试论建筑物内电气设备防雷的设计

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摘  要：我国每年因雷击破坏建筑物内电气设备的事件时有发生，所造成的损失非常巨大。通过多年对建筑防雷设计方面的学习和研究，总结一些经验和同行共勉。

关键词：建筑物；电气设备；防雷；设计

随着现代社会的发展，建筑物的规模不断扩大，其中各种电气设备的使用日趋增多，尤其是计算机网络信息技术的普及，建筑物越来越多采用各种信息化的电气设备。我国每年因雷击破坏建筑物内电气设备的事件时有发生，所造成的损失非常巨大。因此建筑物的防雷设计就显得尤为重要。

    直击雷和感应雷是雷电入侵建筑物内电气设备的两种主要形式。直击雷是雷电直接击中线路并经过电气设备入地的雷击过电流；感应雷是由雷闪电流产生的强大电磁场变化与导体感应出的过电压，过电流对电气设备的毁坏。根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000年版）规定，建筑物的防雷区划分为LPZOA，LPZOB，LPZ1，LPZn+1等区（各区的具体含义本文不再赘述）。将需要保护的空间划分为不同的防雷分区，是为了规定各部分空间不同的雷击电磁脉冲的严重程度和等电位联结点的位置，从而决定位于各区域内的电子设备采用何种电涌保护器在何处以何种方式实现同联合接地体的等电位联结。

    建筑物直击雷防护的保护区域为LPZOB区，其保护设计已为电气设计人员所熟知，根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000年版），设计由避雷网（带），避雷针或混合组成的接闪器，基础内的钢筋网、柱筋及钢屋架等构成一个整体，避雷网通过全部立柱基础内的钢筋作为接地体，将强大的雷电流入大地。建筑物感应雷的保护区域为LPZOB，LPZ1，LPZn+1区，即不可能直接遭受雷击区域；感应雷是由雷击电磁脉冲感应而产生的，形成感应过电压的机率很高，对建筑物内的电气设备，尤其对低压电子设备威胁更大，所以说对建筑物内部设备的雷电保护的重点是防感应雷入侵。感应雷产生的过电压、过电流主要有以下三个途径：（1）由供电线路入侵；高压电力线路遭直击雷袭击后，经过变压器耦合到各低压0.38KV/0.22KV线路后传送到建筑物内各低压电气设备；另外低压线路也可能被直击雷击中或由于附近雷闪感应出过电压。据测，低压线路上感应的雷电过电压平均可达10KV，完全可以击坏各种电气设备，尤其是电子信息设备。（2）由建筑物内信息线路入侵；可分为三种情况：①当地面突出物遭受直击雷时，强雷电压将邻近土壤击穿，雷电流直接入侵到电缆外皮，进而击穿外皮，使高压入侵线路。②雷云对地面放电时，在线路上感应出上千伏的过电压，击坏与线路相连的电气设备，通过设备连线侵入通信线路。这种入侵沿通信线路传播，涉及面广，危害范围大。③若通过一条多芯电缆连接不同来源的导线或者多条电缆平行铺设时，当某一导线被雷电击中时，会在相邻的导线感应出过电压，击坏低压电气设备。（3）地电位反击电压通过接地体入侵；雷击时强大的雷电流经过引下线和接地体泄入大地，在接地体附近放射型的电位分布，若与有连接电子设备的其他接地体靠近时，即产生高压地电位反击。建筑物防直击雷的避雷装置接受了强大的雷电流通过引下线入地，在附近空间产生强大的电磁场变化，会在相邻的导线（包括电源线和信号线）上感应出雷电过电压，因此建筑物避雷系统不但不能保护计算机，反而可能引入了雷电。计算机网络系统等设备的集成电路芯片耐压能力很弱，通常在100伏以下，因此必须建立多层次的防雷系统，层层设防，确保计算机网络系统的安全。由此可见，对建筑物内各电气设备进行防感应雷保护设计是必不可少的一项内容；设计的合理与否，对电气设备的安全使用与运行有着至关重要的作用。

     根据国家标准《建筑物防雷设计规》GB50057-94（2000年版）第6.4.4条规定：电涌保护器必须能承受预期通过它们的雷电流，并应符合以下两个附加要求：通过电涌时的最大钳压，有能力熄灭在雷电流通过后产生的工频续流。即电涌保护器的最大钳压加上其两端的感应电压应与所属系统的基本绝缘水平和设备允许的最大电涌电压协调一致。

    现在，我们根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000年版）附录六规定的各类防雷建筑物的雷击电流值进行电涌保护器的最大放电电流的选择。

一类防雷建筑物，其首次雷击电流幅值为200KA，波头10us；二次雷击电流幅值为50KA，波头0.25us；根据图1，全部雷电流i的50%按流入建筑物防雷装置的接地装置计，另外50%按1/3分配于线缆计；首次雷击：总配电间每根供电线缆雷电流分流值为200×50%/3/3=11.11KA；后续雷击：总配电间每根供电线缆雷电流分流值为50×50%/3/3=2.78KA；如果电缆已经进行屏蔽处理，每根供电线缆雷电流的分流值将减低到原来的30%，即11.11KA×30%=3.33KA及2.78KA×30%=0.83KA，且电涌保护器承受10/350 us的雷电波能量相当于8/20 us的雷电波能量的5～8倍，所以选择能承受8/20 us波形电涌保护器的最大放电电流为11.11×8=88.9KA；即设计应选用电涌保护器SPD的最大放电电流为100KA。

二类防雷建筑物，其首次雷击电流幅值为150KA，波头10us；二次雷击电流幅值为37.5KA，波头0.25us；根据图1，全部雷电流i的50%按流入建筑物防雷装置的接地装置计，另外50%按1/3分配于线缆计；首次雷击：总配电间每根供电线缆雷电流分流值为150×50%/3/3=8.33KA；后续雷击：总配电间每根供电线缆雷电流的分流值为37.5×50%/3/3=2.08KA；如果电缆已经进行屏蔽处理，其每根供电线缆雷电流的分流值将减低到原来的30%，即 8.33KA×30%=2.5KA及2.08KA×30%=0.62KA，且电涌保护器承受10/350 us的雷电波能量相当于8/20 us的雷电波能量的5～8倍，所以选择能承受8/20 us波形电涌保护器的最大放电电流为8.33×8=66.6KA；即设计应选用电涌保护器SPD的最大放电电流为65KA。

三类防雷建筑物，其首次雷击电流幅值为100KA，波头10us；二次雷击电流幅值为25KA，波头0.25us；根据附图1，全部雷电流i的50%按流入建筑物防雷装置的接地装置计，另外50%按1/3分配于线缆计；首次雷击：总配电间每根供电线缆雷电流分流值为100×50%/3/3=5.55KA；后续雷击：总配电间每根供电线缆雷电流分流值为25×50%/3/3=1.39KA；如果进线电缆已经进行屏蔽处理，其每根供电线缆雷电流的分流值将减低到原来的30%，即 5.55KA×30%=1.66KA及1.39KA×30%=0.42KA，而在电涌保护器承受10/350 us的雷电波能量相当于8/20 us的雷电波能量的5～8倍，所以选择能承受8/20 us波形电涌保护器的最大放电电流为5.55×8=44.4KA；即设计应选用电涌保护器SPD的最大放电电流为40KA。

根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000年版）第6.4.7条规定，该级电涌保护器应在总配电间处安装，即在LPZOB与LPZ1区的交界处安装。

    上述各类防雷建筑，根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000年版）第6.4.8，第6.4.9条规定，应在分配电箱处，即在LPZ1与LPZ2区的交界处安装电涌保护器，其额定放电电流不宜小于5KA（8/20 us），故此处应选用电涌保护器SPD的最大放电电流为40KA，额定放电电流为10KA。