彭锦超， 何俊豪， 陈 坤

（1.四川安恒电力设计咨询有限公司，四川成都 610041；2.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北武汉 430074）

建筑物弱电设备防雷设计

彭锦超1， 何俊豪1， 陈 坤2

（1.四川安恒电力设计咨询有限公司，四川成都 610041；2.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北武汉 430074）

彭锦超（1983-），男，工程师，从事电力工程设计。

针对建筑物和电子信息系统的雷电灾害防护现状，从雷电入侵的途径来划分建筑物防雷区域，介绍了电涌保护器和等电位联结在弱电设备防雷中的应用。指出弱电设备防雷设计时要合理地选择电涌保护器，使电子设备免受电涌过电压的破坏，实现有效地雷电电磁脉冲防护。

雷电入侵；弱电设备；电涌保护器；等电位联结

0 引 言

目前,各种先进的具有通信、监测、控制功能的办公自动化和电子设备应用到各类建筑中。这些设备耐过电压能力低,绝缘强度低,雷电高电压入侵会产生热效应,雷电电磁脉冲的侵入会造成干扰和永久性破坏。据统计,约25%的电子设备损坏是由供电系统过电压造成的。即使采用稳压电源或不间断电源,也不能消除瞬时过电压的破坏作用,在强大的瞬时过电压作用下,稳压电源和不间断电源本身也可能被损坏。为保证电子设备免受电涌过电压的破坏,在建筑物的屏蔽和接地措施达不到保护弱电设备的要求时,在电气系统中加装多级电涌保护器(Surge Protective Device, SPD),便可将电涌电压限制在相应设备的耐压等级范围内,有效防止雷电电磁脉冲的侵入。

1 建筑物雷电入侵途径

建筑物的弱电设备主要受直击雷、传导雷、雷电感应及操作过电压的影响。

(1)直击雷。如果雷电直接击中建筑物、房屋及地基接地连接的所有电气设施,接地网的地电位水平会在微秒内被抬高几万伏,雷电流将从各装置的接地部门流向供电或数据网络系统。同时,在未实行等电位联结的导线回路中,可能诱发高电位产生危险的火花放电。

(2)传导雷。雷电不直接在建筑物放电,而是对建筑物外部的线缆放电。雷击的影响及过电压几乎以光速沿着电缆线路扩散,危及数据处理系统、计算机、仪表和控制系统等电子设备。

(3)感应雷。雷击在保护设备或线路周围发生,闪电不直接对地放电,只在云层与云层之间发生放电现象,并在电源和数据传输线路上感应生成过电压。

(4)开关操作过电压。大型电感性和电容性负载的开关,甚至供电网中接地故障或短路均可产生高压峰值,在此情况下,对电子系统构成的影响是一样的。

2 建筑物防雷保护区域的划分

IEC 61312_1将需要保护的空间划分为不同的雷电防护区,并对各个防雷保护区的电磁环境进行描述。雷电保护区的划分如图1所示。

图1 雷电保护区的划分

雷电保护区LPZ0A的物体都可能遭受直接雷击,同时产生的电磁场没有衰减。

雷电保护区LPZ0B的物体在接闪器保护范围内不会遭受直接雷击,但雷电电磁场没有屏蔽装置,雷电产生的电磁场没有衰减。

雷电保护区LPZ1的物体因在建筑物内,不会遭受直接雷击。流进各导体的电流比LPZ0B区更小,雷电电磁场可能衰减(雷电电磁场与LPZ0A、LPZ0B区可能不一致),这取决于屏蔽措施。

当需要进一步减少雷电流和电磁场时,应引入后续防雷区LPZ2等,并按照需要保护系统所要求的环境选择后续防雷区的要求条件。

根据雷电电磁脉冲强度变化的严重程度,确定SPD安装位置和等电位联结点的位置。防雷保护器安装位置如表1所示。

表1 防雷保护器安装位置

3 建筑物弱电设备防雷方案

3.1 建筑物弱电防雷总体方案

GB 50343－2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》规定,电子信息系统应采用外部防雷和内部防雷等措施进行综合防护。建筑物弱电设备防雷保护的整体设计如图2所示。

图2 建筑物弱电设备防雷保护的整体设计

建筑物弱电设备防雷方案的设计应按照低残压、全保护的安全防雷理念,对电源系统安装三级SPD进行防雷保护,对信号设备安装对应SPD进行保护。

3.2 电源系统SPD的选型及安装

3.2.1 SPD选型

电源线路应装设多级SPD防护,以达到分级泄流的目的。

(1)第一级SPD安装在低压变压器通过低压架空线或电缆通向建筑物总配电柜的进线侧,主要是泄放大部分入侵建筑物的雷电流。该区域属于B级防雷区,雷击危险性较高,应采用标称放电放电电流≥40 kA、最大持续操作电压≥385 V、泄漏电流＜20μA、响应时间＜25 ns的B级防雷保护装置。

(2)第二级SPD安装在楼层分配电柜380 V进线侧,主要用于显示雷击引起的瞬态过电压,防止雷击过电压从交流配电线进入用户端。该区域属于C级防雷区,应采用标称电流放电电流≥20 kA、最大持续操作电压≥275 V、泄漏电流＜20μA、响应时间＜25 ns的C级防雷保护装置。

(3)第三级SPD安装在用户端控制箱进线侧,主要用以限制电网中的过电压,使其不超过电气设备所能承受的冲击耐受电压,保护设备免受雷电造成的危害。对于直流电源设备,视其工作电压需要,宜分别选用适配的直流电源的SPD作为末级保护。该区域属于D级防雷区,应采用标称电流放电电流≥10 kA、最大持续操作电压≥275 V、泄漏电流＜20μA、响应时间＜25 ns的D级防雷保护装置。对于直流电源防雷器,根据工作电压可选择标称电流放电电流≥10 kA,最大持续操作电压≥350、175、85 V,响应时间＜25 ns的直流防雷保护装置。

3.2.2 SPD安装

电源防雷器安装在被保护设备电源线路的前端,SPD各接线端分别与电源线路的同名端相线连接,SPD接地端与保护接地线(PE)接地端子排连接,接地端子排与所处防雷区的等电位接地端子排连接。安装时连接导线尽量平直,接地导线长度控制在0.5 m内。当电压开关型SPD至限压型SPD之间的线路长度＜10 m,限压型SPD之间的线路长度小于5 m时,在两级SPD之间应加装退耦装置。当SPD具有能量自动配合功能时,SPD之间的线路长度不受限制。电源SPD前端串联与此匹配的联动万能式断路器,其额定电流参考所接SPD的标称放电电流来选择。电源SPD的连接导线最小截面积如表2所示。

表2 连接导线最小截面积

3.3 信号系统防雷保护器的选型及安装

3.3.1 信号系统防雷保护器的选型

信号设备根据信号确定对应信号防雷器,以保证信号的正常传输。

(1)载波线防雷。在载波到通信柜前串联安装双绞线信号防雷器,防止载波线路在高压场的感应雷进入机房,对设备构成危害。为取得很好的效果,用户话路盘、程控交换机通信线、Modem及信号线的过电压保护应采用四级保护。过电压保护器最好能同时具有保护模块失效自动报警、过电压次数自动记录、停电后记录的过电压次数不丢失等功能。

(2)通信线防雷。在通信线进入设备之前串联过电压保护器,抑制沿线路传导的过电压对设备造成危害,以满足ADSL、ISDN、DDN帧中继、模拟电话线等多种通信线路的防雷保护。

(3)天馈线防雷。对拥有带BNC或N接头的连接收发器GPS时钟系统,在同轴电缆进入同步装置屏前串联安装高频馈线防雷器,防止天馈线路从户外引入雷击过电压,对设备构成危害。

(4)设备间通信线路防雷。在通信接口的两端分别安装相应的信号防雷器,防止过电压击毁通信端口或引起设备集成电路芯片损坏。

对于数据信号用防雷器,其钳位电压应满足自动化设备信号传输速率及带宽的需要,雷电响应时间应在10 ns内,其接口应与被保护设备兼容,因此工程前应提供被保护设备接口的详细资料。如某楼宇自动化系统防雷工程,同样是RS_ 485串口传输方式,接口类型有DB25或RJ11,为此可分别选用不同接口方式的防雷器,其标称放电电流为3 kA时残压≤1.50 V。

对于GPS用同轴型防雷器,其同轴型防雷器插入损耗≤0.3 dB,驻波比≤1.2,最大输入功率能满足发射机最大输出功率的要求,安装与接地方便,具有不同的接头,标称放电电流＞5 kA。

对于计算机网络信号用防雷器,应满足各类接口设备传输速率的要求,接口应与被保护设备兼容。如某变电站计算机网络信号防雷工程,可选用标称放电电流为5 kA时残压≤25 V的防雷器。

3.3.2 信号防雷保护器的安装

信号SPD连接在被保护设备的信号端口上,输出端与被保护设备的输入端口相连。接地线采用截面积≥2.5 mm2的铜芯导线,与屏柜内局部等电位接地端子板连接,接地线尽量平直。

天馈线信号SPD串接于天馈线与被保护设备之间,安装在设备屏柜附近,也可以直接连接在设备馈线接口上。接地线采用截面积≥6 mm2的铜芯导线,就近连接到直击雷非防护区(LPZ0A)或直击雷防护区(LPZ0B)与第一防护区(LPZ1)交界处的等电位接地端子板上,接地线尽量平直。

3.4 等电位联结

建筑物弱电防雷系统等电位联结主要有以下三种连接形式：

(1)建筑物的供电制式采用TN_S系统时,电子系统的接地采用共用接地系统,电子设备各接地系统之间不用加装SPD,采用直接等电位联结。

(2)电子设备采用独立接地极或共用接地系统(要求单点接地)时,设备处各接地系统须绝缘,当不能直接等电位联结时,为防止不同的地电位电涌过电压对电子设备造成损害,需在不同的接地系统端子间加装SPD,以达到间接等电位联结。

(3)电力线路必须直接或间接进行等电位联结。保护地线PE、PEN可直接与等电位连接端子相连,三路相线通过电源SPD与等电位端子形成间接等电位联结。

4 结 语

建筑物弱电设备的防雷较复杂,需要充分考虑接闪、分流、接地、等电位联结、屏蔽、综合布线等措施,才能起到较好的防雷效果。

SPD防护的作用主要是通过泄放雷电流、限制电涌电压等来保护电子设备的,是目前电子设备内部防雷的主要措施。对于建筑物弱电设备的防雷保护设计,需综合考虑系统中可能出现的雷电过电压、防雷保护器的保护特性和电子设备对雷电过电压的耐受特性,以合理选择SPD,实现有效的雷电电磁脉冲防护。

[1] GB 50343-2004 建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].

[2] 赵晋文.浪涌电压保护器在建筑物防雷中的应用[J].山西建筑，2008，34（19）：183-184

[3] 陈万祯.浅谈等电位连接在建筑物防雷系统中作用[J].河北北方学院学报：自然科学版，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，工程师，从事电力系统防雷接地和配网自动化方面的工作。

陈 坤（1982-），男，工程师，从事电力系统雷电防护与接地工程技术方面的工作。