建筑物防雷击电涌保护

葛生

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1 国家标准2000年版《建筑防雷设计规范》（以下简称2000年版规范）问世的时代背景

自该规范1994年10月第一版出版至今，正是我国智能建筑技术领域最为活跃的一个时期。信息技术的日益发展和普及促使我国智能建筑不断兴建和发展。智能建筑中各智能化普及普遍存在的绝缘强度低，过电压和过电流耐受能力差，对雷电引起的外部侵入造成的电磁干扰敏感等弱点。如不加以有效防范，无法保证智能化系统及设备的正常运行。据资料介绍，由于未重视建筑物内部防雷保护，而引发某重要建筑物内中央计算机主机、微机及各终端接口故障，造成不应有的重大损失。类似的许多事件使人们日益重视建筑物内各系统和设备的保护工作。目前，关于它们的雷电保护可靠性及安全运行问题，已成为人们关注的热点。

可以说完善建筑物内部防雷技术（特别是对设有一定规模信息系统的建筑）是信息时代建筑电气设计技术的需求！正是这一时代背景下，补充编写原《建筑防雷设计规范》。2000年版规范"防雷电电磁脉冲"一章（增补内容）集中反映了最新的防雷设计技术思想与理念（主要参考近年来发有的IEC相关技术文件）。从工程设计角度及时为设计人员提供了指导性原则和方法，使我们第一次在防雷电电磁脉冲设计中有章可循，有法可依。

2 2000年版规范补充内容（第六章防雷电电磁脉冲）总的体会

2.1基本概念上的认识

雷电电磁脉冲（Lightning Electromagnetic Impluse，缩写LEMP）

规范定义：雷电电磁脉冲是在建筑物遭受雷击情况下引起的效应。防雷电电磁脉冲指线路和设备防过电流和过电压即防止上述情况下产生的电涌（surge）。

雷电电磁脉冲（或电源）是雷电产生的暂态过电压、过电流物理量的统称。提到电涌不禁使人想到传统防雷设计理论中提出的雷电二次破坏效应——电磁感应，而雷电电磁脉冲干扰主要原因为：

1）户外空气雷电波的电磁辐射对建筑物内部电气设备的电磁干扰。
2）当建筑物的防雷装置接闪后，强大的雷电流对内部电气设备的电磁干扰。
3）进入建筑物内各外部引入的线路引来电磁波对内部电气设备的干扰（含公用电网天关投切引起的那部分）。

诚然，电涌来源除以上所述的来自外部的电涌外，还有来自建筑物内部的电涌，如空调机、电梯、电焊设备等感负载在换路过程中产生的暂态过电压等。

2000年版规范第六章不重点讨论防内部电涌问题。

2.2主要设计思想

2000年版规范告诉我们，现代建筑防雷装置不单仅为外部防雷装置，还必须考虑设有内部防雷装置，经论证需要设置防电涌保护的建筑（内置一定规范信息系统），应和外部防雷设计作为一个整体统一规范考虑。

实际上规范提出了设有信息系统的建筑物应采用内部综合保护的设计思想，即屏蔽、接地、等电位连接、泄流钳压诸措施配合运用。这一思想，将引发我们在建筑物防雷设计中的设计观念上的变革！

3 几点认识

3.1关于防雷区（LPZ）

规定定义：需要规定和控制雷击、电磁环境的那些区域。

防雷区（LPZ）这一概念在1992年国际防雷会议上提出。按由外及内雷电能量大小分布分为LPZ0，1，2，n区。其中LPZ0区又分这A、B两区。对某一建筑而言：LPZ0A区指不在避雷保护范围以内的外部裸露区域；LPZ0B区指虽然在避雷保护范围内，但裸露在建筑外没有任何屏蔽在区域（如窗户）。这个区的电气设备最易遭受雷电波侵入，之后向内每增加一屏蔽层，划分一个区域，如LZP1、2等区。

规范通过将需要保护的空间划分为不同的防雷区域，规定各部分空间不同的电涌干扰程度，同时指明在各不同防雷区交接的界面上作等电位连接的位置。

规范强调了屏蔽、等电位连接措施对防电涌起着极其重要的作用。可借以控制不同防雷区雷击电磁环境，即人为控制电涌干扰程度。

3.2关于综合保护措施

2000年版规范第六章后两节较为详尽的阐述了建筑物内防电涌综合保护措施（屏蔽、接地、等电位连接、泄流、钳压等）的具体实施。

（1）屏蔽

屏蔽措施可减少雷电电磁脉冲干扰的感应效应。实际上钢筋混凝土结构传统设计采用的法拉等笼式避雷系统可看作是最为初级的屏蔽系统。窗口处即LPZ0B防雷区为屏蔽的薄弱区。
屏蔽主要有电场屏蔽、磁场屏蔽及电磁屏蔽等。电磁理论告诉我们：一个接地的空腔导体可以隔离内、外电场的影响。不带电的空腔导体内电势为零，将其置于静电场中，电力线将终止于导体外表面而不能进入内腔。空腔内场强为零。空腔导体和腔内电势处处相等。因为外电场的引入要改变空间各点的电势，所以这个电势与未加外电场时电势值是不相同的，即电场屏蔽。

用一定厚度的铁磁材料做成的外壳置于外磁场中，由于磁力线很少穿入壳内，可使壳内设备很少受到外部磁场影响，即磁屏蔽。

雷电电涌是含有电场、磁场的高频电磁辐射干扰。电磁屏蔽指用一定厚度的导电材料做成屏蔽壳体，放在外界交变的电磁场中，由于进入导电媒介的交变电磁场将产生感应电流，消耗了能量，导致电磁场在介质中按指数规律衰减，而很难深入到壳体内部，从而有效防护了电磁脉冲的能量传播。

依室内不同系统及设备要求采用相对应的具体屏蔽方法，信息系统相关设备应仅安装在经屏蔽处理后的安全空间内。

（2）接地

接地可使屏蔽措施发挥良好的效能。要维持空腔导体电势不变，应将导体接地，使之始终保护与地电势相等，可以说接地是屏蔽措施之一。

（3）等电位连接

雷电暂态过电流在流以路径上会引起暂态电位升高，并引起雷崩式击穿放电。损害和干扰电气设备，危害极大。

规范强调了在塌磁干扰强度不同的两毗邻的防雷区（LPZ）交接面处作等电位连接。

等电位连接是将各导电体、设备等与大楼的防雷接地系统相连接，形成电气上连续整体。旨在消除不同暂态过电压区域之间所形成的暂态电位差，使之彼此之间等电位，并尽量维持在地电位水平。

规范给出等电位连接网络的两种基本形式：
S型星型网络、M型网型网络及SM型混合网。前者网络单点接地，特点是直流电流不能流入室内钢筋上，外部电流无通路。后者网络多点接地，特点是接地阻抗低，但易引来直流电流和侵入电流。

具体选用上的取舍还应研究信息系统设备信号频率和电磁干扰频率等。
实际上智能建筑内种电气设备高低频信号并存，采用S－M型混合等电位连接网络，在工程上更具有一般性、实用性。

（4）规范给出了雷电流分配图、雷电流分流估算式、雷电流参量表，这为电涌保护器（SPD）的选择提供了重要依据，具有重大工程设计指导意义。

综合保护措施采用共用接地系统，在不同防雷区界面和信息系统所需特定位置设置电涌保护器（SPD），可实现暂态共地，再配合等电位均压，从而有效抑制雷电电磁脉冲侵扰，保护了建筑物内强弱电电气设备及人中的安全。

3.3关于电涌保护器（SPD）

3.3.1电涌保护器（SPD）的作用

在建筑物的不同防雷区（LPZ）界面和所需的特定位置上设置电涌保护器（SPD）是建筑物防电涌综合保护措施中至为关键的一项措施。

SPD的主作用是当电涌来临动作后，钳压和泄流以及暂态均压。

3.3.2两类重要的特性参数

（1）电压参数

2000年版规范提及的电压类参数主要有：最大钳压、残压、电压保护水平、最大持续电压和最大电涌电压。

1）规范明确提出电压保护水平即残压U，表示在SPD上泄放标称放电电流时，SPD两端的最大电位差。
2）最大钳压：对压敏电阻这类限压型SPD来讲，我们理解为它指SPD钳压功能恶化情况下的残压。
3）最大电涌电压：为SPD最大残压加上SPD两引线寄生电感上的感应电压，亦为被保护设备实际承受的最大过电压。
4）最大持续运行电压U：可能持续加于SPD两端的最大交流电压有效值和直流电压。超过此值运行，SPD将遭受致热损坏。

SPD产品样本电压类参数常标以额定电压、持续运行电压、残压。他们之间的关系是：

持续运行电压<额定电压<残压
额定电压↑→持续电压↑→残压↑（符号↑表示越大，→表示引起）

（2）电流类参数

主要有标称放电电流，最大放电电流，冲击电流。

1）雷电流波形及有关定义

如图1所示，做图定义说明：自纵轴0.1、0.9、1.0刻度处作三条平等于横轴的平行线。前两条平行线分别于波形曲线的波头部分相交于A、B两点。过A、B两点作一条直线。该直线与第三条平行线和横轴分别交于C、D两点。自C点引横轴垂线，其垂足E点与D点之间的时间定义为波头时间T。从纵轴0.5刻度处作横轴平行线，该平行线与波形曲线波尾部分交于F点。自F点引横轴垂线，其垂足G点与D点之间的时间定义为波长时间T，它也是波形曲线衰减到半幅值所需时间，又称半值时间。

通常给出的典型电流波形具有统计性质，供防雷分析、设计、试验使用。

2）标称放电电流

流过SPD的模拟雷电流波的波头时间/半值时间=8/20的电流波的峰值。

3）电大放电电流

用于SPD二级分类试验，8/20电流波峰值电流，（亦称通流容量）。

4）冲击电流——用于SPD一级分类试验。

在保护设计中，这两大类参数是选用SPD具体规格时必须明确的。

3.3.3电涌保护器（SPD）的类型

主要有电压开关型SPD、限压型SPD两类，均为非线性组件。

1）电压开关型（VST）SPD特点：无电涌时呈高阻抗，在电涌暂态过电压作用下突变为低阻抗。如放电间隙、充气放电管等组件，一般可用于LPZO区，1区。
2）限压型（VLT）SPD特点：无电涌时呈高阻抗，随着电涌增大，阻抗连续变小，典型组件为压敏电阻，抑制二极管等，一般可用于LPZ1区，2区等。
3）性能比较（见表1）。

3.3.4电涌保护器（SPD）的选择步骤及设备原则

SPD选型的实质是正确确定电压保护水平（残压）U及最大放电电流，保持U小于被保护设备的耐压等级，从而保护设备。（规范表6－4－4给出380/220V三相系统各种设备绝缘耐冲击电压额定值）。

（1）SPD选择步骤（规范实例分析）

1）确定建筑物防雷等级
以便从规范附表6中确定首次雷击及首次雷击以后的雷电流参量，亦可由年均雷暴日T来查取雷电流幅值的雷击概率（从实测的雷电流幅值的雷击概率曲线上）。
2）明确引入室内各类管线及芯数。
查取规范图6.3.4－1进入建筑物的各种设施之间的雷电流分配，并估算出各管线的雷电流分流值。
3）明确被保护对象的耐冲击电压水平（查规范表6.4.4）。
4）明确防雷区界面
根据不同界面选用不同级别分类试验的SPD，应使电涌下流经SPD的实际雷电电流值小于（级分类试验下的SPD技术数据，级分类试验下命名为）。
级分类试验下，雷电流波形可采用10/350us波；
级分类试验下，雷电流波形可采用8/20us波；
同一电流幅值下，前者电子设备（可看作负载电阻）单位负载电阻吸收的能量大于后者。5）确定最大持续运行电压。
这里讨论的SPD用于低压配电系统中各电气设备、线路，应明确建筑物内电源系统接地形式。规范给出了TT系统、TN系统、IT系统下U值确定。概念上易于理解，SPD工作在可长期正常运行。
6）根据U、I定出SPD残压U。
7）计算SPD引线感应电压Ldi/dt。
引线寄生电感L：每米直导线约
di/dt为最大电流陡度，可根据首次及首次以后雷击的雷电流参量确定，取其最大值。
8）计算最大电涌电压。
最大电涌电压=U（残压）＋Ldi/dt<设备耐受电压
9）应注意SPD熄灭工频续流能力以及SPD应具有足够的暂态能量的耐受能力。

（2）SPD设备原则

应遵循分极保护的原则。对一建筑物应由外及内，即从总电源配电箱到设备前端箱要分级保护。从粗保护到精细保护。具体地说：1）在建筑物电源进线处装充大容量SPD。
多数情况下它是最重要的，经统计可分走80％以上的电涌电流。
多雷区（T≥40d/a）宜采用特大泄放电流的SPD。
少雷区（T≤15d/a）宜采用较小泄放电流的SPD。
大容量配电变压器高低压绕组耦合尖峰电流较大，宜采用大容量SPD。
2）线路中段设中等容量SPD，就地配电箱设小容量SPD。
电源进线处SPD是最重要的，但也是最低水平的保护，它对抑制出现在信息系统机房设备面临的内部电涌不起作用。分支线（或分配电盘）及终端配电盘内的SPD具有同样重要性，具有外部电涌后备保护和内部电涌直接保护的双重功能。
2000年版规范实际上提出了分级设置SPD保护的原则，并给出相关的选用参考值（见表2）。

4 结束语

2000年版规范增补内容中有许多概念及其定量化笔者仍须进一步学习、研究。加之从事防电涌系统工程设计经验不足，中文错误必多，望同行及有关专家指正。(林贤光 编辑)

参考文献
[1]GB50057－94《建筑物防雷设计规范》（2000年版）
[2]王时煦.建筑物防雷综述.电气世界.1997年2期
[3]王厚余译.电涌保护器的安装位置及装用数量电气施工与管理，创刊号
[4]张小青.建筑物内电子设备的防雷保护.北京：电子工业出版社
[5]马宏达.接地电阻的测试及接地系统的合理配置.现代建筑电气设计技术文章.北京：中国物价出版社

通天雷神

编辑完也看完了。原来看过了。

９１１

以阅,同意颁布实行,嘿嘿!!!!!!!!!!