[防雷击建筑内置SPD的优化选择] 雷击的主要对象是建筑

　　摘要：本文主要概述雷电的产生、雷电的危害及形式；防护区的分类；电气线路三级防雷；SPD的两种选择方案比较等内容。 　　关键词：雷电产生危害形式；防护区三级防雷；SPD；首级与末端设置
　　中图分类号：TU856 文献标识码：A
　　1 雷电基本知识
　　1.1 雷电产生
　　雷电的产生：大气中的强对流会伴随着电荷分布的变化，大气电场也会随之发生变化，从而形成雷雨云(专业称“积雨云”)，雷雨云团之间或雷雨云团与大地之间就可能发生剧烈的放电现象，这种强烈的放电就是闪电，又称雷电或雷击。
　　我国平均每年因雷击灾害所造成的损失为几十亿元。针对雷电灾害我国近年来先后出台了多部防雷标准和规范，为减少和防止雷电灾害的发生，各级政府部门，施工单位应严格按照标准、规范的要求监督实施。
　　1.2 雷电的危害和雷电防护区
　　1.2.1 雷电危害
　　直击雷：直击雷是雷雨云对大地或建筑物的放电现象。它产生强大的脉冲电流、炽热的高温、猛烈的电动力损坏放电通道上的建筑物、输电线、室外电气、电子设备，击死击伤人员，同时产生的强烈的电磁感应和电磁辐射，对周围的电气、电子设备造成损坏或干扰。
　　雷击电磁脉冲（LEMP）：雷击电磁脉冲是由于雷雨云之间和雷雨云与大地之间放电时，产生的电磁感应、电磁辐射以及雷雨云与输电线静电感应电荷在雷击放电瞬间泄放，产生的过电压、过电流通过连接建筑物内外的各种金属管道、电源线、信号线、电视天线等进入室内设备，使用电设备损害。
　　对直击雷的防护主要采用避雷针、避雷带、引下线及接地体等传统的外部避雷装置，对雷击电磁脉冲的防护主要采用 SPD。
　　1.2.2 雷电防护区划分
　　直击雷非防护区(LPZOA区)：本区内的各类物体完全暴露在外部防雷装置的保护范围之外，都可能遭到直接雷击；本区内的电磁场未得到任何屏蔽衰减，属完全暴露的不设防区。
　　直击雷防护区(LPZOB区)：本区的各类物体处在外部防雷装置保护范围之内，应很少能遭到大于所选滚球半径的直接雷击；但本区内电磁场未得到任何屏蔽衰减，属充分暴露的直击雷防护区。
　　第一屏蔽保护区(LPz1区)：本区内的各类物体不可能遭受直接雷击，流经各类导体的雷电流已经分流，比PZOB区进一步减小；且由于屏蔽措施，本区的电磁场强度也已得到了初步的衰减。为了进一步减小雷击电磁脉冲的影响，可设第二屏蔽保护区LPZ2：和第三屏蔽保护区LPZ3。
　　2 电源线路SPD的选择要求
　　2.1 SPD配置的通常做法
　　2.1.1 保护系统中设计SPD的各级安装
　　SPD的数量，依据雷电防护区概念的要求，被保护设备的抗扰能力和雷电防护分级而定。
　　2.1．2 在 LPZ0区与 LPZ1区交界处应安装Ⅰ级分类实验的SPD或限压型SPD作为第一级保护；在LPZ1区与LPZ2区交界处应安装限压型SPD作为第二级保护；在住宅配电箱输出端应安装限压型SPD作为第三级保护。
　　2.1.3 SPD连接导线应短而直，其长度不宜大于0.5m。如果电网中有几个浪涌保护器，它们将会互相影响，并联的保护器之间必须达到能量的配合才能确保被保护线路的安全。配合的效果是：当由雷电形成一个浪涌过电压时，电涌保护器（B级）将可靠地响应，带走高能量的电流，以保护由于过载而损坏其它浪涌保护器（C级或 D级）。当 SPD具有能量自动配合功能时，线路长度不受上述规定限制。为防止SPD老化造成短路，SPD安装线路上应有过电流保护装置，宜选用有劣化显示功能的SPD。
　　2.1.4 在电源总配电柜输出端应安装标称放电电流In≥15KA（10/350μs波形）的开关型浪涌保护器；也可安装标称放电电流In≥80KA（8/20μs波形）的限压型SPD作为一级防护。
　　2.1.5 在分配电柜输出端应安装标称放电电流In≥40KA（8/20μs波形）的限压型SPD作为二级防护。
　　2.1.6 在住宅终端配电箱输出端应安装标称放电电流In≥20KA（8/20μs波形）限压型SPD作为三级防护。
　　2.1.7 在配电箱输出端也可安装混合型或串联型SPD，其技术指标应满足设备要求。
　　SPD 在低压系统中的配置的通常做法就是SPD 级数多，散布面广，器件数量多，投资大。同时给维护带来了不少麻烦，工程设计和施工阶段的工作量也大。这样的复杂系统，妨碍了SPD 应用技术的正常开展，下面提出一个易于操作且可靠的方案， 一般只有电源首级和设备末级供大家讨论。
　　2.2 只设置电源首级和设备末级的SPD 配置方案
　　2.2.1 首级位于电源进入建筑物后的第一级配电装置内。器件为两级可组装在一起的复合型SPD 产品 。内装第一级的SPD 的测试电流Iimp为10/350μs，而第二级的电压保护水平Up 可按需要选择，其原理是不用退耦电感，而靠第一级的电子自点火触发技术，它能得到可靠的级间配合。为了工作可靠，建议同时两组接入，一组因故障退出工作后可以保留另一组继续工作。分段后的母线均应各单独装设一组或两组。末级――即靠近末梢用电设备处设置SPD。
　　2.2.2 可以不设中间级吗？
　　2.2.2.1 非工业建筑，一般来说是完全可以的，理由如下：
　　首级和末级之间的电气环境条件，可以认定一般的非工业建筑为二级电气环境，浪涌电压一般不会超过1kV，因为，在非工业建筑中，没有较大功率的用电设备，主要是指感生负载设备或电容器，在通断时会产生大的操作过电压，因而操作过电压的幅值及或然率将不大。
　　LPS 雷电保护系统的引下线一般都是沿建筑物的周边设置，雷击电流的在大部分直接泄入大地，只有小部分进入LPZ1 区内。较敏感的电子系统设置在平面布置上有条件对引下线保持一定的距离；功能最重要的，价格高的电子系统尽量远离引下线而靠近建筑物中心。
　　有条件可选用建筑中的外墙钢结构格栅作自然空间屏蔽，以保证空间磁场强度低于允许值，重要的电子系统按厂家要求可作特殊处理。由于雷电流是极高频的，按电磁感应原理，屏蔽层内部的磁通密度会衰减规范有公式可计算。
　　非工业建筑物中的电子设备是作业的主体设备，其平面布置都较整齐而有规律，有条件为它们设置良好的等位联结和接地系统。
　　2.2.2.2 不设中间级是否违背了划分LPZ 的原则？划分LPZ 雷电保护区的目的是将空间划分为不同的等级，在各个等级空间内部有基本相同的磁场强度和电气浪涌水平，这是实施保护措施后的结果，但不同的等级是按设备允许的电磁浪涌耐受水平来划分的，非工业建筑物内的电子系统的浪涌耐受水平基本相同，相对来说等级最少，因而LPZ 也可以少。
　　实际上，不设中间级不过是一个形象化的名词而已，在电气方面，将SPD 的第1和第2级组装成复合型SPD，而将第3级尽量靠近用户终端。在这个1～3级概念中，压缩了1～2级间的距离，加长了2～3级间的距离附带的好处是保证了2～3级SPD间的配合，第3级靠近用户，又保证了用户终端设备浪涌保护的可靠性和有效性。
　　至于磁屏蔽方面，根据需要，对于非工业建筑而言，如果需要可以加强也易于实施外墙的磁屏蔽效果，也可将敏感电子设备尽量远离外墙，遇到特别敏感的电子设备群，可设专用房间以增加屏蔽效果，进一步降低磁场强度。
　　因此，可以认为，不设中间级，并不违背划分LPZ 的原则。
　　2.2.2.3 工业建筑
　　由于工业建筑多种多样，某些轻工业场地有类似于上述非工业建筑的许多特点，也可以不设置中间级，至于其它工业视情况，需要对个案进行具体研究，主要决定于中间段干扰的强度和产生的机率，本文暂不讨论。
　　2.3 末级SPD 即保护末级用电设备的SPD 的选用原则
　　2.3.1 选用原则
　　按要求，最靠近不超过5m 距离用电设备的SPD 的电压水平至少要低于最敏感设备的耐受电压UW 的20％。按照绝缘配合要求，最敏感的I级设备的UW曾用UR 代表为1.5kV，常用用电设备Ⅱ级的UW 为2.5kV，这样，SPD 的Up分别应为0.8×1.5=1.2kV 和2.5×0.8=2kV。然而末级SPD 的市场产品一般最低为1.3～1.5kV 均按LPE 考虑，可以满足要求。
　　如果将首级的输出级即首级中的第二级和末级的产品Up 比较，则末级的SPD比首级产品的Up 有时还可能高些，产品出现这种情况的原因是首级的通流能力大，实际通过的电流也大，产品外形直径大，对限压型而言，其Up 就会低，这种情况对保护的目的不会有妨碍，因为总是希望将雷电流的大部分在首级就泄入大地，否则大的浪涌电流进入到建筑物内部会引起EMC 方面的许多麻烦。另外在首级和末级之间有干扰源，包括雷电剩余磁场时，干扰能量电流会向钳压低的地方向即首级流去和干扰源分别离首级和末级的距离也有关系，好在首级有足够的能力吸收该能量，末级SPD 的通流能力小，要使产品有很低的Up 可能是很困难的，最后特别要注意末级SPD 和被保护设备之间的距离不要超过5m，否则会降低保护效果。
　　总之，对一般的非工业或轻工业建筑物，只设置SPD 的电源首级复合型SPD和设备末级而不设置中间级的方案，通过以上对其技术可行性及具体配置作了分析和介绍，其优点显而易见。简单可靠，保护性能好，投资低，易于维护。
　　参考文献
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