员的安全。
　　
　　(5)静电释放系统
　　
　　由于静电无法有效消除,只能靠屏蔽措施和可靠接地进行抑制,因此,须对数据中心机房的地面、墙面、吊顶及金属机柜等作相应处理,以形成一个良好的机房静电释放系统。机房铺设防静电活动地板。其静电性能指标应符合相关规定,且应具有相应的防火、环保、耐污耐磨性能。
　　
　　各类金属管道、金属线槽、建筑物金属结构等作等电位连接,具体工艺是:
　　
　　静电活动地板下的机房地面应有静电泄放措施和防静电接地构造,为此,数据中心机房内防静电地板每隔2根支架用静电泄放地线相接(25mm2编织铜带)来铺设呈网状结构的静电泄漏地网,间距为1200×1200mm,并需与机房内等电位端子箱可靠连接;
　　
　　中心数据机房的吊顶主龙骨和墙面轻钢龙骨均采用静电泄放线与接地干线连接,敷设间距不大于3m并接入机房内等电位端子箱;
　　
　　暖通管道及支架采用6平方毫米阻燃铜芯软线与接地干线连接,每个机房不少于4处;
　　
　　行间空调采用6平方毫米阻燃铜芯软线与接地干线连接;
　　
　　机房内金属桥架采用16平方毫米阻燃铜芯软线与接地干线连接,每30m长度不少于2处;
　　
　　机房内服务器机柜和网络机柜接地端子采用2条长度不等的6平方毫米阻燃铜芯软线作为不等边接地支线与接地干线连接,机柜上的服务器、交换器和其它IT设备的接地均采用4平方毫米阻燃铜芯软线与本机柜接地端子相连。机柜支架的接地采用16平方毫米阻燃铜芯软线与接地干线连接,每列机柜不少于2处。
　　
　　4 应用简介
　　
　　目前,位于浙江国际影视中心综合大楼内的5个数据中心机房、4个监控机房均应用了上述防雷接地系统的技术,经测试,几个机房接地电阻均小于1Ω,平均值约为0.4Ω,远优于规范要求。机房自建成运行以来,已经历了夏天和春天的雷雨季节,未出现雷击造成设备损坏的情况。
　　
　　5 结束语
　　
　　数据中心机房防雷接地系统建设看似容易,实际处理较难,为此,必须根据机房要求,对防雷接地、等电位连接、SPD设置防静电接地等作全面认真的分析和处理,只有这样,才能对数据中心机房的设备安全可靠运行起到保护作用。
　　
　　作者简介
　　
　　丁昕,男,1984年生,硕士,工程师,主要从事数据中心方面的研究,曾参与浙江广播电视集团全台网机房、国际影视中心数据中心机房建设等重大项目。
　　
　　编辑：Harris