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等电位连接接地设计时间:2014-03-21 16:00:44 来源:
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等电位连接接地设计

一、概述
       随着计算机事业的发展和计算机技术的广泛应用,怎样确保计算机设备的正常运行,这个问题越来越被人们所重视。一般的大、中、小型计算机都要求安装在一个 专用机房里,而计算机房各金属构件的等电位连接是计算机网络系统的电磁脉冲的重要防护措施之一。等电位连接的好与坏将会直接影响到雷击时,产生的雷电流的 释放效果。不论防直击雷的防雷设施如何完善,电涌保护器(SPD)的产品如何先进,没有良好的等电位连接,雷电流不能及时引流入地,轻者导致设备损坏、瘫 痪;重者引起人员伤亡和火灾、爆炸。本文就等电位连接做简要分析,以供机房管理人员和防雷工程设计人员参考。
二、雷击途径及隐患
        随着科学技术的进步和现代电子技术的广泛应用,电子信息系统已经深入到国民经济、国防建设和人民生活的各个领域。各种电子、微电子设备越来越向高速度、高 频率、高可靠性、网络化、智能化和小型化方向发展。这些电子信息系统和设备非常灵敏,但是,耐过电压能力很低,一般都承受不了正负5V的电压波动,特别是 机房系统,雷电高电压以及雷电电磁脉冲侵入所产生的电磁效应、热效应都会对机房系统和设备造成干扰或者永久性损坏,一般而言,雷电过电压对机房系统入侵有 以下几个途径:
1)、网络数据线路在远端遭受直接或LEMP,沿网络线路进入设备
2)、有线通讯线路在远端遭受直接或LEMP,沿通讯线路进入设备
3)、建筑物内部的各种线路,雷击电磁脉冲辐射,进入设备
4)、电源供电线路在远端遭受直接或LEMP,沿供电线路进入设备
5)、地电压过高,反击进入设备
6)、天线遭受直接雷击 或 接收LEMP
7)、避雷针引下线,在避雷针接闪泄放雷电流时,产生的雷击电磁脉冲辐射
8)、临近建筑物或附近地面、树木等遭受雷击,同时带来LEMP 和 附近地面的跨步电压(地电压反击)
9)、95%的闪电发生在云对云之间,可以产生几百千安培的电流和极强的LEMP
        机房系统设备的耐压水平越来越低,因雷击所造成设备损坏或者间接损失越来越多,因此机房系统的雷电电磁脉冲的防护措施应从屏蔽、接地、等电位连接、SPD保护及机房位置的选定等方面考虑,以建立完善的内部防雷系统,确保机房系统的安全和可靠运作。
三、设计依据和指导思想
设计依据
        本方案在制订过程中参考了以下国家规范、行业规范和国际相关标准:
1、 GB 50057-2010《建筑物防雷设计规范》第六章、防雷击电磁脉冲;第三节、屏蔽、接地和等电位连接第6.3.4条要求:所有进入建筑物的外来导电物均 应在LPZ0A区或LPZ0B区与LPZ1区的界面处做等电位连接;信息系统的各种箱体、壳体、机架等金属组件应建立一等电位连接网络,并与建筑物的共用 接地系统连接。内部金属装置与等电位连接带之间的连接导体采用铜材时,最小截面积为6mm2,采用铝材时, 最小截面积为10mm2,采用铁时, 最小截面积为16mm2;铜或镀锌钢等电位带的截面积不应小50mm2
2、GB 50057-2010《建筑物防雷设计规范》第三章、建筑物的防雷措施;第三节、第二类防雷建筑物的防雷措施要求:每根引下线的接地电阻不小于10欧姆,防直击雷接地装置宜和防雷电感应、电气设备、信息系统等共用接地装置。
3、GB50174-93《电子计算机机房设计规范》第六章 电气技术:第四节接地要求:第6.4.2条、第6.4.2条要求,采用共用接地时,电阻按各种接地方式的最小值要求。
4、GB50198-94《民用闭路监视电视系统工程技术规范》第2章:第2.5节供电、接地与安全防护:第2.5.4条要求当采用共用接地时,接地电阻不大于1欧姆;
5、JGJ/T16-92《民用建筑电气设计规范》第14章接地与安全:第14.7.5.3条要求,当机房接地与防雷接地系统共用时,接地电阻要求小于1欧姆。因此对于监控机房和通讯机房接地均应与建筑物防雷地等共用同一接地装置,接地电阻要求小于1欧姆。
指导思想
        本设计本着遵循“整体防御、综合治理、多重保护、层层设防”的方针,依据以上技术规范,力求最大限度地避免由于雷击造成重要设备损害。
四、防雷保护设计内容
引言:
         在IEC标准中指出等电位连接是内部防雷措施的一部分,其目的在于减少雷电流所引起的电位差。等电位,是用连接导线或过电压(电涌)保护器,将处在需要 防雷空间内的防雷装置和建筑物的金属构架、金属装置、外来导线、电气装置、电信装置等连接起来,形成一个等电位连接网络,以实现均压等电位。
        所有从室外进入的金属导体(包括水管、气管,电缆屏蔽层或电缆屏蔽管)应在进入防雷区的交界处就近直接接地,不能直接接地的导体(如电力线、传输线等)应 通过电涌保护器接地,电力、通信电缆应穿金属管并埋地进入机房,穿管埋地的距离应大于25米。室内设备的金属部分应可靠接地,所有的接地必须实在同一个接 地基准点上,这个基准点在工程上称为汇流排或均压环,这样就能保证室内设备不会因为地电位升高而产生电位差。
1、实行等电位连接的主体应为:
l  设备所在建筑物的主要金属构件和进入建筑物的金属管道;
l  供电线路含外露可导电部分;
l  防雷装置;
l  由电子设备构成的信息系统。
2、等电位连接导体规格要求 :
        等电位连接母排(MEB、LEB端子板)可采用4×40mm或10×10mm的铜板,其长度可视具体情况而定。基础钢筋与接地母排的连接应使用 4×40mm的热镀锌扁钢4根(不同方向基础钢筋连接)。不允许用做连接线的金属构件:金属水管、输送爆炸气体或液体的金属管道、正常情况下承受机械压力 的结构部分、易弯曲的金属部分、钢索配线的钢索。等电位连接带之间和等电位连接带与接地装置之间的连接导体,流过大于或等于25%总雷电流的等电位连接导 体内部金属装置与等电位连接带之间的连接导体,流过小于25%总雷电流的等电位连接导体。
3、在防雷界面处的等电位连接
在防雷区LPZOA、LPZOB和LPZ交界处的等电位连接
    当外来导电物、电力线、通信线在不同地点进入该建筑物时,则需要设若干等电位连接带,并应就近连接到环形接地体上,也应与钢筋和金属立面连接。它们在电气 上是贯通的并连通到接地体,含基础接地体。环形接地体和内部环形体应连到钢筋或金属立面等其它屏蔽构件上,典型的连接间距每隔5m连接一次。铜或镀锌钢等 电位连接带的最小截面积应为50mm2。当建筑物内有电子系统时,在那些要求雷击电磁脉冲影响最小之处,等电位连接带宜采用金属板,并与钢筋或其它屏蔽构件多点连接。在LPZOB区内的外来导电物,预期仅菏载感应电流和小部分雷电流。
    在LPZOA、LPZ1区的界面处做等电位连接用的接线夹和电涌保护器,应通过相关雷电流参数估算通过它们的分流值。在不可能估算的地方,可假定:全部雷 电流i的50%流入所考虑建筑物的LPS接地装置,i的另50%is分配于进入建筑物的各种设施(外来导电物、电力线和通信线等)。流入每一设施中的电流 ii为is/n,此处n是设施个数。为估算流经无屏蔽电缆芯线的电流iv,电缆电流ii要除以芯线数m,即iv=ii/m。对屏蔽电缆,绝大部分电流将沿 屏蔽层流走。在LPZOA、LPZ1区的界面处做等电位连接用的接线夹和电涌保护器仅应按上述方法考虑雷击中建筑物防雷装置时通过它们的雷电流;可不考虑 沿全长处在LPZOB区的各种设施引入建筑物的雷电流,其值仅为感应电流和小部分雷电流。
4、各后续防雷区交界处的等电位连接
    在LPZOA、OB和LPZ1之间交界处的等电位连接一般原则,也适用于各后续防雷区交界处等电位连接。进入防雷区交界处的所有导电物、电力线SPD接地 或屏蔽层、通信线屏蔽层或SPD接地均应在交界面处做等电位连接。应采用一局部等电位连接带做等电位连接,各种屏蔽结构或设备外壳等其它局部金属物也连到 该带。
    用于等电位连接的连接夹或SPD应分别估算通过的雷电流参数,在各防雷区交界处的最大电涌电压应与所属各系统的承受能力相一致。在不同交界处上的各SPD还应与其相应的能量承受能力相一致。
5、需要保护的空间内设备的等电位连接
    所有大尺寸的内部导电物,如主机金属外壳,UPS及电池箱金属外壳、金属地板、金属门框架、设施管道、电缆桥架的等电位连接,应以最短的线路连到最近的等 电位连接带或其它已做了等电位连接带的金属物上。各导电物之间的附加多次相互连接是有益处的。在等电位连接各部件中预期仅流较小部分的雷电流。
6、系统等电位连接
a、电源等电位连接
    依据TN-C-S接地制式的要求,总配电盘PE母排应与总等电位连接端子板等电位连接,局部等电位连接端子板LEB的规格应≥等电位连接端子板 10×10mm或4×40mm的铜板,长度视连接点多少而定,连接线应为≥25mm2的多股铜线。PE母排至各层局部等电位母排的连线规格≥16mm2, 各步排至设备间的LEB局部等电位连接线规格≥4mm2
    电源进线入户当采用屏蔽电缆,应在两端接地,但系统要求只在一端接地时,应在入户(LPZ0~LPZ1)时设置两层屏蔽 ,且外层屏蔽应与接地母排作电气 连接。依据GB50343—2004的要求设置相应型号的SPD并有良好的电气连接。等电位连接端子板与插座保护线端子或任一装置外导电部分间的连接线的 电阻包括连接点的电阻不应大于0.02Ω。
b、信号设备等电位连接
    信号电缆于LPZ0~LPZ1或LPZn~LPZn+1区界面处设置等电位连接母排,该母排应与建筑物总等电位母排作电气连接信号等电位连接。母排的规格≥4×40mm或10×10mm铜排, 连接线应为≥25mm2的多股铜线。信号电缆的铠装层或金属套管与LEB等电位连接,连接线≥4mm2的多股铜线,信号SPD接地线也与该等电位连接母排作电气连接。光缆入户时,应与LPZ0~LPZ1界面处,将光缆的金属层与加强筋作电气连接,并与等电位母排作电气连接,光端机与该等电位母排非电气连接。
7、信息系统等电位连接
    一个信息系统的所有外露导电物应建立一个等电位连接网络。由于按照本文规定实现的等电位连接网络均有通大地的连接,每个等电位连接网不宜设单独的接地装置。
    信息系统的各金属组件(如箱体、壳体、机架)与建筑物共同接地系统的等电位连接应采用以下两种基本形式:S型星型结构和M型网型结构。当采用S型等电位连 接网时,该信息系统的所有金属组件,除等电位连接点外,应与共用接地系统的各组件有足够的绝缘。通常:S型等电位连接网用于相对较小、限定于局部的系统, 而且所有设施管道线和电缆宜从ERP处进入该信息系统。S型等电位连接网应仅通过唯一的一点,即接地基准点ERP组合到共同接地系统中去形成S型等电位连 接。在这种情况下,设备之间的所有线路和电缆当无屏蔽时宜按星形结构与各等电位连接线平行敷设,以免产生感应环路。由于采用唯一的一点进行等电位连接,没 有与闪电联在一起的低频电流能进入信息系统,而且信息系统内的低频干扰源不能产生大地电流。做等电位连接的这唯一的点,也是接SPD,以限制传导来的过电 压的理想接点。当采用M型等电位连接网络时,则该系统的各金属组件不应与共用接地系统各组件绝缘。M型等电位连接网络应通过多点连接网络宜用延伸较大的开 环系统,而且在设备的各分项之间敷设许多线路和电缆,以及设施和电缆从若干点进入该信息系统。
    此处,用于高频也能得到一个低阻抗网络。此外,等电位连接网的多重短路环路对磁场起到衰减环路的作用,从而在使信息系统的附近区域内减弱初始磁场。
    一个S型局部等电位连接网可与一个网状结构组合一起,一个M型局部等电位连接网可在一个ERP与共用接地系统连接,该网络所有金属组件和设备应与共用接地 系统各组件有大于10kV、1.2/50μs的绝缘,而且所有设施和电缆应从接地基准点附近进入该信息系统,低频率和杂散分布电容起次要影响的系统应采用 这种办法。
8、共用接地系统的等电位连接
    关于共用接地的接地电阻值,有的文献、规范建议:共用接地≤1Ω。对此要具体分析。
    建筑物内220/380V用电设备,其绝缘耐冲击电压按国际电工委员会规定最大为6kV。雷电流的幅值按统计规律国际公认,其值约为40kV,它与1Ω接 地电阻的乘积约为40kV。这是上述耐冲击电压6kV的6.7倍,在共用接地的条件下,防止用电设备绝缘被击穿的主要措施是:在用电设备电源进出线端与共 用接地之间装设过电压保护器。这是建筑物防雷标准的等电位联结的措施之一。过电压保护器是用来限制存在于某两物体之间冲击过电压的一种设备,如放电间隙、 避雷器或半导体器具等。如果装设了过电压保护器,共用接地装置接地电阻的大小对本建筑物来说是次要的,因为只要过电压值大于过电压保护器的动作电压,该过 电压均能在瞬间使过电压保护器动作而不管过电压值大多少,并使其两侧物体在短时间内短接而得到等电位。从上所述可知,采取降低接地电阻的方法是解决不了保 护低压设备的绝缘遭受过电压的击穿。 《电子信息系统机房设计规范》GB50174—2008的建议草案曾提出“电子计算机机房接地”的四种接地方法,但该规范批准发布后对此项改为:电子计算 机机房接地装置的设置应满足人身的安全及电子计算机正常运行和系统设备的安全要求。电子计算机机房应采用下列四种接地方式:交流工作接地、接地电阻不应大 于4Ω;安全保护接地,接地电阻不应大于4Ω;直流工作接地,接地电阻应按计算机系统具体要求确定;防雷接地,应按现行国家标准《建筑防雷设计规范》执 行。
9、机房等电位连接
    有防静电地板的机房内,在防静电地板的下面敷设成S型或M型等电位连接网络;在没有防静电地板的网络机房内,直接在地面上敷设成S型或M型等电位连接网络,需要用绝缘子加以固定,在人行通道处将等电位连接带平贴于地面并采取保护措施防止机械损伤。
电气和电子设备的金属外壳、机柜、机架、金属管、金属线槽、金属门窗、屏蔽线缆外层、设备防静电接地、安全保护接地、浪涌保护器(SPD)接地端等均应以最短的距离与等电位连接网络的接地端子连接,等电位连接导体应采用绝缘铜导线,其截面积最小不应小于6 mm2
对于共用接地装置应与总等电位接地端子板连接,通过接地干线引至局部等电位接地端子板,由此引至设备机房的机房等电位接地端子板。接地干线宜采用多股铜芯导线或铜带,其截面积不应小于35mm2。接地干线应在电气竖井内明敷,并应与楼层主钢筋作等电位连接。
进出机房的所有线路、金属管道等必须在机房与外界分界处做等电位处理,与机房内等电位连接网络就近连接。
等电位连接网络的连接宜采用焊接、熔接或压接。连接导体与等电位接地端子板之间应采用螺栓连接,连接处应进行热搪锡处理。
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等电位连接系统图
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总结:
    电子计算机房接地装置的设置应满足人身的安全及电子计算机正常运行和系统设备的安全要求。
    建设高质量的等电位连接,是能有效的防止雷电引起的各类爆炸、起火、电子设备损坏、人员伤亡等的重要措施。