广州市增城区气象公共服务中心 广东广州 511300
摘要：自动化技术进步推进气象监测技术不断进步，一些现代化气候监测采用信息技术和自动化技术为支持。但是，一些气候监测基地机房受雷电因素影响，机房设备受到破坏，造成大量经济损失，影响气候监测稳定。文章对气候监测基地机房综合防雷研究及应用进行分析，提出综合性防雷应用措施，旨在为气候监测基地机房优化防雷管理提供有力参考。
关键词：气候监测；基地；机房；防雷；设备
雷电有巨大能量引起轰鸣，产生强光及破坏。雷电威胁人员生命安全，造成建筑物起火，会对电气设备造成严重破坏[1]。信息技术的发展使得更多电气设备进入气象监测基地，为精确化气象监测提供技术支持。但是这类设备灵敏度高，多数设备绝缘性低，过点耐压差，受雷电影响容易损坏，影响正常使用。文章就其气候监测基地机房综合防雷进行研究，对具体的防雷措施深入分析，为气象监测基地可持续发展奠定坚实基础。
1.气候监测基地机房现场环境
1.1气候监测基地机房环境
气候监测基地需保证气候监测结构可靠，其周围无明显遮挡物，且基地接近地面，一般位于3-8层建筑楼顶。气候监测基地周围环境受站点选址不同环境也不同，不同基地周围地貌、雷电活动规律、地质不同，相应的雷电风险发生几率也有差异性[2]。
1.2气候监测基地情况
监测基地一般采用轻钢为骨架，以工字钢承重，采用泡沫金属夹芯板为板房结构建立，侧面装有金属扶梯，顶部以金属材料设置护栏，整体防雷系数低。监测基地机房设置不同设备机柜，各种气象监测设备、气象预警系统、天气发布系统、楼宇智能系统等通过电子信息机房运作，相关的网络设备、子站工控机等都置于机房设备柜中。监测基地配电方式为三相四线制，由就近建筑专线接引[3]。监测基地总断路器控制整个基地电力，断路器置于取电处或基地外部配电箱处，引入内部配电盒后分引空调、照明、分配电盒等。
2.监测基地机房防雷重点
雷击分为直击雷和感应雷。直接雷直接击中建筑物或设备，危害巨大。雷电引起高温，导致建筑物燃烧，雷电流通道中，设备、物体受热发生膨胀，产生机械力，破坏电力设备。此外，雷电流沿地线引入大地时，接地网电位升高，向周围设备跳击，造成雷电反击，接地极存在强大电流，对工作人员造成生命威胁。
雷电放电在雷云间形成，或直接击中物体、大地后产生强大静电感应、磁场感应，在附近金属物体上产生尖峰冲击电压（瞬间），形成感应雷。感应雷以电阻性、电感性耦合监测基地机房电气设备电源线，影响控制讯号，对设备造成破坏。
3.气候监测基地机房建筑物直击雷防护措施
直击雷防护要从接闪、分流、接地三方面出发。接闪中以接闪杆、接闪带、接闪线接收雷电，分流以引下线、金属结构、管线分流雷电，将雷电通过接地装置引入大地。对运用现代化信息技术的机房，其设备的防雷性能较差，应确保建筑物具有雷电屏蔽效能，以钢筋混凝土建设框架，框架中采用φ≥12mm圆钢为主筋，墙体以钢筋网完成屏蔽层建设，钢筋网以φ≥8mm圆钢焊接形成（钢筋网控制在0.60mx0.60m以下）。此外，接闪器接闪雷电后，部分雷电以引下线及接地装置流入大地排除，另一部分雷电可能沿管线、导体等对机房设备造成威胁，应增加其他屏蔽措施确保设备安全，具体防雷措施如下。
3.1实现共用接地极等电位连接
气候监测基地外部设施及进入机房设施应采用内部环形导体形成等电位连接。通信电缆、电力线路进出机房时，应采用具有金属屏蔽层线材埋地敷设，避免线材直接接触空气。如图1所示，在LPZ0A区域、LPZ0B区域及LPZl处，设置总等电位接地端子板，在楼层及电子信息机房内设置端子板。
图1 以内部环形导体实现等电位连接
3.1.1暂态等电位连接
雷电威胁机房电子信息设备方式具有多样性，雷电在金属外壳及构架上产生高电位，则设备内外电位差会导致电测干扰和反击形成，若电子设备缺少等电位连接，则电位差会破坏设备稳定性。内部等电位连接可有效消除电位差。但实际应用中，特殊场所及系统不能简单连接形成等电位连接，要求连接对象出现暂态高电位后实现等电位连接，在暂态高电位消失后复原开路状态，称之为暂态等电位连接，区别于普通等电位连接。
3.1.2普通等电位连接
以导体将设设备、元器件金属外壳、金属管、线路外层连接形成网络，进而减少雷电在其中产生电位差。普通等电位连接系统及电子设备连接网络形式为S型、M型组合。（1）对电子设备较少的系统，以S型结构等电位连接。该信息系统金属组件与等电位接地基准点连接，其他内容均独立，和共用接地系统部件保持绝缘。系统中电子信息设备电缆管线外层经等电位接地基准点进入电子信息系统后，形成Ss电位连接网络，S型结构等电位连接以单点接地支持。（2）较大电子信息系统以M型结构电位连接支持。该系统中金属组件不独立接地，通过多点组合后连接共用接地系统，形成Mm等电位连接网络。电子信息设备辐射多条线缆，设备、线缆可自由进入Mm结构信息系统。（3）对复杂电子信息系统，若S型、M型结构形式均不能满足要求，可采用两种形式组合方式实现连接。
3.2电磁屏蔽
雷击发生，高频雷电流将产生脉冲电磁场辐射，气候监测基地机房电子信息控制系统及设备运行受到干扰，将造成系统浮动，出现中断，设备受到损坏。为消除辐射对气候监测设备工作影响，需对进入系统线缆及设备采取电磁屏蔽处理。
电磁屏蔽为导电、铁磁材料隔断方式，降低不同区域电磁感应及辐射传播。屏蔽材料选择高电导率及磁导率导体。屏蔽体材料表面受外部干扰影响，产生电磁场感应电荷，内部产生电流及磁极化，电荷、电流极化作用增加，电磁场衰减。屏蔽体对电磁能流反射及吸收，阻隔干扰源，减弱电磁场辐射。屏蔽分为电场、磁场、电磁屏蔽，为确保气候监测基地设备运行稳定，要对电场及磁场同时屏蔽。
3.3机房建筑物法拉第笼建设
法拉第笼建设能够增加机房防雷性能，及时屏蔽雷电。气候监测基地机房建筑结构采用钢筋混凝土建设，外部屏蔽采用基础、地梁、承台及建筑主体中金属构件、金属门窗、钢筋等连接，形成法拉第笼（如图2所示），确保建筑物具有雷电屏蔽性能。
图2 以钢筋及金属框架连接减少磁场对设备影响
机房建筑物形成法拉第笼后，建筑物外部以雷电电磁脉冲实现一级抑制，降低雷电电磁场危害，网格对外部雷电脉冲屏蔽效果受雷电强度、频率、网格网孔尺寸影响较大。普通建筑物及低层建筑物网格对雷电屏蔽效率在2-15dB，高层建筑物网格结构屏蔽效率最高达32dB，其钢结构引导雷电中，抑制雷击导致的电磁脉冲，衰减脉冲，起到对信息设备的保护。机房设备对雷电电磁脉冲要求较高，实际防护中要采取多种措施优化屏蔽：采用专业屏蔽材料及方式强化屏蔽。机房屏蔽材料选择铁、铝等金属材料（≥0.6mm），门窗出屏蔽采用铝合金网材料建设，控制截面积≥3mm2，网口尺寸≤80mmx80mm，连接地网或屏蔽层。
此外，要将机房设置在LPZ2或LPZ3级别较高的雷电防护区域内，避免建筑物受雷击影响后，电磁感应及附近雷电电磁脉冲影响。机房布置不能处于建筑物顶层，还要远离引下线结构柱、建筑物外墙角落，选择建筑物低层中心处，远离钢筋混凝土墙体。
3.4电源及信号线路屏蔽保障
进入机房的电源及信号线路受雷电电磁脉冲影响较大，雷电流浪涌将通过连接线路进入方，对弱点设备、微电子设备造成破坏。可采用屏蔽电缆，实现对电源及信号线路的合理保护。屏蔽电缆阻尼脉冲电磁场能力受材料大小、屏蔽层接地有重要影响。要抑制新低频干扰产生并满足电源、信号线路防雷需求，要将相关线缆屏蔽层两端接地处理。若低频干扰对系统造成严重破坏，则采用双屏蔽线方式单端接地设置，或将屏蔽线套金属管后接地处理。采用该方式可有效避免雷电通过电源、信号线路侵入机房，可降低低频雷电电磁脉冲对气候监测设备影响。若电源线及信号线属非屏蔽材料，就必须将线缆结合金属管屏蔽，金属管连段可靠接地。为实现线路安全防雷，重要信息系统线路必须采用具有屏蔽外层线缆支持工作。
同时，需要增加雷电流浪涌防护，科学设置SPD进行分级防护。安装方式如图3。
图3电子信息系统及电子设备电源线路浪涌防护等级
4.结束语
综上所述，对气候监测基地机房综合防雷研究及应用分析，要先分析气候监测基地机房现场环境及其防雷重点，考察实际环境后，掌握雷电活动规律，了解其危害，在此基础上分析具体的防雷措施，以屏蔽、引泄雷电为主要方式，确保气候监测基地机房设备安全工作，最大程度保证气候监测基地安全运行，减少雷电灾害给基地造成的损害。
参考文献:
[1]李喜东, 张博文, 邓广龙. 机房综合防雷的总体设计与应用[J]. 自动化技术与应用, 2016, 35(4):138-140.
[2]赵永刚. 通讯机房综合防雷设计与应用[J]. 价值工程, 2017, 36(6):161-162.
[3]Huber J, Ambs A, W?llenstein J. Miniaturized Photoacoustic Carbon Dioxide Sensor with Integrated Temperature Compensation for Room Climate Monitoring ☆[J]. Procedia Engineering, 2015, 120:283-288.
论文作者:黄国全
论文发表刊物:《防护工程》2018年第31期
论文发表时间:2019/1/17
标签：雷电论文; 屏蔽论文; 机房论文; 基地论文; 电位论文; 气候论文; 防雷论文; 《防护工程》2018年第31期论文;