GB50174-2017《数据中心设计规范》:数据中心接地(一)

关于数据中心接地问题,新版《数据中心设计规范》GB50174-2017第8.4.4条是强制性条文,条文规定:数据中心内所有设备的金属外壳、各类金属管道、金属线槽、建筑物金属结构必须进行等电位联结并接地。

对数据中心内所有设备的金属外壳、各类金属管道、金属线槽、建筑物金属结构等做电位联结及接地是为了降低或消除这些金属部件之间的电位差,是对人员和设备安全防护的必要措施,如果这些金属之间存在电位差,将造成人员伤害和设备损坏,因此,数据中心基础设施不应存在对地绝缘的孤立导体。

条文的关键是“等电位联结”和“接地”,“接地”并没有规定接地电阻值。

一、数据中心宜采用共用接地系统

《数据中心设计规范》GB50174-2017第8.4.2条规定:保护性接地和功能性接地宜共用一组接地装置,其接地电阻应按其中最小值确定。

“保护性接地”就是以保护人身和设备安全为目的的接地,包括防雷接地、防电击接地、防静电接地、屏蔽接地、电磁兼容性接地等。

“功能性接地”是用于保证设备(系统)正常运行,正确地实现设备(系统)功能的接地,包括交流工作接地、直流工作接地、信号接地等。

数据中心接地包括保护性接地和功能性接地,涉及人员和设备安全,是保证电子信息设备正常工作的重要手段。在过去几十年,各国专家就“共用接地”和“单独接地”问题争论不休,但现在,各国专家基本统一了思想,就是进行等电位联结并接地。

关于数据中心的接地电阻值,IEC有关标准及等同或等效采用IEC标准的中国标准均未规定接地电阻值的要求,数据中心行业的国外标准,如美国通信行业标准TIA-942,日本数据中心协会标准等都没有规定数据中心的接地电阻值,只要求实现接地和等电位联结即可,推荐数据中心采用共用接地系统。

二、为什么没有规定数据中心的接地电阻值?

1、电子信息设备的工作原理

在讨论《数据中心设计规范》为什么没有规定接地电阻值这个问题之前,我们先将电子信息设备的工作原理回顾一下。

电子信息设备的工作信号是“0”和“1”,而“0”和“1”是相对于某一个基准电位而言的。在电子信息设备中,各种电路均有基准点,如果将这些基准点连接到一个导体平面上,则该平面就称为基准平面,所有信号都是以该平面作为零电位参考点。电子信息设备常以金属底座、外壳等作为基准平面,将这个基准平面接地,即构成设备的“信号地”(基准平面也可以不接地,形成悬浮地)。这个“地”是相对而言的,可以是大地,也可以是接地母线等,总之,只要是一个等电位点或等电位面即可。信号地的作用是为电子线路的工作提供一个统一的公共参考电位(即基准电位),不会因基准电位的漂移引起信号误差,使电子信息设备可以稳定地工作。

从以上分析可知,电子信息设备的工作需要一个基准平面,基准平面可以是大地,也可以是其他参考平面,甚至可以是悬浮地,只要是一个等电位点或等电位面即可,对接地电阻值没有要求。

2、关于导线阻抗

一根导线有多大电阻?比如一根3m长,25m㎡的铜导线,用万用表测量导线电阻,基本测不出电阻,有人就会说:接地线的电阻可忽略不计。但他忽略了一个问题,万用表是直流输出,导线在直流条件下,电阻很小。当导线输入高频交流信号时,其阻抗(电阻、感抗、容抗的组合)是很大的。下面这个表格是一个在高频交流信号下测试导线阻抗的实验数据。

表1 高频交流信号下测试导线阻抗的实验数据

从实验数据可以得出以下结论:

(1)在高频交流信号下,感抗值远远大于电阻值,导线的阻抗是很大的,频率越高,阻抗越大;

(2)加大导线截面积,对降低导线阻抗没有太大作用;

(3)导线越长,阻抗越大。

随着电子信息设备运算速度的增加,干扰信号的频率从几MHz上升到几GHz;随着数据中心规模的增加,接地导线的长度从几十米增加到上百米。干扰信号频率的增加,接地导线长度的增加,导致接地导线的阻抗上升至几百kΩ,甚至更大。如此大的阻抗,如果还要求数据中心接地电阻值小于1Ω,还有意义吗?

因此,《数据中心设计规范》没有提出数据中心接地电阻值的要求,从电气安全的角度和保证电子信息设备正常工作的角度提出:数据中心内所有设备的金属外壳、各类金属管道、金属线槽、建筑物金属结构必须进行等电位联结并接地。保护性接地和功能性接地宜共用一组接地装置,其接地电阻应按其中最小值确定。

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