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數據中心防雷知識及接地方法

1. 雷電的產生

  人們通常把發生閃電的雲稱為雷雨雲,其實有幾種雲都與閃電有關,如層積雲、雨層雲、積雲、積雨雲,最重要的則是積雨雲,一般專業書中講的雷雨雲就是指積雨雲。

  雲的形成過程是空氣中的水汽經由各種原因達到飽和或過飽和狀態而發生凝結的過程。使空氣中水汽達到飽和是形成雲的一個必要條件,其主要方式有:(1)水汽含量不變,空氣降溫冷卻;(2)溫度不變,增加水汽含量;(3)既增加水汽含量,又降低溫度。

  但對雲的形成來說,降溫過程是最主要的過程。而降溫冷卻過程中又以上升運動而引起的降溫冷卻作用最為普遍。積雨雲就是一種在強烈垂直對流過程中形成的雲。由於地麵吸收太陽的輻射熱量遠大於空氣層,所以白天地麵溫度升高較多,夏日這種升溫更為明顯,所以近地麵的大氣的溫度由於熱傳導和熱輻射也跟著升高,氣體溫度升高必然膨脹,密度減小,壓強也隨著降低,根據力學原理它就要上升,上方的空氣層密度相對說來就較大,就要下沉。熱氣流在上升過程中膨脹降壓,同時與高空低溫空氣進行熱交換,於是上升氣團中的水汽凝結而出現霧滴,就形成了雲。在強對流過程中,雲中的霧滴進一步降溫,變成過冷水滴、冰晶或雪花,並隨高度逐漸增多。在凍結高度(-10攝氏度),由於過冷水大量凍結而釋放潛熱,使雲頂突然向上發展,達到對流層頂附近後向水平方向鋪展,形成雲砧,是積雨雲的顯著特征。

  積雨雲形成過程中,在大氣電場以及溫差起電效應、破碎起電效應的同時作用下,正負電荷分別在雲的不同部位積聚。當電荷積聚到一定程度,就會在雲與雲之間或雲與地之間發生放電,也就是人們平常所說的“閃電”。

  雷電以其巨大的破壞力給人類、社會帶來了慘重的災難,尤其是近幾年來,雷電災害頻繁發生,對國民經濟造成的危害日趨嚴重。亞洲賭博網應當加強防雷意識,與氣象部門積極合作,做好預防工作,將雷害損失降到最低限度。

  2. 雷電的破壞

  雷電的破壞主要是由於雲層間或雲和大地之間以及雲和空氣間的電位差達到一定程度(25—30kV/cm)時,所發生的猛烈放電現象。

  通常雷擊有三種形式,直擊雷、感應雷、球形雷。

  直擊雷是帶電的雲層與大地上某一點之間發生迅猛的放電現象。避雷針等裝置可將“直擊雷”產生的高電壓、強電流迅速引入大地,消除雷擊的影響,從而起到保護設施的作用。

  感應雷是當直擊雷發生以後,雲層帶電迅速消失, 地麵某些範圍由於散流電阻大,出現局部高電壓,或在直擊雷放電過程中,強大的脈衝電流對周圍的導線或金屬物產生電磁感應發生高電壓而發生閃擊現象的二次雷。雖然在避雷針的保護範圍內,物體可免遭直接雷擊,但“感應雷”可在電力、通信、網絡、衛星天線及有線電視等線纜上產生高壓感應和電流“浪湧”, 並通過導線引入配電間、機房、辦公室和住宅等,使電源、通訊及電子設備不可避免地受到損害。因此,防止這些現代社會的雷害顯得十分緊迫和必要。

  3. 電湧的來源

  電湧可來自電氣裝置外部,也可來自電氣裝置內部,即來自電氣裝置內的電器設備。

  來自外部的電湧:這種電湧由雷電或公用電網開關的投切引起,這兩類有害的電源擾動都可擾亂計算機和微機信息處理係統的工作,引起停工或永久性設備損壞。

  當雲層上有電荷儲蓄,雲層下表麵產生極性相反的等量電荷時,將引起雷電放電。其後的情況就像一個大電池組或一個大電容器的放電那樣,雲層和地麵間的電荷電位高達若幹百萬伏。發生雷擊時以若幹千安設計的電流通過雷擊放電,經過所有設備和大地返回雲層,從而完成電的通路。不幸的是這個雷電通路常常取道重要或貴重的設備。電湧防護的關鍵概念是給雷電感應電流提供一個通向大地的短捷有效的通路。這樣雷電湧流將從設備外分流。所示為設備處雷電流減少的情況。大的雷擊電流值常被例舉應用,其實它發生的可能性很小。

  來自內部的電湧:來自內部的電湧是經常發生的,諸如來自空調機、空壓機、電弧焊機、電泵、電梯、開關電源和其它一些感性負荷的電湧。例如一台20hp的感應電動機(線電壓230V,4級,Y結線)在最大轉矩時每相具有約39J的儲存能量,當其標稱方根值電流被截斷時,它將產生瞬態過電壓。它經常發生,和它自同一配電箱供電的其它負荷將因此易受損壞或工作失常。

  雷電是導致電湧最明顯的原因,雷電擊中輸電線路會導致巨大的經濟損失。每一次電力公司切換負載而引起的電湧都會縮短各種計算機、通訊設備、儀器儀表和 PLC的壽命。另外,大型電機設備、電梯、發電機、空調、製冷設備等也會引發電湧。UPS 也可被電湧摧毀。

  建築物頂部的避雷針在直擊雷時可將大部分的放電分流入地,避免建築物的燃燒和爆炸。UPS 不間斷電源是處理電壓的嚴重下降。二者非常有用,但都不能保護計算機免受電湧的破壞,而且UPS本身集中很多微處理器,也可被電湧摧毀。25年之前,IBM發現電湧更為常見的來源是電力公司的電網開關和大型電力設備(如空調和電梯)。每天都有這樣的電湧通過配電盤進入工作室破壞電子設備或縮短其壽命。因此,在美國幾乎所有的有計算機或其它敏感電氣設備的建築都安裝了電湧保護器。

  4. 電湧容易損壞的電氣設備

  含有微處理器的電氣設備極易受到電湧的損壞,這包括計算機硬件和計算機的輔助設備、程序控製器、PLC、傳真機、電話等;程控交換機、微波中繼設備;家電行業的產品包括電視、音響、微波爐、錄像機、洗衣機、烘幹機和電冰箱等。美國的調查數據表明,在保修期內出現問題的電氣產品中,有63%是由於電湧造成的。

  5. 電湧對計算機和其它敏感電氣設備的危害

  計算機技術發展至今,多層、超規模的集層芯片,電路密集,趨向是集成度更高、元器件間隙更小、導線更細。幾年前,一平方厘米的計算機芯片有 2,000個晶體管而現在的奔騰機則超過10,000,000個。從而增加了計算機受電湧損壞的概率。由於計算機的設計和結構決定了它應在特定的電壓範圍內工作。當電湧超出計算機能承受的水平時,計算機將出現數據亂碼,芯片被損壞,部件提前老化,這些症狀包括:出乎預料的數據錯誤,接收/輸送數據的失敗,丟失文檔,工作失常,經常需要維修,原因不明的故障和硬件問題等等。

  雷電電湧遠遠超出了計算機和其它電氣設備所能承受的水平,絕大多數情況下,造成計算機和其它電器設備的當即毀壞,或數據的永遠丟失。即使是一個20馬力的小型感應式發動機的啟動或關閉也會產生3,000-5,000伏的電湧,使和它共用同一配電箱的計算機在每一次電湧中都會受到損壞或幹擾,這種電湧的次數非常頻繁。

  CBEMA 計算機商業設備製造商協會製定了國際標準,該標準是IBM等計算機製造商們設計、製造計算機的依據。中國的行業標準規定:使用 220/380伏電力係統的計算機所能承受的過電壓不高於2000伏。

  美國廣泛地應用計算機比中國早約20年,是通過慘痛的教訓後才重視了對計算機的電湧防護。美國的銀行、前 500強公司、防衛設施、金融保險係統、服務網絡、電訊網絡、石油化工廠等都裝有電湧防護器。中國將是世界上最大的計算機消費市場。五年前的中國銀行還未計算機化。隨著計算機的普及,人們也認識到保護這種電子設備的重要性。我國於1998年頒布並實施了計算機信息係統防雷保安器的行業標準。

  6. 雷擊保護的基本原則

  欲使設備得到很好的保護,首先應對其所處的環境、受雷電影響的程度做出客觀的估計,因它與出現過電壓的幅值、概率、網絡結構、設備抗電壓能力、保護水平和接地等有關;防雷工作應作為一項係統工程來考慮,強調全麵防護(包括建築物、傳輸線路、設備和接地等),綜合治理,且要做到科學、可靠、實用和經濟。針對感應雷瞬時能量較大的特點,根據IEC國際標準對能量逐級吸收的理論,及防護區間量級分類的原則,需要做多級防護。

  7. 雷電防護措施

  采用避雷針、避雷帶和避雷網等可防止和減少雷電對建築物、人身和居室造成的危害。但已有大量事實證明:在安裝了這些避雷裝置的室內,計算機設備、通訊網絡及微電子器件在雷擊時,卻仍然會遭受不同程度的損害。對此,科學家通過進一步的分析,已經找到了其中的原因所在。

  避雷器的種類基本上分三大類型:

  (1)電源避雷器:按電壓的不同,分220V的單相電源避雷器和380V的三相電源避雷器(安裝時主要是並聯方式,也串聯方式)。“電源防雷器”並接在電力線路上,可遏製瞬態過電壓和泄放浪湧電流。從總進線到用電設備端通常配置分為三級,經過逐級限壓和放電,逐步消除雷電能量,保證用電設備的安全。根據不同的需要可選用“可插拔模塊型”、“端子接線式”和“移動插座式”等品種。

  (2)信號型避雷器:多數用於計算機網絡、通信係統上,安裝的方式是串聯。“信號防雷器”接入信號接口後,一方麵能切斷雷電進入設備的通路,另一方麵能迅速對大地放電,確保信號設備的正常工作。 信號防雷器具有多種規格,分別可用於電話、網絡、模擬通信、數字通訊、有線電視及衛星天線等設備的防雷,各種設備的輸入口特別是室外引入端,均應安裝信號防雷器。

  (3)天饋線避雷器:它適用於有發射機天線係統和接收無線電信號設備係統,連接方式也是串聯。

  選用防雷器要注意接口的形式和接地的可靠,重要場所應設置專用的接大地線,切不可將防雷接地線與避雷針接地線並接,且要盡量遠離、分開入地,

  8. 電視監控係統防雷接地方法

  (1)電視監控係統應有良好的防雷接地,以保證人身安全以及防幹擾和雷擊。

  (2) 監控設備的工作接地電阻應小於4Ω,當監控係統采用綜合接地網時,接地電阻應小於1Ω。

  (3)防雷接地應采用專用接地幹線。由監控控製室引入接地體,專用接地幹線采用銅芯絕緣導線或電纜。接地線截麵不應小於20mm2。

  (4)監控係統的接地線不能與強電交流的地線以及電網零線短接或混接,接地線不能形成封閉回路。

  (5)由控製室引到其他各監控設備的接地線,應選用銅芯絕緣軟線, 截麵積不應小於4mm2。

  (6)監控係統一般可采用單點接地。

  (7)監控係統中三芯電源插座的接地端,應與係統的接地端相連(保護地線)。

  9. 選用避雷器的注意事項

  作為防感應雷工程的設計者,應選擇一個技術先進的製造商,產品應具有詳細的說明書、技術指標、產地、符合各方麵的標準證書及銷售許可證書等。具體事項有如下幾點,僅供大家參考。

  (1)設計是否有利於用戶並且容易安裝

  理想的產品應該是一個小型、緊湊並且能夠安裝在現有的空間內,同時易於安裝。

  (2)一次能夠處理的最大電流

  最大電流(即峰流)是指一個電湧防護器的處理最大電流的能力。Bellcore實驗室為了保護它高度計算機化的實驗中心,進行了廣泛的調研,確定了電湧防護器處理最大電流的能力和所需的技術參數,一個20千安的電湧防護器即可滿足要求,起到防電湧、保護設備的作用。由此可見,在任何建築物內的分支線供電箱處安裝一個80千安的電湧防護器,便足以解決任何可能出現的電湧問題。對多雷擊區的貴重電氣設備,應在建築物進口的交流配電箱處安裝一個較大的防護器,型號從160千安到400千安。

  (3)吸收能量的能力

  電湧防護器吸收能量的能力以焦耳(joule) 來衡量,焦耳值越高,電湧防護器的使用壽命越長。

  (4)鉗製電壓的能力

  也就是將過電壓鉗製到電器設備所能承受的安全範圍之內的能力。計算機被設計在一定電壓範圍內使用,如果超出了這個範圍就會導致計算機的損壞。因此電湧防護器必須把過電壓鉗製到安全水平,1998年6月1日開始實施的GA173-1998標準規定用於220/380 伏電力係統的計算機防雷保安器(電湧防護器)的鉗製電壓應小於或等於2000伏。

  (5)符合國際和國家標準

  電湧防護器應符合國際標準,包括UL1449、ANSI/IEEE、NEMA和IEC。在我國同樣有相應的標準,公安部公共信息網絡安全監察局要求:所有用於保護計算機的防雷保安器(本文中稱為電湧防護器),都必須根據GA173-1998的標準通過檢測並獲得銷售許可證後,方可銷售。

  (6)產品的可靠性及客戶單

  了解客戶單以及廠家從事產品生產的曆史有助於了解廠家的信譽和其產品的可靠性。

  (7)質量保證

  保質期限的長短體現了製造商對其產品是否能不出問題、能長久的保護設備的自信心。一旦產品出現問題,客戶是否能得到快速免費的服務,也是用戶應考慮的因素之一。