防雷技术

数据中心防雷知识及接地方法

1. 雷电的产生

　　人们通常把发生闪电的云称为雷雨云,其实有几种云都与闪电有关,如层积云、雨层云、积云、积雨云，最重要的则是积雨云，一般专业书中讲的雷雨云就是指积雨云。

　　云的形成过程是空气中的水汽经由各种原因达到饱和或过饱和状态而发生凝结的过程。使空气中水汽达到饱和是形成云的一个必要条件,其主要方式有：(1)水汽含量不变，空气降温冷却;(2)温度不变，增加水汽含量;(3)既增加水汽含量，又降低温度。

　　但对云的形成来说，降温过程是最主要的过程。而降温冷却过程中又以上升运动而引起的降温冷却作用最为普遍。积雨云就是一种在强烈垂直对流过程中形成的云。由于地面吸收太阳的辐射热量远大于空气层，所以白天地面温度升高较多，夏日这种升温更为明显，所以近地面的大气的温度由于热传导和热辐射也跟着升高，气体温度升高必然膨胀，密度减小，压强也随着降低，根据力学原理它就要上升，上方的空气层密度相对说来就较大，就要下沉。热气流在上升过程中膨胀降压，同时与高空低温空气进行热交换，于是上升气团中的水汽凝结而出现雾滴，就形成了云。在强对流过程中，云中的雾滴进一步降温，变成过冷水滴、冰晶或雪花,并随高度逐渐增多。在冻结高度(-10摄氏度)，由于过冷水大量冻结而释放潜热，使云顶突然向上发展，达到对流层顶附近后向水平方向铺展，形成云砧，是积雨云的显著特征。

　　积雨云形成过程中，在大气电场以及温差起电效应、破碎起电效应的同时作用下，正负电荷分别在云的不同部位积聚。当电荷积聚到一定程度，就会在云与云之间或云与地之间发生放电，也就是人们平常所说的“闪电”。

　　雷电以其巨大的破坏力给人类、社会带来了惨重的灾难，尤其是近几年来，雷电灾害频繁发生，对国民经济造成的危害日趋严重。我们应当加强防雷意识，与气象部门积极合作，做好预防工作，将雷害损失降到最低限度。

2. 雷电的破坏

　　雷电的破坏主要是由于云层间或云和大地之间以及云和空气间的电位差达到一定程度(25—30kV/cm)时，所发生的猛烈放电现象。

　　通常雷击有三种形式，直击雷、感应雷、球形雷。

　　直击雷是带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象。避雷针等装置可将“直击雷”产生的高电压、强电流迅速引入大地，消除雷击的影响，从而起到保护设施的作用。

　　感应雷是当直击雷发生以后，云层带电迅速消失， 地面某些范围由于散流电阻大，出现局部高电压，或在直击雷放电过程中，强大的脉冲电流对周围的导线或金属物产生电磁感应发生高电压而发生闪击现象的二次雷。虽然在避雷针的保护范围内，物体可免遭直接雷击，但“感应雷”可在电力、通信、网络、卫星天线及有线电视等线缆上产生高压感应和电流“浪涌”， 并通过导线引入配电间、机房、办公室和住宅等，使电源、通讯及电子设备不可避免地受到损害。因此，防止这些现代社会的雷害显得十分紧迫和必要。

3. 电涌的来源

　　电涌可来自电气装置外部,也可来自电气装置内部,即来自电气装置内的电器设备。

　　来自外部的电涌：这种电涌由雷电或公用电网开关的投切引起，这两类有害的电源扰动都可扰乱计算机和微机信息处理系统的工作，引起停工或永久性设备损坏。

　　当云层上有电荷储蓄，云层下表面产生极性相反的等量电荷时，将引起雷电放电。其后的情况就像一个大电池组或一个大电容器的放电那样，云层和地面间的电荷电位高达若干百万伏。发生雷击时以若干千安设计的电流通过雷击放电，经过所有设备和大地返回云层，从而完成电的通路。不幸的是这个雷电通路常常取道重要或贵重的设备。电涌防护的关键概念是给雷电感应电流提供一个通向大地的短捷有效的通路。这样雷电涌流将从设备外分流。所示为设备处雷电流减少的情况。大的雷击电流值常被例举应用，其实它发生的可能性很小。




来自内部的电涌：来自内部的电涌是经常发生的，诸如来自空调机、空压机、电弧焊机、电泵、电梯、开关电源和其它一些感性负荷的电涌。例如一台20hp的感应电动机(线电压230V，4级，Y结线)在最大转矩时每相具有约39J的储存能量,当其标称方根值电流被截断时，它将产生瞬态过电压。它经常发生，和它自同一配电箱供电的其它负荷将因此易受损坏或工作失常。

　　雷电是导致电涌最明显的原因，雷电击中输电线路会导致巨大的经济损失。每一次电力公司切换负载而引起的电涌都会缩短各种计算机、通讯设备、仪器仪表和 PLC的寿命。另外，大型电机设备、电梯、发电机、空调、制冷设备等也会引发电涌。UPS 也可被电涌摧毁。

　　建筑物顶部的避雷针在直击雷时可将大部分的放电分流入地，避免建筑物的燃烧和爆炸。UPS 不间断电源是处理电压的严重下降。二者非常有用，但都不能保护计算机免受电涌的破坏，而且UPS本身集中很多微处理器，也可被电涌摧毁。25年之前，IBM发现电涌更为常见的来源是电力公司的电网开关和大型电力设备(如空调和电梯)。每天都有这样的电涌通过配电盘进入工作室破坏电子设备或缩短其寿命。因此，在美国几乎所有的有计算机或其它敏感电气设备的建筑都安装了电涌保护器。

4. 电涌容易损坏的电气设备

　　含有微处理器的电气设备极易受到电涌的损坏，这包括计算机硬件和计算机的辅助设备、程序控制器、PLC、传真机、电话等;程控交换机、微波中继设备;家电行业的产品包括电视、音响、微波炉、录像机、洗衣机、烘干机和电冰箱等。美国的调查数据表明，在保修期内出现问题的电气产品中，有63%是由于电涌造成的。

5. 电涌对计算机和其它敏感电气设备的危害

　　计算机技术发展至今，多层、超规模的集层芯片，电路密集，趋向是集成度更高、元器件间隙更小、导线更细。几年前，一平方厘米的计算机芯片有 2,000个晶体管而现在的奔腾机则超过10,000,000个。从而增加了计算机受电涌损坏的概率。由于计算机的设计和结构决定了它应在特定的电压范围内工作。当电涌超出计算机能承受的水平时，计算机将出现数据乱码，芯片被损坏，部件提前老化，这些症状包括：出乎预料的数据错误，接收/输送数据的失败，丢失文档，工作失常，经常需要维修,原因不明的故障和硬件问题等等。

　　雷电电涌远远超出了计算机和其它电气设备所能承受的水平，绝大多数情况下，造成计算机和其它电器设备的当即毁坏，或数据的永远丢失。即使是一个20马力的小型感应式发动机的启动或关闭也会产生3,000-5,000伏的电涌，使和它共用同一配电箱的计算机在每一次电涌中都会受到损坏或干扰，这种电涌的次数非常频繁。

　　CBEMA 计算机商业设备制造商协会制定了国际标准,该标准是IBM等计算机制造商们设计、制造计算机的依据。中国的行业标准规定：使用 220/380伏电力系统的计算机所能承受的过电压不高于2000伏。

　　美国广泛地应用计算机比中国早约20年，是通过惨痛的教训后才重视了对计算机的电涌防护。美国的银行、前 500强公司、防卫设施、金融保险系统、服务网络、电讯网络、石油化工厂等都装有电涌防护器。中国将是世界上最大的计算机消费市场。五年前的中国银行还未计算机化。随着计算机的普及，人们也认识到保护这种电子设备的重要性。我国于1998年颁布并实施了计算机信息系统防雷保安器的行业标准。

6. 雷击保护的基本原则

　　欲使设备得到很好的保护，首先应对其所处的环境、受雷电影响的程度做出客观的估计，因它与出现过电压的幅值、概率、网络结构、设备抗电压能力、保护水平和接地等有关;防雷工作应作为一项系统工程来考虑，强调全面防护(包括建筑物、传输线路、设备和接地等)，综合治理，且要做到科学、可靠、实用和经济。针对感应雷瞬时能量较大的特点，根据IEC国际标准对能量逐级吸收的理论，及防护区间量级分类的原则，需要做多级防护。


7. 雷电防护措施

　　采用避雷针、避雷带和避雷网等可防止和减少雷电对建筑物、人身和居室造成的危害。但已有大量事实证明：在安装了这些避雷装置的室内，计算机设备、通讯网络及微电子器件在雷击时，却仍然会遭受不同程度的损害。对此，科学家通过进一步的分析，已经找到了其中的原因所在。

　　避雷器的种类基本上分三大类型：

　　(1)电源避雷器：按电压的不同，分220V的单相电源避雷器和380V的三相电源避雷器(安装时主要是并联方式，也串联方式)。“电源防雷器”并接在电力线路上，可遏制瞬态过电压和泄放浪涌电流。从总进线到用电设备端通常配置分为三级，经过逐级限压和放电，逐步消除雷电能量，保证用电设备的安全。根据不同的需要可选用“可插拔模块型”、“端子接线式”和“移动插座式”等品种。

　　(2)信号型避雷器：多数用于计算机网络、通信系统上,安装的方式是串联。“信号防雷器”接入信号接口后，一方面能切断雷电进入设备的通路，另一方面能迅速对大地放电，确保信号设备的正常工作。 信号防雷器具有多种规格，分别可用于电话、网络、模拟通信、数字通讯、有线电视及卫星天线等设备的防雷，各种设备的输入口特别是室外引入端，均应安装信号防雷器。

　　(3)天馈线避雷器：它适用于有发射机天线系统和接收无线电信号设备系统,连接方式也是串联。

　　选用防雷器要注意接口的形式和接地的可靠，重要场所应设置专用的接大地线，切不可将防雷接地线与避雷针接地线并接，且要尽量远离、分开入地，

8. 电视监控系统防雷接地方法

　　(1)电视监控系统应有良好的防雷接地，以保证人身安全以及防干扰和雷击。

　　(2) 监控设备的工作接地电阻应小于4Ω,当监控系统采用综合接地网时,接地电阻应小于1Ω。

　　(3)防雷接地应采用专用接地干线。由监控控制室引入接地体,专用接地干线采用铜芯绝缘导线或电缆。接地线截面不应小于20mm2。

　　(4)监控系统的接地线不能与强电交流的地线以及电网零线短接或混接,接地线不能形成封闭回路。

　　(5)由控制室引到其他各监控设备的接地线,应选用铜芯绝缘软线, 截面积不应小于4mm2。

　　(6)监控系统一般可采用单点接地。

　　(7)监控系统中三芯电源插座的接地端，应与系统的接地端相连(保护地线)。

9. 选用避雷器的注意事项

　　作为防感应雷工程的设计者，应选择一个技术先进的制造商，产品应具有详细的说明书、技术指标、产地、符合各方面的标准证书及销售许可证书等。具体事项有如下几点，仅供大家参考。

　　(1)设计是否有利于用户并且容易安装

　　理想的产品应该是一个小型、紧凑并且能够安装在现有的空间内，同时易于安装。

　　(2)一次能够处理的最大电流

　　最大电流(即峰流)是指一个电涌防护器的处理最大电流的能力。Bellcore实验室为了保护它高度计算机化的实验中心,进行了广泛的调研,确定了电涌防护器处理最大电流的能力和所需的技术参数，一个20千安的电涌防护器即可满足要求，起到防电涌、保护设备的作用。由此可见，在任何建筑物内的分支线供电箱处安装一个80千安的电涌防护器，便足以解决任何可能出现的电涌问题。对多雷击区的贵重电气设备，应在建筑物进口的交流配电箱处安装一个较大的防护器，型号从160千安到400千安。

　　(3)吸收能量的能力

　　电涌防护器吸收能量的能力以焦耳(joule) 来衡量，焦耳值越高，电涌防护器的使用寿命越长。

　　(4)钳制电压的能力

　　也就是将过电压钳制到电器设备所能承受的安全范围之内的能力。计算机被设计在一定电压范围内使用，如果超出了这个范围就会导致计算机的损坏。因此电涌防护器必须把过电压钳制到安全水平,1998年6月1日开始实施的GA173-1998标准规定用于220/380 伏电力系统的计算机防雷保安器(电涌防护器)的钳制电压应小于或等于2000伏。


(5)符合国际和国家标准

　　电涌防护器应符合国际标准，包括UL1449、ANSI/IEEE、NEMA和IEC。在我国同样有相应的标准,公安部公共信息网络安全监察局要求：所有用于保护计算机的防雷保安器(本文中称为电涌防护器)，都必须根据GA173-1998的标准通过检测并获得销售许可证后，方可销售。

　　(6)产品的可靠性及客户单

　　了解客户单以及厂家从事产品生产的历史有助于了解厂家的信誉和其产品的可靠性。

　　(7)质量保证

　　保质期限的长短体现了制造商对其产品是否能不出问题、能长久的保护设备的自信心。一旦产品出现问题，客户是否能得到快速免费的服务，也是用户应考虑的因素之一。