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                  防雷知識:保護我們的數據中心

                  來源:網絡整理 作者:DJ編輯 更新時間:2018/9/6 14:50:36

                  摘要:通常所謂雷擊是指一部分帶電的云層與另一部分帶異種電荷的云層,或者是帶電的云層對大地之間迅猛的放電。這種迅猛的放電過程產生強烈的閃電并伴隨巨大的聲音。當然,云層之間的放電主要對飛行器有危害,對地面上的建筑物和人、畜沒有很大影響。然而,云層對大地的放電,則對建筑物、電子電氣設備和人、畜危害甚大。

                    通常所謂雷擊是指一部分帶電的云層與另一部分帶異種電荷的云層,或者是帶電的云層對大地之間迅猛的放電。這種迅猛的放電過程產生強烈的閃電并伴隨巨大的聲音。當然,云層之間的放電主要對飛行器有危害,對地面上的建筑物和人、畜沒有很大影響。然而,云層對大地的放電,則對建筑物、電子電氣設備和人、畜危害甚大。

                    由于雷擊會給人類帶來災害,因此,人類很早就與雷害進行斗爭。其中取得卓越成就的有18世紀中葉著名科學家富蘭克林(Franklin)M?B?羅蒙諾索夫(JIOMOHOCOB),L?B?黎赫曼(PHXMAH)。他們通過大量實驗建立了雷電學說,認為雷擊是云層中大量陰電荷和陽電荷迅速中和而產生的現象;并且創立了避雷理論,發明了避雷針。他們取得的這些科學成就,已為人類作出了重大的貢獻。

                    我國古籍中,有關雷電理論和避雷實踐的記載十分豐富。例如東周時《莊子》上記述:“陰陽分爭故為電,陽陰交爭故為雷,陰陽錯行,天地大駭,于是有雷、有霆。”這些學說與現代的雷電學說是如此相似,不過它比現代雷電學說要早2000多年。在古籍中關于建筑工程中避雷的記載也十分豐富。南北朝的孟奧《北征記》中有如下記述:“凌云臺南角一百步,有白石室,名避雷室。”又有盛弦之《荊州記》中記述:“湖陽縣春秋蓼國,樊重之邑了,重母畏雷,為立石室,以避之,悉之文石為階砌,至今猶存。”書中談及的白石、文石,據分析應該屬于絕緣性能較好的石塊。至于宋、元、明、清代的建筑物多用“雷公柱”(宋代稱棖桿)等措施以避雷。

                    雷電分類

                    一般來說,雷電大致可分為直擊雷與感應雷,其中直擊雷危害極大,任何通信設備直接遭受直擊雷都會損壞;感應雷是雷電放電時,在附近導體上產生靜電感應和電磁感應,雷電入侵數據機房的方式一般會有以下幾種:

                    1、 直擊雷,架空線纜遭雷擊,部分雷電流沿線纜進入機房。

                    2、 感應雷,雷電電磁脈沖在室外電纜感應耦合,產生高電壓的雷電流,沿線纜侵入機房,造成機房故障。

                    3、 直擊雷,地電位反擊,雷電流沿接地線泄放,在接地線上產生大的壓降,機房內兩設備間的地電位差導致設備故障。

                    4、 感應雷,雷電電磁脈沖對室內環路的感應耦合,在室內線纜上形成感應電流,給設備帶來危害。

                    雷電入侵數的途徑

                    一、直擊雷是雷電直接擊在建筑物上,產生電效應、熱效應和機械力而導致建筑物損壞。建筑物受到直接雷擊后,強大的雷擊電流沿著接地引下線,經接地體入地后地電位會瞬間升高,產生高電位,引起地電位反擊,損壞設備或造成人員傷亡。

                    二、雷電感應是雷電放電時,在附近導體上產生靜電感應和電磁感應,它能使金屬部件之間產生火花。雷電感應可以來自對地雷擊,也可以來自云間放電,其中對地雷擊由于距雷擊點較近,產生的感應浪涌電壓較大,作用半徑也大,一般500米范圍的電子信息設備均是其破壞對象;云中放電的感應浪涌電壓雖然較小,但發生概率較高。靜電感應是由于雷云先導的作用,使附近導體上感應出與先導通道符號相反的電荷,雷云主放電時,先導通道中的電荷迅速中和,在導體上的感應電荷得到釋放,如不就近泄入地中就會產生很高的電位。電磁感應是由于電流迅速變化在其周圍空間產生瞬變的強電磁場,使附近的導體產生很高的電動勢。

                    三、雷電波的入侵是由于雷電對架空線路或金屬管道的作用,雷電波可能沿著這些管線侵入室內,危及人身安全、損壞設備。根據雷電電磁脈沖防護理論和實踐經驗證明,電子信息設備損壞的主要原因是雷電感應浪涌電壓造成的。它可以通過各種引線把感應浪涌電壓波引入電子信息設備內部,破壞其芯片和接口。

                    數據中心非常注重的就是供電的持續性,因此防雷工作就不能忽視,性能比較優秀的網絡設備本身就自帶有防雷保護功能,在電源進來的線路上,就有用來吸收高壓突波的線路設計。雖然產品帶有防雷保護的功能,但是就雷電產生的感應電壓有幾千伏特或者上萬伏特甚至更高,無論哪個品牌的路由器,單單路由器本身自帶的防雷功能只可能解決一部分雷電所造成的危害,想進一步減少雷電引起的危害就要配備相應的防雷設備。

                    防雷措施

                    一、應裝設獨立避雷針或架空避雷線,是被保護的建筑物及風帽,放散管等突出屋面的物體均處于接閃器的保護范圍內。利用避雷針、避雷帶和避雷網等將雷電流沿引下線安全地流入大地,防止雷電直接擊在建筑物和設備上。

                    二、排放爆炸危險氣體,蒸汽或粉塵的放散管,呼吸閥和排風管等的管口外的以下空間應處于接閃器的保護范圍內。

                    三、獨立避雷針的桿塔,架空避雷線的端部和架空避雷網的各支柱處,應至少設一根引下線。對用金屬制成或有焊接,綁扎連接鋼筋的桿塔,支柱,以利用其作為下引線。

                    四、獨立避雷針,架空避雷線應用獨立的接地裝置,每一引下線的沖擊接地電阻不宜大于10Ω。在土壤電阻率高的地區,可適當增大沖擊接地電阻。

                    五、屏蔽計算機系統所有的金屬導線,包括電力電纜、通信電纜和信號線均采用屏蔽線或穿金屬管屏蔽,在機房建設中,利用建筑物鋼筋網和其他金屬材料,使機房形成一個屏蔽籠。用以防止外來電磁波(含雷電的電磁波和靜電感應)干擾機房內設備。

                    六、當樹木高于建筑物且不在接閃器保護范圍之內時,樹木與建筑物之間的凈距不應小于5cm.

                    七、計算機系統機房內多離不開照明、動力、電話、網絡和各種計算機設備的信號線路,在防雷設計中必須考慮防雷系統與這些管線的位置關系,所以合理布線是防雷設計的重要因素之一。

                    此外在電子設備的信號線、電源線上安裝相應的過電壓保護器,利用其非線性效應,將線路上過高的脈沖電壓濾除,保護設備不被過電壓破壞。主要的保護器件為氧化鋅壓敏電阻、二極或三極放電管、快速箝位二極管等,根據需要進行組合,形成完整的防雷保護器。

                    數據中心內設備防護

                    1、 直擊雷的防護

                    如果無直擊雷防護,幾乎所有雷電流都流經進出建筑物的導體型線路(電源線、信號線等到),這樣的損害就非常之嚴重,因此做好直接雷擊防護是做感應雷擊防護的前提;直擊雷防護按照國標GB50057《建筑物防雷設計規范》設計和施工,主要使用避雷針、網、線、帶及良好的接地系統,其目的是保護建筑短短的 不受雷擊的破壞,給建筑物內的人或設備提供一個相對安全的環境。

                    2、 電源系統的防護

                    統計數據資料表明,微電子網絡系統80%以上的雷害事故都是因為與系統相連的電源線路上感應的雷電沖擊過電壓造成的。因此,做好電源線的防護是整體防雷中不容忽視的一環。

                    3、 信號系統的防護

                    盡管在電源和通信線路等外接引入線路上安裝了防雷保護裝置,由于雷擊發生在網絡線(如雙絞線)感應到過電壓,仍然會影響網絡的正常運行,甚至徹底破壞網絡系統。雷擊時產生巨大的瞬變磁場,在1公里范圍內的金屬環路,如網絡金屬連線等都會感應到極強的感應雷擊;另外,當電源線或通信線路傳輸過來雷擊電壓時,或建筑物的地線系統在瀉放雷擊時,所產生強大的瞬變電流,對于網絡傳輸線路來說,所感應的過電壓已經足以一次性破壞網絡。即使不是特別高的過電壓,不能夠一次性破壞設備,但是每一次的過電壓沖擊都加速了網絡設備的老化,影響數據的傳輸和存儲,甚至DOWN機,直至徹底損壞。所以網絡信號線的防雷對于網絡集成系統的整體防雷來說,是非常重要的環節。

                    4、 等電位連接

                    集成網絡系統主干交換機所在的中心機房應設置均壓環,將機房內所有金屬物體,包括電纜屏蔽層、金屬管道、金屬門窗、設備外殼以及所有進出大樓的金屬管道等金屬構件進行電氣連接,并接至均壓環上,以均衡電位。

                    5、 接地

                    防雷地網的制作,地網是避雷針、避雷帶、避雷器等設施有效發揮作用的保障。

                    機房設備遭雷擊后現象與處理辦法

                    1、配電變壓器中壓側避雷器損壞

                    (1)原因:

                    a.傳統高壓避雷器未充分考慮移動基站的惡劣運行環境,其通流指標一般為5kA十五次,65kA一次(且國內多數產品仍未達到該水平);

                    b.高壓線距離鐵塔較近,當鐵塔遭雷擊時,會在高壓線上感應到較強的雷電流;

                    c.高壓避雷器的由于本身質量問題發生損壞。

                    (2)解決辦法:

                    a.避雷器應采用合格的、能耐受重負荷的且標稱放電電流大于10kA的交流無間隙氧化鋅避雷器(重負荷避雷器);

                    b.將高壓電纜埋地或增加避雷線的方式改造;

                    c.不用假劣產品,盡量選擇經測試合格的產品。

                    2、配電變壓器損壞

                    (1)原因:

                    a.高壓側避雷器本身質量原因,殘壓過高;

                    b.感應雷擊電流過大,引起的殘壓過高;

                    c.接地引線過長;

                    d.低壓側未安裝避雷器。

                    (2)解決辦法:

                    a.選擇合格的非偽劣假冒的氧化鋅避雷器;

                    b.選擇能耐受重負荷的高壓避雷器,殘壓更低;

                    c.改進接線的方式,盡可能縮短高壓避雷器的連接線及接地線,同時適當增加等電位線;

                    d.在低壓側加裝避雷器。

                    3、高低壓電纜被擊穿

                    (1)原因:

                    a.電纜進出口處未加裝避雷器;

                    b.鎧裝層的兩端未能可靠接地;

                    c.傳送距離過長,且未加裝避雷線,導致感應的雷擊能量較強。

                    (2)解決辦法:

                    a.在電纜的進出口處加裝高性能避雷器;

                    b.將鎧裝層的兩端可靠接地;

                    c.增加避雷線,或采用鎧裝埋地的方式改造。

                    4、計量箱遭雷擊損壞

                    (1)原因:

                    a.電源線上感應的雷擊能量過大;

                    b.未加任何保護措施;

                    c.布線環過大。

                    (2)解決辦法:

                    a.計量箱進出電源線采用金屬管屏蔽方式;

                    b.加裝C級防雷保護器;

                    c.優化布線方式。

                    5、光纜經饋線入口進入機房沿走線架布放或光纜加強芯接地未處理好

                    (1)原因:

                    經現場勘察發現,有些基站的光纜加強芯固定端有明顯的打火痕跡,由于其也是架空引入機房,原理同架空明線,會在加強芯上感應較大的雷擊電流;當沿走線架布放時,過高的雷電壓會在周圍饋線、信號線、電源線上形成感應,引起設備故障。

                    (2)解決辦法:

                    a.使用無金屬光纜:對進入機房的光纜,從末端接頭盒至機房的一段光纜改用無金屬光纜,但對鼠害嚴重的地區慎用。

                    b.普通光纜架空進入機房:

                    ①將光數混合架或光纖終端盒盡量設置在光纜進口處。

                    ②對光纜金屬加強芯的接地安裝應作妥善處理。光纜安裝時,應將光纜加強芯和光纜終端盒內專用的加強芯接地母排妥善連接,同時將加強芯接地母排直接與室外饋線接地排相連,布放的接地線宜不小于35mm2,且宜短、直。若與饋線接地排距離較長(大于2m),也可與室內接地匯集線就近連接。此外,加強芯專用接地母排應與光纜終端盒體和機架內金屬物進行電氣隔離;對于新建基站,宜在光數混合架下方專設接地母排,用于光纜加強芯的接地,該接地母排應就近與地網相連。

                    6、電源避雷器(B級)損壞

                    (1)原因:

                    a.產品本身質量較差;

                    b.入室電源線由于架空或鎧裝層未可靠接地引起的感應過電壓較高;

                    c.對SPD的脈沖壽命認識不足。

                    (2)解決辦法:

                    d.選擇通過權威公正的防雷性能實驗室測試通過的產品(標準符合性認定);

                    e.入機房的電纜采用屏蔽措施;

                    f.根據現場情況適當增加雷電通流容量。

                    7、基站內設備損壞原因分析

                    (1)原因:

                    a.基站設備的接地線采用大星型接地;

                    b.機房整體沒有屏蔽措施,機房內導線(電源線或信號線)也均未采用屏蔽措施;

                    c.走線架上電源線、地線和信號線混合布放,互相形成*;

                    d.接地參考點設置不合理,未考慮各防雷設備就近入地的影響;

                    e.許多信號端口未加任何防護措施。

                    (2)解決辦法:

                    a.設置接地匯集線,材料采用30×3紫銅或40×4熱鍍鋅扁鋼,根據需要沿走線架布放,同時應將機房內設備的接地線就近接入接地匯集線;

                    b.交流電源線、直流電源線、射頻線、地線、傳輸電纜、控制線等應分開敷設,嚴禁互相交****、纏繞或捆扎在同一線束內;同時,所有的接地線纜應避免與電源線、光纜等其他線纜近距離并排敷設;

                    c.在相應的信號端口加裝信號防雷器,防止因端口間電位不相等引起的電位反擊。

                    總結

                    對機房來說,業務的持續性非常重要,防雷設計不能馬虎。沒人有能百分百保證自己的機房不會被雷電擊中,也沒有人能保證自己防雷設施高效,我們只能做到盡力降低雷電帶來的危害。

                    防雷以下的四個措施是缺一不可的:

                    室外避雷設施與室內工作設備都具備有良好的接地;

                    保證所有設備對地電位相同,做到等電位連接;

                    工程布線必須合理,避免線纜架空走線裸露室外,火線零線地線分開走線等狀況發生;

                    在關鍵節點,如交流輸入端口,信號端口等增加必要可靠的防雷電路;

                    以上幾點除了機房建建筑物外部要滿足防雷要求外,機房內的供配電系統同樣需要綜合細致的考量,才能真正有效降低雷擊損壞設備的概率。

                    責任編輯:DJ編輯

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