基层气象台站综合业务信息系统雷电防护技术探究

赵继锋

（兰州资源环境职业技术大学，甘肃 兰州 730021）

近年来，我国各基层气象台站相继引进先进的气象观测和探测设备，并开始应用于日常工作中后，这些设备大多为市场高精端产品，但又都是经过简单组装而成，设备本身及综合系统的防雷功能非常弱小。同时，国内防雷所采用的设备产品一般都是直接连接接地体而不是采用较复杂可靠的接地装置将保护装置直接与接地体相连；或是用较多数量、体积或功率较大的避雷器将保护装置进行串联或并联；同时，由于我国防雷检测仪器设备标准不统一、检测手段单一以及对防雷研究和技术认识不足等因素限制，造成了不同行业不同单位所采用的防雷措施和防雷设备产品存在不同规格不同型号，再加上传统防雷技术上遗留存在许多弊端，防雷接地装置之间无可靠隔离，彼此存在一定的相互干扰，对雷电波和雷击电磁脉冲不能做到有效屏蔽和隔离。所以，整体上来看，基层气象台站综合业务信息系统的雷电保护措施存在较大缺陷和安全隐患。

1 防雷技术原理

防雷技术的原理是根据雷电放电时产生的电场强度、感应电流强度和能量大小来决定避雷装置的形式、位置和避雷装置的接地方式，从而达到防护雷电的目的。通过保护接地装置可以将雷电产生的能量泄放到大地，不会因为引下线和接地体（金属构架）放电而导致电气设备发生故障。在综合业务信息系统中，设置防雷接闪设施，可以防止雷电产生的电场强度，以及感应产生的雷电感应高电压和雷击电磁脉冲泄放到大地，从而起到保护系统和设备运行安全、防止由于雷击造成设备损坏、降低设备故障率的目的。

1.1 综合业务信息系统的接地系统

综合业务信息系统防雷保护接地装置应与接地网及引下线一起安装，并应保证接地网具有满足规范要求的接地电阻值，综合业务信息系统设备应按照国家有关标准要求选择合适的防雷保护接地装置，并应安装防雷器，应按国家标准《建筑物防雷设计规范》规定，采取不同型号的接闪杆和接闪带组合成不同型号的避雷器，当采用多个接地网组成一个共用接地系统时，所有与接地端相连和通过接地网与地之间相连的设备都要做好保护。

1.2 综合业务信息系统的接闪装置

接闪杆是防直击雷的一种最有效的措施，其作用与金属屋顶以及建筑物之间的连接引下线、接地体之间的相互连接，以及建筑物内部各个角落之间的连接线都要安装接闪杆。当建筑物被击中后，接闪杆将引下线与建筑物的金属构架相连，从而将电能从接闪器传递到大地，在引下线上还通过接地体与地面相连，从而将电能传递到地上。接闪线在使用时，一般都是从建筑物的内部引出来，并且是独立于接地装置之外的。接闪杆通常安装在接地装置附近不会被雷击中的地方。

根据实际使用情况来看，在建筑物顶部二层或三层以上较高位置以及位于高层楼房楼顶等部位设置接闪杆时，需要注意接闪杆引线的长度和接闪器与大地之间距离两个参数。在建筑物二层以上位置、高层楼房楼顶及二层以上高度、位于地下设备间等较高位置设置接闪杆时应注意接地装置与引下线连接长度和距离两个参数。

1.3 综合业务信息系统的接地电阻

接地电阻检测是防雷装置的最后一道防线，是防止在综合业务信息系统中由于设备与系统发生短路而引起设备损坏的重要措施，因此要求在综合业务信息系统安装之后，进行一次全面的接地电阻检测。接地电阻的大小与接地体的结构、大小和质量有关。一般情况下，接地体的器材选取和设置安装越规范，接地电阻就越小，反之则较大，所以在综合业务信息系统中要根据当地实际情况进行综合评估，制定科学合理的设计方案并严格标准施工验收，这样才能使接地体有满足条件的接地电阻，在雷击发生时，才能及时安全泄放雷电能量。

2 设计思路与技术措施

气象台站综合业务信息系统的防雷保护系统：在气象数据采集终端处、各业务应用系统机房处各装设一个避雷器，主要起到对网络通信设备的雷电防护作用，当线路被雷击断线时，防雷装置可以自动吸收信号传输线，将断线故障信号传输到远方。在气象数据采集终端处加装一套以网络交换机为核心的避雷器，用以有效防止雷电电流通过通信设备对计算机数据采集终端造成损害。机房的接地体采用4 条铜排，并在机房内架设一条铜排与10kV 电杆之间的接地线。利用避雷器和接闪杆共同组成了一套独立的防雷系统，将整个综合业务信息系统进行保护，综合业务信息系统采用屏蔽双绞线将机房、配电间及配电室进行分隔，通过电缆沟和金属管引至大地。

采用双绞线屏蔽双绞线双缆，其金属屏蔽层应具有良好的屏蔽效果。每台综合业务信息系统设备应单独接地，并设一个独立的接地系统。各机房配电间采用专用防雷接地电缆，连接点应可靠并有足够的强度和刚度。所有机房内的设备应做好防雷保护接地系统，包括防雷设施和接地装置2 部分。综合业务信息系统机房的配电间及主变配电间宜设置接地装置及防雷保护接闪器。综合业务信息系统主控制室的配电板、电缆沟、金属管地网以及接闪杆等宜设置有地接保护。综合业务信息系统机房内的电源开关装置、通信电缆分支箱、交换机房内的防雷击装置、电脑机柜内防雷装置以及计算机主机与交换机、电脑机柜连接处的避雷器等，均宜设置有地连接。

2.1 雷击防护装置的选型

根据办公楼的高度确定接闪杆的高度，接闪杆要尽量靠近建筑物顶部，其高度要满足规范要求，并尽可能靠近接地装置，一般为距相对地面1.5 ～2.5m。同时，要综合考虑建筑物的建筑类型、平面布局、建筑结构等。由于建筑物所处环境复杂，加之建筑物的外形和形状多样，其实际雷击损坏形式也复杂多样，为了防止雷电直击地面，保护设备和人身安全，安装避雷装置仍然是防雷击的主要举措，一般都采用“多级保护”方式同时进行防护。三级保护是包括接闪器和引下线在内的一种防雷装置。整体安装了不同类型、不同等级的防雷器后形成了前置接闪、引下线、接地装置在内三级保护结构。四级保护和五级保护主要是指安装在线路、设备上的能提供较高防护等级的防雷器材。

2.2 接地体设置

防雷接地系统主要包括接零、接地线和连接大地3部分。接地是指在建筑物内用不同的接地方式，来满足建筑物的防雷需要。接地网是将建筑物各部分所接成网络的公共防直击雷接地系统。建筑物的金属外壳与大地相连接，使雷电流泄入大地，达到安全防雷目的。引下线是一种能将电气设备引向地面，起保护作用的导体。安全接地网通过接地线使电气设备可靠地通过大地并达到安全可靠用电要求。接地体一般在建筑物内使用的电器都要接地，但在建筑中也不能全部接上，因为建筑设备等与地之间往往有一定距离。接地电阻测量点一般设在地网地中。

接地体是由金属圆钢或角钢制成，或将建筑物内各种设施和设备外壳与建筑物金属构件连接起来作为独立接地体（称为接地线），从而使之成为一种安全可靠用电场所的重要接地系统。为了防止因雷电感应或电气设备等引起的电位差，而使地中的电位升高而破坏用电设备的正常工作，在电气设备与地之间所产生的电位差称为保护电位差。接地体是用来消除和限制大地中由于不均匀电场而产生的不平衡电流和电压而引起接地故障。

接地点是接地装置中对地安全连接部分，一般在金属物体上通过焊接或绑扎固定等方式进行焊接或绑扎形成一个接地点通常位于室内各个工作点之间以及室内地面上；接地点一般是根据需要将金属导体（金属圆钢）等做成一定形状和长度的金属链或金属环等形式构成接地系统；接地点通常也可以是直接与建筑物主体连接而成，但接地线最好不与墙体直接连接。当电气设备和金属结构物之间由于电位差而产生不平衡电流时，在其上所安装的避雷引下线就成为接地线，以此来消除由于设备或电气设备等引起的地电位变化造成安全隐患。

接地电阻是为了保证防雷装置可靠工作，要定期测量各种接地电阻值；对于电气施工中可能产生高强度电位差的地方，还必须在施工结束后进行一次测量和记录（在室外）；当发现高电位时，要及时进行处理和消除。通过引下线把大地与电气设备、设施和地面等连接起来形成一个安全可靠用电场所。在建筑物内使用电气设备时使用的电源线以及其他与电气设备直接相连部分应采用接地线；当建筑物内使用电气设备及其他与电缆相邻部分应采用接地金属网；建筑物外部金属框架（钢结构）或金属构件表面用电焊等方法与接地线连接形成安全可靠用电场所。

2.3 防雷击产品选择

气象台站综合业务信息系统应能在雷电发生时，能够迅速切断电源，防止综合业务信息系统及其他电子设备遭到雷击损坏。为满足气象站防雷设计要求，台站信息系统防雷接地均采用了较为先进的避雷器。系统接地采用了4 根高纯度镀锌扁钢，与相邻建筑物外墙防雷中心线连接成一体。每根扁钢内均设置有一组避雷器，并与4 根高纯度镀锌方通连接成一体。根据气象部门现行规范要求，气象观测站防雷中心线接地体长度不应小于5m。高纯度镀锌扁钢、金属编织网及接地端子（铜芯、铝芯线，或金属网）、金属螺栓。接地端子、高纯度镀锌扁钢及金属编织网采用4 根高纯度镀锌扁钢与相邻建筑物外墙防雷中心线连接成一体，并通过4 根高纯度镀锌扁钢与一组接闪器连接成一体；接地端子及金属编织网采用4 根高纯银导线与3 块2m 规格的接闪线串联而成，并通过一组金属编织网（或金属网架）和两个接闪线引下线相互连接。根据《气象观测站防雷设计规范》GB50723 的要求，结合系统的实际情况，采用了多层接地网防雷器（简称多接闪）和接闪器组合方式。主要保护对象为气象观测设备。

2.4 多级SPD 防护

气象台站综合业务信息系统安装于站址的防雷接地装置包括：通信设备（网络服务器、交换机）、数据存储设备（NAS 存储介质）、电源装置（UPS 电源开关装置等）及防雷接地体。其中通信设备和 NAS 存储介质的接地体与机房计算机系统的防雷击接地相连接，UPS 电源开关通过防雷地缆与机房计算机系统及各设备相连，防雷接地体采用高阻抗铜导体。数据存储设备接地体采用铜质防雷接地棒与数据线相连的方式连接至机房计算机系统和各设备相连接，保护措施如下。

通信设备接地体与机房的防护接地相连接。网络服务器接地体与机房计算机相连。数据存储设备接地体与机房计算机连接；并由其上引出到地网（10M 光纤或室外金属网），保护数据存储设施。UPS 电源接地体线管与地线相连接，保护机房计算机系统的电气安全及防雷接地的安全。NAS 存储介质的防雷接地用铜排相连。服务器接地体和机房各设备之间通过防雷地缆、线管连通，防止因雷击引起线缆断路、短路或接地不良。为避免防雷接地装置及网络服务器遭受雷击损坏，所有的网络系统接地体线管均采用铜排连接；为了防止因雷击引起线缆故障而损坏机要机，所有交换机均采用铜排做地连，确保防雷系统安全可靠运行。

3 结语

目前，我国的气象事业现代化正朝着信息化、智能化方向发展，基层气象台站在国家气象事业发展大局中的地位和作用也是越来越重要，气象部门特别是基层气象台站正在不断地完善加强气象信息业务体系建设，综合业务信息系统的发展方向是网络化、数字化并向智能化方向前进，整个信息系统中所用到的设备越来越多、信息网络越来越广泛、传输速率也在不断地提高。但另一方面，基层气象台站综合业务信息系统的防雷整体工作中的安全风险隐患等问题也逐渐暴露了出来，这些都为防雷工作带来了巨大的挑战。