高层建筑物防雷及SPD的应用

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    如今，城市中的高层建筑越来越多，而高层建筑遭受雷击的概率远远高于低矮建筑物。又由于高层建筑内设备和线路密集，雷电对这些设备及线路的破坏威胁也大大增加，经常有各种高层建筑遭受雷击损坏的报道。如何解决好高层建筑的雷电防护问题是摆在广大电气设计人员面前的重要课题。下面笔者就这个问题谈一些看法。 １ 关于雷电压的形成及其危害

    大气中的饱和水蒸汽在上下气流的强烈摩擦和碰撞过程中，形成了带不同电荷的雷云，当带电的云块临近地面时，由于静电感应，大地感应出与雷云极性相反的电荷。云层与大地之间就像一个巨大的极板电容器，当云层中电荷密集处对大地的电场强度达到２５～３０ｋＶ／ｃｍ时，就会击穿空气绝缘，云层对大地便发生先导放电，当先导放电的通路到达大地时，大地上的电荷与雷云中的电荷就产生强烈的中和，出现特大电流。这个时间很短，大约为５０～１００μｓ雷电流可达数百千安，其能量巨大，可损坏建筑物、中断通讯、危害人身安全。

    雷过电压分为两种：直击雷过电压及感应雷过电压。

    直击雷过电压：也称之为传导过电压。架空线路直接遭受雷击后，高压冲击波形成的过电压沿线路传播损坏设备称为传导过电压。传导过电压会导致设备与大地间的绝缘损坏。

    感应过电压：由于雷电是高频脉冲电流，持续时间不超过１００μｓ，雷击点附近的线路由于电磁感应会产生脉冲浪涌。脉冲浪涌通过线路侵入设备系统，会造成设备失灵或永久性损坏。

    此外，雷电流流入大地时，由于存在散流电阻，该区域不同地点会有不同的电位，即使在很短的距离内，都会产生电位差，这在低压配电装置中也会产生过电压。

    ２ 建筑物的雷电防护

    防雷的理论基础仍然是富兰克林先生提出的安全引雷入地。闪电是一个电流源而非电压源，防雷装置是给雷电流提供一个或几个低阻抗的通道，使雷电流能够快速、安全地泻入大地。防直击雷的避雷针、避雷网以及防雷电感应的浪涌保护器ＳＰＤ　莫不是如此。由于认识时间上的问题，大家对避雷针、避雷网的设置及应用都比较清楚，《建筑物防雷设计规范》ＧＢ５００５７－９４ ２０００版　对建筑物的分类及避雷网、避雷针的设置已作了明确的规定。而对于电涌保护器ＳＰＤ　则不知如何选用，下面笔者就ＳＰＤ的应用问题谈一点看法。

    ３ 电涌保护器ＳＰＤ　及其分类

    电涌保护器实际上是一种非线性元件。这种非线性元件的工作取决于施加在其两端的电压Ｕ和触发电压Ｕｄ的大小。对不同的产品，Ｕｄ为标准给定值。

    当Ｕ＜Ｕｄ时：ＳＰＤ的电阻很高＞１ＭΩ　，只有很小的漏电电流通过。

    当Ｕ≥Ｕｄ时：ＳＰＤ的阻值减小到只有几欧姆，瞬间泻放过电流，使电压突降，待Ｕ＜Ｕｄ时，ＳＰＤ又呈现高阻抗特性。

    根据上述原理，ＳＰＤ广泛应用于低压配电系统，用以限制电网中的大气过电压，使其不超过各种电气设备及配电装置所能承受的冲击耐受电压，保护设备免受雷电损害。

    ＳＰＤ从用途上可分为：电源防雷器、信号防雷器、天线馈线防雷器。

    ４ 选用ＳＰＤ应考虑的几个问题

    （１）为了使被保护设备免受雷击过电压的危害，电涌保护器的电压保护水平Ｕｐ应始终小于被保护设备的冲击耐受电压Ｕｃｈｏｃ，并且应大于根据接地类型得出的电网最高运行电压Ｕｓｍａｘ，即：Ｕｓｍａｘ＜Ｕｐ＜Ｕｃｈｏｃ

    我国三相配电系统中，被保护电气设备冲击耐受电压等级如下：

    根据ＩＥＣ６０３６４－４２２０Ｖ／３８０Ｖ三相配电系统的设备冲击耐受电压额定值分为四类。

    不同接地系统的电网最高运行电压Ｕｓｍａｘ（如表２所示）。

    （２）选用ＳＰＤ的五个原则如下：

    ①基本原则：电涌保护器的电压保护水平Ｕｐ应始终小于被保护设备的冲击耐受电压Ｕｃｈｏｃ，即：Ｕｐ＜Ｕｃｈｏｃ；

    ②Ｕｐ过高原则：如果进线端电涌保护器的Ｕｐ与被保护设备的冲击耐受电压相比过高，则须在设备处加装二级电涌保护器；

    ③０．５ｍ原则：电涌保护器与被保护设备两端引线应尽可能短，控制在０．５ｍ以内；这就是我们通常所讲的０．５ｍ原则；

    ④ＳＰＤ两级配合的１０ｍ原则：为了提供最佳的保护，既能承受更强的电流又有较小的残余电压，通常应用ＳＰＤ作一级及二级保护。一级保护能承受高电压和大电流，并应能快速灭弧。二级保护用来减小系统端的残余电压，它应具有较高的斩波能力。两级电涌保护器之间的最短距离应不小于１０ｍ；

    ⑤３０ｍ原则：当进线端的电涌保护器与被保护设备之间的距离大于３０ｍ时，应在离被保护设备尽可能近的地方安装另一个电涌保护器。反之，如果不增加一级保护，由于电缆距离较长，一级ＳＰＤ上的残压加上电缆感应电压仍可能损坏设备，不能起到保护作用。

    （３）选择ＳＰＤ时应根据不同的接地系统类型来确定ＳＰＤ的最大持续运行电压（如表３所示）：

    （４）选择ＳＰＤ除了上述需要重点考虑的因素外，还应考虑以下几个方面：响应时间应尽可能快；通流容量是否满足要求；使用寿命长短；以及可维护性能和价格因素等。

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    ５ 等电位联结的作用

    《建筑物防雷设计规范》ＧＢ５００５７－９４ ２０００版　中规定：为改进电磁环境，所有与建筑物组合在一起的大尺寸金属件都应等电位连接在一起，并与防雷装置相连。规范中给出了建筑物等电位连接的两种形式：Ｓ型及Ｍ型。Ｓ型等电位连接网络可用于相对较小、限定于局部的系统，而且所有设施管线和电缆宜从ＥＲＰ接地基准点　处附近进入该信息系统；Ｍ型等电位连接网络宜用于延伸较大的开环系统，而且在设备之间敷设许多线路和电缆，以及设施和电缆从若干处进入该信息系统。

    等电位连接措施对建筑物防雷电感应和改善建筑物内的电磁环境起到相当重要的作用。因此，按照规范要求做好建筑物的等电位连接是十分必要的。

    总之，只有在充分了解雷电的形成及其危害的基础上，利用各种综合技术，才能有效地保护建筑物及其内设备免遭雷电的危害。

    参考文献

    《建筑物防雷设计规范》GB50057-94 2000版

    相关问题：间隙式和压敏电阻式两大类。它们的动作原理有何区别呢？

    它们主要的区别：

    间隙式防雷器

    当浪涌电压上升到它的击穿电压时，它击穿，从而限制了电压，保护了设备。它击穿后，它的两极之间的电压骤降为零，即残压为零。设备上的正常工作电压将通过击穿的间障流过（工频）续（电）流。这是一个短路电流。这个电流要靠防雷器前面的熔断器切断，否则间隙会被烧毁。供电就会中断，而发展成事故。间隙是击穿型设备，有响应时间的问题和相应的指标。

    压敏电阻式防雷器

    它没有击穿电压这个指标。过电压到来时，它也不会有击穿现象发生。加在它上面的电压，与流过它的电流呈非线性关系：电流增加的倍数远大于电压增加的倍数，且随着电压的增高，电流急速增大。它就是靠电流的急速增大来限制电压的进一步增高，从而保护设备。它没有击穿，也不叫动作。在电流增大以后，在它上面出现的电压称为“残压”。在设计制造上，要求残压小于设备的可承受电压，于是设备就得到了保护。当过电压过去以后，它上面的电流也跟着减小，而恢复到原来的状态。它没有工频续流的问题，也就不需要熔断器来切除续流。它也没有响应时间的问题和指标。

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