1、建筑物防雷擊電涌保護1 國家標準2000年版建筑防雷設計規范（以下簡稱2000年版規范）問世的時代背景 自該規范1994年10月第一版出版至今，正是我國智能建筑技術領域最為活躍的一個時期。信息技術的日益發展和普及促使我國智能建筑不斷興建和發展。智能建筑中各智能化普及普遍存在的絕緣強度低，過電壓和過電流耐受能力差，對雷電引起的外部侵入造成的電磁干擾敏感等弱點。如不加以有效防范，無法保證智能化系統及設備的正常運行。據資料介紹，由于未重視建筑物內部防雷保護，而引發某重要建筑物內中央計算機主機、微機及各終端接口故障，造成不應有的重大損失。類似的許多事件使人們日益重視建筑物內各系統和設備的保護工作。目前

2、，關于它們的雷電保護可靠性及安全運行問題，已成為人們關注的熱點。 可以說完善建筑物內部防雷技術（特別是對設有一定規模信息系統的建筑）是信息時代建筑電氣設計技術的需求！正是這一時代背景下，補充編寫原建筑防雷設計規范。2000年版規范"防雷電電磁脈沖"一章（增補內容）集中反映了最新的防雷設計技術思想與理念（主要參考近年來發有的IEC相關技術文件）。從工程設計角度及時為設計人員提供了指導性原則和方法，使我們第一次在防雷電電磁脈沖設計中有章可循，有法可依。 2 2000年版規范補充內容（第六章防雷電電磁脈沖）總的體會 2.1基本概念上的認識 雷電電磁脈沖（Lightning Ele

3、ctromagnetic Impluse，縮寫LEMP） 規范定義：雷電電磁脈沖是在建筑物遭受雷擊情況下引起的效應。防雷電電磁脈沖指線路和設備防過電流和過電壓即防止上述情況下產生的電涌（surge）。 雷電電磁脈沖（或電源）是雷電產生的暫態過電壓、過電流物理量的統稱。提到電涌不禁使人想到傳統防雷設計理論中提出的雷電二次破壞效應電磁感應，而雷電電磁脈沖干擾主要原因為： 1）戶外空氣雷電波的電磁輻射對建筑物內部電氣設備的電磁干擾。2）當建筑物的防雷裝置接閃后，強大的雷電流對內部電氣設備的電磁干擾。3）進入建筑物內各外部引入的線路引來電磁波對內部電氣設備的干擾（含公用電網天關投切引起的那部分）。 誠

4、然，電涌來源除以上所述的來自外部的電涌外，還有來自建筑物內部的電涌，如空調機、電梯、電焊設備等感負載在換路過程中產生的暫態過電壓等。 2000年版規范第六章不重點討論防內部電涌問題。 2.2主要設計思想 2000年版規范告訴我們，現代建筑防雷裝置不單僅為外部防雷裝置，還必須考慮設有內部防雷裝置，經論證需要設置防電涌保護的建筑（內置一定規范信息系統），應和外部防雷設計作為一個整體統一規范考慮。 實際上規范提出了設有信息系統的建筑物應采用內部綜合保護的設計思想，即屏蔽、接地、等電位連接、泄流鉗壓諸措施配合運用。這一思想，將引發我們在建筑物防雷設計中的設計觀念上的變革！ 3 幾點認識 3.1關于防雷

5、區（LPZ） 規定定義：需要規定和控制雷擊、電磁環境的那些區域。 防雷區（LPZ）這一概念在1992年國際防雷會議上提出。按由外及內雷電能量大小分布分為LPZ0，1，2，n區。其中LPZ0區又分這A、B兩區。對某一建筑而言：LPZ0A區指不在避雷保護范圍以內的外部裸露區域；LPZ0B區指雖然在避雷保護范圍內，但裸露在建筑外沒有任何屏蔽在區域（如窗戶）。這個區的電氣設備最易遭受雷電波侵入，之后向內每增加一屏蔽層，劃分一個區域，如LZP1、2等區。 規范通過將需要保護的空間劃分為不同的防雷區域，規定各部分空間不同的電涌干擾程度，同時指明在各不同防雷區交接的界面上作等電位連接的位置。 規范強調了屏蔽

6、、等電位連接措施對防電涌起著極其重要的作用。可借以控制不同防雷區雷擊電磁環境，即人為控制電涌干擾程度。 3.2關于綜合保護措施 2000年版規范第六章后兩節較為詳盡的闡述了建筑物內防電涌綜合保護措施（屏蔽、接地、等電位連接、泄流、鉗壓等）的具體實施。 （1）屏蔽 屏蔽措施可減少雷電電磁脈沖干擾的感應效應。實際上鋼筋混凝土結構傳統設計采用的法拉等籠式避雷系統可看作是最為初級的屏蔽系統。窗口處即LPZ0B防雷區為屏蔽的薄弱區。屏蔽主要有電場屏蔽、磁場屏蔽及電磁屏蔽等。電磁理論告訴我們：一個接地的空腔導體可以隔離內、外電場的影響。不帶電的空腔導體內電勢為零，將其置于靜電場中，電力線將終止于導體外表面

7、而不能進入內腔。空腔內場強為零。空腔導體和腔內電勢處處相等。因為外電場的引入要改變空間各點的電勢，所以這個電勢與未加外電場時電勢值是不相同的，即電場屏蔽。用一定厚度的鐵磁材料做成的外殼置于外磁場中，由于磁力線很少穿入殼內，可使殼內設備很少受到外部磁場影響，即磁屏蔽。 雷電電涌是含有電場、磁場的高頻電磁輻射干擾。電磁屏蔽指用一定厚度的導電材料做成屏蔽殼體，放在外界交變的電磁場中，由于進入導電媒介的交變電磁場將產生感應電流，消耗了能量，導致電磁場在介質中按指數規律衰減，而很難深入到殼體內部，從而有效防護了電磁脈沖的能量傳播。 依室內不同系統及設備要求采用相對應的具體屏蔽方法，信息系統相關設備應僅安

8、裝在經屏蔽處理后的安全空間內。 （2）接地 接地可使屏蔽措施發揮良好的效能。要維持空腔導體電勢不變，應將導體接地，使之始終保護與地電勢相等，可以說接地是屏蔽措施之一。 （3）等電位連接 雷電暫態過電流在流以路徑上會引起暫態電位升高，并引起雷崩式擊穿放電。損害和干擾電氣設備，危害極大。 規范強調了在塌磁干擾強度不同的兩毗鄰的防雷區（LPZ）交接面處作等電位連接。 等電位連接是將各導電體、設備等與大樓的防雷接地系統相連接，形成電氣上連續整體。旨在消除不同暫態過電壓區域之間所形成的暫態電位差，使之彼此之間等電位，并盡量維持在地電位水平。 規范給出等電位連接網絡的兩種基本形式：S型星型網絡、M型網型網

9、絡及SM型混合網。前者網絡單點接地，特點是直流電流不能流入室內鋼筋上，外部電流無通路。后者網絡多點接地，特點是接地阻抗低，但易引來直流電流和侵入電流。 具體選用上的取舍還應研究信息系統設備信號頻率和電磁干擾頻率等。實際上智能建筑內種電氣設備高低頻信號并存，采用SM型混合等電位連接網絡，在工程上更具有一般性、實用性。 （4）規范給出了雷電流分配圖、雷電流分流估算式、雷電流參量表，這為電涌保護器（SPD）的選擇提供了重要依據，具有重大工程設計指導意義。 綜合保護措施采用共用接地系統，在不同防雷區界面和信息系統所需特定位置設置電涌保護器（SPD），可實現暫態共地，再配合等電位均壓，從而有效抑制雷電電

10、磁脈沖侵擾，保護了建筑物內強弱電電氣設備及人中的安全。 3.3關于電涌保護器（SPD） 3.3.1電涌保護器（SPD）的作用 在建筑物的不同防雷區（LPZ）界面和所需的特定位置上設置電涌保護器（SPD）是建筑物防電涌綜合保護措施中至為關鍵的一項措施。 SPD的主作用是當電涌來臨動作后，鉗壓和泄流以及暫態均壓。 3.3.2兩類重要的特性參數 （1）電壓參數 2000年版規范提及的電壓類參數主要有：最大鉗壓、殘壓、電壓保護水平、最大持續電壓和最大電涌電壓。 1）規范明確提出電壓保護水平即殘壓U，表示在SPD上泄放標稱放電電流時，SPD兩端的最大電位差。2）最大鉗壓：對壓敏電阻這類限壓型SPD來講，

11、我們理解為它指SPD鉗壓功能惡化情況下的殘壓。3）最大電涌電壓：為SPD最大殘壓加上SPD兩引線寄生電感上的感應電壓，亦為被保護設備實際承受的最大過電壓。4）最大持續運行電壓U：可能持續加于SPD兩端的最大交流電壓有效值和直流電壓。超過此值運行，SPD將遭受致熱損壞。 SPD產品樣本電壓類參數常標以額定電壓、持續運行電壓、殘壓。他們之間的關系是： 持續運行電壓<額定電壓<殘壓額定電壓持續電壓殘壓（符號表示越大，表示引起） （2）電流類參數 主要有標稱放電電流，最大放電電流，沖擊電流。 1）雷電流波形及有關定義 如圖1所示，做圖定義說明：自縱軸0.1、0.9、1.0刻度處作三條平等于

12、橫軸的平行線。前兩條平行線分別于波形曲線的波頭部分相交于A、B兩點。過A、B兩點作一條直線。該直線與第三條平行線和橫軸分別交于C、D兩點。自C點引橫軸垂線，其垂足E點與D點之間的時間定義為波頭時間T。從縱軸0.5刻度處作橫軸平行線，該平行線與波形曲線波尾部分交于F點。自F點引橫軸垂線，其垂足G點與D點之間的時間定義為波長時間T，它也是波形曲線衰減到半幅值所需時間，又稱半值時間。 通常給出的典型電流波形具有統計性質，供防雷分析、設計、試驗使用。 2）標稱放電電流 流過SPD的模擬雷電流波的波頭時間/半值時間=8/20的電流波的峰值。 3）電大放電電流 用于SPD二級分類試驗，8/20電流波峰值電

13、流，（亦稱通流容量）。 4）沖擊電流用于SPD一級分類試驗。 在保護設計中，這兩大類參數是選用SPD具體規格時必須明確的。 3.3.3電涌保護器（SPD）的類型 主要有電壓開關型SPD、限壓型SPD兩類，均為非線性組件。 1）電壓開關型（VST）SPD特點：無電涌時呈高阻抗，在電涌暫態過電壓作用下突變為低阻抗。如放電間隙、充氣放電管等組件，一般可用于LPZO區，1區。2）限壓型（VLT）SPD特點：無電涌時呈高阻抗，隨著電涌增大，阻抗連續變小，典型組件為壓敏電阻，抑制二極管等，一般可用于LPZ1區，2區等。3）性能比較（見表1）。 3.3.4電涌保護器（SPD）的選擇步驟及設備原則 SPD選型

14、的實質是正確確定電壓保護水平（殘壓）U及最大放電電流，保持U小于被保護設備的耐壓等級，從而保護設備。（規范表644給出380/220V三相系統各種設備絕緣耐沖擊電壓額定值）。 （1）SPD選擇步驟（規范實例分析） 1）確定建筑物防雷等級以便從規范附表6中確定首次雷擊及首次雷擊以后的雷電流參量，亦可由年均雷暴日T來查取雷電流幅值的雷擊概率（從實測的雷電流幅值的雷擊概率曲線上）。2）明確引入室內各類管線及芯數。查取規范圖6.3.41進入建筑物的各種設施之間的雷電流分配，并估算出各管線的雷電流分流值。3）明確被保護對象的耐沖擊電壓水平（查規范表6.4.4）。4）明確防雷區界面根據不同界面選用不同級別

15、分類試驗的SPD，應使電涌下流經SPD的實際雷電電流值小于（級分類試驗下的SPD技術數據，級分類試驗下命名為）。級分類試驗下，雷電流波形可采用10/350us波；級分類試驗下，雷電流波形可采用8/20us波；同一電流幅值下，前者電子設備（可看作負載電阻）單位負載電阻吸收的能量大于后者。5）確定最大持續運行電壓。這里討論的SPD用于低壓配電系統中各電氣設備、線路，應明確建筑物內電源系統接地形式。規范給出了TT系統、TN系統、IT系統下U值確定。概念上易于理解，SPD工作在可長期正常運行。6）根據U、I定出SPD殘壓U。7）計算SPD引線感應電壓Ldi/dt。引線寄生電感L：每米直導線約di/dt

16、為最大電流陡度，可根據首次及首次以后雷擊的雷電流參量確定，取其最大值。 8）計算最大電涌電壓。最大電涌電壓=U（殘壓）Ldi/dt<設備耐受電壓9）應注意SPD熄滅工頻續流能力以及SPD應具有足夠的暫態能量的耐受能力。 （2）SPD設備原則 應遵循分極保護的原則。對一建筑物應由外及內，即從總電源配電箱到設備前端箱要分級保護。從粗保護到精細保護。具體地說：1）在建筑物電源進線處裝充大容量SPD。多數情況下它是最重要的，經統計可分走80以上的電涌電流。多雷區（T40d/a）宜采用特大泄放電流的SPD。少雷區（T15d/a）宜采用較小泄放電流的SPD。大容量配電變壓器高低壓繞組耦合尖峰電流較大，宜采用大容量SPD。2）線路中段設中等容量SPD，就地配電箱設小容量SPD。電源進線處SPD是最重要的，但也是最低水平的保護，它對抑制出現在信息系統機房設備面臨的內部電涌不起作用。分支線（或分配電盤）及終端配電盤內的SPD具有同樣重要性，具有外部電涌后備保護和內部電涌直接保護的雙重功能。2000年版規范實際上提出了分級設置SPD保護的原則，并給出相關的選用參考值（見表2）。 4 結束語 2000年版規范增補內容中有許