闪电电涌过电压与建筑物内系统电涌保护器工程技术

乔国林

(上海建科检验有限公司,上海 201900)

闪电电涌过电压与建筑物内系统电涌保护器工程技术

乔国林

(上海建科检验有限公司,上海 201900)

电涌保护器是防止或减少闪电电涌侵害建筑物内电气系统和电子系统最直接、最有效的器件.建筑物内的系统包括电气系统和电子系统,但电气系统电涌保护器比电子系统电涌保护器的工程设计更为复杂.以电气系统电涌保护器为研究对象,通过对闪电电涌过电压的方式描述、破坏机理分析,归纳出了选择电气系统电涌保护器时需考虑的因素;借助某一电涌保护器工程,确定雷电防护等级,匹配电涌保护器有效电压保护水平和设备绝缘耐冲击电压额定值,实施电气系统电涌保护器检验,从中明确建筑物内系统电涌保护器工程实施的完整理论和实践方法.

闪电电涌;保护模式;有效电压保护水平;压敏电压

闪电电涌表征闪电击于防雷装置或线路上以及由闪电静电感应或雷电流经电阻、电感、电容耦合产生的电磁效应引发出的过电压、过电流瞬态波.闪电电涌侵入会导致过电压现象的出现.闪电电涌侵入的具体途径是:①直击雷对建筑物或临近地区的雷电放电,通过电磁感应到建筑物内系统;②雷电通过通讯线路感应到建筑物内系统;③雷电通过供电系统感应到建筑物内系统;④静电感应产生瞬间电位反击,传入建筑物内系统.由此可知,电涌保护器是预防闪电电涌入侵最直接、最有效的器件.对于电子信息系统,电涌保护器的设置是不可或缺的.

建筑物内系统包括电气系统和电子系统,但是,电气系统在建筑物内系统中占有重要位置.本文主要以电气系统电涌保护器为研究对象,说明建筑物内系统电涌保护器工程技术,即在阐述闪电电涌过电压的方式及其破坏机理的基础上,基于选择电涌防护器时需考虑的决定因素,借助某一电涌保护器工程实例,系统论述电涌保护器的选择、检验、布局等一套完整理论和实践方法.

1 闪电电涌过电压方式

1.1 雷电电涌过电压

1.1.1 闪电静电感应过电压

当有带电的雷云出现时,雷云下的地面和建筑物等因为静电感应的作用而带上异性电荷.从雷云出现到发生雷击主放电所需要的时间相对于主放电过程的时间要长得多,因此,大地有充足的时间积累大量电荷.同样,与雷云先导通道下端靠近的电力线、信号线路的长导体也会受到很强的电场力作用.当下行的梯式先导接近地面时,会产生回击放电,主放电通道的电荷会与地面积累的大量电荷迅速中和而消失.这时,长导线上积累的电荷可以自由运动,其产生的高电压沿导线以近于光的速度向导线两端传播,这就是感应过电压波,它对接地不良的电气系统有破坏作用.对于建筑物内部金属框架与接地不良的金属器件之间,很容易产生火花,这对于有易燃物品建(构)筑物可能会造成直接危害.

1.1.2 闪电电磁感应过电压

由于雷电流有极大峰值和陡度,它的周围空间会出现瞬间磁场,处在这瞬间电磁场之中的导体能感应出较大的电动势.假设机房微电子设备内一个很小的开口金属环,在仅靠避雷针引下线处可感应出高达几千伏的高电压,那么,它足以击坏附近的电子元器件,从而使微电子设备遭到损坏.电磁感应是由于雷击后,巨大的雷电流在周围空间产生迅速变化的强大磁场,这种强磁场能在其附近的金属导体上感应出很高的电压.

1.1.3 闪电感应过电压

闪电感应表征闪电放电时,在附近导体上产生的雷电静电感应和雷电电磁感应[1].其特征为直击雷对建筑物或临近地区的雷电放电,通过电磁感应到建筑物内部的计算机通信网络环路,从而损坏设备,以雷电波形式侵入电子设备.雷电波侵入的方式有2种:①雷电电磁脉冲沿着供电线、电话线、信号电缆、天馈线、建筑物的外墙或柱子侵入;②设备接地在雷击时产生瞬间高电位,通过空间或大地呈梯度式的磁场影响导体线路.

1.2 闪电电涌破坏机理分析

本文以埋地电缆受雷电影响而产生闪电电涌,对闪电电涌破坏机理进行分析.要想减少雷电流的影响,靠近建筑物的配电、通信线路进出方式通常采用埋地式,尽管如此,还是有一些雷电流从埋地电缆中侵入.当雷电击在埋地电缆上方时,埋地电缆也会遭受雷电流的侵入,其原理如图1所示.

图1 电缆上方被雷击时的大地电位分布

距球心为x cm处的电流密度[2](jr,A/cm2)为:

A点电位[2](UA,V)为:

从式(2)中可以看出:当Id和ρ为定值时,距接地装置越远处的地表面电位越低,距接地装置越近处的地表面电位越高,而以接地体表面处的电位为最高.电位和距离为双曲线函数关系.当距离接地装置超过20 m时,在该处的地表电位基本上等于零.例如,当Id=100 kA时,地区土壤电阻率ρ=110 Ω.m,x=2 m 处,根据式(2)可得,UA=875.8 kV.由此可见,当埋地铺设电缆的上方或附近发生雷击时,在其电缆的屏蔽层处的电位达到几百千伏.

2 电涌保护器设计技术

2.1 选择电涌保护器的决定因素

电涌保护器是防止电气系统、电子系统被闪电电涌侵入的最直接、最有效的手段.在选择电涌保护器时,要考虑以下几个因素:①设施对电涌的暴露程度(不是设备容量的大小);②被保护设备的重要程度和价值;③被保护设备所处雷击区的强度;④配电设施系统里电涌防护装置的安装位置;⑤设施内电气设备和电子设备产生的电力干扰程度.

2.2 防雷分类

由于H<100 m,该建筑物每边扩大宽度等效面积为[1]:

上海地区雷暴日Td取值49.9 d/a,K为校正系数.一般地形,K取1.0,雷击大地的年平均密度Ng取0.1XTd,则建筑物年预计雷击次数为[1]:N1=KXNgXAe=KX0.1XTdXAg=1.0X0.1X49.9X0.039 1=0.195.根据规范可知[1],年预计雷击次数大于0.05的人员密集的公共建筑物,属于第二类防雷建筑物.所以,该建筑物为第二类防雷建筑物.

2.3 通过雷电防护等级确定电气系统电涌保护器级数

l取1 000 m,ds取110(数值上等于土壤电阻率Ω.m值),其入户设施等效面积[4]为:=低压埋地引入电缆等效面积+埋地信号线等效面积.将相关数值带入上式中可得,=2XdsXl+2XdsXl=0.44 km2.由此可以计算出入户设施年预计雷击次数为:N2=NgX′=0.1XTdX=0.1X49.9X 0.44=1.98.

由建筑物年预计雷击次数和入户设施年预计雷击次数可得到建筑物及入户设施年预计雷击次数为[4]:N=N1+N2=0.195+1.98=2.17.

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

由入户设施年预计雷击次数得其可接受的最大年平均雷击次数为[4]:NC=5.8X10-1/C=5.8X10-1/6.7=8.66X10-2.

由建筑物及入户设施年预计雷击次数和入户设施可接受的最大年平均雷击次数可得防雷装置的拦截效率为:

0.90

2.4 各级电气系统电涌保护器冲击电流或标称放电电流

大楼总配电箱位于LPZ0-LPZ1区的防雷界面上,根据相关规范[1],此处可选10/350 μs或8/20 μs首次冲击雷电流模型的电涌保护器.该建筑物属于第二类防雷建筑物,雷电流I取150 kA.参照规范[1],第一级电涌保护器可以选择10/350 μs波形的冲击电流12.5 kA.依照规范[3],将其折算8/20 μs波形的标称放电电流(In),即第一级In≥40 kA.同样依照规范[3],第二级In≥20 kA,第三级In≥10 kA.

2.5 有效电压保护水平与设备绝缘耐冲击电压额定值

Up为电涌保护器的电压保护水平[1],Up/f为电涌保护器的有效电压保护水平[1],△U为电涌保护器两端引线的感应电压降[1],表1描述了这3个变量之间的关系.

电涌保护器两端引线的感应电压降取值如表2所示.

UW为被保护设备的设备绝缘耐冲击电压额定值[1](kV).Ui为雷击建筑物附近电涌保护器与被保护设备之间电路环路的感应过电压.在设计(电气系统)电涌保护器时,其有效电压保护水平不能大于设备绝缘耐冲击电压额定值.表3描述了Up/f与UW的匹配关系.本工程(电气系统)电涌保护器安装施工均符合表4提出的要求.

表1 电涌保护器的有效电压保护水平(单位:kV)

表2 电涌保护器两端引线的感应电压降取值

表3 Up/f与UW的关系

2.6 电涌保护器最大持续运行电压与压敏电压

电涌保护器最大持续运行电压[1]Uc与压敏电压[3]U1mA是选择(电气系统)电涌保护器时需要考虑的2个重要参量.电涌保护器最大持续运行电压与相线对中性线的标称电压关系如表5所示.

表4 220/380 V三相系统各种设备耐冲击电压额定值

表5 电涌保护器最大持续运行电压与相线对中性线的标称电压关系

该建筑物配电为TN-S系统,电源线的工作电U0=220 V,则所选的电涌保护器的最大连续工作电压Uc不小于1.15 U0.本工程中Uc≥1.15X220=253 V,即Uc≥253 V.

Uc与其寿命和Up有关,如果Uc选得低,内部电涌引起电源电涌保护器频繁启动,则寿命缩短;如果Uc选得高,则其Up也高.电源电涌保护器要安装在大楼总配电处,因为大楼用电设备很多,比如空调、电梯、电机等,这些都可能产生内部电涌,所以在选择(电气系统)电涌保护器时,要采用适当的Up.

在(电气系统)电涌保护器压敏电压检测时,可使用防雷元件对(电气系统)电涌保护器压敏电压进行检测,不同保护模式的电涌保护器,其检测接线如图2和图3所示.(电气系统)电涌保护器Uc与U1mA匹配判断步骤如图4所示.工程中(电气系统)电涌保护器的压敏电压、泄漏电流、绝缘电阻检测值如表6(以第一级电涌保护器为例说明)所示.

2.7 电气系统电涌保护器安装步骤

电气系统电涌保护器安装步骤如图5所示.

2.8 电涌保护器工程实施

总配电在底层,电源系统采用TN-S配电系统,采用3级(电气系统)电涌保护器,其安装原理如图6所示.

由现场情况可知,电子系统电涌保护器信号工作电压应为5 V,所以,选择型号为ETRJ45-100A的电涌保护器,以满足信号避雷技术的要求.机房内有1台UPS,1台服务器IBM6000,15块网卡,其接口为RJ45.信号电涌保护器安 装情况如图7所示.

表6 电涌保护器相关参数值

图2 MOV阀片(4P保护模式)压敏电压测试插线

图3 MOV阀片(3+NPE保护模式)压敏电压测试插线

图4 (电气系统)电涌保护器Uc与U1mA匹配判断步骤

图5 电气系统电涌保护器安装步骤

3 结束语

本文提出的电气系统电涌保护器工程设计步骤,遵循了工程设计应具有的严谨、系统、科学的理念.通过某一电气系统电涌保护器工程,总结出了选择和安装建筑物内系统(电气系统和电子系统)电涌保护器的相关方法.此外,本文提出的思想、理论、步骤和方法除了适用于雷电电涌过电压外,还适用于操作电涌过电压的电气系统电涌保护器设计.

图6 电源系统三级电涌保护器安装原理示意图

图7 信号电涌保护器安装示意

[1]中国中元国际工程公司.GB 50057-2010建筑物防雷技术规范[S].北京:中国建设出版社,2010.

[2]耿毅.工业企业供电[M].北京:冶金工业出版社,1988:285-286.

[3]上海市防雷中心,安徽省防雷中心,天津市中力防雷技术有限公司,等.DB31/T 389-2015防雷装置安全检测技术规范[S].北京:中国标准出版社,2015.

[4]中国建筑标准设计研究院,四川中光防雷科技股份有限公司.GB 50343-2012建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

乔国林(1964-),男,辽宁人,高级工程师,2007年1月毕业于北京科技大学,博士学位(博士研究生),主要从事防雷工程、检测,电气等工作.

〔编辑:白洁〕

TM862

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.22.031

2095-6835(2017)22-0031-04