試論建筑物內(nèi)電氣設(shè)備防雷的設(shè)計

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摘  要：我國每年因雷擊破壞建筑物內(nèi)電氣設(shè)備的事件時有發(fā)生，所造成的損失非常巨大。通過多年對建筑防雷設(shè)計方面的學(xué)習(xí)和研究，總結(jié)一些經(jīng)驗和同行共勉。

關(guān)鍵詞：建筑物；電氣設(shè)備；防雷；設(shè)計

隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，建筑物的規(guī)模不斷擴大，其中各種電氣設(shè)備的使用日趨增多，尤其是計算機網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的普及，建筑物越來越多采用各種信息化的電氣設(shè)備。我國每年因雷擊破壞建筑物內(nèi)電氣設(shè)備的事件時有發(fā)生，所造成的損失非常巨大。因此建筑物的防雷設(shè)計就顯得尤為重要。

    直擊雷和感應(yīng)雷是雷電入侵建筑物內(nèi)電氣設(shè)備的兩種主要形式。直擊雷是雷電直接擊中線路并經(jīng)過電氣設(shè)備入地的雷擊過電流；感應(yīng)雷是由雷閃電流產(chǎn)生的強大電磁場變化與導(dǎo)體感應(yīng)出的過電壓，過電流對電氣設(shè)備的毀壞。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50057-94（2000年版）規(guī)定，建筑物的防雷區(qū)劃分為LPZOA，LPZOB，LPZ1，LPZn+1等區(qū)（各區(qū)的具體含義本文不再贅述）。將需要保護的空間劃分為不同的防雷分區(qū)，是為了規(guī)定各部分空間不同的雷擊電磁脈沖的嚴(yán)重程度和等電位聯(lián)結(jié)點的位置，從而決定位于各區(qū)域內(nèi)的電子設(shè)備采用何種電涌保護器在何處以何種方式實現(xiàn)同聯(lián)合接地體的等電位聯(lián)結(jié)。

    建筑物直擊雷防護的保護區(qū)域為LPZOB區(qū)，其保護設(shè)計已為電氣設(shè)計人員所熟知，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50057-94（2000年版），設(shè)計由避雷網(wǎng)（帶），避雷針或混合組成的接閃器，基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋網(wǎng)、柱筋及鋼屋架等構(gòu)成一個整體，避雷網(wǎng)通過全部立柱基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋作為接地體，將強大的雷電流入大地。建筑物感應(yīng)雷的保護區(qū)域為LPZOB，LPZ1，LPZn+1區(qū)，即不可能直接遭受雷擊區(qū)域；感應(yīng)雷是由雷擊電磁脈沖感應(yīng)而產(chǎn)生的，形成感應(yīng)過電壓的機率很高，對建筑物內(nèi)的電氣設(shè)備，尤其對低壓電子設(shè)備威脅更大，所以說對建筑物內(nèi)部設(shè)備的雷電保護的重點是防感應(yīng)雷入侵。感應(yīng)雷產(chǎn)生的過電壓、過電流主要有以下三個途徑：（1）由供電線路入侵；高壓電力線路遭直擊雷襲擊后，經(jīng)過變壓器耦合到各低壓0.38KV/0.22KV線路后傳送到建筑物內(nèi)各低壓電氣設(shè)備；另外低壓線路也可能被直擊雷擊中或由于附近雷閃感應(yīng)出過電壓。據(jù)測，低壓線路上感應(yīng)的雷電過電壓平均可達10KV，完全可以擊壞各種電氣設(shè)備，尤其是電子信息設(shè)備。（2）由建筑物內(nèi)信息線路入侵；可分為三種情況：①當(dāng)?shù)孛嫱怀鑫镌馐苤睋衾讜r，強雷電壓將鄰近土壤擊穿，雷電流直接入侵到電纜外皮，進而擊穿外皮，使高壓入侵線路。②雷云對地面放電時，在線路上感應(yīng)出上千伏的過電壓，擊壞與線路相連的電氣設(shè)備，通過設(shè)備連線侵入通信線路。這種入侵沿通信線路傳播，涉及面廣，危害范圍大。③若通過一條多芯電纜連接不同來源的導(dǎo)線或者多條電纜平行鋪設(shè)時，當(dāng)某一導(dǎo)線被雷電擊中時，會在相鄰的導(dǎo)線感應(yīng)出過電壓，擊壞低壓電氣設(shè)備。（3）地電位反擊電壓通過接地體入侵；雷擊時強大的雷電流經(jīng)過引下線和接地體泄入大地，在接地體附近放射型的電位分布，若與有連接電子設(shè)備的其他接地體靠近時，即產(chǎn)生高壓地電位反擊。建筑物防直擊雷的避雷裝置接受了強大的雷電流通過引下線入地，在附近空間產(chǎn)生強大的電磁場變化，會在相鄰的導(dǎo)線（包括電源線和信號線）上感應(yīng)出雷電過電壓，因此建筑物避雷系統(tǒng)不但不能保護計算機，反而可能引入了雷電。計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等設(shè)備的集成電路芯片耐壓能力很弱，通常在100伏以下，因此必須建立多層次的防雷系統(tǒng)，層層設(shè)防，確保計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全。由此可見，對建筑物內(nèi)各電氣設(shè)備進行防感應(yīng)雷保護設(shè)計是必不可少的一項內(nèi)容；設(shè)計的合理與否，對電氣設(shè)備的安全使用與運行有著至關(guān)重要的作用。

     根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)》GB50057-94（2000年版）第6.4.4條規(guī)定：電涌保護器必須能承受預(yù)期通過它們的雷電流，并應(yīng)符合以下兩個附加要求：通過電涌時的最大鉗壓，有能力熄滅在雷電流通過后產(chǎn)生的工頻續(xù)流。即電涌保護器的最大鉗壓加上其兩端的感應(yīng)電壓應(yīng)與所屬系統(tǒng)的基本絕緣水平和設(shè)備允許的最大電涌電壓協(xié)調(diào)一致。

    現(xiàn)在，我們根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50057-94（2000年版）附錄六規(guī)定的各類防雷建筑物的雷擊電流值進行電涌保護器的最大放電電流的選擇。

一類防雷建筑物，其首次雷擊電流幅值為200KA，波頭10us；二次雷擊電流幅值為50KA，波頭0.25us；根據(jù)圖1，全部雷電流i的50%按流入建筑物防雷裝置的接地裝置計，另外50%按1/3分配于線纜計；首次雷擊：總配電間每根供電線纜雷電流分流值為200×50%/3/3=11.11KA；后續(xù)雷擊：總配電間每根供電線纜雷電流分流值為50×50%/3/3=2.78KA；如果電纜已經(jīng)進行屏蔽處理，每根供電線纜雷電流的分流值將減低到原來的30%，即11.11KA×30%=3.33KA及2.78KA×30%=0.83KA，且電涌保護器承受10/350 us的雷電波能量相當(dāng)于8/20 us的雷電波能量的5～8倍，所以選擇能承受8/20 us波形電涌保護器的最大放電電流為11.11×8=88.9KA；即設(shè)計應(yīng)選用電涌保護器SPD的最大放電電流為100KA。

二類防雷建筑物，其首次雷擊電流幅值為150KA，波頭10us；二次雷擊電流幅值為37.5KA，波頭0.25us；根據(jù)圖1，全部雷電流i的50%按流入建筑物防雷裝置的接地裝置計，另外50%按1/3分配于線纜計；首次雷擊：總配電間每根供電線纜雷電流分流值為150×50%/3/3=8.33KA；后續(xù)雷擊：總配電間每根供電線纜雷電流的分流值為37.5×50%/3/3=2.08KA；如果電纜已經(jīng)進行屏蔽處理，其每根供電線纜雷電流的分流值將減低到原來的30%，即 8.33KA×30%=2.5KA及2.08KA×30%=0.62KA，且電涌保護器承受10/350 us的雷電波能量相當(dāng)于8/20 us的雷電波能量的5～8倍，所以選擇能承受8/20 us波形電涌保護器的最大放電電流為8.33×8=66.6KA；即設(shè)計應(yīng)選用電涌保護器SPD的最大放電電流為65KA。

三類防雷建筑物，其首次雷擊電流幅值為100KA，波頭10us；二次雷擊電流幅值為25KA，波頭0.25us；根據(jù)附圖1，全部雷電流i的50%按流入建筑物防雷裝置的接地裝置計，另外50%按1/3分配于線纜計；首次雷擊：總配電間每根供電線纜雷電流分流值為100×50%/3/3=5.55KA；后續(xù)雷擊：總配電間每根供電線纜雷電流分流值為25×50%/3/3=1.39KA；如果進線電纜已經(jīng)進行屏蔽處理，其每根供電線纜雷電流的分流值將減低到原來的30%，即 5.55KA×30%=1.66KA及1.39KA×30%=0.42KA，而在電涌保護器承受10/350 us的雷電波能量相當(dāng)于8/20 us的雷電波能量的5～8倍，所以選擇能承受8/20 us波形電涌保護器的最大放電電流為5.55×8=44.4KA；即設(shè)計應(yīng)選用電涌保護器SPD的最大放電電流為40KA。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50057-94（2000年版）第6.4.7條規(guī)定，該級電涌保護器應(yīng)在總配電間處安裝，即在LPZOB與LPZ1區(qū)的交界處安裝。

    上述各類防雷建筑，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50057-94（2000年版）第6.4.8，第6.4.9條規(guī)定，應(yīng)在分配電箱處，即在LPZ1與LPZ2區(qū)的交界處安裝電涌保護器，其額定放電電流不宜小于5KA（8/20 us），故此處應(yīng)選用電涌保護器SPD的最大放電電流為40KA，額定放電電流為10KA。