基于集中式计算机机房雷电防护解决方案

引言

计算机机房实施雷电防护的资金是机房主管部门申请的，所以雷电防护工作的重点是保障计算机机房设备的安全。

在建筑物总配电柜内安装第一级SPD，在楼层分配电箱内安装第二级SPD，在室内配电箱内安装第三级SPD。这种做法不允许实施，因为许多SPD 没有正式通过国家电力公司[原电力部]的认证，担心供电部门会强行拆除SPD。如果SPD出现问题造成建筑物断电怎么办 许多机房是租用的场地，业主更不允许随意在配电系统安装SPD。用户要求实施雷电防护只能在机房内完成。集中式计算机机房雷电防护方法满足了用户的要求，同时满足了国家的相关标准。在过去的几年里成功实施了2000 个大、小计算机机房雷电防护工程，效果良好。下面就简单介绍一下实施方案。

1.计算机中心机房雷电防护

1.1 主电源防护

计算机机房配电系统一般采用三相五线的供电制式[或单相三线制]运行，由于电力线采用户外线路直接引入建筑物总配电室，再由配电室单独引入电缆为计算机信息系统设备提供有效的能源支持，电力线是重要的引雷途径，必须进行有效的防护。根据IEC和GB的有关标准的规定，需在计算机机房不间断电源输入端实施三级保护，第一级使用火间隙放电器(对10/350μS 直接雷电进行90%的吸收)，第二级使用半导体过电压保护器(对第一级火*间隙放电器吸收雷电后，残余部分感应雷电进行吸收，使雷电的能量基本吸收完毕)第三级使用半导体过电压保护器(对第二级半导体吸收后，残余的雷电杂波及其它操作过电压、容性负载感性负载引起的浪涌过电压实施进一部的吸收，并对电力线出现的差模干扰、共模干扰实施有效的抑制和吸收)，如有条件，应使第一级防雷器件与第二级防雷器件之间拉开直线距离10 米以上、第二级与第三级之间拉开直线距离5米以上，利用电力线上的自由电感、自由电阻进行级级解偶配合，以达到级级保护器的响应时间相互配合，实现真正意义上的多级保护。如不能实现利用电力线实施距离解偶时，应该采用人为的电阻、电感实施LC延迟解偶，以达到多级保护的目的。三级保护完成后，能够为计算机信息系统设备的电源输入端提供安全、可靠的用电环境。

在大部分场所根本无法实现距离解偶配合，就必须实现全面的集中式保护。

集中式保护的最大困难就是凯文接线设计和解偶器的设计，下面简介如下：

凯文接线电路：

保护电路特点：

1)考虑到许多安装现场电路复杂，有些已几经更改而用户配点负责人无法提供正确电路走向，配电系统存在诸多问题。为了万无一失的实施雷电防护工作，只有采取一次性到位的解决方法。本电路属于全模式防护系统，不论雷电高压何处侵入，都实行三级保护。安装十分简单，具备一般电气知识都可以安装。

2)本电路真正体现等电位雷电保护的优势，是彻头彻尾的凯文接线，完全符合国家、国际标准。

3)本电路使用的解偶器[退偶元件]，不是简单的金属材料绕制的空心电感[空心电感无法做到较大的工作电流]，而是高频自动调节感抗器，在无雷电流时没有损耗，当雷电来临时呈现高感抗同时具有阻尼和展宽雷电流波形的功能，全面降低雷电流峰值的作用。适合大电流工作，目前可以做到工作电流500A。

4)本电路使用的低压点火式火间隙放电器，其自动点火电压为800V，不是简单空气间隙型放电器，系统配合电压为200—500V，可以单独使用，也可以集中使用。前级响应时间快于后级保护元件，这是最大的特点。

5)本电路成本低，安装简易，不受场地限制，经过7年实践检验，效果非常好!

6)解偶器[退偶元件]的关键是前级的配合时间，只要提高前级器件的响应速度和响应时间，就可以制造大电流的解偶器了。提高前级的响应速度就必须使用升压放电系统技术，达到快速击穿空气的时间，只有这样，才能达到系统配合及能量配合的双重作用。

1.2 终端电源防护

在配电室电源处虽然安装了集中式三级保护雷电防护系统，但是由于计算机机房面积较大或电源室距机房较远，雷电袭击建筑物，雷电流沿建筑物主钢筋泻放雷电流，雷电流入地时产生快速运动磁场污染机房内设备的电源线产生感应过电压，在重要的终端(小型机、服务器、磁盘阵列、系统存储器、系统前置机、通信设备、核心交换机)实施感应雷击的末级防雷保护。由于新机房配电执行GB50303-2002-9-1 标准，在UPS 电源输出端中性线直接与主零线排进行了重复接地[断零保护用]，所以，终端防护必须采取火线与大地、火线与零线(N极)、零线与大地的全模防护。严格执行等电位凯问接线防护系统，电路如图：

1.3网络通信的雷电保护

网络通信系统雷电保护分为：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。

1.3.1 广域网雷电防护

广域网线一般为：租用邮电专用线路和共用邮电话线线路。机房通信设备使用的专线：X .25、V.11、V.24、ISDN、DDN 。机房通信设备话线备份线：PSTN等。根据上述的特点，广域网远距离传输数据通信，目前最大速度小于等于2M-16M[16M为视频系统]，从四通八达的户外引进机房，是雷电的重点袭击对象，所以，在进入机房设备(调制解调器、采集卡等设备)前端安装具备二级保护的防雷保安器(第一级为惰性气体火*间隙放电器，通过PTC 解偶，进入第二级TVS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，保安器的损耗指标应该适应计算机设备的通信协议(IEEE 标准通信协议)要求。电路如图：

保护电路的特点：

a.等电位凯文接线防护，主要体现在地线上是否凯文接线，在地线端子上(同一点上)接两条线，一条接大地，另一条接设备外壳上(如果调制解调器是塑料外壳，那么在接下一个金属外壳的设备，依次类推)。

b.实行线间防护和线地防护相互结合，由于数据线是正弦波信号传输系统，有一条信号线在电信部门是接地的， 在用户端是悬空的，当雷电来临时，雷电产生的磁场可以造成两线之间产生感应高压，烧毁设备。100%的普通电话机都没有接地，机身采用绝缘材料，但依然遭受雷电的侵袭，就是这个道理。

c.较低的寄生电容，数字信号传输的插入损耗体现在阻抗配合和寄生电容上。

0.4欧姆的高分子PTC热敏电阻和小于40PF的寄生电容，可以制造100M频率的数字信号防雷系统，关键是降低寄生电容的优秀设计。

1.3.2 局域网的雷电保护

建筑物内部或机房内部计算机设备之间的数据交换和数据处理的网络系统是局域网雷电防护的重要部分，做好局域网网线的屏蔽，同时还应该加强终端设备的局域网端口的 雷电防护 (小型机、服务器、前置机、集线器、网络交换机)，网络运行速度水平网：10M、100M，主干线1000M，多数主干线网为垂直布线。

垂直的网线不会切割磁力线产生感应过电压。网络接口为RJ45 接线端子，在雷电防护中，主要实施网络交换机RJ45 端口、级联RJ45 端口、核心路由器RJ45端口、小型机RJ45 端口、服务器RJ45 端口等。必须提到：在许多重要机房经常发生网线户外飞线连接，飞线在户外可以遭受较大的雷击，有部分雷击是一般100M 局域网防雷器件无法抵御的，问题有两个方面：一是飞线必须3mm 金属穿管埋地，金属管两头接地，再加防雷器件。二是目前的防雷器件制造厂家在产品设计和书面指导安装资料中，没有很好的产品和安装方案。要想抵御飞线遭雷击问题，必须实施新的分步防护手段。1.3.3 无线通讯防护系统

无线通讯一般使用微电波、卫星等高频电子技术进行有效交换数据的一种基本联络方式。经常在建筑物上再架设天线，天线通过馈线把电信号输送给接收、发射机，由于天线较高，属于地面特别突出物，馈线的屏蔽层与机壳及大地相连接，是雷电释放大地的优良途径。一旦雷电沿此途径入地，必将使设备烧毁。为此，必须加强在天馈线进入设备前，安装防雷器。由于无线通讯系统使用频率较高，一般在800-2500M，要求防雷器的插入损耗较严，在1250M 以下，可以使用放电管型防雷器件，但要求放电管的通流容量必须大于、等于20KA。在1250M至3000M 之间，可以采取LC 型防雷器件，但是必须合理的降低L 电感量，精密的控制C 电容值和电容耐压问题[通常：电感小于0.08μH，电容小于15PF，电容耐压大于3000V]。

2 实施雷电防护的安装要素

2.1 机房地线问题

根据IEC和GB的有关计算机机房的标准，机房地线有二类：独立地线和共用地线。但从防雷角度来看，必须使用共地，目的是减少雷电的高压反击。但由于计算机信息技术的飞速发展，许多新机器对用电环境要求非常苛刻，如果强行机械的把机房逻辑地、静电地、保护地、交流地、零线接地、防雷地、建筑物主钢筋、屏蔽地等统统连接一起，就会发现有：1)服务器、小型机不工作。2)局域网速度较慢，不适应工作。3)主板莫名其妙的平凡烧毁。原因很简单，由于系统的用电环境不好，三相严重不平衡，零地混接，导致地线电流过大，造成零地电压大于1伏，是上述后果的根本原因。

共地的基本目的是希望达到全面地电位等电位，消灭机房电位差，首先要全面保护人身安全抵御雷电的高压反击引起的机房分布[与大地有直接、间接联系]的导电体之间产生不等电位现象， IEC61312 标准明确指示：当共地无法实现时，采用电压瞬间导通的SPD元件，实现雷电来临时，达到瞬态共地 [p] 。

2.2 均压等电位的防雷器件安装原则

防雷器件与被保护的机房设备全面等电位，(防雷器火线与设备火线等电位、防雷器零线与设备零线等电位、防雷器地线与设备地线等电位)防雷器地线输入端接机房直流逻辑地线，防雷器地线输出端接均压等电位金属带，(均压等电位带是S、M型铺设在机房地板下面的悬空铜板)机房内所有以UPS(负载)计算机信息系统负载的地线都必须就近与均压等电位带连接，在通讯线路进入设备之前安装通信信号防雷器，其地线就近与设备外壳地和均压等电位带同时连接。在防雷器之后，不能在有任何形式的接地，否则防雷工作肯定失败。

等电位防护原则必须在SPD 安装时采用凯文接线，否则，永远不可以做到等电位，关于SPD 的0.5 米接线长度问题，是给SPD 安装接线一个最小长度，存在值得推敲的问题，GB50343-2004标准提出的80KA通流容量中，SPD的0.5米接线长度上寄存了5KV 电压[1 米长度1μH 计算机]，而德国某知名的B+C 级复合型SPD 在40KA 时残压高达火线对大地5KV[信产部广州院测试]，如果加上0.5米接线上的寄存电压，施加在计算机相关设备上的雷电防护后的残余电压高达10KV，如此高压，什么设备都会烧毁。2.3 防雷器件的选择

2.3.1 电源防雷系统

机房配电系统必须首级安装能够抵御直接雷击(10/350μS)防雷保安器，并且实行三级保护，防护雷电流：三相五线每线各吸收25KA(包括：火线与零线、火线与地线、零线与地线、火线与火线之间的雷电)。单相三线每线各吸收50KA(包括：火线与地线、零线与地线、火线与零线之间的雷电防护)。在大型机房的重要终端设备电源输入端安装20KA 的全模式防护器件(8/20μS 感应雷击，包括：火线与零线、火线与地线、零线与地线)。

2.3.2 通讯信号系统

租用邮电线路进行数据传输的防雷保安器必须抵御和吸收(8/20μS感应雷击)5KA 培雷电流。必须具备线与大地之间的防雷保护，同时，必须还要增加线与线之间的雷电保护。其中包括X.25、ISDN、DDN等。PSDN防雷器件使用在48 伏系统，且包含180伏振铃电压，所以在使用之前必须详细了解防雷器件的使用场合和被保护设备的特殊工作要求。(举例：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48-54伏，铃压175-180伏，防雷器的保护电压应该大于180伏。不带铃压的调制解调器工作电压48-54伏，防雷器的保护电压不小于54 伏。如果二类防雷器混装，前者将造成通讯信号短路，后者将造成防雷工作失败。)局域网的网口应该采取雷电防护措施，出入小型机、服务器、网络交换机、集线器等RJ45(1、2、3、6)端口应加设专用防雷器。出户的局域网线必须安装适配的防雷器。BNC远程局域网必须安装防雷器。485数据线接口、422数据线并口、RS232 数据串口、TTY(4-20mA 电流环)传感器数据接口等等，均应安装匹配的防雷器，匹配的原则是防雷标准和计算机通信协议。

天馈线路的防雷器有：BNC型视频、F型卫星天线、N型高频天线等系统，使用频率有100M以下的视频，有890M的一般卫星系统，有2500M以下的CDMA和SCDMA系统，都需要在允许插入损耗条件下，安装防雷器件，但是，不允许在正常工作时，信号衰减0.5db。

2.3.3 地线等电位系统

机房实施雷电防护，电源防雷器件使用的地线是机房直流逻辑地线，(防护的目的是计算机系统负载)机房直流逻辑地线与静电地、保护地、交流地、零线重复接地、防雷地、屏蔽地、建筑物主钢筋等地之间串接SPD，实现瞬态等电位共地。必须注意，所有的共地和瞬态等电位共地必须在防雷之前完成，防雷之后不许再有任何形式的(直接或间接)接地。

3 屏蔽与屏蔽接地问题

3.1 屏蔽

所有电力线、广域网线、局域网线、控制线、监控线、视频线等系统线路必须进行屏蔽处理，屏蔽线槽必须二点以上接地，屏蔽物端点必须接地。

3. 2 屏蔽共槽问题

电力线与网线不能同槽铺设;局域网与广域网线路不能同槽;广域网和局域网线路串墙壁时必须套入金属管，金属管接地处理。局域网和广域网布线必须距墙壁一定空间，减少感应雷击对线路的影响。

3.3 光缆问题

光缆一般不会传导雷电，光缆金属护套和金属芯线可以电引入雷电烧毁设备，为此，必须在进入设备之前，使芯线和护套接地或通过SPD进行有效接地，即可达到避雷的目的。