喬國林

(上海建科檢驗有限公司,上海 201900)

閃電電涌過電壓與建筑物內系統(tǒng)電涌保護器工程技術

喬國林

(上海建科檢驗有限公司,上海 201900)

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

閃電電涌;保護模式;有效電壓保護水平;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或雷電流經電阻、電感、電容耦合產生的電磁效應引發(fā)出的過電壓、過電流瞬態(tài)波.閃電電涌侵入會導致過電壓現象的出現.閃電電涌侵入的具體途徑是:①直擊雷對建筑物或臨近地區(qū)的雷電放電,通過電磁感應到建筑物內系統(tǒng);②雷電通過通訊線路感應到建筑物內系統(tǒng);③雷電通過供電系統(tǒng)感應到建筑物內系統(tǒng);④靜電感應產生瞬間電位反擊,傳入建筑物內系統(tǒng).由此可知,電涌保護器是預防閃電電涌入侵最直接、最有效的器件.對于電子信息系統(tǒng),電涌保護器的設置是不可或缺的.

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

1 閃電電涌過電壓方式

1.1 雷電電涌過電壓

1.1.1 閃電靜電感應過電壓

當有帶電的雷云出現時,雷云下的地面和建筑物等因為靜電感應的作用而帶上異性電荷.從雷云出現到發(fā)生雷擊主放電所需要的時間相對于主放電過程的時間要長得多,因此,大地有充足的時間積累大量電荷.同樣,與雷云先導通道下端靠近的電力線、信號線路的長導體也會受到很強的電場力作用.當下行的梯式先導接近地面時,會產生回擊放電,主放電通道的電荷會與地面積累的大量電荷迅速中和而消失.這時,長導線上積累的電荷可以自由運動,其產生的高電壓沿導線以近于光的速度向導線兩端傳播,這就是感應過電壓波,它對接地不良的電氣系統(tǒng)有破壞作用.對于建筑物內部金屬框架與接地不良的金屬器件之間,很容易產生火花,這對于有易燃物品建(構)筑物可能會造成直接危害.

1.1.2 閃電電磁感應過電壓

由于雷電流有極大峰值和陡度,它的周圍空間會出現瞬間磁場,處在這瞬間電磁場之中的導體能感應出較大的電動勢.假設機房微電子設備內一個很小的開口金屬環(huán),在僅靠避雷針引下線處可感應出高達幾千伏的高電壓,那么,它足以擊壞附近的電子元器件,從而使微電子設備遭到損壞.電磁感應是由于雷擊后,巨大的雷電流在周圍空間產生迅速變化的強大磁場,這種強磁場能在其附近的金屬導體上感應出很高的電壓.

1.1.3 閃電感應過電壓

閃電感應表征閃電放電時,在附近導體上產生的雷電靜電感應和雷電電磁感應[1].其特征為直擊雷對建筑物或臨近地區(qū)的雷電放電,通過電磁感應到建筑物內部的計算機通信網絡環(huán)路,從而損壞設備,以雷電波形式侵入電子設備.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、信號電纜、天饋線、建筑物的外墻或柱子侵入;②設備接地在雷擊時產生瞬間高電位,通過空間或大地呈梯度式的磁場影響導體線路.

1.2 閃電電涌破壞機理分析

本文以埋地電纜受雷電影響而產生閃電電涌,對閃電電涌破壞機理進行分析.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.當雷電擊在埋地電纜上方時,埋地電纜也會遭受雷電流的侵入,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點電位[2](UA,V)為:

從式(2)中可以看出:當Id和ρ為定值時,距接地裝置越遠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關系.當距離接地裝置超過20 m時,在該處的地表電位基本上等于零.例如,當Id=100 kA時,地區(qū)土壤電阻率ρ=110 Ω.m,x=2 m 處,根據式(2)可得,UA=875.8 kV.由此可見,當埋地鋪設電纜的上方或附近發(fā)生雷擊時,在其電纜的屏蔽層處的電位達到幾百千伏.

2 電涌保護器設計技術

2.1 選擇電涌保護器的決定因素

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

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.一般地形,K取1.0,雷擊大地的年平均密度Ng取0.1XTd,則建筑物年預計雷擊次數為[1]:N1=KXNgXAe=KX0.1XTdXAg=1.0X0.1X49.9X0.039 1=0.195.根據規(guī)范可知[1],年預計雷擊次數大于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 通過雷電防護等級確定電氣系統(tǒng)電涌保護器級數

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

由建筑物年預計雷擊次數和入戶設施年預計雷擊次數可得到建筑物及入戶設施年預計雷擊次數為[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.

由入戶設施年預計雷擊次數得其可接受的最大年平均雷擊次數為[4]:NC=5.8X10-1/C=5.8X10-1/6.7=8.66X10-2.

由建筑物及入戶設施年預計雷擊次數和入戶設施可接受的最大年平均雷擊次數可得防雷裝置的攔截效率為:

0.90

2.4 各級電氣系統(tǒng)電涌保護器沖擊電流或標稱放電電流

大樓總配電箱位于LPZ0-LPZ1區(qū)的防雷界面上,根據相關規(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],第一級電涌保護器可以選擇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波形的標稱放電電流(In),即第一級In≥40 kA.同樣依照規(guī)范[3],第二級In≥20 kA,第三級In≥10 kA.

2.5 有效電壓保護水平與設備絕緣耐沖擊電壓額定值

Up為電涌保護器的電壓保護水平[1],Up/f為電涌保護器的有效電壓保護水平[1],△U為電涌保護器兩端引線的感應電壓降[1],表1描述了這3個變量之間的關系.

電涌保護器兩端引線的感應電壓降取值如表2所示.

UW為被保護設備的設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器與被保護設備之間電路環(huán)路的感應過電壓.在設計(電氣系統(tǒng))電涌保護器時,其有效電壓保護水平不能大于設備絕緣耐沖擊電壓額定值.表3描述了Up/f與UW的匹配關系.本工程(電氣系統(tǒng))電涌保護器安裝施工均符合表4提出的要求.

表1 電涌保護器的有效電壓保護水平(單位:kV)

表2 電涌保護器兩端引線的感應電壓降取值

表3 Up/f與UW的關系

2.6 電涌保護器最大持續(xù)運行電壓與壓敏電壓

電涌保護器最大持續(xù)運行電壓[1]Uc與壓敏電壓[3]U1mA是選擇(電氣系統(tǒng))電涌保護器時需要考慮的2個重要參量.電涌保護器最大持續(xù)運行電壓與相線對中性線的標稱電壓關系如表5所示.

表4 220/380 V三相系統(tǒng)各種設備耐沖擊電壓額定值

表5 電涌保護器最大持續(xù)運行電壓與相線對中性線的標稱電壓關系

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,如果Uc選得低,內部電涌引起電源電涌保護器頻繁啟動,則壽命縮短;如果Uc選得高,則其Up也高.電源電涌保護器要安裝在大樓總配電處,因為大樓用電設備很多,比如空調、電梯、電機等,這些都可能產生內部電涌,所以在選擇(電氣系統(tǒng))電涌保護器時,要采用適當的Up.

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

2.7 電氣系統(tǒng)電涌保護器安裝步驟

電氣系統(tǒng)電涌保護器安裝步驟如圖5所示.

2.8 電涌保護器工程實施

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

由現場情況可知,電子系統(tǒng)電涌保護器信號工作電壓應為5 V,所以,選擇型號為ETRJ45-100A的電涌保護器,以滿足信號避雷技術的要求.機房內有1臺UPS,1臺服務器IBM6000,15塊網卡,其接口為RJ45.信號電涌保護器安 裝情況如圖7所示.

表6 電涌保護器相關參數值

圖2 MOV閥片(4P保護模式)壓敏電壓測試插線

圖3 MOV閥片(3+NPE保護模式)壓敏電壓測試插線

圖4 (電氣系統(tǒng))電涌保護器Uc與U1mA匹配判斷步驟

圖5 電氣系統(tǒng)電涌保護器安裝步驟

3 結束語

本文提出的電氣系統(tǒng)電涌保護器工程設計步驟,遵循了工程設計應具有的嚴謹、系統(tǒng)、科學的理念.通過某一電氣系統(tǒng)電涌保護器工程,總結出了選擇和安裝建筑物內系統(tǒng)(電氣系統(tǒng)和電子系統(tǒng))電涌保護器的相關方法.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)電涌保護器設計.

圖6 電源系統(tǒng)三級電涌保護器安裝原理示意圖

圖7 信號電涌保護器安裝示意

[1]中國中元國際工程公司.GB 50057-2010建筑物防雷技術規(guī)范[S].北京:中國建設出版社,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有限公司,等.DB31/T 389-2015防雷裝置安全檢測技術規(guī)范[S].北京:中國標準出版社,2015.

[4]中國建筑標準設計研究院,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,高級工程師,2007年1月畢業(yè)于北京科技大學,博士學位(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

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10.15913/j.cnki.kjycx.2017.22.031

2095-6835(2017)22-0031-04