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試論建筑物內電氣設備防雷的設計
摘 要：我國每年因雷擊破壞建筑物內電氣設備的事件時(shí)有發(fā)生，所造成的損失非常巨大。通過(guò)多年對建筑防雷設計方面的學(xué)習和研究，總結一些經(jīng)驗和同行共勉。
關(guān)鍵詞：建筑物；電氣設備；防雷；設計
隨著(zhù)現代社會(huì )的發(fā)展，建筑物的規模不斷擴大，其中各種電氣設備的使用日趨增多，尤其是計算機網(wǎng)絡(luò )信息技術(shù)的普及，建筑物越來(lái)越多采用各種信息化的電氣設備。我國每年因雷擊破壞建筑物內電氣設備的事件時(shí)有發(fā)生，所造成的損失非常巨大。因此建筑物的防雷設計就顯得尤為重要。
直擊雷和感應雷是雷電入侵建筑物內電氣設備的兩種主要形式。直擊雷是雷電直接擊中線(xiàn)路并經(jīng)過(guò)電氣設備入地的雷擊過(guò)電流；感應雷是由雷閃電流產(chǎn)生的強大電磁場(chǎng)變化與導體感應出的過(guò)電壓，過(guò)電流對電氣設備的毀壞。根據國家標準《建筑物防雷設計規范》GB50057-94（2000年版）規定，建筑物的防雷區劃分為L(cháng)PZOA，LPZOB，LPZ1，LPZn+1等區（各區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，是為了規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)結點(diǎn)的位置，從而決定位于各區域內的電子設備采用何種電涌保護器在何處以何種方式實(shí)現同聯(lián)合接地體的等電位聯(lián)結。
建筑物直擊雷防護的保護區域為L(cháng)PZOB區，其保護設計已為電氣設計人員所熟知，根據國家標準《建筑物防雷設計規范》GB50057-94（2000年版），設計由避雷網(wǎng)（帶），避雷針或混合組成的接閃器，基礎內的鋼筋網(wǎng)、柱筋及鋼屋架等構成一個(gè)整體，避雷網(wǎng)通過(guò)全部立柱基礎內的鋼筋作為接地體，將強大的雷電流入大地。建筑物感應雷的保護區域為L(cháng)PZOB，LPZ1，LPZn+1區，即不可能直接遭受雷擊區域；感應雷是由雷擊電磁脈沖感應而產(chǎn)生的，形成感應過(guò)電壓的機率很高，對建筑物內的電氣設備，尤其對低壓電子設備威脅更大，所以說(shuō)對建筑物內部設備的雷電保護的重點(diǎn)是防感應雷入侵。感應雷產(chǎn)生的過(guò)電壓、過(guò)電流主要有以下三個(gè)途徑：（1）由供電線(xiàn)路入侵；高壓電力線(xiàn)路遭直擊雷襲擊后，經(jīng)過(guò)變壓器耦合到各低壓0.38KV/0.22KV線(xiàn)路后傳送到建筑物內各低壓電氣設備；另外低壓線(xiàn)路也可能被直擊雷擊中或由于附近雷閃感應出過(guò)電壓。據測，低壓線(xiàn)路上感應的雷電過(guò)電壓平均可達10KV，完全可以擊壞各種電氣設備，尤其是電子信息設備。（2）由建筑物內信息線(xiàn)路入侵；可分為三種情況：①當地面突出物遭受直擊雷時(shí)，強雷電壓將鄰近土壤擊穿，雷電流直接入侵到電纜外皮，進(jìn)而擊穿外皮，使高壓入侵線(xiàn)路。②雷云對地面放電時(shí)，在線(xiàn)路上感應出上千伏的過(guò)電壓，擊壞與線(xiàn)路相連的電氣設備，通過(guò)設備連線(xiàn)侵入通信線(xiàn)路。這種入侵沿通信線(xiàn)路傳播，涉及面廣，危害范圍大。③若通過(guò)一條多芯電纜連接不同來(lái)源的導線(xiàn)或者多條電纜平行鋪設時(shí)，當某一導線(xiàn)被雷電擊中時(shí)，會(huì )在相鄰的導線(xiàn)感應出過(guò)電壓，擊壞低壓電氣設備。（3）地電位反擊電壓通過(guò)接地體入侵；雷擊時(shí)強大的雷電流經(jīng)過(guò)引下線(xiàn)和接地體泄入大地，在接地體附近放射型的電位分布，若與有連接電子設備的其他接地體靠近時(shí)，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(guò)引下線(xiàn)入地，在附近空間產(chǎn)生強大的電磁場(chǎng)變化，會(huì )在相鄰的導線(xiàn)（包括電源線(xiàn)和信號線(xiàn)）上感應出雷電過(guò)電壓，因此建筑物避雷系統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 )系統等設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，層層設防，確保計算機網(wǎng)絡(luò )系統的安全。由此可見(jiàn)，對建筑物內各電氣設備進(jìn)行防感應雷保護設計是必不可少的一項內容；設計的合理與否，對電氣設備的安全使用與運行有著(zhù)至關(guān)重要的作用。
根據國家標準《建筑物防雷設計規》GB50057-94（2000年版）第6.4.4條規定：電涌保護器必須能承受預期通過(guò)它們的雷電流，并應符合以下兩個(gè)附加要求：通過(guò)電涌時(shí)的最大鉗壓，有能力熄滅在雷電流通過(guò)后產(chǎn)生的工頻續流。即電涌保護器的最大鉗壓加上其兩端的感應電壓應與所屬系統的基本絕緣水平和設備允許的最大電涌電壓協(xié)調一致。
現在，我們根據國家標準《建筑物防雷設計規范》GB50057-94（2000年版）附錄六規定的各類(lèi)防雷建筑物的雷擊電流值進(jìn)行電涌保護器的最大放電電流的選擇。
一類(lèi)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(xiàn)纜計；首次雷擊：總配電間每根供電線(xiàn)纜雷電流分流值為200×50%/3/3=11.11KA；后續雷擊：總配電間每根供電線(xiàn)纜雷電流分流值為50×50%/3/3=2.78KA；如果電纜已經(jīng)進(jìn)行屏蔽處理，每根供電線(xiàn)纜雷電流的分流值將減低到原來(lái)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；即設計應選用電涌保護器SPD的最大放電電流為100KA。
二類(lèi)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(xiàn)纜計；首次雷擊：總配電間每根供電線(xiàn)纜雷電流分流值為150×50%/3/3=8.33KA；后續雷擊：總配電間每根供電線(xiàn)纜雷電流的分流值為37.5×50%/3/3=2.08KA；如果電纜已經(jīng)進(jìn)行屏蔽處理，其每根供電線(xiàn)纜雷電流的分流值將減低到原來(lái)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；即設計應選用電涌保護器SPD的最大放電電流為65KA。
三類(lèi)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(xiàn)纜計；首次雷擊：總配電間每根供電線(xiàn)纜雷電流分流值為100×50%/3/3=5.55KA；后續雷擊：總配電間每根供電線(xiàn)纜雷電流分流值為25×50%/3/3=1.39KA；如果進(jìn)線(xiàn)電纜已經(jīng)進(jìn)行屏蔽處理，其每根供電線(xiàn)纜雷電流的分流值將減低到原來(lái)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；即設計應選用電涌保護器SPD的最大放電電流為40KA。
根據國家標準《建筑物防雷設計規范》GB50057-94（2000年版）第6.4.7條規定，該級電涌保護器應在總配電間處安裝，即在LPZOB與LPZ1區的交界處安裝。
上述各類(lèi)防雷建筑，根據國家標準《建筑物防雷設計規范》GB50057-94（2000年版）第6.4.8，第6.4.9條規定，應在分配電箱處，即在LPZ1與LPZ2區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。
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