基層氣象臺站綜合業務信息系統雷電防護技術探究

趙繼鋒

（蘭州資源環境職業技術大學，甘肅 蘭州 730021）

近年來，我國各基層氣象臺站相繼引進先進的氣象觀測和探測設備，并開始應用于日常工作中后，這些設備大多為市場高精端產品，但又都是經過簡單組裝而成，設備本身及綜合系統的防雷功能非常弱小。同時，國內防雷所采用的設備產品一般都是直接連接接地體而不是采用較復雜可靠的接地裝置將保護裝置直接與接地體相連；或是用較多數量、體積或功率較大的避雷器將保護裝置進行串聯或并聯；同時，由于我國防雷檢測儀器設備標準不統一、檢測手段單一以及對防雷研究和技術認識不足等因素限制，造成了不同行業不同單位所采用的防雷措施和防雷設備產品存在不同規格不同型號，再加上傳統防雷技術上遺留存在許多弊端，防雷接地裝置之間無可靠隔離，彼此存在一定的相互干擾，對雷電波和雷擊電磁脈沖不能做到有效屏蔽和隔離。所以，整體上來看，基層氣象臺站綜合業務信息系統的雷電保護措施存在較大缺陷和安全隱患。

1 防雷技術原理

防雷技術的原理是根據雷電放電時產生的電場強度、感應電流強度和能量大小來決定避雷裝置的形式、位置和避雷裝置的接地方式，從而達到防護雷電的目的。通過保護接地裝置可以將雷電產生的能量泄放到大地，不會因為引下線和接地體（金屬構架）放電而導致電氣設備發生故障。在綜合業務信息系統中，設置防雷接閃設施，可以防止雷電產生的電場強度，以及感應產生的雷電感應高電壓和雷擊電磁脈沖泄放到大地，從而起到保護系統和設備運行安全、防止由于雷擊造成設備損壞、降低設備故障率的目的。

1.1 綜合業務信息系統的接地系統

綜合業務信息系統防雷保護接地裝置應與接地網及引下線一起安裝，并應保證接地網具有滿足規范要求的接地電阻值，綜合業務信息系統設備應按照國家有關標準要求選擇合適的防雷保護接地裝置，并應安裝防雷器，應按國家標準《建筑物防雷設計規范》規定，采取不同型號的接閃桿和接閃帶組合成不同型號的避雷器，當采用多個接地網組成一個共用接地系統時，所有與接地端相連和通過接地網與地之間相連的設備都要做好保護。

1.2 綜合業務信息系統的接閃裝置

接閃桿是防直擊雷的一種最有效的措施，其作用與金屬屋頂以及建筑物之間的連接引下線、接地體之間的相互連接，以及建筑物內部各個角落之間的連接線都要安裝接閃桿。當建筑物被擊中后，接閃桿將引下線與建筑物的金屬構架相連，從而將電能從接閃器傳遞到大地，在引下線上還通過接地體與地面相連，從而將電能傳遞到地上。接閃線在使用時，一般都是從建筑物的內部引出來，并且是獨立于接地裝置之外的。接閃桿通常安裝在接地裝置附近不會被雷擊中的地方。

根據實際使用情況來看，在建筑物頂部二層或三層以上較高位置以及位于高層樓房樓頂等部位設置接閃桿時，需要注意接閃桿引線的長度和接閃器與大地之間距離兩個參數。在建筑物二層以上位置、高層樓房樓頂及二層以上高度、位于地下設備間等較高位置設置接閃桿時應注意接地裝置與引下線連接長度和距離兩個參數。

1.3 綜合業務信息系統的接地電阻

接地電阻檢測是防雷裝置的最后一道防線，是防止在綜合業務信息系統中由于設備與系統發生短路而引起設備損壞的重要措施，因此要求在綜合業務信息系統安裝之后，進行一次全面的接地電阻檢測。接地電阻的大小與接地體的結構、大小和質量有關。一般情況下，接地體的器材選取和設置安裝越規范，接地電阻就越小，反之則較大，所以在綜合業務信息系統中要根據當地實際情況進行綜合評估，制定科學合理的設計方案并嚴格標準施工驗收，這樣才能使接地體有滿足條件的接地電阻，在雷擊發生時，才能及時安全泄放雷電能量。

2 設計思路與技術措施

氣象臺站綜合業務信息系統的防雷保護系統：在氣象數據采集終端處、各業務應用系統機房處各裝設一個避雷器，主要起到對網絡通信設備的雷電防護作用，當線路被雷擊斷線時，防雷裝置可以自動吸收信號傳輸線，將斷線故障信號傳輸到遠方。在氣象數據采集終端處加裝一套以網絡交換機為核心的避雷器，用以有效防止雷電電流通過通信設備對計算機數據采集終端造成損害。機房的接地體采用4 條銅排，并在機房內架設一條銅排與10kV 電桿之間的接地線。利用避雷器和接閃桿共同組成了一套獨立的防雷系統，將整個綜合業務信息系統進行保護，綜合業務信息系統采用屏蔽雙絞線將機房、配電間及配電室進行分隔，通過電纜溝和金屬管引至大地。

采用雙絞線屏蔽雙絞線雙纜，其金屬屏蔽層應具有良好的屏蔽效果。每臺綜合業務信息系統設備應單獨接地，并設一個獨立的接地系統。各機房配電間采用專用防雷接地電纜，連接點應可靠并有足夠的強度和剛度。所有機房內的設備應做好防雷保護接地系統，包括防雷設施和接地裝置2 部分。綜合業務信息系統機房的配電間及主變配電間宜設置接地裝置及防雷保護接閃器。綜合業務信息系統主控制室的配電板、電纜溝、金屬管地網以及接閃桿等宜設置有地接保護。綜合業務信息系統機房內的電源開關裝置、通信電纜分支箱、交換機房內的防雷擊裝置、電腦機柜內防雷裝置以及計算機主機與交換機、電腦機柜連接處的避雷器等，均宜設置有地連接。

2.1 雷擊防護裝置的選型

根據辦公樓的高度確定接閃桿的高度，接閃桿要盡量靠近建筑物頂部，其高度要滿足規范要求，并盡可能靠近接地裝置，一般為距相對地面1.5 ～2.5m。同時，要綜合考慮建筑物的建筑類型、平面布局、建筑結構等。由于建筑物所處環境復雜，加之建筑物的外形和形狀多樣，其實際雷擊損壞形式也復雜多樣，為了防止雷電直擊地面，保護設備和人身安全，安裝避雷裝置仍然是防雷擊的主要舉措，一般都采用“多級保護”方式同時進行防護。三級保護是包括接閃器和引下線在內的一種防雷裝置。整體安裝了不同類型、不同等級的防雷器后形成了前置接閃、引下線、接地裝置在內三級保護結構。四級保護和五級保護主要是指安裝在線路、設備上的能提供較高防護等級的防雷器材。

2.2 接地體設置

防雷接地系統主要包括接零、接地線和連接大地3部分。接地是指在建筑物內用不同的接地方式，來滿足建筑物的防雷需要。接地網是將建筑物各部分所接成網絡的公共防直擊雷接地系統。建筑物的金屬外殼與大地相連接，使雷電流泄入大地，達到安全防雷目的。引下線是一種能將電氣設備引向地面，起保護作用的導體。安全接地網通過接地線使電氣設備可靠地通過大地并達到安全可靠用電要求。接地體一般在建筑物內使用的電器都要接地，但在建筑中也不能全部接上，因為建筑設備等與地之間往往有一定距離。接地電阻測量點一般設在地網地中。

接地體是由金屬圓鋼或角鋼制成，或將建筑物內各種設施和設備外殼與建筑物金屬構件連接起來作為獨立接地體（稱為接地線），從而使之成為一種安全可靠用電場所的重要接地系統。為了防止因雷電感應或電氣設備等引起的電位差，而使地中的電位升高而破壞用電設備的正常工作，在電氣設備與地之間所產生的電位差稱為保護電位差。接地體是用來消除和限制大地中由于不均勻電場而產生的不平衡電流和電壓而引起接地故障。

接地點是接地裝置中對地安全連接部分，一般在金屬物體上通過焊接或綁扎固定等方式進行焊接或綁扎形成一個接地點通常位于室內各個工作點之間以及室內地面上；接地點一般是根據需要將金屬導體（金屬圓鋼）等做成一定形狀和長度的金屬鏈或金屬環等形式構成接地系統；接地點通常也可以是直接與建筑物主體連接而成，但接地線最好不與墻體直接連接。當電氣設備和金屬結構物之間由于電位差而產生不平衡電流時，在其上所安裝的避雷引下線就成為接地線，以此來消除由于設備或電氣設備等引起的地電位變化造成安全隱患。

接地電阻是為了保證防雷裝置可靠工作，要定期測量各種接地電阻值；對于電氣施工中可能產生高強度電位差的地方，還必須在施工結束后進行一次測量和記錄（在室外）；當發現高電位時，要及時進行處理和消除。通過引下線把大地與電氣設備、設施和地面等連接起來形成一個安全可靠用電場所。在建筑物內使用電氣設備時使用的電源線以及其他與電氣設備直接相連部分應采用接地線；當建筑物內使用電氣設備及其他與電纜相鄰部分應采用接地金屬網；建筑物外部金屬框架（鋼結構）或金屬構件表面用電焊等方法與接地線連接形成安全可靠用電場所。

2.3 防雷擊產品選擇

氣象臺站綜合業務信息系統應能在雷電發生時，能夠迅速切斷電源，防止綜合業務信息系統及其他電子設備遭到雷擊損壞。為滿足氣象站防雷設計要求，臺站信息系統防雷接地均采用了較為先進的避雷器。系統接地采用了4 根高純度鍍鋅扁鋼，與相鄰建筑物外墻防雷中心線連接成一體。每根扁鋼內均設置有一組避雷器，并與4 根高純度鍍鋅方通連接成一體。根據氣象部門現行規范要求，氣象觀測站防雷中心線接地體長度不應小于5m。高純度鍍鋅扁鋼、金屬編織網及接地端子（銅芯、鋁芯線，或金屬網）、金屬螺栓。接地端子、高純度鍍鋅扁鋼及金屬編織網采用4 根高純度鍍鋅扁鋼與相鄰建筑物外墻防雷中心線連接成一體，并通過4 根高純度鍍鋅扁鋼與一組接閃器連接成一體；接地端子及金屬編織網采用4 根高純銀導線與3 塊2m 規格的接閃線串聯而成，并通過一組金屬編織網（或金屬網架）和兩個接閃線引下線相互連接。根據《氣象觀測站防雷設計規范》GB50723 的要求，結合系統的實際情況，采用了多層接地網防雷器（簡稱多接閃）和接閃器組合方式。主要保護對象為氣象觀測設備。

2.4 多級SPD 防護

氣象臺站綜合業務信息系統安裝于站址的防雷接地裝置包括：通信設備（網絡服務器、交換機）、數據存儲設備（NAS 存儲介質）、電源裝置（UPS 電源開關裝置等）及防雷接地體。其中通信設備和 NAS 存儲介質的接地體與機房計算機系統的防雷擊接地相連接，UPS 電源開關通過防雷地纜與機房計算機系統及各設備相連，防雷接地體采用高阻抗銅導體。數據存儲設備接地體采用銅質防雷接地棒與數據線相連的方式連接至機房計算機系統和各設備相連接，保護措施如下。

通信設備接地體與機房的防護接地相連接。網絡服務器接地體與機房計算機相連。數據存儲設備接地體與機房計算機連接；并由其上引出到地網（10M 光纖或室外金屬網），保護數據存儲設施。UPS 電源接地體線管與地線相連接，保護機房計算機系統的電氣安全及防雷接地的安全。NAS 存儲介質的防雷接地用銅排相連。服務器接地體和機房各設備之間通過防雷地纜、線管連通，防止因雷擊引起線纜斷路、短路或接地不良。為避免防雷接地裝置及網絡服務器遭受雷擊損壞，所有的網絡系統接地體線管均采用銅排連接；為了防止因雷擊引起線纜故障而損壞機要機，所有交換機均采用銅排做地連，確保防雷系統安全可靠運行。

3 結語

目前，我國的氣象事業現代化正朝著信息化、智能化方向發展，基層氣象臺站在國家氣象事業發展大局中的地位和作用也是越來越重要，氣象部門特別是基層氣象臺站正在不斷地完善加強氣象信息業務體系建設，綜合業務信息系統的發展方向是網絡化、數字化并向智能化方向前進，整個信息系統中所用到的設備越來越多、信息網絡越來越廣泛、傳輸速率也在不斷地提高。但另一方面，基層氣象臺站綜合業務信息系統的防雷整體工作中的安全風險隱患等問題也逐漸暴露了出來，這些都為防雷工作帶來了巨大的挑戰。