摘 要：雷擊以及由此產(chǎn)生的過電壓已成為電氣化時(shí)代的一大公害，因此對(duì)雷電過電壓以及電磁干擾的保護(hù)，是保護(hù)電力管線、設(shè)備及人身安全的重要技術(shù)手段，是確保電力線路、設(shè)備安全運(yùn)行必不可缺少的技術(shù)環(huán)節(jié)，是電力、建設(shè)及運(yùn)行管理工作的重要組成部分。該文通過對(duì)上虞區(qū)某公司辦公營(yíng)業(yè)大樓電源系統(tǒng)體系的勘察，分析了雷電對(duì)建筑物電力系統(tǒng)的危害方式和途徑，計(jì)算出了建筑物雷電防護(hù)等級(jí)，著重討論了電涌保護(hù)器選擇與安裝，從而設(shè)計(jì)出該辦公樓電源系統(tǒng)的雷電防護(hù)體系的方案。

關(guān)鍵詞：電源系統(tǒng) 雷電防護(hù) 雷擊電磁 脈沖電源 系統(tǒng)防雷

中圖分類號(hào)：TU895 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）08（b）-0128-02

雷電災(zāi)害是“聯(lián)合國(guó)國(guó)際減災(zāi)十年”公布的極為嚴(yán)重的十大自然災(zāi)害之一。最新統(tǒng)計(jì)資料表明，我國(guó)每年因雷擊事故造成的人員傷亡達(dá)4000人左右，財(cái)產(chǎn)損失達(dá)上百億人民幣。在雷電防護(hù)技術(shù)上，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)上基本還是采用富蘭克林避雷的原理，其特點(diǎn)是利用自身的高聳位置使雷云下部電場(chǎng)發(fā)生畸變，從而將雷電吸引于自身代替被保護(hù)物受雷擊。實(shí)踐證明這種利用自身的高度優(yōu)先接閃的方式是經(jīng)濟(jì)和有效的。但是隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，各種電力設(shè)備、電子信息系統(tǒng)、通訊設(shè)備及大規(guī)模集成電路的應(yīng)用越來越廣泛，由于電子信息設(shè)備工作電壓低，功耗小，過電壓耐受能力低，對(duì)系統(tǒng)中的過電壓極為敏感，因此對(duì)雷電過電壓及電磁輻射的干擾，是保護(hù)電力線路、信號(hào)線路、設(shè)備及人身安全的重要技術(shù)手段，是確保電力線路、信號(hào)線路、設(shè)備運(yùn)行不可缺少的技術(shù)環(huán)節(jié)，是信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及運(yùn)行管理工作的重要組成部分。

1 電源系統(tǒng)防雷部分

電源系統(tǒng)的防雷部分主要是防止雷電波的侵入。雷擊電磁脈沖的危害雖沒有直接雷擊那么強(qiáng)烈，但發(fā)生的概率比直擊雷高得多，而且發(fā)生事故的面更廣。例如一個(gè)小區(qū)發(fā)生雷電波侵入事故后，通常是幾戶住宅或者幾幢樓住戶內(nèi)的設(shè)備、設(shè)施被損壞。所以內(nèi)部防雷主要是對(duì)建筑物內(nèi)易受過電壓破壞的設(shè)備，如計(jì)算機(jī)、調(diào)制解調(diào)器、路由器、CT、B超、復(fù)印機(jī)、UPS、監(jiān)控設(shè)備、消控設(shè)備及空調(diào)機(jī)、電梯等電子設(shè)備加裝過電壓保護(hù)裝置。在設(shè)備受到過電壓侵襲時(shí)，過電壓保護(hù)裝置能快速動(dòng)作將能量泄放入地，從而保護(hù)設(shè)備不受損壞。

2 雷擊電涌電壓侵入途徑分析及防護(hù)措施

2.1 雷擊電涌電壓侵入途徑分析

2.1.1 雷電直接擊于建筑物上或附近

雷電直接擊于建筑物上或附近，雷電波就會(huì)在被擊處的空間產(chǎn)生雷擊電磁脈沖感應(yīng)。如果建筑物、機(jī)房和管線無屏蔽或者屏蔽較弱時(shí)，雷擊電磁脈沖感應(yīng)就會(huì)對(duì)其內(nèi)部?jī)x器設(shè)備造成危害。雷擊電磁脈沖感應(yīng)數(shù)量級(jí)雖較前幾種可能小，卻最有可能危害敏感的微電子器件，而且它危害范圍廣，入侵途徑多，比較難以捉摸。

2.1.2 雷擊于遠(yuǎn)處的電力或信號(hào)線上

當(dāng)雷擊在遠(yuǎn)處的輸電線路或信號(hào)線上，然后沿著架空導(dǎo)線以過電壓、過電流波的形式侵入建筑物。如果架空線上方?jīng)]有避雷線，雷電波侵入的概率是相當(dāng)大的。侵入波進(jìn)入建筑物后還會(huì)沿內(nèi)部信號(hào)線或電力線襲擊敏感設(shè)備。

2.1.3 操作過電壓

過電壓的來源除了雷電之外還有電氣設(shè)備的操作過電壓，操作過電壓雖然電壓不高，但持續(xù)時(shí)間較雷電為長(zhǎng)，而且發(fā)生的頻度較雷電高得多，因此在敏感設(shè)備的電涌防護(hù)中也是應(yīng)該考慮的。

以上是最基本的過電壓侵入途徑，實(shí)際中可能是幾種方式的混合，如由一處地電位升高經(jīng)水平接地引線傳遞到另一處；雷擊于地，雷電流經(jīng)地下金屬管道傳入建筑物；雷擊于地，架空線受到感應(yīng)，然后傳入建筑物，再傳遞到敏感設(shè)備。

2.2 電源系統(tǒng)基本防雷措施

2.2.1 等電位連接

等電位連接的主要功能是，在雷電防護(hù)分區(qū)（LPZ）內(nèi)，避免所有終端設(shè)備、金屬構(gòu)件見出現(xiàn)危險(xiǎn)的電位差。供電線路必須在LPZ0和LPZ1交界面上的實(shí)施等電位連接，并盡可能就近安裝在線纜和金屬裝置進(jìn)入建筑物的入口處。等電位連接的導(dǎo)線應(yīng)盡可能的短（低阻抗）。

2.2.2 屏蔽

電纜屏蔽是用來減少對(duì)電力線路的干擾，并降低電力線路對(duì)周邊系統(tǒng)的輻射干擾。一條電纜的屏蔽必須沿著其整個(gè)長(zhǎng)度都具有良好的導(dǎo)電性能，并且至少在兩端接地。只有在兩端接地才可以降低電感和電容的耦合。

2.3 綜合布線

在建筑物內(nèi)布線時(shí)，要注意避免出現(xiàn)電源線路與信號(hào)線路構(gòu)成較大的回路。如果電源線路與信號(hào)線路構(gòu)成回路面積過大，雷擊電磁脈沖穿過回路時(shí)將感應(yīng)出很高的瞬態(tài)電動(dòng)勢(shì)，危及線路端接的設(shè)備。

2.4 安裝電涌保護(hù)器

安裝電涌保護(hù)器是防止雷電波侵入的有效措施。根據(jù)被保護(hù)設(shè)備的安全級(jí)別，在電源線路關(guān)鍵部位進(jìn)出線處，重要設(shè)備和敏感設(shè)備的端口處安裝電涌防護(hù)器，可以限制由于各種原因（如反擊、侵入波、感應(yīng)、操作過電壓）出現(xiàn)的過電壓，泄放過電流，具有多種保護(hù)功能。通常采用多級(jí)保護(hù)，設(shè)置多級(jí)保護(hù)時(shí)應(yīng)綜合考慮保護(hù)距離、電涌保護(hù)器連接導(dǎo)線長(zhǎng)度、被保護(hù)設(shè)備耐沖擊電壓額定值等因素。電源電涌保護(hù)器有氣體放電間隙避雷器、充氣放電管避雷器、硅可控整流器避雷器、三端雙向可控硅元件避雷器、金屬氧化物避雷器和組合型避雷器等，要求其長(zhǎng)期工作穩(wěn)定可靠性高，通流容量大，殘壓和伏秒特性與被保護(hù)設(shè)備的沖擊耐壓特性相配合。在各種防雷措施的配置位置中，電涌保護(hù)器位于末端，是最后把關(guān)的，使設(shè)備受到最后的保護(hù)。

3 辦公大樓電源系統(tǒng)雷電防護(hù)方案設(shè)計(jì)

3.1 建筑物所在地區(qū)的地理與氣象條件

3.1.1 地理?xiàng)l件

上虞市位于浙江省東北部，紹興市東部，東鄰余姚市，南接嵊州市，西連柯橋區(qū)、越城區(qū)，北瀕錢塘江河口，隔水與海鹽縣相望。經(jīng)緯度跨東經(jīng)120°36′23″～121°6′9″、北緯29°43′38″～30°16′17″。全境基本輪廓呈南北向長(zhǎng)方形，南北最長(zhǎng)60 km，東西最寬46 km，面積1406 km2，其中錢塘江河口水域212.3 km2。上虞地勢(shì)南高北低，南部低山丘陵與北部水網(wǎng)平原面積參半，俗稱“五山一水四分田”。

3.1.2 氣象條件

（1）氣候。

歷史年平均溫度16.7℃，年較差在24.2～25.1℃之間；常年一月最冷，平均氣溫在2.8～4.5℃之間；7月最熱，平均氣溫27.2～29.1℃之間，無霜期較長(zhǎng)，全年無霜期252天，初霜出現(xiàn)平均日期在11月26日，終霜期3月16日。

（2）降水。

年平均降水量為1477.4 mm。年最大降水量1563.2 mm，年最小降水量879.9 mm。年平均降雨日數(shù)140天，全年≥25毫米降水日數(shù)12天。歷史平均降雪日數(shù)6.6天。降水多集中在4～9月，占全年降水量的67%。

3.2 建筑物雷擊防護(hù)等級(jí)劃分[6]

3.2.1 建筑物概況

辦公營(yíng)業(yè)樓，主體為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，共6層，底層層高5.2 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.6 m，頂層層高4.5 m，總高度25.6 m，長(zhǎng)為42.2 m，寬為38.2 m，基礎(chǔ)采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，外部防雷設(shè)施已完善。每層為一個(gè)獨(dú)立的單元，擁有營(yíng)業(yè)廳、會(huì)議室、接待室、檔案室、普通辦公室等。該建筑物位于老城區(qū)域，四周為低矮老建筑。根據(jù)上虞市規(guī)劃局信息，本棟辦公樓周圍將新建商業(yè)中心，商業(yè)中心為園林景觀房，均不高于3層。

3.2.2 年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)計(jì)算

經(jīng)計(jì)算該建筑物雷擊概率N1= kNgAe=0.104次/a。依據(jù)規(guī)范GB50057-2010第3.1.3條第三款之規(guī)定，辦公營(yíng)業(yè)樓劃分為三類防雷建筑物。

3.2.3 建筑物及入戶設(shè)施年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)[6]

建筑物及入戶設(shè)施年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)。N=N1+N2。

N1為建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)，由前節(jié)計(jì)算知N1=0.104次/a。

N2為入戶設(shè)施年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)，N2=Ng（A`e1+A`e2）=0.48次/a。

通過計(jì)算得N2=0.48次/a。

建筑物及入戶設(shè)施年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)N=0.104+0.48=0.584次/a。

3.2.4 按防雷裝置攔截效率E的計(jì)算式確定其防雷等級(jí)[6]

可接受的最大年平均雷擊次數(shù)Nc=5.8×10-1.5/C，

C=C1+C2+C3+C4+C5+C6。

根據(jù)本建筑物的實(shí)際情況C1取1.0；C2取3.0；C3取1.0；C4取1.0；C5取1.0；C6取1.0。

Nc=5.8×10-1.5/C=5.8×10-1.5/7≈0.026。

防雷裝置攔截效率E=1-Nc/N=1-0.026/0.584≈0.955。

根據(jù)計(jì)算，參照規(guī)范要求，該辦公營(yíng)業(yè)樓信息系統(tǒng)雷電防護(hù)等級(jí)為B級(jí)。根據(jù)規(guī)范要求，應(yīng)設(shè)置二級(jí)或三級(jí)電涌保護(hù)器保護(hù)[7]。

3.3 電涌保護(hù)器選擇與安裝

3.3.1 電涌保護(hù)器的安裝位置

該辦公營(yíng)業(yè)樓配電采用TN-S接地系統(tǒng)，電源由室外箱變低壓配電柜經(jīng)電纜溝引來，室外箱變不在該建筑物的防護(hù)區(qū)內(nèi)。根據(jù)整幢大樓電源系統(tǒng)圖的布線情況，在其線路上安裝電涌保護(hù)器，對(duì)雷電流和過電壓的防護(hù)。具體安裝如下[5]。

在辦公營(yíng)業(yè)樓的一樓低壓總配電柜處安裝I級(jí)試驗(yàn)的電涌保護(hù)器，其電壓保護(hù)水平小于或等于2.5KV，每一保護(hù)模式的沖擊電流大于或等于12.5KA；在一樓至六樓各分配電箱處安裝II級(jí)試驗(yàn)的電涌保護(hù)器，其標(biāo)稱放電電流大于等于20KA。

3.3.2 選用電涌保護(hù)器主要參數(shù)

（1）交流電源第一級(jí)電涌保護(hù)器主要技術(shù)參數(shù)如下。

標(biāo)稱工作電壓（Un）：220/380V；

最大持續(xù)工作電壓（UC）：320V；

沖擊放電電流（In）：12.5kA （10/350μs）；

最大放電電流：130kA （8/20μs）；

保護(hù)水平（UP）：≤2.5KV；

響應(yīng)時(shí)間：≤25ns。

（2）交流電源第二級(jí)電涌保護(hù)器主要技術(shù)參數(shù)。

標(biāo)稱工作電壓（Un）：220/380V；

最大持續(xù)工作電壓（UC）：385V；

標(biāo)稱放電電流（In）：20kA （8/20μs）；

最大通流容量（Imax）：40kA （8/20μs）；

保護(hù)水平（UP）：≤1.8KV；

響應(yīng)時(shí)間：≤ 5ns。

3.3.3 電涌保護(hù)器的安裝

電涌保護(hù)器前端安裝過電流保護(hù)裝置，主要目的在于斷開故障電流，方便維修或更換模塊。一級(jí)電涌保護(hù)器相線零線引入線截面積10 mm2，接地線截面積16 mm2。二級(jí)電涌保護(hù)器相線零線引入線截面積6 mm2，接地線截面積10 mm2。電涌保護(hù)器相線引入線與接地線不應(yīng)近距離平行敷設(shè)，從而避免產(chǎn)生二次感應(yīng)，連接線應(yīng)小于0.5 m，并做到短、平、直，以避免因引線過長(zhǎng)導(dǎo)致殘壓增加。

3.4 等電位連接、屏蔽、合理布線

4 工程運(yùn)行維護(hù)

電涌保護(hù)器安裝之后，應(yīng)檢查所有接線是否正確安裝，然后運(yùn)行測(cè)試，看系統(tǒng)和設(shè)備是否正常工作，有無異常情況，如有，應(yīng)及時(shí)檢查，直至整個(gè)系統(tǒng)均正常運(yùn)作。

每年雷雨季節(jié)來臨之前應(yīng)對(duì)整個(gè)接地系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)、檢查。主要檢查各連接處是否緊固、接觸是否良好、接地引下線有無銹蝕、接地體附近地面有無異常，必要時(shí)應(yīng)挖開地面抽查地下蔽部分銹蝕情況，如果發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時(shí)處理。接地網(wǎng)的接地電阻宜每年進(jìn)行一次測(cè)量。每年雷雨季節(jié)前應(yīng)對(duì)運(yùn)行中的電涌保護(hù)器進(jìn)行一次檢查，查看電涌保護(hù)器劣化顯示是否更改？連接的過電流保護(hù)裝置是否正常工作等。

5 結(jié)語

該文通過對(duì)辦公營(yíng)業(yè)樓電源系統(tǒng)雷電防護(hù)設(shè)計(jì)，綜合考慮了該建筑物所處環(huán)境的氣象條件、雷電活動(dòng)規(guī)律，并通現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，從實(shí)施等電電位連接、屏蔽、綜合布線、安裝電涌保護(hù)器等措施入手，為本棟辦公營(yíng)業(yè)樓電源系統(tǒng)建立起了雷擊和電涌保護(hù)系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

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[3]IEC 1312-1雷電電磁脈沖的防護(hù)通則[S].

[4]IEC 1312-2雷電電磁脈沖的防護(hù)、建筑的屏蔽、內(nèi)部等電位聯(lián)結(jié)和接地[S].

[5]GB 50174-93電子計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]GB50343-2012建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范[S].

[7]JGJ16-2008用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范[S].