电子信息机房的防雷初探

　　摘要：本文以一电子信息机房为例，从信息机房自身的特点出发，着重对信息机房的防雷等级及雷击磁场进行了计算与评估，最后对信息机房进行了相应的防雷设计，希望通过此例对现代电子信息机房的防雷设计有一定的启求作用。
　　关键词：信息机房，雷击，磁场强度，防雷设计
　　
　　1前言
　　随着信息技术飞速发展，电子信息机房的存在已日趋广泛。电子设备大多采用微电子技术，抗击雷击电磁脉冲能力比较弱，在雷电环境下极易发生设备被损毁，造成电子设备运行中断及人员伤亡等恶劣后果。为最大可能地避免雷电给电子信息设备及人身安全带来的危害，本着“整体防御、综合治理、多重保护”的原则，必须对电子信息机房的雷电防护引起高度重视。电子信息机房对电磁环境有一定的要求，除了考虑正常情况下的电磁环境，还必须考虑雷击时瞬时电磁脉冲，由于雷击时瞬时雷电流可达数百安千安，在雷电通道周围将产生强大的电磁场，若信息机房的的屏蔽达不到要求，雷击电磁脉冲对机房内设备产生影响，或损坏设备，或造成服务中断，甚至造成火灾、爆炸等严重安全事故。因此，在设计电子信息机房时，必须利用建筑物防雷设计规范及电子信息系统防雷技术规范对信息机房进行评估，然后根据结果进行相应的防雷设计。
　　
　　2信息机房个例分析
　　2.1信息机房基本情况
　　信息机房位于某电信局大楼内，电信局处于市区中部，该地区多盛行西南风，雷暴季节主要是五至十月，年平均雷暴日为75天，该地区四周被山围绕，土壤结构主要为石灰岩。电信局长80米，宽25米，高30米，地上10层，引下线共有12条，信息机房位于电信大楼的第三层，信息机房内设配电柜、小型机、磁盘阵列、交换机组、路由器、微型计算机、Server服务器等电子设备，并且其下属局的电信数据均汇总到时该交换中心中转。电信机房内部平时的磁场干扰强度经测量峰值约为70A/m能满足要求，但当遭受雷击时，是否满足要求未验证。查阅该地区闪电定位仪的资料，本地区3.5km半径范围内，五年中观测到的最大的雷电流为246.3KA。
　　2.2电子信息系统防雷等级
　　按照GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》所进行的建筑物内电子信息系统的防雷等级计算。
　　线路入户设施情况：电源线缆的线长为100米，信号线缆的线长为50米，土壤电阻率为500Ω•m，等效ds取值为500m，则电源线缆入户设施接收面积Ae1为0.09km2，信号线缆入户设施接收面积Ae2为0.06km2。
　　建筑物及入户线路的年预计雷击次数N：N1=kNgAe=0.04次/年；N2=NgA′e=0.74次/年，所以N=N1+N2=0.78次/年。
　　电子信息系统雷击电磁脉冲防护等级E:雷击电磁脉冲防护分级可由下式求取：E=1-Nc/N。信息系统设备损坏的可接受的最大年平均雷击次数Nc=5.8×10-1.5/C=0.0452;E=1-0.0452/0.465=0.91.
　　结论：建筑物及入户设施年预计雷击次数N=0.465,可接受的最大年平均雷击次数Nc=0.0452,防雷装置拦截效率E=0.974,防雷等级为B级。
　　3雷击磁场强度评估
　　3.1直接雷击时内部磁场强度的估算
　　当其遭受直接雷击时，依据GB50057-2010如图方法估算引下线分流系数：
　　顶4层、顶n层(n>4)分流系数：
　　顶1层：
　　顶2层：
　　顶3层：
　　顶4层：
　　顶n层（n>4）:
　　其中：h1～hn——环接引下线各环之间的距离；Cs、Cd——某条引下线顶雷击点至两侧最近引下线；f——引下线数量
　　计算当雷击中建筑后，处于三层位置的单根引下线分得的雷电流，这里考虑较坏的情况，雷电流取区域内观测到的最大值，则
　　
　　估算引下线附近的最大磁场强度，无限长载流导体磁场强度公式：
　　（A/m）
　　首次雷击时，雷电流强度远大于后续雷击时的雷电流强度，因此，以下估算均讨论首次雷击的情形。
　　经勘察，机房距离最近引下线的距离为1.2米，
　　（A/m）
　　由计算可知，机房内的磁场强度不满足规范要求，因此，必须采取屏蔽措施，降低磁场强度。
　　3.2邻近雷击时内部磁场强度的估算
　　邻近雷击情况下，入射磁场可近似看作一个平面波。LPZ0B区入射磁场强度H0可按以下公式估算：（A/m）
　　雷击所致的磁场强度最大值由首次雷击产生，因此雷电流选择i0=246.3kA。
　　4屏蔽设计
　　屏蔽材料中，铜、铝、钢等金属的屏蔽效果比铜好，电子信息机房中大多采用铜进行屏蔽措施，本文以铜为例进行相关计算，铜的截面积可选用50mm2。
　　当有屏蔽时，在格栅形大空间屏蔽内，即在LPZ2区内的磁场强度从H1减为H2，其值应按下式计算:
　　材料 SF（dB）
　　 25kHz(见注1) 1MHz(见注2)
　　铜/铝 
　　
　　
　　注：1.适用于首次雷击的磁场；2.适用于后续雷击的磁场；3.W—格栅形屏蔽的网格宽（m），适用于W≤5m
　　考虑首次雷击的情况，将代入上式，可得：H2=H1•W/8.5，W=8.5•H2/H1,取H2=800，则：W=800×8.5/(2.71×103)由计算可得，机房应设置不大于2.5m･2.5m的铜的屏蔽网格，可防御建筑遭受直接雷击时产生的磁场。
　　设备距离离屏蔽网的安全距离的估算采用如下公式：
　　
　　当设置2.5m･2.5m的铜时，SF=11dB
　　当采用更小的屏蔽网格时，安全距离将相应减少，对应关系见表2
　　网格宽（m） 2.5 2 1.5 1.0 0.8 0.4 0.2 0.1
　　安全距离（m） 2.75 2.2 1.65 1.1 0.88 0.44 0.22 0.11
　　
　　5信息机房防雷设计
　　通过以上对信息机房的磁场评估，可对信息机房进行以下防雷设计：
　　1）在机房各类门窗加装外表镀锌的金属网，并将墙壁内的结构钢筋在相交处和金属门框焊接连通。
　　2）所有信号线缆和低压电源线缆都采用有金属屏蔽层的电缆，电源线和各种信号线避免平行走线，并将其屏蔽层在出入机房时做好良好的接地。
　　3）在信息机房内沿墙壁敷设120mm×40mm扁铜制作的水平环形体接地排，并与电气井中接地母排可靠连接。将金属门窗、防静电接地板金属骨架、各种线路的屏蔽金属管、各种电子设备的金属外壳、机柜、机架等均于该水平环形接地排做可靠连接。
　　4）机房敷设的活动防静电地板的下方用扁钢设2m×2m左右的金属网格，形成均均衡接地网，并将该地网以不大于6m的间隔和水平环形接地排可靠连接。将保护地、信号地、工作地、防静电接地统一接地。
　　5）信息机房的电源处安装第三级电源避雷器，参数：8/20μs，≥20KA，在信息机房内传输设备、交换设备等直流电源进线端，利用设备配电柜自带防雷模块作为设备的末级防护，但其标称放电电源8μs，≥10KA。
　　6）在机房的交换机前端、传输设备ET1板、服务器以及路由器五类线接出端安装网络防雷器，参数要求：标称导通电压≥1.2Un，8/20μs混合波，标称放电电流≧0.5KA，插入损耗≤0.5dB,响应时间≤10ns。
　　6结束语
　　通过对电子信息机房的防雷等级及雷击磁场环境的进行评估，并对屏蔽网格尺寸、安全距离的计算，可以得出：在对一般电子信息机房进行防雷设计时，邻近雷击在建筑物内引起的磁场一般可以不予以考虑；建筑遭受直接雷击时，当机房临近引下线，就可能在机房内产生很强的磁场，超过规范的允许值，文中所采用的评估方法及防雷设计可以作为参考。
　　参考文献
　　[1]中国建筑标准设计研究院.GB50343-2004建筑电子信息系统防雷设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社2004.