淺析建筑物電氣防雷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

于堯

摘 要：該文從雷電的危害出發(fā)，介紹了建筑物雷電防護(hù)的等級和防護(hù)區(qū)的劃分等常識，分析了生活、工作中常見的建筑，對常用防雷接地設(shè)備和材料進(jìn)行簡要分析，對比經(jīng)濟(jì)、高效、合理、安全的設(shè)計(jì)方式方法，對一些常見問題進(jìn)行簡要分析，希望可以對設(shè)計(jì)工作者提供一些參考。

關(guān)鍵詞：雷電危害；人身安全；防雷接地；設(shè)備保護(hù)

中圖分類號：TU856 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

經(jīng)濟(jì)的不斷增長推動了各行業(yè)的快速發(fā)展，電氣設(shè)備逐漸高精化，人類社會已經(jīng)進(jìn)入電子信息時(shí)代，同時(shí)對于生活、工作的環(huán)境和財(cái)產(chǎn)安全也有了更高要求。雷電災(zāi)害被有關(guān)部門認(rèn)為是最嚴(yán)重的10個(gè)自然災(zāi)害之一。從一些統(tǒng)計(jì)資料上看，雷電損失處于自然災(zāi)害第3位。世界上每年由于雷擊出現(xiàn)人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失的情況比比皆是。相關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，國內(nèi)每年因雷擊產(chǎn)生人員傷亡有3000～4000人，而且財(cái)產(chǎn)損失為50億元～100億元不等，間接損失和影響更是難以估量。所以，對建筑物合理的防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

1 雷電防護(hù)分區(qū)

1.1 雷電防護(hù)等級和防護(hù)區(qū)

從建筑物使用性質(zhì)、雷電事故后果等方面，根據(jù)有關(guān)防雷設(shè)計(jì)具體規(guī)范，人們習(xí)慣將建筑物區(qū)分成一類、二類和三類防雷建筑，建筑物電子信息系統(tǒng)雷電防護(hù)等級分為A級、B級、C級、D級。

雷電防護(hù)區(qū)的劃分：LPZOA區(qū)，受全部雷電威脅的區(qū)域。LPZOB區(qū)，直接雷擊的防護(hù)區(qū)，可能會受到雷電浪涌的。相比之下，LPZ1區(qū)屬于第一屏蔽的保護(hù)區(qū)，在此區(qū)內(nèi)部，不同物體無法受直接雷擊，流經(jīng)導(dǎo)體的雷電流會被邊界處分流和SPD保護(hù)，且因屏蔽的一系列措施，此區(qū)電磁場強(qiáng)度大大地衰減。要想減小電磁脈沖影響，應(yīng)設(shè)置第二屏蔽的保護(hù)區(qū)，也就是LPZ2與LPZn這2個(gè)后續(xù)屏蔽的保護(hù)區(qū)。

1.2 雷暴日等級劃分

雷暴日數(shù)應(yīng)以國家公布的當(dāng)?shù)啬昶骄妆┤諗?shù)為準(zhǔn)。按年平均雷暴日數(shù)，地區(qū)雷暴日等級劃分為少雷區(qū)（小于等于25天的地區(qū)）、中雷區(qū)（大于25天，不超過40天的地區(qū)）、多雷區(qū)（大于40天，不超過90天的地區(qū)）、強(qiáng)雷區(qū)（大于90天的地區(qū)）等4個(gè)級別。以徐州市為例，年平均雷暴日為29.4，屬于中雷區(qū)。

2 建筑防雷保護(hù)

2.1 建筑物的防雷裝置應(yīng)滿足防直擊雷、防雷電感應(yīng)及雷電波的侵入

直擊雷分為直面擊雷和側(cè)擊雷。其保護(hù)原理是將雷電引向大地深處，從而保護(hù)其他免遭雷擊。生活中一般高大建筑的防護(hù)主要采用接閃器（避雷帶、避雷網(wǎng)等）、引下線及接地體等傳統(tǒng)的外部避雷裝置。

近年來，直擊雷造成的災(zāi)害已明顯減少，而隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電氣設(shè)備元器件越來越精細(xì)化，雷電波侵入危害極大地增加。普通建筑物避雷網(wǎng)僅可以做到直擊雷的預(yù)防，但是強(qiáng)大的電磁場脈沖電壓與感應(yīng)雷卻能潛入室內(nèi)，危害電腦、聯(lián)網(wǎng)微機(jī)這類弱電的設(shè)備。與此同時(shí)，防雷電感應(yīng)高壓能夠把室內(nèi)外金屬管道、設(shè)備、結(jié)構(gòu)鋼筋接地。為了防止雷擊電磁脈沖波，可將進(jìn)入建筑物的線路、管道連接電纜金屬外皮和鋼導(dǎo)管并入接地網(wǎng)，然后在電源引入的部位，也就是總配電箱、弱電系統(tǒng)箱安裝浪涌保護(hù)器（即SPD）。需要注意的是，SPD保護(hù)器的類型及數(shù)量，換照雷電防護(hù)區(qū)相關(guān)要求，受保護(hù)設(shè)備的雷電防護(hù)分級、抗擾能力來確定。

2.2 在防雷保護(hù)系統(tǒng)中SPD的各級分類

SPD全稱Surge Protection Device（電涌保護(hù)器），也叫作避雷器，它的主要作用是將進(jìn)入電力線、傳輸線的過電壓保持于設(shè)備或系統(tǒng)可接受的電壓范圍內(nèi)，有時(shí)會把強(qiáng)大的雷電流泄流入地，讓被保護(hù)的系統(tǒng)不會損壞。分為電壓開關(guān)型、電壓限制型和混合型：

（1）電壓開關(guān)型，采用限流型采用氣體放電管GDT、火花間隙等開關(guān)型元器件的SPD。

（2）電壓限制型，采用壓敏電阻MOV等限壓型元器件的SPD。

（3）組合型，由開關(guān)型組件、電壓限制組件共同組成，具備電壓開關(guān)型、限壓型兩者都有的特性，最終依然取決于所加電壓當(dāng)前特性。

按照沖擊通流容量和保護(hù)級別分類，SPD可分為I類試驗(yàn)（T1）、II類試驗(yàn)（T2）和III類試驗(yàn)（T3）級其中T1與T2兩者之間的能量差別巨大，前者是直接被擊中，后者是受到?jīng)_擊波影響。通過第一級浪涌保護(hù)器，避免直接的傳導(dǎo)雷進(jìn)入LPZ1區(qū)內(nèi)，把數(shù)萬、數(shù)十萬伏浪涌電壓保持于4 000 V下；通過第二級浪涌保護(hù)器，再把通過一級防雷器殘余電壓的浪涌維持在2 500 V下，等電位地連接LPZ1—LPZ2；最后借助三級浪涌保護(hù)器，讓殘余浪涌電壓的值降至1 500 V內(nèi)，這樣一來浪涌能量便無法損壞設(shè)備。

2.3 SPD的安裝注意事項(xiàng)

SPD應(yīng)從雷電防護(hù)能量逐級減弱的方式和保護(hù)設(shè)備的絕緣耐壓要求，根據(jù)適用場合配置合適的防雷器。建筑物外的設(shè)備為A級保護(hù)，0區(qū)與1區(qū)的交界處為B級保護(hù)，1區(qū)與2區(qū)的交界處為C級保護(hù)，2區(qū)內(nèi)重要設(shè)備前端為D級保護(hù)——浪涌保護(hù)器的多級保護(hù)原則。

一級保護(hù)SPD需接近建筑物的入戶線的總等電位連接端子處，二、三級保護(hù)SPD需接近被保護(hù)設(shè)備安裝，對其精細(xì)保護(hù)，譬如科佳電氣中的T2類和T3類SPD可做到低殘壓，更有效地對設(shè)備進(jìn)行防護(hù)。SPD連接導(dǎo)線應(yīng)短而直，其長度不宜大于0.5 m。與此同時(shí)，若SPD擁有能量自動配合這一功能，線路長度不受上述規(guī)定的限制。要想防止SPD老化而出現(xiàn)短路現(xiàn)象，安裝線路上需要設(shè)置過電流保護(hù)的裝置，最好選用有劣化顯示功能SPD。如果供電電壓超過規(guī)定10 %，或是在諧波使電壓幅值增加的地方，要按實(shí)際情況對限壓型SPD提高Uc值。

（1）在電源總配電柜輸出端（LPZ0區(qū)與 LPZ1區(qū)交界處）應(yīng)安裝標(biāo)稱放電電流浪涌保護(hù)器，或是安裝標(biāo)稱放電電流的限壓型SPD，從而把它們作為一級防護(hù)。

（2）對于分配電柜的輸出端（LPZ1區(qū)與 LPZ2區(qū)交界處）應(yīng)設(shè)置標(biāo)稱放電電流的限壓型SPD，從而把它們作為二級防護(hù)。

（3）對于住宅終端的配電箱，其輸出端需要設(shè)置標(biāo)稱放電電流限壓型SPD，從而把它們作為三級防護(hù)。

（4）對于配電箱的輸出端，應(yīng)設(shè)置混合型或串聯(lián)型SPD，其技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足設(shè)備要求。

2.4 選擇SPD后備保護(hù)元件的策略

基于電氣安全原因，并聯(lián)安裝在市電電源的SPD，為避免其失效后出現(xiàn)故障短路，應(yīng)在SDP前設(shè)置短路保護(hù)器件。一般的SPD的后備保護(hù)都具備熔斷器、漏電斷路器以及斷路器3種。過電流保護(hù)器不應(yīng)在SPD允許通過的最大雷電流下開斷，但應(yīng)能開斷該點(diǎn)工頻短路電流，并滿足主電路的過電流保護(hù)器級間配合要求。從國外、國內(nèi)公司各種SPD樣本來看，SPD后備保護(hù)有關(guān)推薦方案過于混亂，不存在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)能夠遵循。

2.4.1 常規(guī)的后備保護(hù)器

熔斷器（RCD）的保護(hù)特點(diǎn)：熔絲的額定電流應(yīng)高于被保護(hù)系統(tǒng)的正常工作電流并低于主控開關(guān)的額定電流，熔斷電流應(yīng)小于SPD電子固態(tài)保護(hù)裝置在電弧區(qū)的持續(xù)電流。其保護(hù)特點(diǎn)：尺寸較小，殘壓低，價(jià)格較便宜；熔斷后必須更換熔斷體；如果出現(xiàn)一相熔斷時(shí)，那么三相電動機(jī)容易出現(xiàn)兩相運(yùn)轉(zhuǎn)情況，應(yīng)借助帶發(fā)報(bào)警信號的熔斷器加以彌補(bǔ)，并且一相熔斷能夠斷開三相；保護(hù)的功能比較單一，只有一段過電流的反時(shí)限特性，短路故障、接地故障都能夠用其進(jìn)行防護(hù)；無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控。

斷路器的保護(hù)特征：在故障斷開以后，能夠手操復(fù)位，無須更換其器件，如果切斷大短路電流以后燒壞則必須維修；具備長延時(shí)、瞬時(shí)電流脫扣器這兩段保護(hù)的功能，能夠發(fā)揮過載功能、短路防護(hù)功能；上下級非選擇型斷路器間難以實(shí)現(xiàn)選擇性切斷；如果沖擊放電電流相同，斷路器比熔斷器作后備保護(hù)器總電壓保護(hù)水平更高；攜帶智能帶電操機(jī)構(gòu)的斷路器，能夠做到遙控和遙信；價(jià)格比較高；一些斷路器分?jǐn)嗄芰^小。除此之外，空氣斷路器應(yīng)選延遲型，C脫扣曲線，磁脫扣電流為（5-10）In；與主電路斷路器配合。

配備斷路器和熔斷器常有以下問題：第一，雷擊時(shí)易誤分?jǐn)?，?dāng)大的雷電流經(jīng)過時(shí)，由于斷路器（熔斷器）無法承受而跳閘，SPD保護(hù)失效，雷電流不能徹底泄放，損害后端設(shè)備。第二，SPD常年使用后漏電流增大劣化失效，電網(wǎng)暫態(tài)過電壓導(dǎo)致SPD瞬間擊穿電容，導(dǎo)致短路失效，但電流值未到達(dá)斷路器（熔斷器）脫扣值，不能分離，可能導(dǎo)致SPD起火。第三，雷電沖擊電流殘壓高，而且設(shè)備防雷沒有較高可靠性，非選擇型斷路器很難選擇性地切斷，如果故障電流相對較大，容易讓上下級斷路器瞬時(shí)斷開，最終導(dǎo)致用戶按規(guī)范要求安裝了該設(shè)備卻達(dá)不到應(yīng)有的保護(hù)功能。

2.4.2 專用后備保護(hù)裝置SCB的優(yōu)勢

近年來，早有廠家研發(fā)出了專用后備保護(hù)裝置（浪涌后備保護(hù)器Surge Protecter Device Circuit Breaker簡稱SCB），它與常規(guī)保護(hù)器對比詳見表1、表2。

SCB解決了防雷行業(yè)多年的防火安全問題，在對不同廠家生產(chǎn)的Uc=275 V、Uc=320 V、Uc=385 V的MOV進(jìn)行的TOV故障短路試驗(yàn)、TOV故障加載試驗(yàn)、800 V/150 A、100 A短路與加載試驗(yàn)，400V短路試驗(yàn)，多數(shù)在半個(gè)周波內(nèi)脫扣，MOV電性能仍然完好，達(dá)到了安全脫扣綠色曲線要求。這樣的保護(hù)性能，在鐵路、通信、電力、石化、數(shù)據(jù)機(jī)房、國家重要建筑、工民建等均能實(shí)現(xiàn)SPD防火保護(hù)，特別是在易燃易爆場所更能突顯優(yōu)異的安全保護(hù)性能。所以，SCB浪涌后備保護(hù)器是SPD理想的配套保護(hù)器件，能夠發(fā)揮較為理想的保護(hù)效果，特點(diǎn)和優(yōu)勢總結(jié)如下：1）當(dāng)SPD劣化、電源出現(xiàn)異常而導(dǎo)致危險(xiǎn)工頻續(xù)流、工頻漏電流達(dá)到3A前立即脫扣，將SPD從線路上隔離，避免SPD起火。2）如果雷電流通過沒有錯(cuò)誤脫扣，能夠排除SPD無法工作的隱患，很好的解決以往工程中使用熔斷器或斷路器當(dāng)作SPD保護(hù)裝置時(shí)存在的盲區(qū)隱患。3）外形尺寸模數(shù)與微型斷路器相似，安裝距離小，軌道安裝，方便斷電檢測SPD。4）采用帶特殊參數(shù)控制脫扣，可對通過的電流實(shí)現(xiàn)選擇性分?jǐn)?，解決了普通斷路器和熔斷器用做防雷后備保護(hù)時(shí)存在的問題。5）規(guī)格種類多，可提供不同的開斷容量。完全滿足T1、T2和T3級別SPD的配套需求。

2.4.3 專用后備保護(hù)裝置SCB的安裝注意事項(xiàng)

以往SCB只有企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，近年來隨著行業(yè)發(fā)展，某些產(chǎn)品入編了《國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集D503～D505防雷與接地（下冊）2016合訂本》，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)相關(guān)要求和選用的經(jīng)驗(yàn)，在選用SCB過程中，必須注重以下幾點(diǎn)：1）嚴(yán)格根據(jù)安裝線路設(shè)備進(jìn)行選擇，使其開斷容量符合規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。2）SCB的極數(shù)必須與SPD的極數(shù)相一致。3）嚴(yán)格按照T1、T2、T3各級別的SPD進(jìn)行相應(yīng)的配套SCB裝置選擇。4）確保SCB接線是上進(jìn)下出的狀態(tài)，防止出現(xiàn)倒置接線的行為。5）如果存在遠(yuǎn)程控制、操作、監(jiān)視等各種類型要求，應(yīng)適當(dāng)增加安裝符合規(guī)定的自動重合器以及脫扣指示等不同的附件。6）另外，SCB屬于專用的SPD電流保護(hù)裝置，然而，它的保護(hù)脫扣裝置在定制時(shí)是以SPD電流保護(hù)為最主要目的，僅能替代既有的、不能適合當(dāng)成SPD電流保護(hù)器件的一些熔斷器與斷路器，嚴(yán)格避免將其用于電氣設(shè)備、低壓線路保護(hù)裝置。

3 建筑防雷接地

3.1 防雷接地系統(tǒng)

通常來講，最為簡單的防雷方式就是接地。大地具有電容量非常大、電阻非常低的特點(diǎn)，具備很強(qiáng)的電荷吸收能力，經(jīng)過大量電荷的吸收之后依然可以維持原有的電位，從這里我們不難發(fā)現(xiàn)，大地用作建筑電氣的參考電位體是再合適不過的。借助相應(yīng)導(dǎo)體把非正常的電流向大地泄流，從而確保設(shè)備和人不會受到電機(jī)的危害，這是實(shí)施工業(yè)建筑的防雷接地的主要目的。

3.2 接地電阻

在建筑電氣設(shè)計(jì)中，為了使接地物體和大地直接連通，使它們之間形成“等電位”（零電位）。大量事實(shí)表明，建筑接地電阻實(shí)際的大小會對接地系統(tǒng)具體效果產(chǎn)生直接影響，接地電阻越小越好。接地電阻一般不得大于10 Ω，一個(gè)工程中如果共用電氣設(shè)備的保護(hù)接地、防雷接地、防靜電接地，接地電阻要求不大于4 Ω，包括弱電設(shè)備接地，接地電阻要求不大于1 Ω。在對防雷接地系統(tǒng)進(jìn)行評判之時(shí)可借鑒此參數(shù)。施工中常用的降低接地電阻的方法是增加接地極法，它的降阻效果比較穩(wěn)定、持久、具有較低的施工難度、較小的占地面積，對多種不同的環(huán)境都適用。然而，接地極能夠接觸到的土壤范圍相對較小，能夠?qū)崿F(xiàn)的泄流效果也存在一定限制，為了避免電流反擊，不同接地極間需要維持相應(yīng)距離，因此不能夠無限制地增加接地極。

3.3 避雷網(wǎng)和接地體材料的選擇

在建筑之中，很多避雷網(wǎng)材料都不合格，出現(xiàn)了嚴(yán)重的銹蝕情況。在接地材料方面，除了建筑混凝土內(nèi)部之外的防雷接地鋼材（當(dāng)完全埋沒在混凝土中時(shí)才可以用裸鋼），都應(yīng)經(jīng)過熱鍍鋅的處理，各種材料鍍層要求參照防雷規(guī)范，對于焊接處與損傷處需要進(jìn)行防腐處理。銅具有較好的導(dǎo)電率和較高的抗氧化性程度，抗腐蝕性強(qiáng)。鋅這種材料的陰極保護(hù)功能較好，鍍鋅鋼等鍍鋅層相對較厚的材料適用于堿性腐蝕的地區(qū)。鉛是一種不活潑的金屬，非常耐腐蝕，鉛包銅不但具備鉛的防腐性，而且具備銅的導(dǎo)電性，也是接地材料之中較為適合的材料之一，尤其是酸性腐蝕強(qiáng)的地區(qū)十分適用。

4 結(jié)語

總之，建筑電氣防雷接地的設(shè)計(jì)是個(gè)比較復(fù)雜的問題，也有很重要的意義，它屬于一項(xiàng)系統(tǒng)性較強(qiáng)的復(fù)雜工程，對于不同建筑電氣環(huán)境有不同的防雷需要。很多設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，防雷接地設(shè)計(jì)圖紙非常簡單，沒有進(jìn)行全面細(xì)致的設(shè)計(jì)。為了對防雷系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，要求設(shè)計(jì)人員對雷電的危害有一個(gè)全面了解，與相關(guān)專業(yè)進(jìn)行全面細(xì)致的配合，能夠根據(jù)具體防雷接地等規(guī)范對圖紙的設(shè)計(jì)進(jìn)行完善與細(xì)化，并對比市場上的各種防雷保護(hù)元器件和材料，擇優(yōu)選擇，能夠根據(jù)各種不同建筑的實(shí)際情況，對其防雷設(shè)計(jì)方法進(jìn)行詳細(xì)分析，從而做出優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案并應(yīng)用到實(shí)處，從而保護(hù)人們生命財(cái)產(chǎn)安全，有利于推動行業(yè)長期、穩(wěn)定的發(fā)展。

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