雷电防护工程设计的依据（清华大学内部资料）

1、雷电防护工程设计的依据之一是雷电防护分级，其关键问题是防雷工程按照什么等级进行设计，而雷电防护分级的依据，就是对工程所处地区的雷电环境进行风险评估，按照风险评估的结果确定系统是否需要防护，需要什么等级的防护。因此，雷电环境的风险评估是工程设计必不可少的环节。雷电环境风险评估其目的是使防雷设计建立在科学的基础上，避免盲目性，保证防雷工程安全可靠，技术先进，经济合理。雷击按雷击点可分为四种：1.雷击建筑物;2. 雷击建筑物附近大地;3.雷击入户服务设施;4. 雷击入户服务设施附近大地。造成的损害有三种：1.由于接触和跨步电压造成生物触电;2.物理损害（如火灾、爆炸、机械损坏和化学品泄露等）;3.电

2、气和电子系统由于过电压而失效或故障。一、确定雷电防护等级 该小区位于 ，建筑面积300000平方米，属新建筑物，大部分建筑物为普通商用住房，年平均雷暴日数宣城38.8天/a，属多雷区，雷暴日主要集中在39月，全年都有发生，以7、8月为最多，每年因雷击造成的损失十分惨重。该小区高压埋地线缆L= 500m，低压埋地线缆L=200m，信号埋地线缆L=500m， ds=250 ·m。1.建筑物年预计雷击次数N1应按下式确定：N1=k×Ng×Ae (次/年), 式中：N1-建筑物年预计雷击次数(次/年);k-校正系数;k=1、1.5、1.7、2.0（根据建筑物所处的不同地理

3、环境取值）。在一般情况下取1;位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、山谷风口等处的建筑物，以及特别潮湿的建筑物取1.5;金属屋面的砖木结构建筑物取1.7;位于旷野孤立的建筑物取2.Ng-建筑物所处地区雷击大地的年平均密度次/（km2·a） Ng =0.024×Td1.3Td-年平均雷暴日（d/a）。根据当地气象台、站资料为38.8;Ae-与建筑物截收相同雷击次数的等效面积（km2）;D-建筑物每边的扩大宽度（m）;L、W、H-分别为建筑物的长、宽、高（m）。k取1Ng =0.024×Td1.3 Ng =0.024×38.

4、81.3=2.79 Ae =L·W +2（L + W）·D +H(200-H) ·10-6=0.0235 D= H·(200-H)1/2N1=k×Ng×Ae=0.065 (次/年)属三类防雷建筑物。2. 建筑物入户设施年预计雷击次数N2应按下式确定：N2 = Ng×Ae (次/年) =2.79×Ae =2.79（Ae1+ Ae2）=2.79×（0.0125+0.1+0.25）=1.01见附表1 “入户设施的截收面积（km2）”（以下简称电子防雷规范）附表1 入户设施的截收面积Ae参数线缆敷设方式L(m)d

5、s(m)备 注100250500低压电源埋地线缆2000.040.100.20Ae1=2 ds×L×10-65000.100.250.5010000.200.501.0高压电源埋地线缆2000.0020.0050.01Ae1=0.1 ds×L×10-65000.0050.01250.02510000.010.0250.05埋地信号线缆2000.040.100.2Ae2 =2 ds×L×10-65000.10.250.510000.200.51.0Ae=（Ae1+ Ae2）Ae -建筑物入户设施等效截收面积（km2）;Ae1-电源线缆入

6、户设施的截收面积（km2）;Ae2-信号线缆入户设施的截收面积（km2）; ds-土壤电阻率·m。N = N1+ N2=0.065+1.01=1.075NC =5.8×10-1.5/ C(次/年) =0.1834/8.2（C取中值）见附表2 =0.022（1/0.022=45.5年A.）NC-电子信息系统因雷击损坏可接受的最大年平均雷击次数。E =1-NC/N =1-0.022/1.075 =0.979 E0.90 属B级雷电防护建筑物。E-防雷装置拦截效率。附表2 C的取值 分项 C值大中小备 注C12.51.50.5C23.02.51.0C33.01.00.5C42.0

7、1.00.5C52.01.00.5C61.41.20.8C1+ C2+ C3+ C4+ C5+ C613.98.23.8C1-建筑物材料结构因子。当建筑物屋顶和主体结构均为金属材料时，取0.5; 当建筑物屋顶和主体结构均为钢筋混凝土材料时，取1.0; 当建筑物为砖混结构时，取1.5; 当建筑物为砖木结构时，取2.0; 当建筑物为木结构时，取2.5。C2 -信息系统重要程度因子。信息系统等电位连接和接地以及屏蔽措施较完善的设备，取1.0;使用架空线缆的设备，取2.5;集成化工程度较高的低电压、微电流的设备，取3.0。C3 -为电子信息系统设备耐冲击类型和抗冲击过电压能力因子。一般取0.5。指设备

8、为GB/T 16935.1-1997中所指的类安装位置的设备，且采取了较完善的等电位连接和接地以及线缆的屏蔽措施;较弱取1.0。指设备为GB/T 16935.1-1997中所指的类安装位置的设备，但使用架空线，因而风险大;相当弱取3.0。指设备集成化工程度很高，通过低电压、微电流进行逻辑运算的计算机或通信设备。C4 -电子设备所在雷电防护区的因子。电子设备在LPZ2区或更高雷电防护区内时，取0.5; 电子设备在LPZ1区内时，取1.0; 电子设备在LPZ0B区内时，取1.52.0。C5 -发生雷击事故的后果因子。信息系统业务中断不会产生不良效果时，取0.5; 信息系统业务中断后无严重效果时，取

9、1.0; 信息系统业务不允许中断，中断后会发生严重效果时，取1.52.0。C6 -区域雷暴等级因子。少雷区取0.8;多雷区取1.0; 高雷区取1.2;强雷区取1.4。 二、电源、信号线路的防雷 防雷击电磁脉冲的保护系统，它是对建筑物内部系统（即电气系统和电子系统）防LEMP的整个保护措施系统。一个完整的这种保护系统应包括防经导体传导来的电涌和防辐射磁场效应。防辐射磁场,对磁场的屏蔽有两种理论，一种是场理论，即用金属板或金属管屏蔽，当磁力线穿过金属板或金属管时，一部分被金属板或金属管吸收，因此磁场强度得到降低。另一种是电路理论，类似于变压器一、二次侧绕组之间的关系，即用屏蔽导线，雷电流通过屏蔽线

10、时，这一电流也产生磁力线，耦合到芯线，当芯线环路是开路时耦合到的磁力线将在该环路感应出电压，当芯线环路是短(闭)路时所感应出的电压转换成电流，短(闭)路环的阻抗越小所产生的电流越大，这一电流也产生磁力线，但它的方向是与雷电流所产生的方向相反，抵消掉一部分磁力线，因此使磁场强度得到降低，甚至抵消。下列弱电设施需要防雷保护：天馈信号线缆、程控数字用户交换机及其它通信设备、计算机网络系统、安全防范系统、火灾自动报警及消防控制系统、建筑设备监控系统、有线电视系统、通信基站等。它们有共同的特点和各自不同的要求，大致归结如下：A. 共同的特点:1. 进出建筑物的电源线路、信号线缆，均宜选用有金属屏蔽层的电

11、缆，并宜埋地敷设。 电缆金属屏蔽层应在LPZ0A或LPZ0B与LPZ1区交界处做等电位连接并接地，界面处应安装等电位接地端子板，材料规格应50mm2。非屏蔽线缆应穿钢管埋地敷设, 钢管两头等电位连接并接地。当屏蔽线缆、同轴电缆两头等电位连接并接地有技能影响时，亦应穿钢管埋地敷设，金属屏蔽层一头接地，钢管则两头等电位连接并接地。一般机房的电源线和信号线埋地进入机房，埋地长度应15m。2. 信号线缆应安装各项技能适配的信号线缆浪涌保护器（SPD）。A级防护系统宜用2级或3级信号线缆浪涌保护器（SPD）;B级防护系统宜用2级信号线缆浪涌保护器（SPD）;C、D级防护系统宜用1级或2级信号线缆浪涌保护

12、器（SPD）。非屏蔽双绞线SPD标称放电电流（1kA）;屏蔽双绞线SPD标称放电电流（0.5kA）;天面上的同轴电缆SPD标称放电电流（3kA）。3. 电源浪涌保护器（SPD）安装的数量，应根据被保护设备的抗扰度和雷电分级确定。A级防护装四级; B级防护装三级; C、D级防护装二级。电源线路浪涌保护器标称放电电流参数值。4. 当多个系统共用一组接地装置时，宜分别采用M或S型或Mm或Ss组合型等电位连接网络。5. 置于户外的攝像机信号控制线、电源控制线输出、输入端口应安装适配的信号线缆浪涌保护器（SPD）和电源线缆浪涌保护器（SPD）。信号控制线和电源控制线应分开敷设。6. 布置电子信息系统信号

13、线缆的路由走向时，应尽量减小由线缆自身形成的感应环路面积。7. 电子信息系统信号线缆与电力电缆的间距应符合规定。(见表5.3.3-2)电源浪涌保护器（SPD）连接线最小截面积防护级别SPD的类型导线截面积（mm2）连接相线铜导线接地端连接铜导线第一级开关型或限压型1625第二级限压型1016第三级限压型610第四级限压型46注：组合型SPD参照相应保护级别的截面积选择。8压敏电压：即开关电压当温度为200C时，一般认为在压敏电阻上流过1mA的直流电的时候，相应加在该压敏电阻两端的电压，就叫做SPD的压敏电压。习惯上取电网峰值电压为压敏电压的0.7。由于压敏电阻的标称电压值允许有±10

14、%的误差，电网实际电压与标称电压也有±10%的误差，交流峰值电压为有效值的2倍，因此，压敏电阻器：UNH (UN×2/0.7) ×1.2 534V 一般取标称值的560 V、600 V等值。UNH -压敏电压 UN -标称电压220V残压Ures或电压保护水平UP：所谓残压是指雷电流通过SPD时，其两端最高瞬时电压。残压的高低与所通过的雷电流值和波形有关。同一块SPD，用不同波形的冲击电流和不同冲击电压峰值，测到的残压都不相同。 残压压敏电压×3 （2.5-4）残压/压敏电压3 这是残压比，愈小值则表示SPD的性能越好。按国家规范规定，SPD漏电流不得大

15、于20A ，且漏电流愈小愈好。更重要漏电流必须稳定，不允许工作一段时间后，漏电流自动上升，自动升高的漏电流应予淘汰。漏电流超过20A时建议更换。当漏电流比上次测试增加2倍时，绝对值虽然不超过10A，也应更换。当SPD的压敏电压值比上次测试降至原来90%以下时，也应视为损坏，必须更换。9 选择SPD时须注意最大持续工作电压UC：UC与电压保护水平UP之间的关係：对交流线路它们之间的关係见图2。U0为相线与中性线之间的电压。UCS为SPD安装处最大持续工作电压或称电源系统实际最大电压。从图2可得出UPUNHUCUCSU0。UP-SPD电压保护水平，即殘压UNH-SPD起动电压UC-SPD最大工作电

16、压UCS-电源系统出现的最大电压U0-电源标称工作电压，有效值220V，峰值为220×1.4142。所以在供电的电压偏差超过所规定的+10%以及谐波干扰使UCS加大的场所，应根据具体情况对限压型SPD适当提高UC值，如UC3=538V(引出中性线的IT系统)、UCS=389V（系统有电压偏差超过所规定的10%以及谐波干扰的场所）。UC值与产品的使用寿命、电压保护水平UP相关联。UC值选高了，使用寿命虽长了，但电压保护水平UP，即SPD的殘压也相应提高，对设备安全有影响要综合考虑。 图2 UPUNHUCUCSU0之间的关係10变压器高低压端采用的SPD：变压器高低压端采用的SPD，分有

17、火花隙（保护间隙）、管型、阀型等电涌保护器。阀型是火花隙和阀片（非线性电阻器件）串联而成，是变电所最主要的防雷保护装置。FS型系列适用配电系统，常用的如FS-0.22FZ型适用于变电所FCD型适用于保护旋转电机FCZ型适用于电站(电厂)11关于雷电流10/350S与8/20S的兑换率： IEEE(建立于1963年,作为计算机标准和通讯标准的协调组织,成员包括大学生、工程师和科学家) IEEE规定雷击最大冲击电流Iimp（10/350S）与Iimp (8/20S) 兑换率为1：10。即一个In（标称放电电流）为20KA(8/20S) 的级分类试验产品，可替代Iimp（最大冲击电流）为2KA （1

18、0/350S）的级分类试验产品。 按国际电工委员会（IEC）1024-1文献记载，脉冲为（10/350S）的电荷量，相当于（8/20S）脉冲电荷量的20倍，即：Q1（10/350S）=20Q2(8/20S)也即Q（C）=0.5Ipeak(kA)的二分之一。Ipeak-幅值电流C -电量库伦IEC规定安装在建筑物入口处的SPD，如果每相Ipeak(10/350S)大于4KA时，不能用级分类试验产品(8/20S) 的SPD替代。12电涌保护器的工作原理和SPD的类型： 电涌保护器SPD的基本工作原理是在瞬态过电压发生的瞬间（微秒级10-6和纳秒级10-9），将被保护区域内的被保护对象（设备、线路）

19、临时接入等电位系统中，当没有电涌时，为高阻抗，当随电涌电流和电压的增加，其阻抗会不断减小，从而将回路中的瞬态过电压幅值限制在设备能够承受的耐压范围内。SPD分电压开关型和限压型，电压开关型如放电间隙、气体放电管等；限压型，如压敏电阻、抑制二极管（齐纳二极管）、闸流管（晶闸管）等。混合型SPD利用各种元件的特性，组装成具有电压开关和限压这两种特性兼有的电涌保护器。13电源进户处SPD通流能力的选择：第一级使用LPZ0-1区适用的SPD，应选测试波形为（10/350S）的电压开关型。第二级使用LPZ1-2区适用的SPD，应选测试波形为（8/20S）的限压型或混合型。通流容量是指允许通过的雷电波最大

20、峰值电流量。在LPZOA-LPZ1区界面处安装的SPD通流容量，应采用首次雷击的雷电流参量进行估算：全部雷电流I的50%流入建筑物防雷的接地装置；另外50%的雷电流Is被m=4（三相四线）或m=2（相和零线）低压输电导线分流Is/m。实际又有其他分流设施n(外来导电物体如水管、电力线路、通信线路等等)时，其分流值应为Ii= Is/n/m。即Iimp=I/2nm。当计算不可靠或有困难时，按Iimp12.5kA（10/350S）选取。当输电线路有屏蔽时，SPD的通流容量应按30%考虑。其余情况可按（电子防雷规范表5.4.1-2）电源线路浪涌保护器标称放电电流参数值和安装级数掌握。14选择SPD的电

21、压保护水平UP：残压或电压保护水平是SPD的一个重要指标，是指当冲击电流通过SPD时，在其两端接线处呈现的电压峰值，即UP+U（SPD两端接线的感应电压值，即L×di/dt,可按1 kV/m计算）。UP+U0.8UW(UW设备耐压水平)的选择应不大于电器设备能承受的电涌电压值，即被保护设备耐压水平。按建筑物电源入户处的要求不应大于2.5 kV，后续分别不应大于1.5 kV和设备额定电压1.5-2.2倍,并留有一定的裕量,即按设备耐压水平的80%考虑。当被保护设备（后级）沿线路距电源进户处要求安装的SPD不大于10m时，若该电源进户处要求安装的SPD（前级）的电压保护水平加上其两端引线

22、的感应电压小于被保护设备耐压水平80%，一般情况在被保护设备处（后级）可不装SPD。在一些特殊场合，例如，有很敏感的设备（电子设备、计算机），电源进户处安装的SPD与需要保护的设备之间的距离太长（电涌的传导会产生振荡），或在终端设备接线端是开路的情况，这种振荡现象可能使设备开路端的过电压增加到2倍。在建筑物内有雷击磁场感生的电压和内部干扰源危及设备时，则还需要在靠近被保护设备处增设后续的SPD。当满足以下条件时可不顾及这一保护距离，则不需要在靠近被保护设备处增设后续的SPD。：对限压型SPD：2(UP+U)UW;对电压开关型SPD：2(UP或U之一的大者)U。为了充分发挥每级SPD的防护作用,安装时还要注意各级之间的解耦合问题,在电压开关型与限压型之间应有不少于10米的退耦距离,限压型之间应不少于5米的退耦距离。15响应时间的选择：响应时间是指SPD两端施加的压敏电压到钳位电压的时间，也就是残压值出现的时间，响应时间越短，残压越小，SPD品质愈好，防雷效果越佳。所以，越靠近设备处宜选用响应时间更快速的SPD。一般第一级小于100ns，第二级小于50ns，第三级小于25ns，第