重康动力（深圳）有限公司

摘要：柴油发电机组作为备用电源在数据中心普遍应用，因此发电发电机房防雷的问题显得越来越重要。由于柴油发电机组对各种诸如雷电过电压、过电压、静电放电等电磁干扰非常敏感，如果防护措施不力，随时随地导致事故发生。康明斯公司在本文中对发电发电机房的防雷接地系统的设计与制作方法做了比较详细的介绍。本文系统阐述发电机房装设防雷系统的必要性、防雷接地系统的设计规范、接地网的制作方法及接地注意事项，为用户提供完整的防雷接地技术指导。

 

一、装设防雷系统的必要性

 

雷击可以产生不同的破坏形式，国际电工委员会已将雷电灾害称为“电子时代的一大公害”，雷击、感应雷击、电源尖波等瞬间过电压已成为破坏电子设备的罪魁祸首。从大量的发电设备雷击事例中分析，专家们认为由雷电感应和雷电波侵入造成的雷电电磁脉冲（LEMP）是发电机房设备损坏的主要原因。为此采取的防范原则是“整体防御、综合治理、多重保护”。力争将其产生的危害降低到最低点。

雷电对发电机房设备的破坏主要通过以下三种途径：

（1）直击雷：雷电直接击中建筑物或发电机房设备，产生巨大的热效应和机械效应，造成设备直接损坏或火灾。

（2）感应雷（雷电电磁脉冲） ：雷电放电时在周围空间产生瞬变的强电磁场，在电源线、信号线、金属管道等导体上感应出过电压和过电流，沿线路侵入机房设备，造成电子元器件的击穿或损坏。

（3）雷电波侵入：雷电过电压沿架空电源线、通信线或金属管道侵入室内，由于线路的阻抗耦合作用，在设备端产生过电压，损坏设备的输入电路。

 

二、发电机房防雷接地系统设计

 

1. 防雷设计

防雷接地系统是弱电精密设备及发电机房保护的重要子系统，主要保障设备的高可靠性，防止雷电的危害。中心发电机房是一个设备价值非常高的场所，一旦发生雷击事故，将会造成难以估量的经济损失和社会影响，根据GB 50057《建筑物防雷设计规范》和IEC 61024-1-1标准的有关规定，发电机房的防雷等级应定为二类标准设计。

（1）发电机房总配电室根据建筑物防雷设计规范，提供了第一级防雷，因此，在发电机房市电配电柜前配置第二、三级复合防雷器（SPD）。多级防雷配置是为了逐级削减雷电流能量，第一级防雷器用于泄放大部分雷电流，第二、三级用于限制残压，确保设备端的电压保护水平满足设备耐压要求。

（2）防雷器采用独立模块，并应具有失效告警指示，当某个模块被雷击失效时可单独更换该模块，而不需要更换整个防雷器。防雷模块失效后应能自动脱离电路，同时给出声光或干接点报警信号，便于运行人员及时发现和更换。

（3）二三级复合防雷器的主要参数指标：单相通流量为：≥40 kA（8/20 μs），响应时间：≤25 ns。通流量越大，防雷器的雷电泄放能力越强；响应时间越短，保护效果越好。

2. 接地系统设计

国家标准GB 50174《计算机发电机房设计规范》中计算机发电机房应具有以下四种地：计算机系统的直流地、交流工作地、交流保护地和防雷保护地。

各接地系统电阻如下：

（1）柴油发电机组直流地接地电阻不大于1 Ω。直流地为逻辑电路提供稳定的零电位参考点，接地电阻过大将导致地电位漂移，影响信号的准确性和稳定性。

（2）交流保护地的接地电阻应不大于4 Ω。交流保护地用于设备金属外壳的保护接地，当设备发生绝缘击穿时，将故障电流导入大地，防止操作人员触电。

（3）防雷保护地的接地电阻应不大于10 Ω。防雷地为雷电流提供低阻抗泄放通道，接地电阻过大将导致雷电流不能迅速入地，造成地电位反击。

（4）交流工作地的接地电阻应不大于4 Ω。交流工作地为交流供电系统的工作零线提供接地，保证供电系统的正常运行。

3. 发电机房室内等电位连接

在发电机房内设立一环形接地汇流排，发电机房内的设备及机壳采用S型的等电位连接形式，连接到接地汇流排上，用50×0.5铜铂带敷设在活动地板支架下，纵横组成1200×1200网格状，在发电机房一周敷设30×3（40×4）的铜带，铜带配有专用接地端子，用编织软铜线将发电机房内所有金属材质的材料都做接地，接入大楼的保护地上。

等电位连接是防雷和接地系统中至关重要的一环，其目的是消除设备之间、设备与大地之间的电位差，避免雷电流在机房内产生破坏性的电位反击。S型等电位连接（星形结构）将所有设备以独立的接地线汇聚到等电位汇流排上，可有效避免形成接地环路，减少电磁干扰。

工程中的所有接地线（包括设备、SPD、线槽等）、金属线槽搭接跨接线均应做到短、平、直，接地电阻要求小于或等于1 Ω。接地线路径应尽量短，避免弯曲和缠绕，以减小接地阻抗，提高雷电流泄放效率。金属线槽的跨接线应采用铜编织带，跨接点应打磨去漆，确保良好接触。

 

 

接地电缆线

 

4. 发电机房屏蔽设计

整个发电机房屏蔽采用彩钢板进行六面体屏蔽，屏蔽板之前采用无缝焊接，墙身屏蔽体每边跟接地汇流排接地不少于2处。六面体屏蔽可有效衰减雷电电磁脉冲对机房内部设备的耦合强度，衰减量可达20～40 dB。屏蔽体的接缝焊接应连续、均匀，不得有漏焊和虚焊，以保证屏蔽的连续性。所有进入机房的金属管道、电缆屏蔽层在入口处均应与屏蔽体做等电位连接。

5. 发电机房接地装置设计

由于发电机房接地电阻要求较高，在该建筑物附近另外增加人工接地装置，在地网槽内打入15根镀锌角钢，并用扁钢焊接起来，并采用降阻剂回填。发电机房静电接地采用50 mm²多股铜芯线穿管引入。接地装置的接地电阻要求小于或等于1 Ω。

人工接地装置的设计要点包括：

（1）接地体应埋设在土壤电阻率较低的区域，尽量远离地下金属管道和电缆，保持不小于2 m的间距。

（2）垂直接地极采用镀锌角钢（5×50×50，长2.5 m），间距不小于5 m，以消除屏蔽效应，充分发挥每根接地极的散流效果。

（3）水平接地带采用镀锌扁钢（4×40），埋深不小于0.6 m，焊接处应涂刷沥青或环氧树脂防腐涂料，防止锈蚀。

（4）降阻剂应均匀填充在接地体周围，填充厚度不小于50 mm，以降低接地极与土壤之间的接触电阻。

 

三、发电机房接地网制作方法

 

1. 标准接地网的制作

在距建筑物1.5～3.0 m处，以6 m×3 m矩形框线为中心，开挖宽度为0.8 m、深0.6～0.8 m的土沟，两长边中间贯通，采用长2.5 m的L5（5×50×50）镀锌角钢，在沟底的每个交点处垂直打入一根，共计6～20根（根据土壤电阻率和接地电阻要求确定具体数量），作为垂直接地极；然后采用4号（4×40）镀锌扁钢将六根角钢焊接连通，作为水平接地极；再用4号镀锌扁钢焊在地网框架的中间部位，引出至发电机房外墙角，离地高0.3 m，作为PE接地端；最后从该接地端引出16～50平方毫米以上护套地线，沿墙边穿墙进入室内，连至发电机房内等电位接地汇集排。

制作过程中的关键质量控制点：

（1）镀锌角钢打入深度不应小于2.5 m，顶部距地面不小于0.6 m。打入时应垂直，倾斜度不大于5°。

（2）镀锌扁钢与镀锌角钢的焊接应采用搭接焊，搭接长度不小于扁钢宽度的2倍（即不小于80 mm），并应三面满焊，焊缝饱满无夹渣。

（3）焊接完成后，所有焊接点应涂刷两道防锈漆和一道沥青漆，以防止腐蚀。在腐蚀性较强的土壤环境中，应使用铜包钢接地极替代镀锌材料。

（4）降阻剂回填时应分层夯实，确保接地体与土壤紧密接触。回填后应浇水养护，促进降阻剂的固化。

2. 利用大楼钢筋做地网

新建或翻建发电机房时，可利用入地混凝土立柱内的钢筋作接地装置。在立柱内选取至少4根主筋（对角或对称的钢筋），用氧焊接通后再焊在两根伸出柱面的M12以上铜螺纹管上，作为接地端，引线至发电机房，与等电位接地汇流排连通，等电位接地排可设在防静电地板下面。

利用大楼钢筋做地网的优点是接地电阻小、施工方便、成本低，且与建筑基础钢筋形成大面积接地体，散流效果好。施工中应注意：

（1）与主筋的连接应采用焊接，搭接长度不小于钢筋直径的6倍，确保连接可靠。

（2）引出铜螺纹管与主筋焊接后，应做防腐处理，露出地面部分应用PVC套管保护。

（3）应测量接地电阻值，若达不到要求（≤1 Ω），应增设人工接地装置。

 

发电机房接地系统示意图

 

四、发电机房防雷接地

 

所谓接地，即把电路中的某一金属壳与大地连接在一起，形成电气回路。目的是为了让电流易于流入大地，对人及设备形成保护。

1. 接地的方法

（1）直流地悬浮法即直流地不接大地，与地严格绝缘。此法可避免地环路干扰，但对静电积累敏感，易造成静电放电损害，适用于对地干扰要求极高的小型系统。

（2）直流地接地法，把柴油发电机组电路等的电位点与大地连接。此法为常用方法，通过将直流地（信号地）与大地连接，为设备提供一个稳定的零电位参考点，同时为静电电荷提供泄放通道。

（3）接地铜排：发电机房接地采用30×5（宽×厚，单位mm）规格之铜片，围绕发电机房墙壁一周离地面10 cm高，且与室外接地体母线相连接。在铜片每隔50 cm钻一小孔，以利于分布在发电机房各区域的设备进行接地。铜排安装应牢固，连接处应打磨干净并涂抹导电膏，减小接触电阻。

（4）接地铜板：接地铜板采用宽60 mm（厚10 mm）之L型铜板固定于楼板，此铜板作为所有应与发电机房接地之设施的总接地。接地铜板应安装在便于接入的适当位置（如静电地板下或机房角落），并与室外接地网可靠连接。

（5）地网：发电机房有架设高架地板，则应以2.5 mm多芯裸铜线缠绕高架地板柱做地网。缠绕后的铜线应做锡焊或压接连接，保证各柱之间形成良好的电气连接，构成空间地网，增强接地效果。

 

 

接地铜排模型图

 

2. 接地注意事项

无论采用何种形式，均须有接地母线、接地地极。在此特别强调建议采用接地埋接地网络板，能更好地引导至大地。接地时应注意如下问题：

（1）尽量不要在发电机房内把直流地和交流工作地短路或混接。直流地（信号地）和交流地（电源地）应分别引至等电位汇流排的独立端子上，然后在接地汇流排处统一接地。混接会导致工频电流串入信号回路，干扰设备的正常运行。

（2）不允许交流线路与直流地线平行敷设，以防止干扰或短接。交流线路中的工频电流会在直流地线上感应出交流电压，干扰敏感电子设备的正常工作。当必须平行敷设时，间距不应小于300 mm。

（3）直流地线网应装接在地板下，便于连接，即可减小接地电阻，便于泄流。地板下的地线网应避免靠近电源线和信号线，以减少电磁干扰的耦合。地线网的连接点应做到短而直，避免盘绕和弯曲。

（4）接地系统的所有连接点应定期检查（建议每半年一次），检查连接处的腐蚀情况和紧固程度，发现问题及时处理。

（5）接地电阻应定期测量（建议每年一次），若接地电阻值上升超过设计值，应检查接地体是否有腐蚀或连接处是否松动，必要时增加接地极或更换接地体。

 

发电机房防雷接地系统三维图

 

总结

柴油发电机组机房的防雷接地系统是保障发电设备和机房内敏感电子设备安全运行的重要措施。防雷设计应按照GB 50057和IEC 61024-1-1标准，定为二类标准设计，采用多级防雷器（第一级在总配电室，第二、三级在市电配电柜前）进行逐级保护。接地系统应满足四种接地（直流地≤1 Ω、交流保护地≤4 Ω、防雷地≤10 Ω、交流工作地≤4 Ω）的要求，并通过室内等电位连接（环形接地汇流排配合S型连接）、六面体屏蔽和室外接地网的综合设计，使接地电阻不大于1 Ω。接地网的制作可采用标准人工接地网（镀锌角钢+扁钢焊接，配合降阻剂）或利用大楼钢筋，两种方法均应确保焊接质量和防腐处理。在接地实施中，应特别注意直流地与交流地不混接、不平行敷设，并定期检测接地电阻，保证接地系统的长期有效性。系统化的防雷接地设计是数据中心等关键场所发电机房安全运行的基础保障。

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