建筑物防雷保護設(shè)計淺析

摘要：本文就設(shè)計中建筑物防雷保護在防直擊雷、雷電波侵入以及相應(yīng)的解決措施做了一些分析。
關(guān)鍵詞：建筑物 防雷保護
隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，建筑物的規(guī)模不斷擴大，其內(nèi)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，過電流形成的雷擊。根據(jù)國家標準《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重程度和等電位聯(lián)結(jié)點的位置，從而決定位于該區(qū)域的電子設(shè)備采用何種電涌保護器在何處以何種方式實現(xiàn)與共同接地體等電位聯(lián)結(jié)。
建筑物直擊雷的保護區(qū)域為LPZOA區(qū)，其保護設(shè)計已為電氣設(shè)計人員所熟知，根據(jù)國家標準《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，立柱基礎(chǔ)的鋼筋網(wǎng)與鋼屋架，屋面板鋼筋等構(gòu)成一個整體，避雷網(wǎng)通過全部立柱基礎(chǔ)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)雷是由遭受雷擊電磁脈沖感應(yīng)或靜電感應(yīng)而產(chǎn)生的，形成感應(yīng)雷電壓的機率很高，對建筑物內(nèi)的電氣設(shè)備，尤其低壓電子設(shè)備威脅巨大，所以說對建筑物內(nèi)部設(shè)備的防雷保護的重點是防止感應(yīng)雷入侵。由感應(yīng)雷產(chǎn)生的雷電過電壓過電流主要有以下三個途徑：（1）由供電電源線路入侵；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感應(yīng)雷過電壓。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)計算機通信等信息線路入侵；可分為三種情況：①當?shù)孛嫱怀鑫镌庵睋衾状驌魰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器設(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，擊壞低壓電子設(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，入侵電壓可高達數(shù)萬伏。建筑物防直擊雷的避雷引入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計算機防雷系統(tǒng)，層層防護，確保計算機特別是計算機網(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。
目前，在感應(yīng)雷的防護當中，電涌保護器的使用已日趨頻繁；它能根據(jù)各種線路中出現(xiàn)的過電壓，過電流及時作出反應(yīng)，泄放線路的過電流，從而達到保護電氣設(shè)備的目的。
根據(jù)國家標準《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》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)國家標準《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、一類防雷建筑物
1、根據(jù)國家標準《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50057-94（2000年版）附錄六規(guī)定，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：總配電間第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11.11KA*30%=3.3KA及2.78KA*30%=0.8KA，而在電涌保護器承受10/350 us的雷電波能量相當于
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，以法國SOULE公司產(chǎn)品為例，選用PU100型。根據(jù)國家標準《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LPZOA，LPZOB與LPZ1區(qū)的交界處安裝。
2、根據(jù)國家標準《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，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；以法國SOULE公司產(chǎn)品為例，選用PU40型。
二、二類防雷建筑物
1、根據(jù)國家標準《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50057-94（2000年版）附錄六規(guī)定，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 8.33KA*30%=2.5KA及2.08KA*30%=0.6KA，而在電涌保護器承受10/350 us的雷電波能量相當于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，以法國SOULE公司產(chǎn)品為例，選用PU65型。根據(jù)國家標準《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LPZOA，LPZOB與LPZ1區(qū)的交界處安裝。
2、根據(jù)國家標準《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，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；以法國SOULE公司產(chǎn)品為例，選用PU40型。
三、三類防雷建筑物
1、根據(jù)國家標準《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50057-94（2000年版）附錄六規(guī)定，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%=1.7KA及1.39KA*30%=0.4KA，而在電涌保護器承受10/350 us的雷電波能量相當于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，以法國SOULE公司產(chǎn)品為例，選用PU40型，根據(jù)國家標準《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LPZOA，LPZOB與LPZ1區(qū)的交界處安裝。
2、根據(jù)國家標準《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，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；以法國SOULE公司產(chǎn)品為例，選用PU40型。
在供電線路中,電涌保護器的具體安裝以較常用的TN－S系統(tǒng)，TN－C－S系統(tǒng)，TT系統(tǒng)為例，示意如下：
1）TN-S系統(tǒng)過電壓保護方式
2）TN-C-S系統(tǒng)過電壓保護方式
3）TT系統(tǒng)過電壓保護方式
綜上所述可見，在防雷保護設(shè)計中，總的防雷原則是采用三級保護：1、將絕大部分雷電流直接引入地下基礎(chǔ)接地裝置泄散；2、阻塞沿電源線或數(shù)據(jù)、信號線引入的過電壓；3、限制被保護設(shè)備上浪涌過電壓幅值（過電壓保護）。這三道防線，缺一不可，相互配合，各行其責。目前通常作法是以下三點：
1）建立聯(lián)合共用接地系統(tǒng)，形成等電位防雷體系
將建筑物的基礎(chǔ)鋼筋（包括樁基、承臺、底板、地梁等），梁柱鋼筋，金屬框架，建筑物防雷引下線等連接起來，形成閉合良好的法拉第籠式接地，將建筑物各部分的接地（包括交流工作地，安全保護地，直流工作地，防雷接地）與建筑物法拉第籠良好連接，從而避免各接地線之間存在電位差，以消除感應(yīng)過電壓產(chǎn)生。
2）電源系統(tǒng)防雷
以建筑物為一個供電單元，應(yīng)在供電線路的各部位（防雷區(qū)交接處）逐級安裝電涌保護器，以消除雷擊過電壓。
3）等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)
國家標準《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50057-94（局部修訂條文）明確規(guī)定，各防雷區(qū)交接處，必須進行等電位聯(lián)結(jié)；尤其建筑物內(nèi)的計算機房等弱電機房，遭受直擊雷的可能性比較小，所以在此處除采取電涌保護器進行感應(yīng)雷防護外，還應(yīng)采用等電位聯(lián)結(jié)方式來進行防雷保護，本文不再敘述。
作為電氣設(shè)計人員都非常清楚，建筑物的防雷保護設(shè)計是一項既簡單又繁瑣的內(nèi)容，但對建筑物的安全使用，電氣設(shè)備的正常運行有著至關(guān)重要的作用，所以還有待于各位電氣設(shè)計人員作進一步的研究與探討；同時必須嚴格按照國家規(guī)范，善為謀劃，精心設(shè)計。本文僅此設(shè)計作了一點粗淺的探討，所以文中不足之處，望同行不吝賜教。
參考文獻
1、國家標準 建筑物防雷設(shè)計規(guī)范GB50057-94（2000年版）北京 中國計劃出版社2001
2、中南建筑設(shè)計院主編 建筑物防雷設(shè)計安裝99D562 北京 中國建筑標準設(shè)計研究所出版1999.12
3、朱林根 主編 21世紀建筑電氣設(shè)計手冊下冊 北京 中國建筑工業(yè)出版社2001.3