数据机房接地系统的探讨

摘要：本文结合作者自身工作经验和国家电子信息系统机房的相关规范以及《数据中心电信基础设施标准》的相关要求，简要探讨了有关数据中心机房接地技术的若干问题，对数据机房接地的方法做了简单阐述。

关键词：数据中心机房接地系统通路 低阻抗 防雷

Abstract: This paper is based on the relevant requirements and the relevant specification the author's own experience and the national electronic information system room and data center infrastructure "standard" discusses some problems about data center grounding technology of data room and grounding method.

Keywords: data center room; grounding system; access; low impedance; lightning protection;

中图分类号: C37 文献标识码：A文章编号：

接地的定义

地：任何一点的电位按惯例取为零的大地或导电物质。

接地：电气连接到能提供或接受大量电荷的物体上（如在地、舰船或运载工具金属外壳等）。对工业与民用建筑电气来说，“接地”比较通用的定义是电流返回其源的低阻抗通路。接地有2个要素：“低阻抗”和“通路”。其目的是为保证电工设备正常工作和人身安全而采取的一种用电安全措施。

接地的理解

在设计中往往提到了保护接地、工作接地、防雷接地、屏蔽接地、防静电接地、直流地、交流电等等，各种接地的说法与接地目的各有不同，给设计人员与现场技术人员理解与应用造成了很多的疑惑与误解。

为更好的理解接地，可以从接地的定义来区分，“保证电工设备正常工作”的接地是功能性接地，“保证人身（设备）安全”的接地是保护性接地。在《电子信息系统机房设计规范》GB50174-2008以及《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008中也有明确定义。

（1）功能性接地：用于保证设备（系统）正常运行，正确地实现设备（系统）功能的接地。（可以理解为正常工作需要的接地）

（2）保护性接地：以保护人身和设备安全为目的的接地。（可以理解为故障时保证设备和人身 安全的接地）

举一个简单的例子：变压器中性点接地是工作接地。设备外壳接地为保护接地。

机房的接地有很多种说法，在国家标准《电子计算机机房设计规范》GB50174-93有如下规定：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、安全工作接地、直流工作接地、防雷接地。这里例举了4种接地，可以认为是当时（上世纪90年底初）建筑电气标准与国际电工标准交流不够，信息网络和智能建筑不够发达有关。随着经济和社会发展，民用建筑中数据机房越来越多，接地技术存在认识上的误区和不足影响也越来越大。如何正确理解接地，笔者认为可以从其设置的目的来认识和理解：即设置的接地系统是满足其正常使用要求的就是工作接地（包括交流工作接地、直流工作接地），保护设备和人身安全的就是保护性接地（安全接地、防雷接地、屏蔽接地、屏蔽接地等）：《电子信息系统机房设计规范》GB50174-2008提到的接地也明确为保护性接地和功能性接地这两种，其他各种接地的说法至少是不严谨的。

机房接地的含义

1、功能性接地是保证机房系统正常运行的接地， 为电路正常工作而提供的一个基准电位。

包括：保证交流电力系统正常工作的交流工作接地；②保证机房直流系统中所有逻辑电路正常工作的直流接地；③保证数据系统以及与之相连的仪表均能可靠运行的信号地。

1.1、交流工作接地，它是电力系统中为正常运行需要设的接地；其意义在与将电力系统中的某一点，直接或经特殊设备与大地作金属连接，使得配电系统取得对大地电位为参考电位，降低系统对地绝缘水平的要求，保证系统的正常和安全运行。

计算机系统交流工作地的实施,可采用计算机配电系统的中性点用中性线（N线）联接起来，接到配电柜的中性线（PEN）上,然后通过与接地母线（PE线）将其接地；在这里尤其需要注意的是建筑电气装置内的PEN线只在一点与PE线连接，而中性线N线对地是绝缘的，这样才能避免因不当接地造成的杂散电流通道，产生较大的电磁干扰，影响敏感电子设备工作。

1.2、直流工作接地，它是计算机系统中为所有逻辑电路提供的公共参考零电位,即定义系统的逻辑地电位。

逻辑电路一般工作电平低,信号幅度小,容易受到地电位差和外界磁场的干扰，设计直流工作接地应考虑两个方面：

（1）、消除各电路电流流向一个公共地线阻抗时所产生的噪声电压；

（2）、避免受磁场和地电位差的影响，不让其形成回路；

直流工作接地线的接法通常有三种:串联法、汇集法、网格法，三种接法各有利弊，分别适用在不同规模和要求的机房内。

由于计算机系统的直流地是数字电路的基准电位，不一定是大地电位，因而有两种接地的做法：

（1）直流地接大地。直流地悬浮；直流地悬浮就是直流地不接大地，与地严格绝缘，要求对地电阻的大小一般在1MΩ以上。

（2）直流地接大地。直流地接大地就是将计算机机房中数字电路的等位地与大地相接，为了取得一定的公共电位，以减少电路的耦合，降低干扰影响，减少电气元件的电腐蚀和因线路对地绝缘不良而产生的串音等现象。

这两种直流接地也是各有利弊，就长远的发展来看，建议在计算机局域网机房系统中采用直流地接大地的做法。这是因为直流地与机柜外壳是分开的，因此机柜外壳接大地为高频干扰提供了低阻通路，对防止高频干扰和防止静电起到一定的保护作用。

1.3工作接地：机房数据系统以及与之相连的仪表均能可靠运行并保证测量和控制精度而设的接地，包括了数字地、模拟地和信号地。

数字地：也叫逻辑地，是各种开关量（数字量）信号的零电位。

模拟地：是各种模拟量信号的零电位。

信号地：通常为传感器的地。

模拟信号和数字信号都要回流到地，因为数字信号变化速度快，从而在数字地上引起的噪声就会很大，而模拟信号是需要一个干净的地参考工作的。如果模拟地和数字地混在一起，噪声就会影响到模拟信号。所以接地设计时应尽量阻隔数字地上的噪声窜到模拟地上。

信号接地有浮地式、单点接地式、直流浮地式，交流接地式。而对于一个电子信号来说，它需要寻找一条最低阻抗的电流回流到地的途径，所以一般来说，信号接地采用就近接地是最好的。

2、保护性接地包括了为供电系统故障时提供电击防护的安全保护接地、为雷电流入侵时保护设备和人身安全的防雷接地、消除电磁场对人体和设备危害的屏蔽接地以及为防止静电危害影响而设置的静电接地。

2.1安全保护接地把与电器设备带电部分相绝缘的金属外壳或机架同地之间做良好的接地称为安全保护接地，其目的是防止因绝缘损坏或其他原因使设备金属外壳带电而造成触电的危险。若机壳不接地则机壳带有较高电位，人体接触后就有触电的危险，当绝缘被击穿时，接地短路电流将经人体及人体通过建筑物流入大地；安装好安全保护接地后,由于安全保护接地线电阻远远小于人体电阻,设备金属外壳或机架的漏电被直接引入大地，人体接触带电金属外壳后不会有触电的危险。机房安全保护接地的实施是将机房内所有计算机系统设备的金属机壳用接地导线（PE线）就近接入系统的安全保护接地干线（PE干线）上，PE接地干线可多次接地。

2.2防雷接地是为雷电流入侵时保护设备和人身安全的接地，数据机房内敏感电子电气设备较建筑物内人体及其他设备更容易受到雷击的侵害。

雷电对设备的破坏主要有两类。第一类是直击雷的破坏,即雷电直击在建筑物或设备上,使其发热燃烧和机械劈裂破坏；第二类是感应雷的破坏，即雷电的第二次作用。机房的防雷接地与建筑物防雷接地是同一个系统工程，采取措施一般为（1）将绝大部分雷电流直接引入地下基础接地装置泄散；（2）阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压；（3）限制被保护设备浪涌过电压幅值。这里不多做叙述。

需要注意的是有的设计人员认为防雷接地在雷击的情况下，会有很大的电流通过流入大地,雷电流的幅值一般在数kA 至数百kA ，接地极及其附近的大地电位将产生瞬时高电位。如果在防雷接地极较近处有其它接地系统的接地极（接入端）,就会产生干扰。所以要求防雷接地与其它接地应严格分开,并保持一定的的距离，一般考虑为大于20m。笔者认为这是不严谨的说法，《电子信息系统机房设计规范》GB50174-2008有明确的说法：“保护性接地和功能性接地宜共用一组接地装置”，在良好的接地可以泻放雷电电流和降低电气装置的对地电位的情况下（满足目前的《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010要求），在做好等电位联接和线路屏蔽并接地的前提下，防雷接地系统与其他接地完全可以共用接地装置。

等电位联接是防雷接地的一个非常重要的环节，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。外来导电管线、配电系统线路、通信线及等均应在防雷界面处做的等电位连接，包括了3个部分：在防雷区LPZOA、LPZOB和LPZ交界处的等电位连接、各后续防雷区交界处的等电位连接和需要保护的空间内设备的等电位连接。等电位联接和辅助等电位联接的在防静电、防电磁干扰等方面也有很多好处，这里不再详细描述。

2.3屏蔽接地是消除电磁场对人体和设备危害的有效措施，也是防止电磁干扰的有效措施。高频技术在无线电广播、通信、电视信号传输和导航等方面得到了越来越广泛应用，空间中电磁辐射强度和频率覆盖就越来广泛；现代化的电力系统其本身就是强烈的电磁干扰源，通过辐射方式干扰其频段内的通信设备；机房数据设备本身也会产生较强电磁信号；因此对产生磁场的设备外壳设屏蔽装置，并将屏蔽体接地，不仅可以降低屏蔽体以外的电磁场强度，达到减轻或消除电磁场对人体危害的目的，也可以保护屏蔽接地体内的设备免受外界电磁场的干扰影响。

通常所指的干扰来源有交流干扰和高频干扰：

交流干扰主要由交流电源引起。防护交流干扰的方法是对电源进行滤波或在电源变压器初级和次级之间加屏蔽层并接地。在大的杂散电磁场外，为防止电磁干扰进行屏蔽接地十分必要。

.高频干扰来源于无线发射台的变频或超变频信号，它们窜入电子设备后在机内得到非正常解调而形成声频干扰。信号频率越高，建筑物或设备的屏蔽金属网孔眼就应越小，信号线屏蔽层的编织就越密，否则将失去屏蔽作用。

2.4防静电接地：静电是引起计算机等电子设备故障的重要因素之一，主要体现在静电聚积在计算机的机壳上，当电荷聚积的能量达到一定程度时，会给人以触电的感觉；当静电带电体 触及计算机时形成对计算机的放电，有可能使逻辑元件送入错误信号、引起计算机运算错误，严重时还会造成程序紊乱，甚至烧毁设备。如何防止静电带来的危害，分析静电对计算机设备的影响，找出静电产生的根源，减少以致消除静电是一个不可忽视的课题。

减少静电对计算机设备的影响除采用防静电地板和隔离墙外，采用接地屏蔽也是一个很好的方法，其中设备的外壳接地是最基本的防静电措施，要求计算机本身具备一套合理的接地和屏蔽系统，这样当静电带电体触及计算机机壳放电时，静电就能通过接地导线漏泄入地而不至于引起系统运行故障，通常静电瞬间电势过高很容易引起接地电位的波动。其次，要尽量切断静电噪声侵入音频通道，在跳接音频和数字线时应尽量采用屏蔽线，屏蔽线的外绝缘皮应进行良好地接地，从而泄漏掉聚集在周围的电荷。

接地系统的“通路”和“低阻抗”

由上述接地系统的含义可以看出，除了直流地悬浮和信号浮地外，各接地系统均需要一个公共的基准的电位，而通常可以将大地看作一个无穷大容量的低阻抗(零电位)的“海洋”或容器，所以大地是工程中广泛定义的基准电位。那么“接地”就是与大地连通，其意义在于通过接地线路使得接地系统取得与基准地电位（零电位）相近的系统电位。由于各个系统接地的含义不一样，各个接地的要求也不一样，接地不当就会严重影响系统运行的可靠性和稳定性。那么正确的接地该如何实施呢？这就应该从系统的“通路”和“低阻抗”来入手。

1、通路的意义在于很容易理解，就是接地系统本身为电气意义上的通路，除了直流地悬浮和信号浮地外，其他系统接地均为与大地连通，通过接地线路使得接地系统取得与基准地电位（零电位）相近的系统电位。即使是直流地悬浮和信号浮地也是系统本身内部为电气通路，共一个基准电位。系统电位要求是本系统内的基准电位要一致。所以工程中要求接地系统要就近与一个相对的基准电位点连接。所以在工程应用中引入了总接地母线、接地干线和机房接地端子概念：

总接地母线：建筑物总接地母线作为机房接地系统中接地干线及建筑物总接地系统转接点，其理想位置在总等电位端子箱处。

接地干线通常是由总接地母线引出，连接所有接地母线的接地导线。

机房接地端子是每个机房内的各个系统接地线的公用中心连接点。

机房接地端子的电位就是工程中接地系统的相对基准电位点。这个基准电位点与零电位（大地电位）的电势差为系统接地电流与接地阻抗（接地体与大地的阻抗+总接地母线与接地的阻抗+接地干线的阻抗）的乘积。由此看出接地系统的相对基准电位点与接地阻抗密切相关。

2、“低阻抗”的意义在于将电工设备和其他生产设备上正常工作时和故障时可能产生的漏电流、静电荷以及雷电电流等引入地下，从而避免人身触电和可能发生的火灾、爆炸等事故。包括了：

(1)提供设备与近旁金属物体间的低阻抗连接，可以减少人员或设备遭电击的危险。

(2)给接地故障电流提供返回电源的低阻抗通路，使熔断器或断路器发挥作用。

(3)给雷电感应电流提供低阻抗的对地泄放通路。

(4)给静电电荷提供对地泄放通路，以防产生电火花或电弧等。

接地系统一般分为两种形式，一是有按需要接地系统的功能而单独设计的各自的专用接地系统，二是将各种功能的接地系统联在一起组成一个公用接地系统。实际应用中多采用联合接地系统，这是因为与前者相比，联合接地方式具有以下优点：(1)当建筑物遭受雷击时，楼层内各点电位分布比较均匀，工作人员及设备的安全能得到较好的保障。同时，大楼的框架结构对中波电磁场能提供大约10~40dB的屏蔽效果。(2)容易获得较小的接地电阻。(3)可以节约金属材料，占地少。

规范及工程中往往提到较多的是接地电阻的要求，工程中也认为接地电阻越小越好，一般理解为因为当有电流流过接地电阻时，其上将产生电压。该电压除产生共地阻抗的电磁干扰外，还会使设备受到反击过电压的影响，并使人员受到电击伤害的威胁。这对一般民用建筑物的接地系统来说是正确的，但是对机房的接地系统来说，至少是不全面的：任何导线都有电感，当频率较高时，导线的电抗将远大于电阻，在实际工程中，造成电磁干扰的信号往往是脉冲信号，脉冲信号包含丰富的高频成分，因此会在接地线上产生较大的电势差。对于数字电路而言，电路的工作频率是很高的，因此接地线阻抗对数字电路的影响是十分可观的。当频率达到10MHz 时，对于接地导线，它的电抗往往是电阻的千倍至十万倍。

要降低接地系统的阻抗，单单靠增加导线的截面是不够的：增加导线的截面对于减小电阻是十分有效的，但对于减小阻抗的作用很有限。一个有效的办法是多根接地干线并联。当两根导线并联时，其总电感 L = ( L1 + M ) / 2 式中，（L1 是单根导线的电感，M是两根导线之间的互感。）从式中可以看出，当两根导线相距较远时，它们之间的互感很小，总电感相当于单根导线电感的一半。因此我们可以通过多条接地线来减小接地阻抗。要注意的是，多根导线之间的距离不能过近。另外同样截面积的导体面积大时，因其电感小，阻抗随之也小。所以多跟用多根并联带形导体组成的接地干线接地阻抗小于单根圆形同截面积的的接地干线。所以笔者认为在一个机房内采用两根相距相对较远的带形导体作为一个机房的接地干线是较可靠且可行的措施。

结语

机房接地是一个复杂的工程，不合理的接地反而会引入电磁干扰导致电力电子设备工作不正常。上述的观点是笔者作为民用建筑电气工程人员的一点个人见解，由于专业知识限制，接地系统的理解不够全面，甚至不一定正确，只希望抛砖引玉，为同行对机房接地系统的认识和理解能提供一点帮助。