孟陈，李雪 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031）

0 引言

雷击的类型一般分为：直击雷、感应雷、雷电侵入等。本文就三种类型雷电产生的过电压分析。本文以第二类防雷为例，分析三种类型的雷电过电压及相应的防护措施。

1 直击雷过电压

直击雷是云层和大地突出物之间迅速放电，电流很大，可以瞬间结束人畜的生命。防直击雷的有效措施是装设接闪器及接闪网。直接雷落于建筑物及防雷装置时，雷电流经过防雷引下线及接地装置，产生的雷电过电压提升接地装置对地电位，可能会使附近人员因过高的“跨步电压”或“接触电压”受到伤害。

1.1 直击雷瞬态过电压

直击雷击于建筑物及防雷装置时，引下线产生瞬态过电压U，导致接地装置对地电位提升，计算值为：

式中：U——瞬态过电压，kV；

U——雷电流在接地装置电阻上的电压降，kV；

U——雷电流在引下线距地高度为h时产生的电感电压降，kV；

R——冲击接地电阻，欧姆（Ω）；

I——雷电流流入到每根引下线的电流幅值，kA；

L——引下线每单位长度电感，μH/m，一般取值为1.5μH/m；

式中雷电流参数详见《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）附录F表F.0.1-1～F.0.1-3。

由上式可知，建筑物高度h增加，引下线上U电压降大幅度提升，产生的高电位易对建筑物发生跳击。为减弱过电压，GB50057-2010规范规定，第一、二、三类防雷建筑，建筑高度超过规定值时，应设置等电位连接环，建筑内引下线、金属结构及设备均应与其可靠连接实现等电位，防止过电压产生的电位差对电气设备造成损坏。

1.2 直击雷对电气设备的反击过电压

由GB50057-2010规范附录F表F.0.1-1～F.0.1-3可知，雷电流的幅值和陡度都很大，经过引下线时电感产生的瞬态电压降可能对引下线附近的金属物或电气设备产生反击，因此，需要设定安全间距。

GB50057-2010 规范第 4.3.8 条规定，若建筑是金属框架，或钢筋彼此连接，电气形成贯通的钢筋混凝土框架，引下线附近金属物及线路间距不作要求。其他情况下，金属物或线路与引下线的距离S计算如下：

S≥0.06kl

式中：S——空气中的间隔距离；

k——雷电流分流系数，计算值详见图1；

图1 雷击第二类防雷建筑物

l——引下线计算点到连接点的长度（m），连接点为金属物或电气设备与防雷装置直接相连之点。

c、c为雷击处至临近引下线之间的距离；式中，c取c、c最小值。h～h为防雷引下线内各环形导体之间的距离。由图2可知，防雷引下线根数n越大，分流系数越小，通过上式计算得到的反击距离越小。

图2 分流系数kc的取值

上式计算结果是空气间隔距离，金属物或者线路与引下线之间有混凝土墙，或被砖墙隔开时，其间隔距离取S的2倍。

2 感应雷

感应雷是二次破坏现象，分动态感应和静态感应。在放电过程中，电流空间发生变化并伴随强大的交变磁场，使附近的金属物和电气设备产生感应过电压。GB50057-2010 第4.3.7条对感应电压采取一系列防护措施，以保证人身安全。

防感应雷主要措施是建筑物内的金属接地。GB50057-2010规定平行敷设的长金属物，净距小于100mm时，采用金属线跨接，且每隔30m连接一次。是防止感应过电压产生的电位差击穿空气，损坏电气设备。

假设两根间距为300mm的长金属平行管道，与防雷引下线平行敷设，与引下线间隔3m且处于同一个水平面。管道内感应电压U：

感应电压击穿空气间距d：

电感电压的空气击穿强度E：

由 GB50057-2010 表 F.0.1-1～F.0.1-3，若T=10μs时，上式计算得E=660V，当 T=0.25μs，E=3000V，按照最不利情况考虑，E取3000V。

代入上式计算可知：d=U/E=0.0191×30×1503000=0.029m。

长金属管道的间距减少为100mm时，30m进行金属线跨接，击穿空气的间距d会更小，可以保障金属物和电气设备的安全。

3 雷电侵入

由上述分析知，直击雷或感应雷使架空电缆线或金属管道产生电流，它通过管线传入建筑物内，损坏电气设备和人身安全。这种雷电过电压为电涌过电压，它是建筑内用电设备故障及系统不能正常运行的主要原因。电涌保护器（SPD）含有非线性元件，可以泄放雷电流，并限制瞬态过电压，广泛应用于低压配电系统中室内电气装置的雷电防护。

3.1 电涌保护器（SPD）有效电压保护水平

SPD可将电涌电流引入大地使残留电压在被保护电气设备安全耐压范围内，电涌过电压衰减后，SPD恢复到初始状态，而且不影响被保护电气设备的正常工作，SPD本身不损坏。按照使用环境SPD划分为户内型和户外型；按照用途SPD分为电源系统、信号系统和天馈系统。电涌保护器SPD的有效电压保护水平和冲击电流值必须限制在规定范围内。本文分析电源系统型SPD，它分为限压型和电压开关型。

式中：U——SPD电压保护水平，表示限制接线两端电压的参数；

一般情况下，应选择较小有效电压保护水平的SPD，电涌过电压经SPD后，残留电压可以在电气设备绝缘耐冲电压额定值要求的安全范围内。

3.2 电涌保护器（SPD）冲击电流值

建筑防雷设计中，总进线配电箱处SPD冲击电流I直接采用《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）第4.2.8条第8款中的12.5kA，而不通过计算以得到SPD冲击电流值。规范中提出，只有无法确定I时，进线处I才可选用12.5kA。下面对SPD的冲击电流值进行定量分析。

电源总配电箱装设SPD，每一保护模式的I如图3所示。

图3 配电系统雷电流分流示意图

图中：n——引入建筑物的外来金属管道和线路总数；

m——单根导体芯线的总根数；

低压供电系统接地方式主要有TN、TT、IT三种型式。TN-C-S系统时，m=4；TN-S系统时，m=5；TT系统和IT系统，m均取4；

I——雷电流（kA），第一、二、三类防雷建筑分别取值为 200kA、150kA、100kA。根据图3分流模型，电源线路无屏蔽层，R=∞，每一模式冲击电流I：

电源线路存在屏蔽层，每一模式冲击电流I：

推导出的结果与GB50057-2010式（4.2.4-6）及（4.2.4-7）一致。

通过对SPD有效电压保护水平和冲击电流值的分析，可以合理进行SPD选型，避免选型过大造成浪费。但是建议电源进线处的直接或部分雷电流，采用I级实验SPD。

4 结语

本文依据GB50057-2010等规范，对建筑物采取的防雷电过电压技术措施进行定量分析，得到不同类型雷电过电压防范措施并不相同，实际中，它们有可能同时发生，因此在实际工程设计中需要综合考虑，以保障人类的生命安全。由于现场实际情况太过复杂，本文的分析和结论仅做讨论之用。