建筑物弱電設(shè)備防雷設(shè)計(jì)

彭錦超， 何俊豪， 陳 坤

（1.四川安恒電力設(shè)計(jì)咨詢有限公司，四川成都 610041；2.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北武漢 430074）

建筑物弱電設(shè)備防雷設(shè)計(jì)

彭錦超1， 何俊豪1， 陳 坤2

（1.四川安恒電力設(shè)計(jì)咨詢有限公司，四川成都 610041；2.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北武漢 430074）

彭錦超（1983-），男，工程師，從事電力工程設(shè)計(jì)。

針對(duì)建筑物和電子信息系統(tǒng)的雷電災(zāi)害防護(hù)現(xiàn)狀，從雷電入侵的途徑來(lái)劃分建筑物防雷區(qū)域，介紹了電涌保護(hù)器和等電位聯(lián)結(jié)在弱電設(shè)備防雷中的應(yīng)用。指出弱電設(shè)備防雷設(shè)計(jì)時(shí)要合理地選擇電涌保護(hù)器，使電子設(shè)備免受電涌過(guò)電壓的破壞，實(shí)現(xiàn)有效地雷電電磁脈沖防護(hù)。

雷電入侵；弱電設(shè)備；電涌保護(hù)器；等電位聯(lián)結(jié)

0 引 言

目前,各種先進(jìn)的具有通信、監(jiān)測(cè)、控制功能的辦公自動(dòng)化和電子設(shè)備應(yīng)用到各類建筑中。這些設(shè)備耐過(guò)電壓能力低,絕緣強(qiáng)度低,雷電高電壓入侵會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng),雷電電磁脈沖的侵入會(huì)造成干擾和永久性破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì),約25%的電子設(shè)備損壞是由供電系統(tǒng)過(guò)電壓造成的。即使采用穩(wěn)壓電源或不間斷電源,也不能消除瞬時(shí)過(guò)電壓的破壞作用,在強(qiáng)大的瞬時(shí)過(guò)電壓作用下,穩(wěn)壓電源和不間斷電源本身也可能被損壞。為保證電子設(shè)備免受電涌過(guò)電壓的破壞,在建筑物的屏蔽和接地措施達(dá)不到保護(hù)弱電設(shè)備的要求時(shí),在電氣系統(tǒng)中加裝多級(jí)電涌保護(hù)器(Surge Protective Device, SPD),便可將電涌電壓限制在相應(yīng)設(shè)備的耐壓等級(jí)范圍內(nèi),有效防止雷電電磁脈沖的侵入。

1 建筑物雷電入侵途徑

建筑物的弱電設(shè)備主要受直擊雷、傳導(dǎo)雷、雷電感應(yīng)及操作過(guò)電壓的影響。

(1)直擊雷。如果雷電直接擊中建筑物、房屋及地基接地連接的所有電氣設(shè)施,接地網(wǎng)的地電位水平會(huì)在微秒內(nèi)被抬高幾萬(wàn)伏,雷電流將從各裝置的接地部門流向供電或數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。同時(shí),在未實(shí)行等電位聯(lián)結(jié)的導(dǎo)線回路中,可能誘發(fā)高電位產(chǎn)生危險(xiǎn)的火花放電。

(2)傳導(dǎo)雷。雷電不直接在建筑物放電,而是對(duì)建筑物外部的線纜放電。雷擊的影響及過(guò)電壓幾乎以光速沿著電纜線路擴(kuò)散,危及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、儀表和控制系統(tǒng)等電子設(shè)備。

(3)感應(yīng)雷。雷擊在保護(hù)設(shè)備或線路周圍發(fā)生,閃電不直接對(duì)地放電,只在云層與云層之間發(fā)生放電現(xiàn)象,并在電源和數(shù)據(jù)傳輸線路上感應(yīng)生成過(guò)電壓。

(4)開關(guān)操作過(guò)電壓。大型電感性和電容性負(fù)載的開關(guān),甚至供電網(wǎng)中接地故障或短路均可產(chǎn)生高壓峰值,在此情況下,對(duì)電子系統(tǒng)構(gòu)成的影響是一樣的。

2 建筑物防雷保護(hù)區(qū)域的劃分

IEC 61312_1將需要保護(hù)的空間劃分為不同的雷電防護(hù)區(qū),并對(duì)各個(gè)防雷保護(hù)區(qū)的電磁環(huán)境進(jìn)行描述。雷電保護(hù)區(qū)的劃分如圖1所示。

圖1 雷電保護(hù)區(qū)的劃分

雷電保護(hù)區(qū)LPZ0A的物體都可能遭受直接雷擊,同時(shí)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)沒(méi)有衰減。

雷電保護(hù)區(qū)LPZ0B的物體在接閃器保護(hù)范圍內(nèi)不會(huì)遭受直接雷擊,但雷電電磁場(chǎng)沒(méi)有屏蔽裝置,雷電產(chǎn)生的電磁場(chǎng)沒(méi)有衰減。

雷電保護(hù)區(qū)LPZ1的物體因在建筑物內(nèi),不會(huì)遭受直接雷擊。流進(jìn)各導(dǎo)體的電流比LPZ0B區(qū)更小,雷電電磁場(chǎng)可能衰減(雷電電磁場(chǎng)與LPZ0A、LPZ0B區(qū)可能不一致),這取決于屏蔽措施。

當(dāng)需要進(jìn)一步減少雷電流和電磁場(chǎng)時(shí),應(yīng)引入后續(xù)防雷區(qū)LPZ2等,并按照需要保護(hù)系統(tǒng)所要求的環(huán)境選擇后續(xù)防雷區(qū)的要求條件。

根據(jù)雷電電磁脈沖強(qiáng)度變化的嚴(yán)重程度,確定SPD安裝位置和等電位聯(lián)結(jié)點(diǎn)的位置。防雷保護(hù)器安裝位置如表1所示。

表1 防雷保護(hù)器安裝位置

3 建筑物弱電設(shè)備防雷方案

3.1 建筑物弱電防雷總體方案

GB 50343－2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》規(guī)定,電子信息系統(tǒng)應(yīng)采用外部防雷和內(nèi)部防雷等措施進(jìn)行綜合防護(hù)。建筑物弱電設(shè)備防雷保護(hù)的整體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 建筑物弱電設(shè)備防雷保護(hù)的整體設(shè)計(jì)

建筑物弱電設(shè)備防雷方案的設(shè)計(jì)應(yīng)按照低殘壓、全保護(hù)的安全防雷理念,對(duì)電源系統(tǒng)安裝三級(jí)SPD進(jìn)行防雷保護(hù),對(duì)信號(hào)設(shè)備安裝對(duì)應(yīng)SPD進(jìn)行保護(hù)。

3.2 電源系統(tǒng)SPD的選型及安裝

3.2.1 SPD選型

電源線路應(yīng)裝設(shè)多級(jí)SPD防護(hù),以達(dá)到分級(jí)泄流的目的。

(1)第一級(jí)SPD安裝在低壓變壓器通過(guò)低壓架空線或電纜通向建筑物總配電柜的進(jìn)線側(cè),主要是泄放大部分入侵建筑物的雷電流。該區(qū)域?qū)儆贐級(jí)防雷區(qū),雷擊危險(xiǎn)性較高,應(yīng)采用標(biāo)稱放電放電電流≥40 kA、最大持續(xù)操作電壓≥385 V、泄漏電流＜20μA、響應(yīng)時(shí)間＜25 ns的B級(jí)防雷保護(hù)裝置。

(2)第二級(jí)SPD安裝在樓層分配電柜380 V進(jìn)線側(cè),主要用于顯示雷擊引起的瞬態(tài)過(guò)電壓,防止雷擊過(guò)電壓從交流配電線進(jìn)入用戶端。該區(qū)域?qū)儆贑級(jí)防雷區(qū),應(yīng)采用標(biāo)稱電流放電電流≥20 kA、最大持續(xù)操作電壓≥275 V、泄漏電流＜20μA、響應(yīng)時(shí)間＜25 ns的C級(jí)防雷保護(hù)裝置。

(3)第三級(jí)SPD安裝在用戶端控制箱進(jìn)線側(cè),主要用以限制電網(wǎng)中的過(guò)電壓,使其不超過(guò)電氣設(shè)備所能承受的沖擊耐受電壓,保護(hù)設(shè)備免受雷電造成的危害。對(duì)于直流電源設(shè)備,視其工作電壓需要,宜分別選用適配的直流電源的SPD作為末級(jí)保護(hù)。該區(qū)域?qū)儆贒級(jí)防雷區(qū),應(yīng)采用標(biāo)稱電流放電電流≥10 kA、最大持續(xù)操作電壓≥275 V、泄漏電流＜20μA、響應(yīng)時(shí)間＜25 ns的D級(jí)防雷保護(hù)裝置。對(duì)于直流電源防雷器,根據(jù)工作電壓可選擇標(biāo)稱電流放電電流≥10 kA,最大持續(xù)操作電壓≥350、175、85 V,響應(yīng)時(shí)間＜25 ns的直流防雷保護(hù)裝置。

3.2.2 SPD安裝

電源防雷器安裝在被保護(hù)設(shè)備電源線路的前端,SPD各接線端分別與電源線路的同名端相線連接,SPD接地端與保護(hù)接地線(PE)接地端子排連接,接地端子排與所處防雷區(qū)的等電位接地端子排連接。安裝時(shí)連接導(dǎo)線盡量平直,接地導(dǎo)線長(zhǎng)度控制在0.5 m內(nèi)。當(dāng)電壓開關(guān)型SPD至限壓型SPD之間的線路長(zhǎng)度＜10 m,限壓型SPD之間的線路長(zhǎng)度小于5 m時(shí),在兩級(jí)SPD之間應(yīng)加裝退耦裝置。當(dāng)SPD具有能量自動(dòng)配合功能時(shí),SPD之間的線路長(zhǎng)度不受限制。電源SPD前端串聯(lián)與此匹配的聯(lián)動(dòng)萬(wàn)能式斷路器,其額定電流參考所接SPD的標(biāo)稱放電電流來(lái)選擇。電源SPD的連接導(dǎo)線最小截面積如表2所示。

表2 連接導(dǎo)線最小截面積

3.3 信號(hào)系統(tǒng)防雷保護(hù)器的選型及安裝

3.3.1 信號(hào)系統(tǒng)防雷保護(hù)器的選型

信號(hào)設(shè)備根據(jù)信號(hào)確定對(duì)應(yīng)信號(hào)防雷器,以保證信號(hào)的正常傳輸。

(1)載波線防雷。在載波到通信柜前串聯(lián)安裝雙絞線信號(hào)防雷器,防止載波線路在高壓場(chǎng)的感應(yīng)雷進(jìn)入機(jī)房,對(duì)設(shè)備構(gòu)成危害。為取得很好的效果,用戶話路盤、程控交換機(jī)通信線、Modem及信號(hào)線的過(guò)電壓保護(hù)應(yīng)采用四級(jí)保護(hù)。過(guò)電壓保護(hù)器最好能同時(shí)具有保護(hù)模塊失效自動(dòng)報(bào)警、過(guò)電壓次數(shù)自動(dòng)記錄、停電后記錄的過(guò)電壓次數(shù)不丟失等功能。

(2)通信線防雷。在通信線進(jìn)入設(shè)備之前串聯(lián)過(guò)電壓保護(hù)器,抑制沿線路傳導(dǎo)的過(guò)電壓對(duì)設(shè)備造成危害,以滿足ADSL、ISDN、DDN幀中繼、模擬電話線等多種通信線路的防雷保護(hù)。

(3)天饋線防雷。對(duì)擁有帶BNC或N接頭的連接收發(fā)器GPS時(shí)鐘系統(tǒng),在同軸電纜進(jìn)入同步裝置屏前串聯(lián)安裝高頻饋線防雷器,防止天饋線路從戶外引入雷擊過(guò)電壓,對(duì)設(shè)備構(gòu)成危害。

(4)設(shè)備間通信線路防雷。在通信接口的兩端分別安裝相應(yīng)的信號(hào)防雷器,防止過(guò)電壓擊毀通信端口或引起設(shè)備集成電路芯片損壞。

對(duì)于數(shù)據(jù)信號(hào)用防雷器,其鉗位電壓應(yīng)滿足自動(dòng)化設(shè)備信號(hào)傳輸速率及帶寬的需要,雷電響應(yīng)時(shí)間應(yīng)在10 ns內(nèi),其接口應(yīng)與被保護(hù)設(shè)備兼容,因此工程前應(yīng)提供被保護(hù)設(shè)備接口的詳細(xì)資料。如某樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)防雷工程,同樣是RS_ 485串口傳輸方式,接口類型有DB25或RJ11,為此可分別選用不同接口方式的防雷器,其標(biāo)稱放電電流為3 kA時(shí)殘壓≤1.50 V。

對(duì)于GPS用同軸型防雷器,其同軸型防雷器插入損耗≤0.3 dB,駐波比≤1.2,最大輸入功率能滿足發(fā)射機(jī)最大輸出功率的要求,安裝與接地方便,具有不同的接頭,標(biāo)稱放電電流＞5 kA。

對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)用防雷器,應(yīng)滿足各類接口設(shè)備傳輸速率的要求,接口應(yīng)與被保護(hù)設(shè)備兼容。如某變電站計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)防雷工程,可選用標(biāo)稱放電電流為5 kA時(shí)殘壓≤25 V的防雷器。

3.3.2 信號(hào)防雷保護(hù)器的安裝

信號(hào)SPD連接在被保護(hù)設(shè)備的信號(hào)端口上,輸出端與被保護(hù)設(shè)備的輸入端口相連。接地線采用截面積≥2.5 mm2的銅芯導(dǎo)線,與屏柜內(nèi)局部等電位接地端子板連接,接地線盡量平直。

天饋線信號(hào)SPD串接于天饋線與被保護(hù)設(shè)備之間,安裝在設(shè)備屏柜附近,也可以直接連接在設(shè)備饋線接口上。接地線采用截面積≥6 mm2的銅芯導(dǎo)線,就近連接到直擊雷非防護(hù)區(qū)(LPZ0A)或直擊雷防護(hù)區(qū)(LPZ0B)與第一防護(hù)區(qū)(LPZ1)交界處的等電位接地端子板上,接地線盡量平直。

3.4 等電位聯(lián)結(jié)

建筑物弱電防雷系統(tǒng)等電位聯(lián)結(jié)主要有以下三種連接形式：

(1)建筑物的供電制式采用TN_S系統(tǒng)時(shí),電子系統(tǒng)的接地采用共用接地系統(tǒng),電子設(shè)備各接地系統(tǒng)之間不用加裝SPD,采用直接等電位聯(lián)結(jié)。

(2)電子設(shè)備采用獨(dú)立接地極或共用接地系統(tǒng)(要求單點(diǎn)接地)時(shí),設(shè)備處各接地系統(tǒng)須絕緣,當(dāng)不能直接等電位聯(lián)結(jié)時(shí),為防止不同的地電位電涌過(guò)電壓對(duì)電子設(shè)備造成損害,需在不同的接地系統(tǒng)端子間加裝SPD,以達(dá)到間接等電位聯(lián)結(jié)。

(3)電力線路必須直接或間接進(jìn)行等電位聯(lián)結(jié)。保護(hù)地線PE、PEN可直接與等電位連接端子相連,三路相線通過(guò)電源SPD與等電位端子形成間接等電位聯(lián)結(jié)。

4 結(jié) 語(yǔ)

建筑物弱電設(shè)備的防雷較復(fù)雜,需要充分考慮接閃、分流、接地、等電位聯(lián)結(jié)、屏蔽、綜合布線等措施,才能起到較好的防雷效果。

SPD防護(hù)的作用主要是通過(guò)泄放雷電流、限制電涌電壓等來(lái)保護(hù)電子設(shè)備的,是目前電子設(shè)備內(nèi)部防雷的主要措施。對(duì)于建筑物弱電設(shè)備的防雷保護(hù)設(shè)計(jì),需綜合考慮系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的雷電過(guò)電壓、防雷保護(hù)器的保護(hù)特性和電子設(shè)備對(duì)雷電過(guò)電壓的耐受特性,以合理選擇SPD,實(shí)現(xiàn)有效的雷電電磁脈沖防護(hù)。

[1] GB 50343-2004 建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 趙晉文.浪涌電壓保護(hù)器在建筑物防雷中的應(yīng)用[J].山西建筑，2008，34（19）：183-184

[3] 陳萬(wàn)禎.淺談等電位連接在建筑物防雷系統(tǒng)中作用[J].河北北方學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，26（4）：20-22.

Lightning Protection DeSign of W eak Current EquiPment in BuildingS

PENG Jinchao1, HE Junhao1, CHEN Kun2
(1.Sichuan Anheng Electric Power Design Consulting Co.,Ltd.,Chengdu 610041,China；2.Wuhan NARICo.,Ltd.,State Grid Electric Power Research Institute,Wuhan 430074,China)

Aiming at the lightning protection status of building and the electronic information system,the lightning protection areaswere divided from the lightning invasion way.The application of surge protective device(SPD) and the and equipotential bonding were introduced in the weak current equipment.It is pointed out that the SPD is reasonably selected to protect the electronic equipment from the destruction of the surge overvoltage and realize the effective protection of lightning electromagnetic pulse.

lightning invaSion；Weak current equiPment；Surge Protective device（SPD）；equiPotential connection

TU 856

B

1674-8417(2015)12-0021-04

2015- 06- 28

何俊豪（1984-），男，工程師，從事電力系統(tǒng)防雷接地和配網(wǎng)自動(dòng)化方面的工作。

陳 坤（1982-），男，工程師，從事電力系統(tǒng)雷電防護(hù)與接地工程技術(shù)方面的工作。