雷电防护与防雷工程.doc

雷电防护与防雷工程 防雷中心 前言雷电灾害是最严重的十种自然灾害之一。全球每年因雷击造成的人员伤亡和财产损失严重。随着社会经济的发展和现代化水平的提高，特别是信息技术的快速发展，雷电灾害的危害程度和造成的经济损失及社会影响越来越大，仅2004年我国就发生雷电灾害8892起，死亡人数达770人。本市是雷电多发地区，年平均雷暴日30天，最多年份达43天。1998年4月19日我市某局一次雷击损失设备一百多万元，2000年7月市电话局两个分局遭雷击损失设备、通信中断，2004年6月我市静海县大邱庄某变电站遭雷击损失300多万元，2004年6、7月本市金融系统110报警系统有十几个站遭雷击损毁，2005年南开城西供电某10KV高压线遭雷击连带电死一少年。2006年6月7日、8月25日天津钢管集团有限公司220KV总降压变电站，33KV SVC系统两次雷击事故造成直接经济损失700多万。2007年7月津沧高速天津收费站遭雷击损毁通讯、监控、收费系统瘫痪，造成重大经济损失。2007年7月9日汉沽区八仙里居民楼遭雷击，13户居民家电、计算机损坏。2008年6月23-29日连续的雷雨天气中发生几十起雷击事故，河东区六纬路万隆大厦6月23日遭雷击，6部电梯损坏5部。6月27日津南区某机关遭雷击，总配电柜安装的电涌保护器烧毁、通讯机房多台设备损坏，造成通讯系统瘫痪。 近三年来据不完全统计，我市每年发生雷击事故都在百起以上。足以证明我市的雷击灾害呈逐年上升趋势，雷电灾害已成为影响本市经济建设和人民生命财产安全的重要因素。我市在“中华人民共和国气象法”颁布实施以来，加强了防雷减灾的管理，1999年市政府下发了【99】81号文件“天津市防雷减灾管理办法”。2003年12月颁布了“天津市气象条例”，2006年国务院办公厅和天津市政府分别下发了“关于进一步做好防雷减灾工作的通知”，对进一步加强防雷减灾工作提出了明确要求。2007年5月重庆开县发生12名小学生遭雷击死亡重大事故后，中央十分重视，教育部、中国气象局联合下发文件，要求全国各地作好中、小学雷电防护工作。 上述文件、法规的实施促进了本市防雷减灾事业的大发展，全民防雷减灾意识大为提高。从雷电防护技术层面上看，国家加大了制订防雷技术标准的力度，以赶上防雷技术国际先进水平。等同采用国际标准是提高防雷技术水平的重要措施。2007年1月全国雷电防护标准化技术委员会讨论通过了等同采用IEC62305 -2006 雷电防护1-4的送审稿，即IEC62305-1 雷电防护 第1部分： 总则、IEC62305-2 雷电防护 第2部分： 风险管理、雷电防护 第3部分： 建筑物的物理损坏和生命危险、雷电防护 第4部分：建筑物内的电气和电子系统 。这四本防雷技术标准是国际电工委员会各国防雷专家的技术结晶，具有科学、全面的防雷理论、防雷工程设计施工的技术水平，是指导我们做好雷电防护工作的首选依据。另外，中国气象局作为防雷主管部门，这几年组织制订了一系列防雷行业标准，如：雷电灾害风险评估技术规范、雷电灾害调查技术规范、易燃易爆场所防雷装置检测技术规范、自动气象站场室防雷技术规范、电涌保护器（SPD）测试方法、防雷工程专业设计图形符号规范等。由中国气象局提出， 全国雷电防护标准化技术委员归口编制的国家标准建筑物防雷装置检测技术规范GB/T 21431-2008于2008年10月1日正式实施。这将对做好雷电防护工作（包括防雷工程设计、施工）起到很好的指导作用。在防雷管理、雷电防护技术服务大发展的同时，我们也意识到我市在雷电监测、预警方面滞后于单体雷电防护技术的发展，与国际先进国家有较大的差距。作为防雷减灾的国务院主管机构，中国气象局要求加强雷电监测和预警预报服务。权循刚局长在2008年全市气象工作会议报告中要求“加强雷电监测建设和业务系统雷电防护能力建设，建立全市闪电定位监测网，在重点区域布设电场仪。” 2008年5月防雷中心按市局的要求建设了天津市奥运足球场大气电场监测网络 ，该监测网络在2008年雷雨季节成功预报了15次雷暴过程。今后大气电场监测网络将对雷电发生的监测预警、雷电风险评估、雷电灾害的调查鉴定工作发挥更大的作用。同时也将对防雷工程设计发挥更大的作用。一. 雷电防护的主要定义、术语 1. 雷击 lightning stroke雷云对大地及地面物体、生命体的放电 2. 雷电流 lightning current流过雷击点的电流 首次雷击的雷电流参数 雷电流参数 建筑物防雷类别 类 类 类 I幅值（kA） 200 150 100 T1(波头时间s) 10 10 10 T2（半值时间s） 350 350 350 Qs（电荷量库仑） 100 75 50 W/R 单位能量（MJ/） 10 5.6 2.5 3. 雷电电磁脉冲 lightning electromagnetic pulse(LEMP)与雷电放电相联系的电磁辐射。所产生的电场和磁场能够耦合到电气或电子系统中，产生破坏性的浪涌电流或浪涌电压。4. 屏蔽 shielding一个外壳、屏障或其他物体，能够削弱一侧的电、磁场对另一侧的装置或电路的作用。5. 外部防雷系统 external lightning protection system由接闪器、引下线和接地装置组成，主要用于防护直击雷的防雷装置。6. 内部防雷系统 internal lightning protection system除外部防雷装置外，其他附加设施均为内部防雷装置，主要用于减小和防护在需要防护空间内所产生的电磁效应。7. 共用接地系统 common earthing system将各部分防雷装置、建筑物金属构件、低压配电保护线（PE线）。设备保护地、屏蔽体接地、防静电接地和信息设备逻辑地等连接在一起的接地装置。8.等电位连接 equipotential bonding ，bonding 将分开的装置、诸导电物体用等电位连接导体或电涌保护器连接起来以减小雷电流在它们之间产生的电位差。 9. 电涌保护器 surge protective device(SPD)用于限制瞬时过电压和泄放电涌电流的电器，它至少包含一个非线性的元件。10.标称放电电流In nominal discharge current 流过SPD，8/20s电流波的峰值电流。 用于对SPD做级分类试验，也可用于对SPD做级和级分类试验的预处理。11.冲击电流Iimp impulse current 规定包括幅值电流Ipeak和电荷Q。 12.残压 residual voitage 在放电电流通过时，在SPD端子间呈现的电压峰值。 13滚球法 ro11ing sphere method 滚球法是以hr为半径的一个球体，沿需要防直击雷的部分滚动，当球体只能触及接闪器（包括被利用作为接闪器的金属物），或只能触及接闪器和地面（包括与大地接触并能承受雷击的金属物），而不能触及需要保护的部位时，则该部分就得到接闪器的保护。二.综合防雷工程 雷电的危害是世界公认的十大自然灾害之一，自然界的雷击分为直击雷和雷电感应高电压及雷电电磁脉冲辐射(LEMP)两大类。直击雷是雷雨云对大地和建筑物的放电现象。它以强大的冲击电流，炙热的高温，猛烈的冲击波，强烈的电磁辐射损坏放电通道上的建筑物、输电线、室外设备，击死击伤人畜。造成局部财产和人、畜伤亡。雷电感应及雷电电磁脉冲是由于雷云之间和雷云与大地之间，与建筑物之间放电时，在放电周围产生的电磁感应。雷电电磁脉冲辐射以及雷云电场的静电感应，使建筑物上的金属部件，如管道、钢筋、电源线、信号传输线、天馈线等感应出雷电高电压，通过这些线路进入室内的管道、电缆、连线、桥梁等引入室内造成放电损坏电子、微电子设备。全国每年雷电造成的损失高达数十亿元。富兰克林发明避雷针时以及以后的270多年间，电子设备并不多，雷电电磁脉冲的危害现象也不明显，人们自然就想不到对它进行防御，只要防护直击雷就足够了。然而，当今社会电子设备大量应用，特别是电子计算机技术、通信技术的高速发展和日益普及，雷电感应高电压以及雷电电磁脉冲的危害明显增加，为了确保电子信息设备的正常工作，近年来雷电防护也由富兰克林避雷针防直击雷发展到综合防护的新阶段。综合防雷的六大措施就是接闪、接地、泄流、等电位连接、屏蔽、安装电涌保护器(SPD)。接闪、接地、泄流是直击雷防护的主要方法，也是雷电防护的基础。雷电综合防护的另一个重要的原则就是等电位连接和电磁屏蔽。等电位连接的目的在于减小防雷空间内各金属部件及各系统之间的电位差，并减小建筑物内的磁场强度。通过将建筑物上及建筑物内所有金属部件多重连接，从而建立一个三维的网络形的等电位网络。所称金属部件含：金属装置、设备机柜、电缆金属槽、公用设施金属管道，混凝土中的钢筋，活动地板及其他结构部件等金属部件。这些互连的金属部件形成了等电位网络。电气装置的保护地PE应并入等电位连接网络中，并入等电位网络的还有金属屋顶、金属门窗等。为了将电气和电子设备的机柜外壳和机架并入等电位连接网络，同时为在LPZ的界面处、公共设施、电力和信号导线和电缆作等电位连接的需要，应该安装一些等电位连接排。屏蔽是减小电磁干扰的基本措施。可采取外部屏蔽措施，适当的布线措施，线路屏蔽措施 ，上述措施可组合使用。屏蔽的机理是利用低阻金属材料制成容器，使其内部的电力线不传到外部，而外部的电力线也不影响内部，把电场经过在屏蔽壳体接地来实现。低频磁场屏蔽(雷电波能量集中于低频段)是指甚低频(VLF)和极低频(ELF)的磁场屏蔽。它是利用高导磁材料具有低磁阻的特性，使磁场尽可能通过磁阻很小的屏蔽壳体，而尽量不扩散到外部空间。屏蔽壳体对磁场起磁分路作用。其屏蔽应能主要取决于屏蔽材料的磁导率。在防雷工程设计中应采用铁质金属管、金属槽，对信号线实施电磁屏蔽。特别是对于年平均雷暴日超过60天的强雷区尤为重要。综合防雷工程设计的第6项措施是安装电涌保护器(SPD)，主要在低压配电线路、信号线路、控制线路、高频馈线端口处安装。要特别提出的是低压配电线路，据GB50057-94 (建筑物防雷设计规范)解释条文第3.4.9条第2款论述：根据以前的调查，沿低压架空线路侵入高电位而造成的事故占总雷害事故的70以上。对于设置有变压器的气象台应在其低压侧总空开下端安装开关型（10/350s）电涌保护器，该项要求在GB50057-94第3.3.8条第五款 规定“在电气接地装置与防雷的接地装置共用或相连的情况下 ：当电源线路用全长电缆或架空换电缆引入时，宜在电源引入的总配电箱处装设过电压保护器；当Yyno型或Dyn11型接线的配电变压器设在本建筑物或附设于外墙处时，在高压侧采用电缆进线的情况下，宜在变压器高、低压侧各相上装设避雷器；在高压侧采用架空进线的情况下，除按国家现行有关规范的规定在高压侧装设避雷器外，宜在低压侧各相上装设避雷器。” 在GB50057-94条文说明中，在第3.2.4条第八款有如下说明：“考虑到雷闪直接击于本建筑物的防雷装置时，共用接地装置的电位将升高，可能击穿低压装置或用电设备的绝缘，并参考IEC61024-1防雷标准第3.1.5款，本款补充规定”在电源引入的总配电箱处宜装设过电压保护器。” 根据IEC标准，室内低压装置的耐冲击电压最高为6kv。由于本条是将防雷装置直接安装在建筑物上和采用共用接地装置。所以，当防雷装置遭直接雷击时，假设流经靠近低压电气装置处接地装置的雷电流为20kkA，以及接地装置的冲击接地电阻甚至低至1，这时接地装置上电位升高为20kv。也就是说低压电气装置接地的金属外壳的电位比带电体（相导体）也高20kV。它比前述的6kV耐压高的多。如果相导体与地之间不装过电压保护器，则在这种情况下，在低压电气装置绝缘较弱处可能被击穿而造成短路，发生火花损坏设备，这是有危险的。若短路电流小（即长期有较大的漏电流，但又不能使保护设备及时动作切断线路），时间一长则可能引起外壳升温而发生事故或火灾。 当变压器附近的建筑物防雷装置接受雷闪时，接地装置电位升高，变压器外壳电位也升高。由于变压器高压侧各相绕组是相连的，对外壳的雷击高电位说来，可看作处于同一低电位，外壳的高电位可能击穿高压绕组的绝缘，因此，应在高压侧装设避雷器。当避雷器反击穿时，高压绕组处于与外壳相近的电位，高压绕组得到保护。 另一方面，由于变压器低压绕组的中心点与外壳在电气上是连接在一起的，当外壳电位升高时，该电位加到低压绕组上，低压绕组有电流流过，并通过变压器绕组的电磁感应使高压侧可能产生危险的高电位。若在低压侧装设避雷器，当外壳出现危险的高电位时低压避雷器动作放电，大部分雷电流经避雷器流过，因此，保护了高压绕组。上面的论述表明，设有独立供电变压器的气象台 ，在设计低压配电系统防雷保护时，一定要在变压器低压侧装设I级分类试验的电涌保护器。 对于未设独立变压器的单位则应在网络机房所在建筑物低压供电总配电柜装设一、二级合一电涌保护器，在机房所在层配 电箱（盘）装设二级电涌保护器，在重要设备供电前端装设第三级电涌保护器。对于信息机房根据机房的面积大小采取布设M型或S型等电位网络的措施，在构建M型等电位网络时应不少于两点（对角）与机房所在层建筑物内结构柱主钢筋作等电位连接，其过渡电阻应不大于0.03。如果是老式建筑物应在建筑物四周作环形闭合地网，由地网两侧引不小于两条接地线与机房M型等电位网络相连接，对于小型网络机房可构建S型等电位网。两种等电位网见图2、图3。 。 对信息机房信号线路电涌保护器的选择，应根据工作电压、传输速率、传输带宽、插入损耗、接口方式等参数选型。网络SPD的选型问题非常重要，2004年以前的计算机网络大都是10M到桌面，近年来计算机网络大多升级到千兆以太网，局域网的中心机房与本网外的公用网或是上一级的计算机网络通过光纤传输媒介相连接，本地网升级到100M到桌面，这就对网络SPD的技术参数有了新的要求，例如：某金融单位2001年实施主交换机防雷工程时安装的RJ45SPD 参数如下：标称电压UN =5V，额定电压（最大持续运行电压）UC=6V，标称放电电流（8/20s）ISN=5KA，标称放电电流ISN时的保护级别UP35V（线/地）带宽fg=165MHZ 。当时网络运行正常，到2003年由于业务的繁忙，网络交换速率达到设计的速率时发现网络出现故障，误码率明显上升。某防雷工程公司为该单位更换了SPD后网络运行正常。 我们看到更换的SPD UC值提高到65V，这就是施工单位不了解前述故障的原因，盲目更换后其防雷的效果就会下降我们的分析是：网络交换机或服务器等硬件设备安装的信号SPD本身存在着寄生电容，在网络以10M速度运行时其寄生电容影响不明显，当安装的SPD在100M运行时，寄生电容上的电压可能超过6V，此时安装的UC值为6V的信号SPD启动，相当于将数字信号对地短路，从而使误码率升高，破坏了网络的正常运行。寄生电容的影响来自两个方面，一是所选用SPD的核心器件瞬态二极管结电容的影响，二是信号SPD设计产生的电路板排版布线，器件位置的影响。两者都是影响信号SPD性能的主要因素。 一个在高速网上使用的信号SPD，设计生产定型前往往要经过多次反复排版试验才能保证其优质的技术性能。表1给出了国外产品与国内产品网络SPD的主要技术参数对照表。国外产品在UC值选择上适应了计算机网络的发展，在传输速率、插入损耗等技术指标上也优于国内产品，他们保护双绞线的八条线，使用器件多一倍，线路板排列上也有很大难度，上述意见供实施计算机网络防雷保护时参考。表1 计算机网络信号SPD国内外产品对照表型号参数项目国内RJ45单口国外RJ45单口国内RJ4524口国外RJ4524口标称电压UN5V5V24V额定电压UC6V11V6V30V标称放电电流Isn(8/20s)5 KA/每线300A(线/地)2.5KA(线/地)5 KA/每线400A(线/地)Isn时电压保护级别UP40V30V(线/地)500V(线/地)40V60V(线/地)响应时间ta100s(线/地)1s插入损耗aE0.6dBat100MHz 2.5dBat155MHz1dBat100MHz 0.6dBat100MHz2.5dBat155MHz0.6dBat80MHz1dBat160MHz保护脚位1/2 3/61/2 3/64/5 7/81/2 3/6 1/2 3/64/5 7/8 防雷区域的划分雷电防护区的划分应根据需要保护和控制雷电电磁脉冲环境的建筑物，从外部到内部划分为不同的雷电防护区（Lightning Protection Zone）。雷电防护区（LPZ）应划分为：直击雷非防护区、直击雷防护区、第一防护区、第二防护区、后续防护区。（图3.2.2），应符合下列规定：1）直击雷非防护区（LPZOA）：电磁场没有衰减，各类物体都可能遭到直接雷击，属完全暴露的不设防区。2）直击雷防护区（LPZOB）：电磁场没有衰减，各类物体很少遭受直接雷击，属充分暴露的直击雷防护区。3）第一防护区（LPZ1）：由于建筑物的屏蔽措施，流经各类导体的雷电流比直击雷防护区（LPZOB）区进一步减小，电磁场得到了初步的衰减，各类物体不可能遭受直接雷击。4）第二防护区（LPZ2）：进一步减小所导引的雷电流或电磁场而引入的后续防护区。5）后续防护区（LPZn）：需要进一步减小雷电电磁脉冲，以保护敏感度水平高的设备的后续防护区。LPZnLPZ0ALPZ0BLPZ1LPZ2LPZ0BLPZ0B接地装置LPZ0ALPZ0BLPZ0ALPZ0A接闪器埋地线缆、管道注： ：表示在不同雷电防护区界面上的等电位接地端子板 ：表示起屏蔽作用的建筑物外墙、房间或其它屏蔽体 虚 线 ：表示按滚球法计算LPS的保护范围 建筑物雷电防护区（LPZ）划分接闪接闪器-避雷针、避雷线、避雷带、避雷网关于滚球法确定保护范围，建筑物防雷设计规范(2000版) GB50057-94 规定一、二、三类防雷建筑物滚球半径hr分别为30米、45米、60米，在这里顺便给大家介绍一下，IEC62305-3 雷电防护 第3部分： 建筑物的物理损坏和生命危险 规定防雷建筑物滚球半径hr分别为20、30、45、60米。可见这只是概率问题。在设计防直击雷计算保护范围时应按国标设计，国家标准、IEC标准均不支持ESE接闪器。（可以讨论！）在此介绍GB50057-94附录一建筑物年预计雷击次数的计算，K、Ng、 Ae K-校正系数 ，一般情况下取1，位于旷野孤立的建筑物取2，金属屋面的砖木结构建筑物取1.7，位于河边、湖边、山坡下 以及特别潮湿的建筑物取1.5.Ng- 建筑物所处地区雷击大地的年平均密度 （次/km2a）Ae-与建筑物截收相同雷击次数的等效面积（km2）雷击大地的年平均密度应按下式确定：Ng0.024Td1.3式中Td年平均雷暴日，根据当地气象台、站资料确定（d/a）引下线与泄流*新建建筑物引下线设计 类不大于12米、 类不大于18米、类不大于25米 。 *避雷塔、独立避雷针的引下线 避雷塔特别是通讯塔顶端安装接闪器后，建议自接闪器底焊40X4mm热镀锌扁钢到塔底与接地装置焊接。原因是塔节法兰盘易锈蝕而影响泄流，二是设独立引下线后除塔柱泄流外增加了一个泄流通道。 一般以金属管支撑接闪器的独立避雷针，以金属管作为泄流通道是可以的，如果金属管内穿有被保护设备信号线缆，则必须将接闪器支撑杆以绝缘支出金属管1米，单独设泄流引下线。例如，气象风向、风速杆、高速公路电视监控杆。 *关于防直击雷、防雷电电磁脉冲引下线的设置。 建筑物一旦接闪绝大部分雷电流从外墙结构柱泄放，防雷电电磁脉冲应使用建筑物内结构柱。例如，泰达图书馆防雷引下线设计十分规范。 *关于PE线的使用，保护地与防雷地的区别，工程中的特别观注。 PE线是低压配电系统的保护地，测量接地电阻值可能是合乎要求但是，电源SPD的接地端子不应只接PE线端子。建筑物电子信息系统防雷技术规范GB50343-2004第5.2.1有明确规定“电子信息系统的机房应设等电位网络。电气和电子设备的金属外壳、机柜、机架、金属管、槽屏蔽线缆外层、信息设备防静电接地、安全保护接地、浪涌保护器（SPD）接地端等均应以最短的距离与等电位网络的接地端子连接。 （ 某机关遭雷击事故，就是二.三级SPD接地端只接到了PEu线而未起到防雷作用所致。）接地*A型接地装置 A型接地装置适合于有避雷针或避雷线的防雷装置或独立的防雷装置。在这种结构类型的接地装置是由连接至每根引下线的多根水平或垂直接地体组成。在A型结构中，接地体至少为两根。*B型接地装置 对网格型接闪装置及有多条引下线的防雷装置最好采用B型接地装置。 这种结构类型的接地装置不是由建筑物外部的环形接地体（与土壤接触部分至少占总长度的80%），就是由基础接地体组成。 *旧式砖混建筑物接地装置实施防雷工程时宜采用B型接地装置 （介绍自动气象站场室防雷技术规范 QX30-2005 接地施工难度与实施后的很好的效果）*接地电阻值建筑物电子信息系统防雷技术规范GB50343-2004第5.2.5条规定“防雷接地与交流工作接地、直流工作接地、安全保护接地共用一组接地装置时，接地装置的接地电阻值必须按接入设备中要求的最小值确定。 防直击雷接地电阻要求小于10 低压配电接地电阻要求小于4 计算机房接地电阻要求小于1，有困难时可放宽，但一定要做好等电位连接。*等电位连接等电位连接的目的在于减小防雷空间内各金属部件及各（信息）系统之间的电位差。不仅对LPZ内部的金属部件及（信息）系统，而且对穿越各界面的金属部件及（信息）系统均应在是各界面处作等电位连接。应采用连接导线和线夹在等电位连接带做等电位连接，在需要的地方采用电涌保护器 （SPD）做等电位连接。 防雷界面处的等电位连接 在直击雷非防护区（LPZ0A）或直击雷防护区（LPZ0B）第一防护区（LPZ01）交界处应设总等电位接地端子板，每层搂宜设置楼层等电位接地端子板，电子信息系统设备机房应设置局部等电位接地端子板。各接地端子板应设置在便于安装和检查的位置，不得设置在潮湿或有腐蚀性气体及易受机械损伤的地方。等电位接地端子板的连接点应满足机械强度和电气连续性的要求。电子信息系统等电位连接等电位连接网络的结构形式有：S型和M型或两种结构形式的组合 5.2.1条电气和电子设备的金属外壳、机柜、机架、金属管（槽）、屏蔽线缆外层、信息设备防静电接地和安全保护接地及浪涌保护器接地端等均应以最短的距离与等电位连接网络的接地端子连接。其要求“以最短距离”系指连接导线应最短，过长的连接导线将构成较大的环路面积会增大对防雷空间内LEMP的耦合机率，从而增大LEMP的干扰度。连接导线过长，将增大线路感抗，造成泄放雷电流不畅，从而降低了可靠性。电子信息系统等电位连接网络结构如图2、图3所示：SSsMM mS型星形结构M型网状结构ERP组合1组合2ERP接至共用接地系统的等电位连接基本的等电位连接网接至共用接地系统的等电位连接 ERPS图3 电子信息系统等电位连接方法的组合图2 电子信息系统等电位连接的基本方法：建筑物的共用接地系统； ： 等电位连接网； ：设备 ERP： 接地基准点； ：等电位连接网与共用接地系统的连接。 1 S型结构一般宜用于电子信息设备相对较少或局部的系统中，如消防、建筑设备监控系统、扩声等系统。当采用S型结构等电位连接网时，该信息系统的所有金属组件，除等电位连接点ERP外，均应与共用接地系统的各部件之间有足够的绝缘（大于10kV，1.2/50s）。在这类电子信息系统中的所有信息设施的电缆管线屏蔽层，均必须经该点（ERP）进入该信息系统内。S型等电位连接网只允许单点接地，接地线可就近接至本机房或本楼层的等电位接地端子板，不必设专用接地线引下至总等电位接地端子板。2 对于较大的电子信息系统宜采用M型网形结构，如计算机房、通信基站、各种网络系统。当采用M型网形结构的等电位连接网时，该电子信息系统的所有各金属组件，不应与共用接地系统的各组件之间绝缘。M型网形等电位连接网应通过多点组合到共用接地系统中去，并形成Mm型等电位连接网络。而且在电子信息系统的各分项设备（或分组设备）之间敷设有多条线路和电缆，这些分项设备和电缆，可以在Mm型结构中由各个点进入该系统内。3 对于更复杂的电子信息系统，宜采用S型和M型两种结构形式的组合式，如图3所示的组合方式。这种等电位连接方法更为方便灵活，接线简便，安全、可靠性高。4 电子信息系统的等电位连接网采用S型还是M型，除考虑系统设备多少和机房面积大小外，还应根据电子信息设备的工作频率来选择等电位连接网络型式及接地型式，从而有效地消除杂讯干扰。 屏蔽 屏蔽的理论依据为“法拉第电磁感应定律”，封闭导体内部电场强度为零。法拉第曾亲自做了试验，向世人做出了证明。现以生活中人们遇到的实际，高层建筑物内听中波广播、电梯内打手机、微波炉的使用做解释。1. 屏蔽原理(1) 传输线理论：将屏蔽壳体比作传输线，并认为辐射场通过金属时，在外表面被反射一部分，部分在金属内传播被吸收而受到衰减。这一理论与行波在传线上传播的理论类似，而且计算方便，精度也高，是当前广泛采用的一种分析方法。(2) 涡流效应：电磁波在金属壳上产生感应涡流，而这些涡流又产生了与原磁场反向的磁场，抵消消弱了原磁场，达到屏蔽作用。这种方法忽略磁导率的因子，误差大，应用受到局限。磁屏蔽-主要防止低频磁场的干扰。电磁屏蔽-主要防止高频场的干扰。屏蔽的机理是利用低阻金属材料制成容器，使其内部的电力线不传到外部，而外部的电力线也不影响内部，把电场终止在屏蔽壳体接地来实现。低频磁场屏蔽：是指甚低频（VLF）和极低频（ELF）的磁场屏蔽。主要屏蔽机理是利用高导磁材料具有低磁阻的特性，使磁场尽可能通过磁阻很小的屏蔽壳体，而尽量不扩散到外部空间。屏蔽壳体对磁场起磁分路作用。其屏蔽效能主要取决于屏蔽材料的磁导率。材料选择原则如下：（1） 屏蔽层的开口或缝隙处不能切断磁力线；（2） 屏蔽材料的磁导率要足够高；（3） 屏蔽体直径要小；（4） 屏蔽层数要满足要求；（5） 屏蔽层厚度要厚。2. 屏蔽效能用下述方式来定义（1） 用相应的磁场比（2） 用相应的电场比（3） 用场内所讨论的点在屏蔽插入前、后的功率密度比（4） 屏蔽前表面入射波场强与这表面辐射出场强之比，于是屏蔽效能为： S=20lgE1/E2; S=20lgH1/H2; S=10lgP1/P2 式中：E1-入射波电场强度（V/m） E2-屏蔽另一面辐射出电场强度（V/m） 由以上分析：雷电电磁脉冲大多在10kHZ以下，屏蔽材料以铁磁材料为好。如：钢筋网、钢板，特别是新建建筑物以钢筋网作防雷屏蔽是即经济，效果又好的办法。 屏蔽措施1. 建筑物的屏蔽（1） 笼网屏蔽 现代高层建筑物多采用钢筋混凝土结构，其板、柱、梁和基础内有大量的钢筋，将它们连接起来，在整体上构成一个法拉第笼式避雷网。同时，对采用钢结构的建筑物，将建筑结构中各钢件相互连接起来，也可以形成这种笼式避雷网。这些避雷网除了具有其他的防雷用途外，还可以用于屏蔽目的。虽然它们在网格结构上是稀疏的，但可以对建筑物外部入射的雷电电磁脉冲进行初次抑制，使电磁场在透过它们后受到一定程度的衰减，这将有利于减轻对建筑物内电子信息系统屏蔽措施的压力。 避雷网对外部雷电电磁脉冲所能发挥的有限屏蔽作用与其自身网孔尺寸有很大关系。也与雷电脉冲电磁场的频率分量有关。在雷电脉冲电磁场频率范围100kHZ-1MHZ，避雷网网孔尺寸与磁屏蔽效能的关系见下图：在该图中，避雷网的网孔被认为是方型的，其边长为W，钢筋直径为d。(3) 磁屏蔽效能的估算 当建筑物以外的某一位置落雷时，为了工程估算的简易性，可采用安培环路定律来估算雷击点附近磁场强度。 H0=I/2r 式中，I-雷电流幅值，r 计算点到雷击点距离。 电涌保护器（SPD）重点介绍应用最广泛的低压配电系统安装SPD设计与施工 我国的低压配电是指380V/220V的供电部分，一般是变压器次级所构成的供电系统。变压器输入端一般多为10KV、3.5KV、0.6KV，高压部分的雷电防护由电力部门设计、施工。我们所涉及到的是各行各业用户的防雷安全问题。 ，雷电电磁脉冲沿供电线路如侵设备占雷击灾害的60%-70%，因此，这部分的防雷安全应该是我们最为观注的环节，它直接影响到国家财产和人们的生命安全。近四、五年来可以看到各行各业的防雷工程中，大量是低压配电系统安装SPD是设计、施工。基本概念1. 交流电 我们通常讲的交流电是指正弦交流电，也就是按正弦规律变化的交变电压、电流。我国的低压配电是指380V/220V、50Hz,三相供电的线电压380V、相电压220V,其数学表达式为： i =ImSin(t+) 为角频率 =2f f为50Hz T=20mS正弦交流电波形如下：交流电苻号为AC Alternating Current 交流电压 V 交流电产生交变电磁场，这是变压器、电动机、发电机的基础。 （介绍磁铁、磁钢 俗称吸铁石是怎样生成的）2. 低压配电系统分类 低压配电系统分为TN、 TT、 IT三大系统，IT系统材用较少在此不作介绍。 T-第一个字母是说明电源与大地的关系，电源的一点（中性点）与大地直接连接。 T-第二个字母是说明电气装置外露导电部分与大地的关系，外露导电部直接接大地，它与电源的接地无联系。 N-第二个字母N 外露导电部分通过与接地的电源中性点的连接而接地。 第三个字母 C、S是说明N线与PE线的关系 C：N线与PE线共用一根导线（PEN） S：N线与PE线分别设置 TT系统原理图如下： L1 L2 L3 N 设备外露导电部分TN-C系统原理图如下：L1 L2 L3 PEX 设备外露导电部分TN-S系统原理图如下：L1 L1L2 L2L3 L3N NPEPE设备外露导电部分TN-C-S系统原理图如下：L1 L2 L3 PEN PEN设备外露导电部分建筑物电子信息系统防雷技术规范GB50343-2004第5.4.1条第2款规定“电子信息系统设备由TN交流配电系统供电时，配电线路必须采用TN-S系统的接地方式。” TN-S系统即三相五线制，在总变电室N线与PE线为一个点，自总变电室送往建筑物时将N线与PE线分为两条线输送，低压配电规范规定 N线进入建筑物时不能重复接地，PE线进入建筑物时可以与建筑物的接地系统做重复接地。TN-S系统的优点是N线与PE线分开设置，当单相使用时外露导电部分接PE线，防止L与N接线错误时设备外壳带电而发生触电事故。特别注意：在电源SPD安装时，其接地端子一定要与建筑物防雷接地就近做等电位连接。3. 低压电涌保护器分类 低压电涌保护器分为：开关型、限压型、复合型三大类。 （1）开关型SPD 在没有电涌时具有高阻抗，有电涌时能立即转换成低阻抗。电压开关型SPD常用的元件有放电间隙、气体放电管、闸流管（硅可控整流器）、和三端双向可控硅开关元件。这类SPD也称作“短路型SPD” Voltage swiching type. （ 2 ）电压限制型 SPD Voltage limiting type在没有电涌时具有高阻抗,但是，随着电涌电流和电压的上升，其阻抗将持续地减小的SPD。常用的非线性元件是：压敏电阻和抑制二极管。这类SPD也称作“箝位型SPD”。（3）复合型 SPD Combination SPD 由电压开关型元件和电压限制型元件组成的SPD。其特性随所加电压的特性可以表现为电压开关型，电压限制型或两者皆有。4. 电涌保护器 SPD的技术参数（1）开关型SPD 开关型SPD应按照低压配电系统的电涌保护器 (SPD) GB18802.1-2002第1部分：性能要求和试验方法，按级分类试验（10/350）测试。 UN:标称电压 230/400V Uc:额定电压 （最大持续运行电压） 在TN-S供电方式下规范规定 Uc=1.15Uo Iimp:最大冲击电流 常用 35、50 、100KA Up:保护水平 要求小于2.5Kv ta:响应时间 不同产品不尽相同。一般 50、100nS、100S Q：电荷量为峰值电流的1/2 例如：峰值电流100KA则Q为50库伦。 （2）限压型SPD 目前国内外限压型SPD的核心元件为MOV Metal Oxide Varistor 直流参俄数：U1mA-启动电压是当SPD通过1mA电流时的端电压。 例如：Uc=260V的SPD U1mA在430-450V 之间 Uc=335V的SPD U1mA在520-550V 之间 可见Uc 越大，U1mA越高。MOV的标准规定U1mA的误差为正负百分之十。 Ie-漏电流 建筑物防雷装置检测技术规范GB/T 21431-2008规定小于20A。本参数主要影响SPD的稳定性，据实践，国产MOV稳定性比进口产品要差。这主要是由其生产工艺所决定（配方科学、合理的前提下），要求MOV焊接引线时在真空、恒温、恒湿条件，不客气地讲国内有许多SPD是OEM产品，生产工艺很难保证。 SPD动态参数 UN 标称工作电压 在TN-S系统为220V Uc 额定工作电压，也称最大持续运行电压。该参数是二级SPD的重要参数，一般常用260V、275V、 335V、350V385V、400V等，它的选取与供电质量及负载的性质密切相关。 对于供电质量不稳定的地区Uc值宜选择高一点，从而保证SPD工作稳定性，这样TOV Temporarg Over Voltage 暂态过电压特性要好一点。暂态过电压是表征SPD承受一个暂态过电压至规定持续时间的工作状况。规范要求：持续时间，试验流限制到（有效值）。但是，Uc高则U1mA也高，其动作灵敏度也要小一些。对于供电质量稳定的地区（包括输出端安装的SPD），Uc值可以选低一点。以系列为例：对于供电质量不稳定的地区宜选用320， Uc=335 -3C-3S-350 Uc=350 对于供电质量稳定的地区宜选用230， Uc=260 以上建议尚应考虑其负载状况。 In：（8/20S） 标称放电电流 工程中对C级及以下的电子信息系统选择In=20 KA，B级以上选择In=40 KA Imax：（8/20S）最大放电电流 SPD允许通过的8/20S电流的峰值。当SPD通过Imax时就可能发生热脱扣而失效。 Up：保护电平-电压保护水平。表征SPD限制接线端子间电压的性能参数 ，该值应大于限制电压的最高值。Ta:响应时间 表征SPD响应的速度，国内外产品一般给出的参数为小于25nS。SPD前置熔断器 这个问题目前尚无国标明确规定，DEHN 公司给出的要求是：当主电路熔断器小于125A时，SPD可不再串接熔断器，但通常工程中使用32A熔断器串接于SPD与主电路空开下端。用以保护当SPD短路失效时，供电系统的安全。低压配电系统安装SPD的设计、施工 防雷工程的设计工作中非常重要的一步是现场勘察和雷击风险评估。现场勘察工作要细之又细，应了解被保护对象所在地的气象环境、周边环境状况、建筑物状况、供电系统现状、机房状况、电气电子设备配置状况及重要性、抗扰能力。将这些因素综合考虑后，确定防护等级方能做出科学、可靠、经济合理的设计方案。 气象环境应该是雷电防护最重要的依据，江南有的地区年平均雷暴日达到100天，新疆吐鲁番年降雨不到16毫米，基本无雷雨，所以防雷设计就大大不同了。雷击风险评估应依据建筑物防雷设计规范GB50057-94（2000年版）附录1，建筑物电子信息系统防雷技术规范GB50343-2004附录A进行计算。评估结论直接关系电源SPD的配置与选型。电子信息系统设备配电线路浪涌保护器（SPD）安装位置如图5.2.1所示：PE6kV总配电柜L3L2L1N耐冲击过电压类别耐冲击过电压额定值SPD 安 装 位 置1.5kV特殊需要保护的信息设备 2.5kV信息机房配电箱4kV分配电柜N1234退耦器件；PEL 图例： 空气断路器； 隔离开关； 熔断器； 浪涌保护器； 等电位接地端子板。 1总等电位接地端子板； 2楼层等电位接地端子板； 3、4局部等电位接地端子板图4.2.1 耐冲击过电压类别及浪涌保护器安装位置（TNS）以2008年6月27日津南区某机关遭雷击，总配电柜安装的电涌保护器烧毁、通讯机房多台设备损坏，造成通讯系统瘫痪。以及高速公路变压器几次雷击损毁事故为例说明 一级SPD选型的重要性，80-100KA模块并联MOV缺点。 对于总配电柜设在建筑物一层，而一层又有用电设备，建议在总配电柜安装一、二级合一的，具有主动能量控制的电涌保护器。 一级SPD相线端安装线应为16 mm2,接地安装线为25 mm2多股塑铜线，安装线总长度不大于0.5m。相线端串接100A空气开关接入主电路。 建筑物电子信息系统防雷技术规范GB50343-2004第6.5.1条第1款规定“各级浪涌保护器（SPD）连接导线应平直，其长度不宜超过0.5m。 连接导线的长度直接影响到SPD的保护水平。例如连接导线长度达到1.5m，其分布电感为1.5H,设有5KA、8/20S雷电流入侵，则 SPD端电压将增加Vl=L*di/dt ，计算结果Vl=938V,殘压增加938V将对设备的安全造成极大威胁。 二级SPD选型时根据雷击风险评估的结果，按电子信息系统保护分级A、B、C、D选取In值，分别为40kA、40kA、20kA、10kA 。按供电质量稳定状况、用电负载状况选取Uc值，国内外产品样本给出的有260V、275V、320V、335V、350V、380V、385V、400V、420V，选用时应综合考虑保护电平、稳定性之间的关系。二级SPD相线端安装线应为10 mm2,接地安装线为16 mm2多股塑铜线，安装线总长度不大于0.5m。相线端串接32A空气开关接入主电路。 C、D级电子信息系统对三、四级SPD选取没有明确的规定，但是对重要设备供电前端应安装SPD。根据IEC61643-12Surge protective devices connected to low-voltage power distribution systems-Part 12:selectionand application principles标准中第6.1.2节提出与防护距离有关的振荡效应问题，我们通过试验得到了进一步的验证。当SPD用来保护设备或安装在输入端配电盘上，如果距离被保护的设备太远，由于电缆分布电容和自身电感的存在，组成一LC谐振电路，电涌保护器的保护电压Up传输到这时，LC谐振电路由于它激而起振。SPD的电压保护水平Up值将会随着传输距离的延长而提高，可能会在终端设备上产生2倍于Up甚至更高的振荡电压，尽管对设备使用了SPD保护，但这个振荡电压仍会使设备发生损坏。 电缆分布电容和自身电感组成的是一并联谐振，谐振时迴路的端电压达到最大值。这就是振荡电压损坏设备的理论基础。三级SPD选用时，对A、B级 电子信息系统In值，分别为20kA、20kA。四级SPD选用时对A级电子信息系统In值为10kA。 38