建筑物防雷的SPD三级防护设计

建筑物防雷的SPD三级防护设计

摘要：雷电是一种普遍的自然现象，但是其带来的危害却日益引起人们的关注。电子信息设备越来越多的被应用生活和生产当中，而雷电灾害对电子信息设备的损害非常巨大。本文就重点介绍了在建筑物中的电子信息系统以SPD电涌防护器为媒介的三级防雷防护技术措施。

关键词：SPD（电涌防护器）LEMP（雷击电磁脉冲辐射）

防雷区（LPZ）三级防雷

雷电的危害

雷电的危害大体上可分为直击雷和雷击电磁脉冲两种。

（一）直击雷：直击雷是雷雨云对大地或建筑物的放电现象。它产生强大的脉冲电流、炽热的高温、猛烈的电动力损坏放电通道上的建筑物、输电线、室外电气、电子设备，击死击伤人员，同时产生的强烈的电磁感应和电磁辐射，对周围的电气、电子设备造成损坏或干扰。

（二）雷击电磁脉冲(LEMP)：雷击电磁脉冲是由于雷雨云之间和雷雨云与大地之间放电时，产生的电磁感应、电磁辐射以及雷雨云与输电线静电感应电荷在雷击放电瞬间泄放,产生的过电压、过电流通过连接建筑物内外的各种金属管道、电源线、信号线等进入室内设备，使用电设备损害。

下面是雷电危害的示意图

图1 雷电危害示意图

对直击雷的防护主要采用避雷针、避雷带、引下线及接地体等传统的外部避雷装置。对雷击电磁脉冲的防护主要通过以下几个方面进行：1、屏蔽- 每一次屏蔽都会减小LEMP （LPZ0>LPZ1>LPZ2...) 2 、合理综合布线- 减小感应环路面积，或增加线路屏蔽来减小LEMP。3 、SPD等电位连接（安装防雷器针对不同的线路安装不同的SPD）消除LEMP对设备的影响

我重点介绍采用SPD三级防护的设计要点。

二、防雷分区

·LPZ 0A - 易造受直接雷击，因而可能必须传导全部的雷电流。LEMP*无衰减（例如大楼外部，而且不在避雷针保护范围内的部分）。

·LPZ 0B - 不易造受直接雷击，但LEMP* 无衰减（例如大楼外部，但在避雷针保护范围以内的部分）。

·LPZ 1 - 不易造受直接雷击，但LEMP* 比LPZ 0B区有衰减（例如钢筋水泥框架结构大楼内部）。

·LPZ 2 - 后续防雷区2，较LPZ 1区进一步减小传导电流或电磁场（例如大楼内部的屏蔽机房）。LPZ 3... - 后续防雷区3... ，随着要求可以进一步设立防雷分区（例如屏蔽机房内的屏蔽接地的主机柜）。

将一建筑物划分为几个防雷区和做符合要求的等电位连接的例子

图2防雷区域划分示意举例

三、三级防雷

第一级防雷的目的：防止直接的传导雷进入LPZ 1区，将上万至数十万付的浪涌电压限制到2500-3000伏

第二级防雷的目的：进一步将通过第一级防雷器的残余浪涌电压或限制到1500-2000伏，对LPZ1 - LPZ 2 实施等电位连接。

第三级防雷的目的：最终保护设备的手段，将残余浪涌电压的值降低到1000伏以内，使浪涌的能量不致损坏设备。

是否必须要进行三级防雷应该根据被保护设备的耐压等级而定，一个信息系统是否需要防雷击电磁脉冲，应在完成直接、间接损失评估和建设、维护投资预测后认真分析综合考虑，做到安全、适用、经济。

采用三级防雷是因为

能量需要逐级泄放

传输线路会感应LEMP（雷击电磁脉冲辐射）

对于拥有信息系统的建筑物，三级防雷是成本较低，保护较为充分的选择

由于雷击的能量是非常巨大的，需要通过分级泄放的方法，将雷击能量逐步泄放到大地。第一级防雷器可以对于直接雷击电流进行泄放，或者当电源传输线路遭受直接雷击时传导的巨大能量进行泄放对于有可能发生直接雷击可能的地方，必须要进行CLASS-I 的防雷。第二级防雷器是针对前级防雷器的残余电压以及区内感应雷击的防护设备，对于前级发生较大雷击能量吸收时，会有一部分对设备或第三级防雷器而言仍然是相当巨大的能量会传导过来，需要第二级防雷器进一步吸收。同时，经过了第一级防雷器的传输线路也会感应雷击电磁脉冲辐射LEMP，当线路足够长时（超过15米）感应雷的能量就变的足够大，需要第二级防雷器进一步对雷击能量实施泄放。同样，经过了第二级防雷器的传输线路也会感应雷击电磁脉冲辐射LEMP，当线路足够长时感应雷的能量就变的足够大，第三级防雷器是对LEMP和通过第二级防雷器的残余雷击能量进行保护。因此，第三级防雷器到设备端的线路传输距离也不应超过10米，以避免LEMP 对设备造成的损害

四、SPD的选型原则

基于电气安全原因，并联安装在市电电源的SPD，为防止其失效后造成故障短路，必需在SDP前安装短路保护器件。SPD的后备保护有熔断器、断路器和漏电断路器三种。而SPD的选择实际上没有统一的标准可遵循，下面进行一简单举例：

第一级SPD为开关型15kA，10/350，断路器为63A；第二级SPD为限压型40kA，8/20，断路器为32A；第三级SPD为限压型10kA，8/20，断路器为16A。断路器选择C脱扣曲线

五、各级SPD的基本配合原则

(一)通则：目前的技术是通过选择以下两个原则之一来实现两个SPD之间的能量配合：

1、不使用退耦元件的配合。这种方法是以静态伏安特性进行配合，这种方法不需要退耦元件。退耦是由线路的自然抗阻供给的。

2、使用退耦元件进行配合。为配合目的，使用具有足够电涌承受能力的阻抗作为退耦元件。

（二）两个电压开关型SPD间的配合：

1、对放电间隙之间的配合，必须使用动态工作特性。借助于退耦元件来实现配合。为了使放电间隙SPD1着火放电，在放电间隙SPD2着火放电后，退耦元件两端的动态电压降必须高于放电间隙SPD1的着火动作电压。

2、当使用电阻器作为退耦元件时，所要求的U DE主要取决于电涌电流的峰值。再选用退耦元件的脉冲波形参数时，也应考虑这个量值。

3、SPD的特性的制造容差通常都是要考虑的。再火花隙或气体放电管实例中，冲击陡度是至关重要的。

（三）电压开关型和限压型SPD间的配合：

放电间隙（SPD1）的着火放电取决于SPD2两端的残压（Ures）以及退耦元件两端（包括连接导线）的动态压降（UDE）之和。

在触发放电之前，SPD间的电压分配如下式：

USG＝Ures +UDE

（四）两个限压型SPD间的配合：

不用退耦元件情况下，两个SPD间的能量配合可根据它们在相关电流范围内的静态伏安特性来实现配合。只要两个之中的每一个消耗的能量没有超过自身能承受的能量，能量配合就实现了。

（五）末级SPD与被保护设备间的配合：

直接安装在被保护设备输入处的SPD对设备本身任何一个相关参数，都不得超过被保护设备的耐受能力。SPD的电压保护水平必须低于被保护设备的耐冲击电压能力。

（六）保护系统的基本配合方案：

1、所有SPD都具有连续的电压/电流特性，SPD间以及SPD与被保护设备间的配合，通常是用它们之间的线路阻抗来实现的。最后一级SPD的电压保护