喬國林

(上海建科檢驗(yàn)有限公司,上海 201900)

閃電電涌過電壓與建筑物內(nèi)系統(tǒng)電涌保護(hù)器工程技術(shù)

喬國林

(上海建科檢驗(yàn)有限公司,上海 201900)

電涌保護(hù)器是防止或減少閃電電涌侵害建筑物內(nèi)電氣系統(tǒng)和電子系統(tǒng)最直接、最有效的器件.建筑物內(nèi)的系統(tǒng)包括電氣系統(tǒng)和電子系統(tǒng),但電氣系統(tǒng)電涌保護(hù)器比電子系統(tǒng)電涌保護(hù)器的工程設(shè)計(jì)更為復(fù)雜.以電氣系統(tǒng)電涌保護(hù)器為研究對(duì)象,通過對(duì)閃電電涌過電壓的方式描述、破壞機(jī)理分析,歸納出了選擇電氣系統(tǒng)電涌保護(hù)器時(shí)需考慮的因素;借助某一電涌保護(hù)器工程,確定雷電防護(hù)等級(jí),匹配電涌保護(hù)器有效電壓保護(hù)水平和設(shè)備絕緣耐沖擊電壓額定值,實(shí)施電氣系統(tǒng)電涌保護(hù)器檢驗(yàn),從中明確建筑物內(nèi)系統(tǒng)電涌保護(hù)器工程實(shí)施的完整理論和實(shí)踐方法.

閃電電涌;保護(hù)模式;有效電壓保護(hù)水平;壓敏電壓

閃電電涌表征閃電擊于防雷裝置或線路上以及由閃電靜電感應(yīng)或雷電流經(jīng)電阻、電感、電容耦合產(chǎn)生的電磁效應(yīng)引發(fā)出的過電壓、過電流瞬態(tài)波.閃電電涌侵入會(huì)導(dǎo)致過電壓現(xiàn)象的出現(xiàn).閃電電涌侵入的具體途徑是:①直擊雷對(duì)建筑物或臨近地區(qū)的雷電放電,通過電磁感應(yīng)到建筑物內(nèi)系統(tǒng);②雷電通過通訊線路感應(yīng)到建筑物內(nèi)系統(tǒng);③雷電通過供電系統(tǒng)感應(yīng)到建筑物內(nèi)系統(tǒng);④靜電感應(yīng)產(chǎn)生瞬間電位反擊,傳入建筑物內(nèi)系統(tǒng).由此可知,電涌保護(hù)器是預(yù)防閃電電涌入侵最直接、最有效的器件.對(duì)于電子信息系統(tǒng),電涌保護(hù)器的設(shè)置是不可或缺的.

建筑物內(nèi)系統(tǒng)包括電氣系統(tǒng)和電子系統(tǒng),但是,電氣系統(tǒng)在建筑物內(nèi)系統(tǒng)中占有重要位置.本文主要以電氣系統(tǒng)電涌保護(hù)器為研究對(duì)象,說明建筑物內(nèi)系統(tǒng)電涌保護(hù)器工程技術(shù),即在闡述閃電電涌過電壓的方式及其破壞機(jī)理的基礎(chǔ)上,基于選擇電涌防護(hù)器時(shí)需考慮的決定因素,借助某一電涌保護(hù)器工程實(shí)例,系統(tǒng)論述電涌保護(hù)器的選擇、檢驗(yàn)、布局等一套完整理論和實(shí)踐方法.

1 閃電電涌過電壓方式

1.1 雷電電涌過電壓

1.1.1 閃電靜電感應(yīng)過電壓

當(dāng)有帶電的雷云出現(xiàn)時(shí),雷云下的地面和建筑物等因?yàn)殪o電感應(yīng)的作用而帶上異性電荷.從雷云出現(xiàn)到發(fā)生雷擊主放電所需要的時(shí)間相對(duì)于主放電過程的時(shí)間要長得多,因此,大地有充足的時(shí)間積累大量電荷.同樣,與雷云先導(dǎo)通道下端靠近的電力線、信號(hào)線路的長導(dǎo)體也會(huì)受到很強(qiáng)的電場力作用.當(dāng)下行的梯式先導(dǎo)接近地面時(shí),會(huì)產(chǎn)生回?fù)舴烹?主放電通道的電荷會(huì)與地面積累的大量電荷迅速中和而消失.這時(shí),長導(dǎo)線上積累的電荷可以自由運(yùn)動(dòng),其產(chǎn)生的高電壓沿導(dǎo)線以近于光的速度向?qū)Ь€兩端傳播,這就是感應(yīng)過電壓波,它對(duì)接地不良的電氣系統(tǒng)有破壞作用.對(duì)于建筑物內(nèi)部金屬框架與接地不良的金屬器件之間,很容易產(chǎn)生火花,這對(duì)于有易燃物品建(構(gòu))筑物可能會(huì)造成直接危害.

1.1.2 閃電電磁感應(yīng)過電壓

由于雷電流有極大峰值和陡度,它的周圍空間會(huì)出現(xiàn)瞬間磁場,處在這瞬間電磁場之中的導(dǎo)體能感應(yīng)出較大的電動(dòng)勢.假設(shè)機(jī)房微電子設(shè)備內(nèi)一個(gè)很小的開口金屬環(huán),在僅靠避雷針引下線處可感應(yīng)出高達(dá)幾千伏的高電壓,那么,它足以擊壞附近的電子元器件,從而使微電子設(shè)備遭到損壞.電磁感應(yīng)是由于雷擊后,巨大的雷電流在周圍空間產(chǎn)生迅速變化的強(qiáng)大磁場,這種強(qiáng)磁場能在其附近的金屬導(dǎo)體上感應(yīng)出很高的電壓.

1.1.3 閃電感應(yīng)過電壓

閃電感應(yīng)表征閃電放電時(shí),在附近導(dǎo)體上產(chǎn)生的雷電靜電感應(yīng)和雷電電磁感應(yīng)[1].其特征為直擊雷對(duì)建筑物或臨近地區(qū)的雷電放電,通過電磁感應(yīng)到建筑物內(nèi)部的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)路,從而損壞設(shè)備,以雷電波形式侵入電子設(shè)備.雷電波侵入的方式有2種:①雷電電磁脈沖沿著供電線、電話線、信號(hào)電纜、天饋線、建筑物的外墻或柱子侵入;②設(shè)備接地在雷擊時(shí)產(chǎn)生瞬間高電位,通過空間或大地呈梯度式的磁場影響導(dǎo)體線路.

1.2 閃電電涌破壞機(jī)理分析

本文以埋地電纜受雷電影響而產(chǎn)生閃電電涌,對(duì)閃電電涌破壞機(jī)理進(jìn)行分析.要想減少雷電流的影響,靠近建筑物的配電、通信線路進(jìn)出方式通常采用埋地式,盡管如此,還是有一些雷電流從埋地電纜中侵入.當(dāng)雷電擊在埋地電纜上方時(shí),埋地電纜也會(huì)遭受雷電流的侵入,其原理如圖1所示.

圖1 電纜上方被雷擊時(shí)的大地電位分布

距球心為x cm處的電流密度[2](jr,A/cm2)為:

A點(diǎn)電位[2](UA,V)為:

從式(2)中可以看出:當(dāng)Id和ρ為定值時(shí),距接地裝置越遠(yuǎn)處的地表面電位越低,距接地裝置越近處的地表面電位越高,而以接地體表面處的電位為最高.電位和距離為雙曲線函數(shù)關(guān)系.當(dāng)距離接地裝置超過20 m時(shí),在該處的地表電位基本上等于零.例如,當(dāng)Id=100 kA時(shí),地區(qū)土壤電阻率ρ=110 Ω.m,x=2 m 處,根據(jù)式(2)可得,UA=875.8 kV.由此可見,當(dāng)埋地鋪設(shè)電纜的上方或附近發(fā)生雷擊時(shí),在其電纜的屏蔽層處的電位達(dá)到幾百千伏.

2 電涌保護(hù)器設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1 選擇電涌保護(hù)器的決定因素

電涌保護(hù)器是防止電氣系統(tǒng)、電子系統(tǒng)被閃電電涌侵入的最直接、最有效的手段.在選擇電涌保護(hù)器時(shí),要考慮以下幾個(gè)因素:①設(shè)施對(duì)電涌的暴露程度(不是設(shè)備容量的大小);②被保護(hù)設(shè)備的重要程度和價(jià)值;③被保護(hù)設(shè)備所處雷擊區(qū)的強(qiáng)度;④配電設(shè)施系統(tǒng)里電涌防護(hù)裝置的安裝位置;⑤設(shè)施內(nèi)電氣設(shè)備和電子設(shè)備產(chǎn)生的電力干擾程度.

2.2 防雷分類

由于H<100 m,該建筑物每邊擴(kuò)大寬度等效面積為[1]:

上海地區(qū)雷暴日Td取值49.9 d/a,K為校正系數(shù).一般地形,K取1.0,雷擊大地的年平均密度Ng取0.1XTd,則建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)為[1]:N1=KXNgXAe=KX0.1XTdXAg=1.0X0.1X49.9X0.039 1=0.195.根據(jù)規(guī)范可知[1],年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)大于0.05的人員密集的公共建筑物,屬于第二類防雷建筑物.所以,該建筑物為第二類防雷建筑物.

2.3 通過雷電防護(hù)等級(jí)確定電氣系統(tǒng)電涌保護(hù)器級(jí)數(shù)

l取1 000 m,ds取110(數(shù)值上等于土壤電阻率Ω.m值),其入戶設(shè)施等效面積[4]為:=低壓埋地引入電纜等效面積+埋地信號(hào)線等效面積.將相關(guān)數(shù)值帶入上式中可得,=2XdsXl+2XdsXl=0.44 km2.由此可以計(jì)算出入戶設(shè)施年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)為:N2=NgX′=0.1XTdX=0.1X49.9X 0.44=1.98.

由建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)和入戶設(shè)施年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)可得到建筑物及入戶設(shè)施年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)為[4]:N=N1+N2=0.195+1.98=2.17.

各類因子[4]取值及其求和為:C=C1+C2+C3+C4+C5+C6=1.0+2.0+0.5+1.0+1.0+1.2=6.7.

由入戶設(shè)施年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)得其可接受的最大年平均雷擊次數(shù)為[4]:NC=5.8X10-1/C=5.8X10-1/6.7=8.66X10-2.

由建筑物及入戶設(shè)施年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)和入戶設(shè)施可接受的最大年平均雷擊次數(shù)可得防雷裝置的攔截效率為:

0.90

2.4 各級(jí)電氣系統(tǒng)電涌保護(hù)器沖擊電流或標(biāo)稱放電電流

大樓總配電箱位于LPZ0-LPZ1區(qū)的防雷界面上,根據(jù)相關(guān)規(guī)范[1],此處可選10/350 μs或8/20 μs首次沖擊雷電流模型的電涌保護(hù)器.該建筑物屬于第二類防雷建筑物,雷電流I取150 kA.參照規(guī)范[1],第一級(jí)電涌保護(hù)器可以選擇10/350 μs波形的沖擊電流12.5 kA.依照規(guī)范[3],將其折算8/20 μs波形的標(biāo)稱放電電流(In),即第一級(jí)In≥40 kA.同樣依照規(guī)范[3],第二級(jí)In≥20 kA,第三級(jí)In≥10 kA.

2.5 有效電壓保護(hù)水平與設(shè)備絕緣耐沖擊電壓額定值

Up為電涌保護(hù)器的電壓保護(hù)水平[1],Up/f為電涌保護(hù)器的有效電壓保護(hù)水平[1],△U為電涌保護(hù)器兩端引線的感應(yīng)電壓降[1],表1描述了這3個(gè)變量之間的關(guān)系.

電涌保護(hù)器兩端引線的感應(yīng)電壓降取值如表2所示.

UW為被保護(hù)設(shè)備的設(shè)備絕緣耐沖擊電壓額定值[1](kV).Ui為雷擊建筑物附近電涌保護(hù)器與被保護(hù)設(shè)備之間電路環(huán)路的感應(yīng)過電壓.在設(shè)計(jì)(電氣系統(tǒng))電涌保護(hù)器時(shí),其有效電壓保護(hù)水平不能大于設(shè)備絕緣耐沖擊電壓額定值.表3描述了Up/f與UW的匹配關(guān)系.本工程(電氣系統(tǒng))電涌保護(hù)器安裝施工均符合表4提出的要求.

表1 電涌保護(hù)器的有效電壓保護(hù)水平(單位:kV)

表2 電涌保護(hù)器兩端引線的感應(yīng)電壓降取值

表3 Up/f與UW的關(guān)系

2.6 電涌保護(hù)器最大持續(xù)運(yùn)行電壓與壓敏電壓

電涌保護(hù)器最大持續(xù)運(yùn)行電壓[1]Uc與壓敏電壓[3]U1mA是選擇(電氣系統(tǒng))電涌保護(hù)器時(shí)需要考慮的2個(gè)重要參量.電涌保護(hù)器最大持續(xù)運(yùn)行電壓與相線對(duì)中性線的標(biāo)稱電壓關(guān)系如表5所示.

表4 220/380 V三相系統(tǒng)各種設(shè)備耐沖擊電壓額定值

表5 電涌保護(hù)器最大持續(xù)運(yùn)行電壓與相線對(duì)中性線的標(biāo)稱電壓關(guān)系

該建筑物配電為TN-S系統(tǒng),電源線的工作電U0=220 V,則所選的電涌保護(hù)器的最大連續(xù)工作電壓Uc不小于1.15 U0.本工程中Uc≥1.15X220=253 V,即Uc≥253 V.

Uc與其壽命和Up有關(guān),如果Uc選得低,內(nèi)部電涌引起電源電涌保護(hù)器頻繁啟動(dòng),則壽命縮短;如果Uc選得高,則其Up也高.電源電涌保護(hù)器要安裝在大樓總配電處,因?yàn)榇髽怯秒娫O(shè)備很多,比如空調(diào)、電梯、電機(jī)等,這些都可能產(chǎn)生內(nèi)部電涌,所以在選擇(電氣系統(tǒng))電涌保護(hù)器時(shí),要采用適當(dāng)?shù)腢p.

在(電氣系統(tǒng))電涌保護(hù)器壓敏電壓檢測時(shí),可使用防雷元件對(duì)(電氣系統(tǒng))電涌保護(hù)器壓敏電壓進(jìn)行檢測,不同保護(hù)模式的電涌保護(hù)器,其檢測接線如圖2和圖3所示.(電氣系統(tǒng))電涌保護(hù)器Uc與U1mA匹配判斷步驟如圖4所示.工程中(電氣系統(tǒng))電涌保護(hù)器的壓敏電壓、泄漏電流、絕緣電阻檢測值如表6(以第一級(jí)電涌保護(hù)器為例說明)所示.

2.7 電氣系統(tǒng)電涌保護(hù)器安裝步驟

電氣系統(tǒng)電涌保護(hù)器安裝步驟如圖5所示.

2.8 電涌保護(hù)器工程實(shí)施

總配電在底層,電源系統(tǒng)采用TN-S配電系統(tǒng),采用3級(jí)(電氣系統(tǒng))電涌保護(hù)器,其安裝原理如圖6所示.

由現(xiàn)場情況可知,電子系統(tǒng)電涌保護(hù)器信號(hào)工作電壓應(yīng)為5 V,所以,選擇型號(hào)為ETRJ45-100A的電涌保護(hù)器,以滿足信號(hào)避雷技術(shù)的要求.機(jī)房內(nèi)有1臺(tái)UPS,1臺(tái)服務(wù)器IBM6000,15塊網(wǎng)卡,其接口為RJ45.信號(hào)電涌保護(hù)器安 裝情況如圖7所示.

表6 電涌保護(hù)器相關(guān)參數(shù)值

圖2 MOV閥片(4P保護(hù)模式)壓敏電壓測試插線

圖3 MOV閥片(3+NPE保護(hù)模式)壓敏電壓測試插線

圖4 (電氣系統(tǒng))電涌保護(hù)器Uc與U1mA匹配判斷步驟

圖5 電氣系統(tǒng)電涌保護(hù)器安裝步驟

3 結(jié)束語

本文提出的電氣系統(tǒng)電涌保護(hù)器工程設(shè)計(jì)步驟,遵循了工程設(shè)計(jì)應(yīng)具有的嚴(yán)謹(jǐn)、系統(tǒng)、科學(xué)的理念.通過某一電氣系統(tǒng)電涌保護(hù)器工程,總結(jié)出了選擇和安裝建筑物內(nèi)系統(tǒng)(電氣系統(tǒng)和電子系統(tǒng))電涌保護(hù)器的相關(guān)方法.此外,本文提出的思想、理論、步驟和方法除了適用于雷電電涌過電壓外,還適用于操作電涌過電壓的電氣系統(tǒng)電涌保護(hù)器設(shè)計(jì).

圖6 電源系統(tǒng)三級(jí)電涌保護(hù)器安裝原理示意圖

圖7 信號(hào)電涌保護(hù)器安裝示意

[1]中國中元國際工程公司.GB 50057-2010建筑物防雷技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建設(shè)出版社,2010.

[2]耿毅.工業(yè)企業(yè)供電[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1988:285-286.

[3]上海市防雷中心,安徽省防雷中心,天津市中力防雷技術(shù)有限公司,等.DB31/T 389-2015防雷裝置安全檢測技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015.

[4]中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院,四川中光防雷科技股份有限公司.GB 50343-2012建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

喬國林(1964-),男,遼寧人,高級(jí)工程師,2007年1月畢業(yè)于北京科技大學(xué),博士學(xué)位(博士研究生),主要從事防雷工程、檢測,電氣等工作.

〔編輯:白潔〕

TM862

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.22.031

2095-6835(2017)22-0031-04