1 雷电及其危害
　　
　　雷电是一种自然界中常见的放电现象,是伴有闪电和雷鸣的一种雄伟壮观而又令人生畏的放电现象。关于雷电的产生,学术界是有很多种理论解释,通常我们可以简单地认为是由于大气中热空气上升时,与处于高空的冷空气产生运动摩擦,其中的水蒸气在此过程中形成了带有正负电荷的小水滴,当正负电荷积累到一定的电荷值时,导致不同极性的云团之间以及云团对地之间形成强大的电场,从而产生云团对云团或云团对地的一种击穿放电现象,即我们通常所说的闪电和雷鸣。
　　
　　雷击以其电热效应、电磁效应、化学效应、机械力效应等的瞬间爆发,造成对建筑物、设施设备或人员的巨大破坏或损害。雷击的危害主要有三个方面:直击雷、感应雷、雷电波侵入导致的地电位升高,数据中心遭受雷击侵入室内的主要途径基本是属于该三类情况。
　　
　　雷电直接击中设备所在建筑物或设备连接线路并经过网络设备入地的雷击过电流称为直击雷。
　　
　　由雷电电流产生的强大电磁场经导体感应出的过电压、过电流所形成的雷击称为感应雷。感应雷一般由电磁感应产生,通过电力线路、信号馈线感应雷电压而入侵计算机网络系统,从而造成网络系统设备的大面积损坏。
　　
　　雷电波侵入导致的地电位升高,即雷击大地时高电位通过电力线的零线、保护接地线和通信系统的地线,以脉冲波的形式传导进入室内,并沿着地线等导线反灌传播到各设施设备系统,导致设施设备损坏。
　　
　　2 数据中心防雷措施
　　
　　根据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》的规定,建筑物应根据建筑物重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果,按防雷要求分为三类。作为当前数字及信息时代产物的数据中心应划分为第二类防雷建筑物。
　　
　　以往一谈到防雷措施或要求,可能第一想到的就是接地电阻值要符合要求,虽然接地电阻值是防雷措施或要求的一项极为重要的指标,但并不是接地电阻小,数据中心机房遭到雷电侵害的概率就会小,两者有时候并没有直接的对应关系。
　　
　　实际上数据中心内的通信设备遭到雷击损坏的主要原因还有:机房内没有做好适当的雷电分流和雷电过压保护措施,或者其连接不可靠等因素造成。因此,我们必须把数据中心的防雷技术按照系统性工程来做,才能保证数据中心免遭雷电的侵害或者降低雷电的侵害的损失。数据中心防雷措施一般包括如下方法或措施:
　　
　　(1)直击雷的预防方法或措施
　　
　　防直击雷是数据中心外部建筑物必须考虑的措施。防直击雷设施的主要构造是:接闪器、引下线、接地体等。建筑物外采用接闪网形式的接闪器,会更好的预防球形雷进入室内导致的危害。当前一些建筑物采用幕墙玻璃的外墙,其外墙是是一整张金属构建网,其防雷效果会更好。表1为防直击雷设施构造物及其分类说明。
　　
　　发生雷击的时候，天空中的雷云通过避雷针及接闪器向大地放电的过程，可以近似用RC放电过程来模拟。因为大地与雷云之间相当于一个充了电的极大电容器，如图1所示。图中雷云与大地之间的电容用电容器C表示，雷云内部和雷电流通道的电阻用R1表示，接闪器和它与大地之间接地电阻(包括连接线的电阻和接地体的散流电阻)用R2表示。
　　
　　由以上等效电路图可知,雷击时电流i与R及接闪器上的高电压相互关系适合RC放电方程:
　　
　　iR-UC=0（其中:R=R1+R2）
　　
　　R1为雷云内部和雷电流通道的电阻;
　　
　　R2为接闪器和它与大地之间的连接电阻。
　　
　　又因I=-C•dUC/dt。所以RC•dUC/dt+UC=0
　　
　　解此微分方程得:UC=Ae-t/RC
　　
　　由上式可知,当t=0时,A=UC为最大值,所以A就是刚刚发生闪击那一瞬间接闪器对大地的电压,也就是雷云对大地的电压。并且R越小,UC衰减得越快,表示雷击时散流得越快。
　　
　　雷电流源的电阻包括主放电通道的电阻,大约几kΩ。如果我们把带电的雷云当作电源,接闪器到大地看作是负载。那么放电时,就相当于一个有几kΩ内阻的电源,与一个仅有几Ω接地电阻和少许引线的阻抗的负载连接,这电源一般为几MV到几十MV,甚至更高。雷击时接闪器对大地的电压就是雷云的电压,在雷云内阻(包括通道电阻)与接地电阻(包括引下线电阻)的分压,接地电阻越小,其分压值越小,相对来讲就越安全。因此,理论上要求避雷装置的接地电阻越小越好,但是如果要求做到接地电阻很小,势必导致造价升高,在工程上往往只要求做到足够安全范围即可,在一些标准规范上,已经对该电阻值有明确的要求。
　　
　　以上说明建筑物的避雷接地装置必须有足够可靠或足够小的接地电阻值,否则它不但起不到避雷的作用,反而增加雷击危害的危险。但是,需要明确指出的是,大气变化是成规模的,天空中雷云的发生也是成规模的,而且雷云的移动及变化受到很多可变因素支配,很多条件是随机的,并不是固定不变的,因此认为安装有了避雷装置就会万无一失的想法是错误的,避雷装置只能大大减少或降低被雷击危害的可能性。
　　
　　(2)感应雷的预防方法或措施
　　
　　①等电位连接
　　
　　等电位连接,也叫均压连接。从物理学讲,等电位连接就是把建筑物内及附近的所有金属物,如混凝土内的钢筋、水管及其它金属管道、设备金属外壳及其它大型的埋地金属物、电缆金属屏蔽层、建筑物的接地线等统一用电气连接的方法可靠地连接起来(或把他们直接焊接起来),使整座建筑物成为一个良好的等电位体。建筑物防雷设计规范GB50057-2010对等电位连接定义为“将分开的诸金属物体直接用连接导体或经电涌保护器连接到防雷装置上以减小雷电流引发的电位差”。
　　
　　等电位连接分为:总等电位连接(MEB)和局部等电位连接(LEB)。总等电位联结做法是通过每一进线配电箱旁的总等电位联结母排将下列导电部分互相连通:进线配电箱的PE(PEN)母排,公用设施的上、下水、热力等金属管道、建筑物金属结构和接地引出线。它的作用在于降低建筑物内间接接触电压和不同金属部件间的电位差,并消除自建筑物外经电气线路和各种金属管道引入的危险故障电压的危害。局部等电位联结做法是在一局部范围内通过局部等电位联结端子板将下列部分用6mm2黄绿双色塑料铜芯线互相连通:柱内墙面侧钢筋、壁内和楼板中的钢筋网、金属结构件、公用设施的金属管道、用电设备外壳等。
　　
　　根据国家相关标准规范的描述,等电位连接又分为S型星形结构及M型网格形结构,见图2。
　　
　　②分流装置
　　
     分流装置,也叫避雷器或防浪涌保护器,即SPD。

 该做法是指一切从室外进入的导线(包括电力电源线,电话线,天线的馈线,信号线或者这类电缆的金属外套等)都要与接地装置或接地之间并联一种分流器件(避雷器,也叫防浪涌保护器),通过该器件引入至接地线。不仅是在入户处,在每个需要作防雷保护的设施设备或仪器设备的入机外壳或前端配电柜处都要安装分流器件。分流器件只是在雷击时产生作用(高电压下相当于短路),它可将通过导线传入进来的过电压波分流入地,也就是类似于把雷电流的所有入侵通道进行堵截。雷电产生的过电压、过电流能量强大,而单个避雷器的分流能力有限,无法一次性在瞬间完成泄流和限压,所以电源系统必须采取多级的防雷保护,即设计多级避雷器进行雷电波堵截。数据中心低压侧一般设计3级或以上防雷分流器件(见图3)。
　　
　　③接地措施
　　
　　接地就是让已经进入防雷系统的雷击能量顺利地流入大地,而不能使其集中在防雷系统的某处,对被保护物体产生破坏作用,只有良好的接地才能有效地泄放雷电能量,降低引下线上的电压,避免发生反击。从接闪器、等电位连接、分流三个防雷措施来看,都涉及到雷击闪电能量的泻放入地过程,所以“接地”措施虽然是配角,但是如果没有它,前面这三个措施就不可能达到预期的效果,故它是以上三个措施的基础,接地的妥当与否,成为所有建筑物防雷技术上特别重要的一个项目环节。因此通常第三方防雷检测机构进行的例行测试,其主要的中心工作就是围绕机房接地检测来开展的。
　　
　　把所有各种接地联成一体的主要作用就是为了防雷安全,因此会牺牲其它接地的作用,特别是抗干扰方面的效果。例如对于电子设备防干扰影响,一般要求单点接地,否则在地线两处接点上的电位差会反馈到电子线路里,成为一个干扰信号,影响电子设备的正常工作。而从防雷的要求看,均压才能避免反击,而均压就要求多点接地。所以一栋拥有大量电子设备的机房,接地系统是很复杂的,接地体更是一个庞大的地网,比如每层楼或每个房间设置接地总母线,每层楼或每个房间的各设施设备或电子设备通过特殊的设计来与接地母线相连接,以尽可能的减少通过地线传导进来的外来干扰问题。
　　
　　④屏蔽措施
　　
　　防雷屏蔽实际上就是减少电磁干扰的基本措施。就是用金属网、箔、壳、管等导体把需要保护的对象包围起来。其物理原理就是把闪电的脉冲电磁场从空间入侵的通道阻隔起来或全部截断。显然,这种屏蔽作用不是绝对的,需要考虑实际情况和依据实际原则来选择,同时还要估计到直击雷能量所造成的雷击熔穿破坏的概率,确保屏蔽层的足够厚度等等。屏蔽层的套及壳均需可靠接地。
　　
　　以上的四种防雷措施实际上是一个密切联系的整体防卫体系,他们必须全面一起实施才可能达到万无一失的效果。
　　
　　3 数据中心防雷接地系统设计实践
　　
　　数据中心机房的接地问题,是一个复杂的理论问题。数据中心机房及内部的设施设备有可靠的接地,它使得不正常电流很容易就流入大地。而接地系统,则是针对各种故障现象特意为人员和设备提供触电防护的一种有效系统。只有采用正确的接地,才可以帮助电子信息网络系统信号正常地工作,才可以确保系统稳定可靠的运行,并能够同时为系统的电磁兼容功能提供有效的保护作用,让网络和其它信息系统间的相互干扰大幅度减少。因此,在实际施工工作中,这又是一个要求比较严格的问题。
　　
　　做好数据中心机房接地系统的重要性,已经逐渐被通信行业认识及普遍接受。但是,在具体实施这项工作时,却往往面临诸多困难。
　　
　　(1)接地体
　　
　　在做接地系统的接地体时,施工管理人员一定要认真负责检查施工的整个过程。接地体是一个隐蔽工程,一般做好后就埋于地下,甚至有的接地体完工后,会在表面用混凝土进行浇灌。因此,接地体做好以后,如果再想去检查就困难了。因而要求施工管理人员,熟悉接地线的有关图纸、设计要求、施工工艺标准;在施工过程中严把质量关,特别是材料关。另外接地体做好后,一定要进行测量检查,接地体必须达到技术要求后,才能进行掩埋处理。
　　
　　接地体应采用镀锌钢材,其规格要求如下:
　　
　　•钢管Φ50mm,壁厚应不小于3.5mm;
　　
　　•角钢应不小于50mm×50mm×3mm;
　　
　　•扁钢应不小于40mm×4mm。
　　
　　垂直接地体长度为1.5～2.5m。垂直接地体间距为其自身长度的1.5～2倍。当垂直接地体埋设有困难时,可设多根环形水平接地体,彼此间隔可为1～1.5m,且应每隔3m相互焊接连通一次。
　　
　　接地体之间所有焊点，除浇注在混凝土中的以外，均应进行防腐蚀处理。接地装置的焊接长度——对扁钢为宽边的2倍；对圆钢为其直径的10倍。
　　
　　接地体埋深,其上端距地面应不小于0.7m。在寒冷地区,接地体应埋设在冻土层以下。接地坑应回填土壤或降阻材料。
　　
　　(2)接地引入线
　　
　　接地引入线长度应不超过30m,其材料为镀锌扁钢,截面积应不小于40mm×4mm。接地引入线应作防腐、绝缘处理、并不得在暖气地沟内布放;埋设时应避开污水管道和水沟;裸露在地面以上部分,应有防止机械损伤的措施。接地引入线应以对称方式(南北或东西)由地网就近引入,其中2根与电力室接地汇集线相连,另2根与机房接地汇集线相连。两接地汇集之间应采用截面积不小于40mm×4mm镀锌扁铜相互妥善连通。
　　
　　(3)接地汇集排
　　
　　接地汇集排一般设计成环形或排状,建议材料选用为铜材,其截面积应不小于120平方毫米。
　　
　　(4)接地排/线连接
　　
　　接地极的连接应采用焊接,接地线与接地极的连接应采用焊接。异种金属接地极之间连接时接头处应采取防止电化学腐蚀的措施。电气设备上的接地线,应采用热镀锌螺栓连接;有色金属接地线不能采用焊接时,可用螺栓连接。螺栓连接处的接触面应按现行国家标准GB50149-2010《电气装置安装工程母线装置施工及验收规范》的规定执行。
　　
   接地装置应在不同位置至少引出两根连接导体与室内总等电位接地端子板相连接。接地引出线与接地装置连接处应焊接或热熔焊。连接点应有防腐措施。接地线采用螺栓连接时,应连接可靠,连接处应有防松动和防腐蚀措施。

   接地线穿过有机械应力的地方时,应采取防机械损伤措施。在接地系统中,较容易出现问题的是接地引下线和地网等连接处。在以往的接地施工中,接地引下线通过铜线耳直接连接到地网的扁钢上,由于铜和钢属于不同材质的金属,通过螺栓机械连接在一起,虽然可以形成电气导通,但铜和钢间接触电阻是比较大的,当有大的浪涌电流通过时,就势必会发生电化学腐蚀,形成“堵车”象,造成浪涌电流长时间加在设备上,从而造成设备的损坏。此外,与铜线耳相连的钢片是裸露在外的,极易被氧化而生锈。钢片一旦生锈就和铜线耳接触不良,接地引下线与地网间就如同断路,这对设备的安全是毫无保障的,如有浪涌电流加在设备上且超过设备的承受水平,就会损坏设备。
　　
　　在上述的问题中,问题是集中在铜线耳和钢片的接触上。若换作铜线耳和铜片接触,则问题得到很好的解决。据一些资料介绍,铜腐蚀不存在点蚀,属表面均匀腐蚀,铜在土壤中的腐蚀速度大约是钢材的(1/5)～(1/10)。两种不同金属直接电气连接后也较易形成电偶腐蚀,因此在接地线的施工中建议采用铜铁转换头。
　　
　　据相关资料介绍,对接地体同引出连接排的连接处的防腐有多种,表2是各种方法的优劣势比较,从中可以看出,采用阴极保护是最佳选择。
　　
　　采用埋入电位更负的活泼金属与被保护金属偶接,从而具有减缓或阻止腐蚀的作用。根据提供保护电流方式的不同,阴极保护法又可分为牺牲阳极和外加电流两种。
　　
　　牺牲阳极保护法是一种防止金属腐蚀的方法,即将还原性较强的金属作为保护极,与被保护金属相连构成原电池。还原性较强的金属将作为负极发生氧化反应而消耗,被保护的金属作为正极就可以避免腐蚀。这种阳极消耗快,安设位置及方法必须便于更换.低电位金属材料有镁、镁合金、纯锌、锌合金、铝合金等。
　　
　　外加电流阴极保护法通过外加直流电源以及辅助阳极,迫使电子从土壤流向被保护金属,使被保护金属结构电位高于周围环境来进行保护。外加电流阴极保护系统由以下几部分组成:辅助阳极、测试桩、直流电源、辅助材料、参比电极和导线。此外,为使阳极输出的保护电流更均匀,避免阳极附近结构物产生过保护,有时在阳极周围还须涂刷阳极屏蔽层。
　　
　　(5)临时接地点/或箱设计
　　
　　临时接地点是指因电气维护工作中的安全需要，临时将线路或电气设备接地的地方。如变压器维护、配电柜维护，均要使用临时接地棒，在维护设备之前将线路进行明显的直接接地措施。临时接地棒也是电力施工作业接地使用的必备安全用具。
　　
　　临时接地点设计主要针对采用钢材做接地排的一些机房,因为钢材较容易腐蚀,一般会刷防腐蚀层或包裹防腐蚀材料,在进行电气维护工作中的时候,需要进行临时接地的时候,经常会导致无法进行明显的有效的接地线挂接。因此设置必要的临时接地点是维护工作的需要,一般采用铜材料作为临时接地点的材料,采用箱式或直接引出铜排方式,见图4。
　　
　　4 数据中心防雷接地系统检测与维护
　　
　　数据中心防雷接地系统应该邀请第三方单位进行检测,检测单位一般为各地气象局的防雷中心或有资质的防雷检测公司,防雷接地检测数据参照国家及行业相关标准执行。
　　
　　(1)防雷接地检测必要性
　　
　　安装了防雷接地保护装置之后,雷电防护是否就已经万事大吉了呢?答案是否定的,因为所有的防雷接地装置是否有效发挥作用才是雷电防护的关键所在。因此,做好防雷接地保护装置检测就显得尤为必要。
　　
　　首先,防雷接地保护装置必须有效连接、接地电阻值应该符合规范要求,才能达到防雷作用。
　　
　　其次,防雷接地保护装置安装完毕后,由于随时间、环境湿度、后期施工等影响可能导致装置损坏、连接电阻增大。
　　
　　再次,防雷元器件一般为易损件,需要定期维护更换。
　　
　　最后,由于对新情况新问题的深入了解,防雷接地标准会更新升级。
　　
　　(2)防雷接地检测周期
　　
　　•项目交付前的检测,初次检测建议全检;
　　
　　•进行优化改造后的检测;
　　
　　•定期检测:《建筑物防雷装置检测技术规范》的要求,具有爆炸和火灾危险环境的防雷建筑物检测间隔时间为6个月,其他防雷建筑物检测间隔时间为12个月。
　　
　　(3)防雷设施安全检测的一般项目与内容(见表3)
　　
　　(4)防雷接地系统的维护
　　
　　防雷设备的维护主要要求是维持防雷设备指示正常、无发热异常现象。接地装置及连接点和避雷针的维护主要要求是维持焊接质量稳定可靠、连接无腐蚀情况及连接牢固有效、保证能承受大电流冲击。接地排的维护主要是防腐蚀。防雷接地系统维护建议周期表见表4。
　　
　　5 结束语
　　
　　数据中心防雷接地系统不是简单的堆砌安装,而是一项系统性的综合性工程。应从其系统的合理性及科学性来设计,立足选择性能可靠的产品,严格遵循合理可靠的工程安装方式,适时适当的考虑运行维护。
　　
　　本着“安全、科学、经济、实用”的原则,在遵照执行国家、行业有关规范标准的基础上,参照国际相关防雷接地技术标准,科学合理地进行规范设计,才能达到最好的防护效果,才能确保数据中心内的基础设施设备、电子信息设备以及人员的安全。
　　
        (本文源自“腾讯数据中心”,本刊有删节)

　　编辑：Harris