淺析建筑物電氣防雷系統優化設計

于堯

摘 要：該文從雷電的危害出發，介紹了建筑物雷電防護的等級和防護區的劃分等常識，分析了生活、工作中常見的建筑，對常用防雷接地設備和材料進行簡要分析，對比經濟、高效、合理、安全的設計方式方法，對一些常見問題進行簡要分析，希望可以對設計工作者提供一些參考。

關鍵詞：雷電危害；人身安全；防雷接地；設備保護

中圖分類號：TU856 文獻標志碼：A

0 引言

經濟的不斷增長推動了各行業的快速發展，電氣設備逐漸高精化，人類社會已經進入電子信息時代，同時對于生活、工作的環境和財產安全也有了更高要求。雷電災害被有關部門認為是最嚴重的10個自然災害之一。從一些統計資料上看，雷電損失處于自然災害第3位。世界上每年由于雷擊出現人員傷亡與財產損失的情況比比皆是。相關統計顯示，國內每年因雷擊產生人員傷亡有3000～4000人，而且財產損失為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設計顯得尤為重要。

1 雷電防護分區

1.1 雷電防護等級和防護區

從建筑物使用性質、雷電事故后果等方面，根據有關防雷設計具體規范，人們習慣將建筑物區分成一類、二類和三類防雷建筑，建筑物電子信息系統雷電防護等級分為A級、B級、C級、D級。

雷電防護區的劃分：LPZOA區，受全部雷電威脅的區域。LPZOB區，直接雷擊的防護區，可能會受到雷電浪涌的。相比之下，LPZ1區屬于第一屏蔽的保護區，在此區內部，不同物體無法受直接雷擊，流經導體的雷電流會被邊界處分流和SPD保護，且因屏蔽的一系列措施，此區電磁場強度大大地衰減。要想減小電磁脈沖影響，應設置第二屏蔽的保護區，也就是LPZ2與LPZn這2個后續屏蔽的保護區。

1.2 雷暴日等級劃分

雷暴日數應以國家公布的當地年平均雷暴日數為準。按年平均雷暴日數，地區雷暴日等級劃分為少雷區（小于等于25天的地區）、中雷區（大于25天，不超過40天的地區）、多雷區（大于40天，不超過90天的地區）、強雷區（大于90天的地區）等4個級別。以徐州市為例，年平均雷暴日為29.4，屬于中雷區。

2 建筑防雷保護

2.1 建筑物的防雷裝置應滿足防直擊雷、防雷電感應及雷電波的侵入

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

近年來，直擊雷造成的災害已明顯減少，而隨著城市經濟的發展，電氣設備元器件越來越精細化，雷電波侵入危害極大地增加。普通建筑物避雷網僅可以做到直擊雷的預防，但是強大的電磁場脈沖電壓與感應雷卻能潛入室內，危害電腦、聯網微機這類弱電的設備。與此同時，防雷電感應高壓能夠把室內外金屬管道、設備、結構鋼筋接地。為了防止雷擊電磁脈沖波，可將進入建筑物的線路、管道連接電纜金屬外皮和鋼導管并入接地網，然后在電源引入的部位，也就是總配電箱、弱電系統箱安裝浪涌保護器（即SPD）。需要注意的是，SPD保護器的類型及數量，換照雷電防護區相關要求，受保護設備的雷電防護分級、抗擾能力來確定。

2.2 在防雷保護系統中SPD的各級分類

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

（1）電壓開關型，采用限流型采用氣體放電管GDT、火花間隙等開關型元器件的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，由開關型組件、電壓限制組件共同組成，具備電壓開關型、限壓型兩者都有的特性，最終依然取決于所加電壓當前特性。

按照沖擊通流容量和保護級別分類，SPD可分為I類試驗（T1）、II類試驗（T2）和III類試驗（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，后者是受到沖擊波影響。通過第一級浪涌保護器，避免直接的傳導雷進入LPZ1區內，把數萬、數十萬伏浪涌電壓保持于4 000 V下；通過第二級浪涌保護器，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器，讓殘余浪涌電壓的值降至1 500 V內，這樣一來浪涌能量便無法損壞設備。

2.3 SPD的安裝注意事項

SPD應從雷電防護能量逐級減弱的方式和保護設備的絕緣耐壓要求，根據適用場合配置合適的防雷器。建筑物外的設備為A級保護，0區與1區的交界處為B級保護，1區與2區的交界處為C級保護，2區內重要設備前端為D級保護——浪涌保護器的多級保護原則。

一級保護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SPD需接近被保護設備安裝，對其精細保護，譬如科佳電氣中的T2類和T3類SPD可做到低殘壓，更有效地對設備進行防護。SPD連接導線應短而直，其長度不宜大于0.5 m。與此同時，若SPD擁有能量自動配合這一功能，線路長度不受上述規定的限制。要想防止SPD老化而出現短路現象，安裝線路上需要設置過電流保護的裝置，最好選用有劣化顯示功能SPD。如果供電電壓超過規定10 %，或是在諧波使電壓幅值增加的地方，要按實際情況對限壓型SPD提高Uc值。

（1）在電源總配電柜輸出端（LPZ0區與 LPZ1區交界處）應安裝標稱放電電流浪涌保護器，或是安裝標稱放電電流的限壓型SPD，從而把它們作為一級防護。

（2）對于分配電柜的輸出端（LPZ1區與 LPZ2區交界處）應設置標稱放電電流的限壓型SPD，從而把它們作為二級防護。

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

（4）對于配電箱的輸出端，應設置混合型或串聯型SPD，其技術指標應滿足設備要求。

2.4 選擇SPD后備保護元件的策略

基于電氣安全原因，并聯安裝在市電電源的SPD，為避免其失效后出現故障短路，應在SDP前設置短路保護器件。一般的SPD的后備保護都具備熔斷器、漏電斷路器以及斷路器3種。過電流保護器不應在SPD允許通過的最大雷電流下開斷，但應能開斷該點工頻短路電流，并滿足主電路的過電流保護器級間配合要求。從國外、國內公司各種SPD樣本來看，SPD后備保護有關推薦方案過于混亂，不存在統一的標準能夠遵循。

2.4.1 常規的后備保護器

熔斷器（RCD）的保護特點：熔絲的額定電流應高于被保護系統的正常工作電流并低于主控開關的額定電流，熔斷電流應小于SPD電子固態保護裝置在電弧區的持續電流。其保護特點：尺寸較小，殘壓低，價格較便宜；熔斷后必須更換熔斷體；如果出現一相熔斷時，那么三相電動機容易出現兩相運轉情況，應借助帶發報警信號的熔斷器加以彌補，并且一相熔斷能夠斷開三相；保護的功能比較單一，只有一段過電流的反時限特性，短路故障、接地故障都能夠用其進行防護；無法實現遠程遙控。

斷路器的保護特征：在故障斷開以后，能夠手操復位，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、瞬時電流脫扣器這兩段保護的功能，能夠發揮過載功能、短路防護功能；上下級非選擇型斷路器間難以實現選擇性切斷；如果沖擊放電電流相同，斷路器比熔斷器作后備保護器總電壓保護水平更高；攜帶智能帶電操機構的斷路器，能夠做到遙控和遙信；價格比較高；一些斷路器分斷能力較小。除此之外，空氣斷路器應選延遲型，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，雷擊時易誤分斷，當大的雷電流經過時，由于斷路器（熔斷器）無法承受而跳閘，SPD保護失效，雷電流不能徹底泄放，損害后端設備。第二，SPD常年使用后漏電流增大劣化失效，電網暫態過電壓導致SPD瞬間擊穿電容，導致短路失效，但電流值未到達斷路器（熔斷器）脫扣值，不能分離，可能導致SPD起火。第三，雷電沖擊電流殘壓高，而且設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斷開，最終導致用戶按規范要求安裝了該設備卻達不到應有的保護功能。

2.4.2 專用后備保護裝置SCB的優勢

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

SCB解決了防雷行業多年的防火安全問題，在對不同廠家生產的Uc=275 V、Uc=320 V、Uc=385 V的MOV進行的TOV故障短路試驗、TOV故障加載試驗、800 V/150 A、100 A短路與加載試驗，400V短路試驗，多數在半個周波內脫扣，MOV電性能仍然完好，達到了安全脫扣綠色曲線要求。這樣的保護性能，在鐵路、通信、電力、石化、數據機房、國家重要建筑、工民建等均能實現SPD防火保護，特別是在易燃易爆場所更能突顯優異的安全保護性能。所以，SCB浪涌后備保護器是SPD理想的配套保護器件，能夠發揮較為理想的保護效果，特點和優勢總結如下：1）當SPD劣化、電源出現異常而導致危險工頻續流、工頻漏電流達到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作SPD保護裝置時存在的盲區隱患。3）外形尺寸模數與微型斷路器相似，安裝距離小，軌道安裝，方便斷電檢測SPD。4）采用帶特殊參數控制脫扣，可對通過的電流實現選擇性分斷，解決了普通斷路器和熔斷器用做防雷后備保護時存在的問題。5）規格種類多，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 專用后備保護裝置SCB的安裝注意事項

以往SCB只有企業標準，近年來隨著行業發展，某些產品入編了《國家建筑標準設計圖集D503～D505防雷與接地（下冊）2016合訂本》，設計人員可根據相關要求和選用的經驗，在選用SCB過程中，必須注重以下幾點：1）嚴格根據安裝線路設備進行選擇，使其開斷容量符合規定的標準。2）SCB的極數必須與SPD的極數相一致。3）嚴格按照T1、T2、T3各級別的SPD進行相應的配套SCB裝置選擇。4）確保SCB接線是上進下出的狀態，防止出現倒置接線的行為。5）如果存在遠程控制、操作、監視等各種類型要求，應適當增加安裝符合規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電流保護裝置，然而，它的保護脫扣裝置在定制時是以SPD電流保護為最主要目的，僅能替代既有的、不能適合當成SPD電流保護器件的一些熔斷器與斷路器，嚴格避免將其用于電氣設備、低壓線路保護裝置。

3 建筑防雷接地

3.1 防雷接地系統

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，具備很強的電荷吸收能力，經過大量電荷的吸收之后依然可以維持原有的電位，從這里我們不難發現，大地用作建筑電氣的參考電位體是再合適不過的。借助相應導體把非正常的電流向大地泄流，從而確保設備和人不會受到電機的危害，這是實施工業建筑的防雷接地的主要目的。

3.2 接地電阻

在建筑電氣設計中，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）。大量事實表明，建筑接地電阻實際的大小會對接地系統具體效果產生直接影響，接地電阻越小越好。接地電阻一般不得大于10 Ω，一個工程中如果共用電氣設備的保護接地、防雷接地、防靜電接地，接地電阻要求不大于4 Ω，包括弱電設備接地，接地電阻要求不大于1 Ω。在對防雷接地系統進行評判之時可借鑒此參數。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，能夠實現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距離，因此不能夠無限制地增加接地極。

3.3 避雷網和接地體材料的選擇

在建筑之中，很多避雷網材料都不合格，出現了嚴重的銹蝕情況。在接地材料方面，除了建筑混凝土內部之外的防雷接地鋼材（當完全埋沒在混凝土中時才可以用裸鋼），都應經過熱鍍鋅的處理，各種材料鍍層要求參照防雷規范，對于焊接處與損傷處需要進行防腐處理。銅具有較好的導電率和較高的抗氧化性程度，抗腐蝕性強。鋅這種材料的陰極保護功能較好，鍍鋅鋼等鍍鋅層相對較厚的材料適用于堿性腐蝕的地區。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，尤其是酸性腐蝕強的地區十分適用。

4 結語

總之，建筑電氣防雷接地的設計是個比較復雜的問題，也有很重要的意義，它屬于一項系統性較強的復雜工程，對于不同建筑電氣環境有不同的防雷需要。很多設計人員在進行設計時，防雷接地設計圖紙非常簡單，沒有進行全面細致的設計。為了對防雷系統進行優化設計，要求設計人員對雷電的危害有一個全面了解，與相關專業進行全面細致的配合，能夠根據具體防雷接地等規范對圖紙的設計進行完善與細化，并對比市場上的各種防雷保護元器件和材料，擇優選擇，能夠根據各種不同建筑的實際情況，對其防雷設計方法進行詳細分析，從而做出優秀的設計方案并應用到實處，從而保護人們生命財產安全，有利于推動行業長期、穩定的發展。

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