HPC集群机房建设与管理：公用接地与单独接地探讨

在过去很多年，IT设备供应商从自身设备的安全考虑，往往提出其设备要单独接地。经过调查发现，要求单独接地的理由主要有以下两个：

（1）如果不单独接地，设备间的故障电压将互串，导致IT设备外壳带电，造成人员触电事故。

（2）IT设备的电子线路易受干扰，要求单独接地。

从接地分类来讲，第一个理由属于保护性接地，第二个理由属于IT设备的功能性接地（信号地）。导体的阻抗（电阻+感抗）在不同的频率下是不同的，在直流或交流50Hz工频条件下，接地线的阻抗主要是电阻，其值很小，可忽略不计；而在300kHz以上的高频条件下，接地线的阻抗主要是感抗，其值很大，将直接影响接地效果。保护性接地主要涉及配电系统问题，因此主要是在工频条件下进行讨论；而电子线路的工作频率和易受干扰的频率一般是在几十到几百兆赫兹范围内，因此IT设备的功能性接地主要是在高频条件下进行讨论。

对于单台IT设备来讲，要求单独接地是很合理的，其目的是保证工作人员的生命安全，保证IT设备的正常工作。但认真分析后会发现，对于IT设备所处的建筑来讲，或者是对整个接地系统来讲，“单独接地”存在很多不能解决的问题，如不采取其他措施，很难完全保证人员的生命安全和IT设备的正常工作。下面就两个“单独接地” 的理由进行分析。

6.1.5.1　对第一个理由的分析

从表面上来看，第一个理由是从人员生命安全的角度考虑的，单独接地是为了防止其他设备的故障电压影响到IT设备，仔细分析起来，实际上和配电系统有关。配电系统为TN-C系统时，要求设备单独接地是有一定道理的，但当配电系统为TN-S系统时，要求单独接地的理由就不存在了。图6-3是TN-C系统示意图，从该图可以看出保护线与中性线是合二为一的，称为“零线”或PEN线，用电设备的金属外壳是接在“零线”上的，称为接“零”保护。系统正常运行时，因为“零线”上有电流和电压，所以用电设备的外壳上也存在电压（一般不超过50v），这时如果将IT设备的工作接地和保护接地接在“零线”上，将对设备产生干扰，造成设备不能正常工作，也不能很好地保护人身安全，因此供应商提出要求用单独接地来解决这一问题。

图6-3　TN-C系统示意图

IT设备单独接地后，TN-C系统变为了TT系统。图6-4是TN-S系统示意图，从该图可以看出保护线（PE）与中性线（N）在变电所之后是绝对分开的，用电设备的金属外壳是接在“PE”线上的，系统正常运行时，“PE”线上没有电流，并且建筑内所有金属管道、配电设备的金属外壳、金属构架、电梯轨道、金属灯具外壳均与PE线做等电位连接，整栋大楼基本上可看作一个等电位体（在50Hz的工频情况下，楼层之间的电位差暂且不计，但在300kHz以上的高频或雷电流的作用下，楼层之间的电位差不可忽视），不存在电位差，因此设备和人都是安全的，但如果安装在大楼内的IT设备“单独接地”，不接“PE”线，则相当于将TN-S系统改为了TT系统。TT系统示意图如图6-5所示。

图6-4　TN-S系统示意图

图6-5　TT系统示意图

从图6-5可以看出，IT设备是单独接地的。正常时，设备的外露导电部分为地电位，电源侧和其他设备出现的接地故障电压不互串，达到了IT设备要求单独接地的目的，但当实施了单独接地的IT设备自身发生接地故障或建筑物遭受雷击时，单独接地在保证设备和人员安全方面就有问题了。下面就单独接地的安全性从两方面进行分析。

（1）单独接地的IT设备自身发生接地故障时。

从图6-5可以看出，当设备自身发生接地故障时，故障电流Id如图中箭头所示。故障回路内包含了RA和RB两个接地电阻，故障回路的阻抗比TN系统的阻抗要大，故障电流较小，作为保护用的电气装置不能及时动作切断电源。此时如有人员接触设备外壳，将造成触电事故。

理论上解决上述问题的方法有两个：一是在电源回路中加装RCD剩余电流保护器（如图6-5所示）；二是大幅度降低接地电阻值，使RA≤1Ω（对于不同的设备，此值略有不同）。这两种方法从理论上来讲都是可行的，但在实际操作中都存在一些问题。

第一种方法：由于IT设备的电子线路一般装有滤波装置（用于抑制干扰），而滤波装置中的电容器是跨接在相线和PE线之间的，设备工作时存在正常的泄漏电流，此电流值有可能大于RCD的动作电流值（或一路配电线路带几台设备，其泄漏电流的和值大于RCD的动作电流值），造成RCD动作切断电源。在HPC集群机房内，从保证IT设备供电可靠性的角度出发，一般不允许在供电回路中加装剩余电流保护器。

第二种方法：单独接地且接地电阻RA≤1Ω在实际工程设计和施工中是很难实现的到，而且为了防止反击，单独接地的接地极要求远离建筑基础20m以外（建筑基础一般作为公用接地系统的接地极），现场一般是没有这个条件的。

（2）建筑物遭受雷击时。

从图6-5可以看出，IT设备的接地与整个建筑的接地是绝对分开的（暂且这样认为，要做到绝对分开几乎是不可能的，也没有必要），在建筑物遭受雷击时，由于雷电泄放电流高达数十到数百千安，导致建筑物的整体电位瞬间抬高，而IT设备由于是单独接地，其接地系统与建筑物的“地”是分开的，因而此时IT设备仍保持低电位，建筑物与IT设备之间形成了电位差，造成IT设备击穿放电，操作人员触电伤亡。

消除电位差的唯一方法是做等电位连接，美国国家电气规范INEC和国际电工委员会IEC的标准规定：每一建筑物（每一装置）的所有接地体都应等电位地直接连接在一起。这种方法就是通常所说的“水涨船高”，IT设备的基准电位与建筑物的电位永远保持一致，没有了电位差，设备与人员的安全就得到了保证。

6.1.5.2　对第二个理由的分析(www.xing528.com)

IT设备的电子线路是否需要单独接地？在讨论这个问题之前，先介绍电子线路的工作原理。

IT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IT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。IT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”。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（基准平面也可以不接地，形成悬浮地）。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（基准电位），不会因基准电位的经常漂移而引起信号量的误差，使IT设备稳定可靠地工作。

从以上分析可知，电子线路的工作需要一个基准平面，基准平面可以是大地，也可以是接地母线、接地端子，甚至可以是悬浮地，只要是一个等电位点或等电位面即可，而不一定需要单独接地。在IEC标准及我国相关工程设计标准中提出了接地基准点（ERP）的概念，即将本层的楼板钢筋或敷设的金属网看成基准点或基准面，设备的保护接地和功能接地直接接在基准点、基准面上，不采用每台设备单独接引下线的方式，而是采用将基准面与接地干线或柱内钢筋连接，其主要目的有两个：一是为设备的操作人员提供安全保障；二是提高IT设备的工作稳定性。

就以上分析来看，单独接地是没有意义的，单独接地实际上是把人身安全和设备安全放在了第二位，把抗干扰放在了第一位，这是不正确的，应在保证人身和设备安全的前提下解决干扰问题。

6.1.5.3　如何解决问题

从以上的分析可以看出，IT设备要求单独接地的两个理由存在很多问题。从安全保护方面来讲，当IT设备自身发生接地故障时，保护用的电气装置是不能及时动作切断电源的；当建筑物遭受雷击时，建筑物与IT设备之间的电位差，将造成设备击穿放电，操作人员触电伤亡。对于IT设备的“信号地”，实际上只是需要一个相对稳定的基准平面。问题分析清楚后，如何解决问题就是下面要讨论的内容。

6.1.5.4　有关规范的规定

《电子信息系统机房设计规范》（GB 50174-2008）第8.3.4条规定：电子信息系统机房内所有设备的金属外壳、各类金属管道、金属线槽、建筑物金属结构等必须进行等电位连并接地。第8.4.2条规定：保护性接地和功能性接地宜公用一组接地装置，其接地电阻应按其中最小值确定。

《建筑物防雷设计规范》（GB 50057-2010）规定：新建建筑物应采用公用接地系统。

《计算机信息系统雷电电磁脉冲安全防护规范》（GA 267-2000）第7.2条规定：新建计算机信息系统设备机房建筑物的接地系统应采用公用接地系统，宜利用建筑物基础钢筋地网或桩基网作为公用接地系统的基础接地装置。

《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB 50343-2012）规定：需要保护的电子信息系统必须采取等电位连接与接地保护措施。

IEC 60364-5-54规定：在一个装置内安装的接地体都应该用接地导体连接到总接地端子上。

IEEE 1100-1999第2.2.2条规定：公用等电位连接网是建筑物内供有效等电位连接和接地的首要方法。

6.1.5.5　采用等电位连接解决以上问题

消除电位差的唯一方法是做等电位连接，使IT设备的基准电位与建筑物的电位保持一致，没有了电位差，设备与人员的安全就得到了保证。《电子信息系统机房设计规范》（GB 50174-2008）规定了保护性接地（防雷接地、防电击接地、防静电接地、屏蔽接地等）和功能性接地（交流工作接地、直流工作接地、信号接地等）宜公用一组接地装置，其接地电阻应按其中最小值确定。机房内所有设备的可导电金属外壳、各类金属管道、金属线槽、建筑物金属结构等均应做等电位连接并接地。数据中心常用的三种等电位连接方式如图6-6所示。

图6-6　等电位连接示意图

在图6-6中，所有IT设备就近与接地汇接箱或等电位连接网格连接，利用建筑钢筋或接地导体引下至接地极（建筑基础、公用接地系统），没有接地电阻值的要求。

第一种称为S型（星形结构、单点接地）等电位连接，适用于易受干扰的频率为0～30 kHz（也可高至300kHz）的IT设备的接地，对于C级机房或建筑面积小于l00m2的机房，IT设备可采用S型等电位连接方式。这种方式能同时实现保护性接地和功能性接地，是最为简单易行的。

第二种称为M型（网形结构、多点接地）等电位连接，适用于易受干扰的频率大于300 kHz（也可低至30kHz）的IT设备的接地。IT设备除连接PE线作为保护接地外，还采用两条（或多条）不同长度的导线尽量短直地与IT设备下方的等电位连接网格连接，网格的作用是为IT设备抑制高频干扰提供一个低阻抗的参考平面，从而降低干扰水平。大多数IT设备应采用此方案实现保护性接地和功能性接地。

第三种称为SM混合型等电位连接，是单点接地和多点接地的组合，可以同时满足高频和低频信号接地的要求。由于在高频条件下导体存在电容耦合，互相靠近的导体之间存在电感耦合，高频干扰信号将通过这些耦合进行传导，为了消除这种干扰，产生了混合型等电位连接的接地方式。采用这种方式时，在有需要的楼层内需装设水平等电位网格，这些网格又和所在场所的电气装置外露导电部分、建筑物金属结构、管道等就近相连接。各楼层间也通过金属结构、管道等互相做垂直的连接。