浅析建筑物电气防雷系统优化设计

于尧

摘 要：该文从雷电的危害出发，介绍了建筑物雷电防护的等级和防护区的划分等常识，分析了生活、工作中常见的建筑，对常用防雷接地设备和材料进行简要分析，对比经济、高效、合理、安全的设计方式方法，对一些常见问题进行简要分析，希望可以对设计工作者提供一些参考。

关键词：雷电危害；人身安全；防雷接地；设备保护

中图分类号：TU856 文献标志码：A

0 引言

经济的不断增长推动了各行业的快速发展，电气设备逐渐高精化，人类社会已经进入电子信息时代，同时对于生活、工作的环境和财产安全也有了更高要求。雷电灾害被有关部门认为是最严重的10个自然灾害之一。从一些统计资料上看，雷电损失处于自然灾害第3位。世界上每年由于雷击出现人员伤亡与财产损失的情况比比皆是。相关统计显示，国内每年因雷击产生人员伤亡有3000～4000人，而且财产损失为50亿元～100亿元不等，间接损失和影响更是难以估量。所以，对建筑物合理的防雷系统设计显得尤为重要。

1 雷电防护分区

1.1 雷电防护等级和防护区

从建筑物使用性质、雷电事故后果等方面，根据有关防雷设计具体规范，人们习惯将建筑物区分成一类、二类和三类防雷建筑，建筑物电子信息系统雷电防护等级分为A级、B级、C级、D级。

雷电防护区的划分：LPZOA区，受全部雷电威胁的区域。LPZOB区，直接雷击的防护区，可能会受到雷电浪涌的。相比之下，LPZ1区属于第一屏蔽的保护区，在此区内部，不同物体无法受直接雷击，流经导体的雷电流会被边界处分流和SPD保护，且因屏蔽的一系列措施，此区电磁场强度大大地衰减。要想减小电磁脉冲影响，应设置第二屏蔽的保护区，也就是LPZ2与LPZn这2个后续屏蔽的保护区。

1.2 雷暴日等级划分

雷暴日数应以国家公布的当地年平均雷暴日数为准。按年平均雷暴日数，地区雷暴日等级划分为少雷区（小于等于25天的地区）、中雷区（大于25天，不超过40天的地区）、多雷区（大于40天，不超过90天的地区）、强雷区（大于90天的地区）等4个级别。以徐州市为例，年平均雷暴日为29.4，属于中雷区。

2 建筑防雷保护

2.1 建筑物的防雷装置应满足防直击雷、防雷电感应及雷电波的侵入

直击雷分为直面击雷和侧击雷。其保护原理是将雷电引向大地深处，从而保护其他免遭雷击。生活中一般高大建筑的防护主要采用接闪器（避雷带、避雷网等）、引下线及接地体等传统的外部避雷装置。

近年来，直击雷造成的灾害已明显减少，而随着城市经济的发展，电气设备元器件越来越精细化，雷电波侵入危害极大地增加。普通建筑物避雷网仅可以做到直击雷的预防，但是强大的电磁场脉冲电压与感应雷却能潜入室内，危害电脑、联网微机这类弱电的设备。与此同时，防雷电感应高压能够把室内外金属管道、设备、结构钢筋接地。为了防止雷击电磁脉冲波，可将进入建筑物的线路、管道连接电缆金属外皮和钢导管并入接地网，然后在电源引入的部位，也就是总配电箱、弱电系统箱安装浪涌保护器（即SPD）。需要注意的是，SPD保护器的类型及数量，换照雷电防护区相关要求，受保护设备的雷电防护分级、抗扰能力来确定。

2.2 在防雷保護系统中SPD的各级分类

SPD全称Surge Protection Device（电涌保护器），也叫作避雷器，它的主要作用是将进入电力线、传输线的过电压保持于设备或系统可接受的电压范围内，有时会把强大的雷电流泄流入地，让被保护的系统不会损坏。分为电压开关型、电压限制型和混合型：

（1）电压开关型，采用限流型采用气体放电管GDT、火花间隙等开关型元器件的SPD。

（2）电压限制型，采用压敏电阻MOV等限压型元器件的SPD。

（3）组合型，由开关型组件、电压限制组件共同组成，具备电压开关型、限压型两者都有的特性，最终依然取决于所加电压当前特性。

按照冲击通流容量和保护级别分类，SPD可分为I类试验（T1）、II类试验（T2）和III类试验（T3）级其中T1与T2两者之间的能量差别巨大，前者是直接被击中，后者是受到冲击波影响。通过第一级浪涌保护器，避免直接的传导雷进入LPZ1区内，把数万、数十万伏浪涌电压保持于4 000 V下；通过第二级浪涌保护器，再把通过一级防雷器残余电压的浪涌维持在2 500 V下，等电位地连接LPZ1—LPZ2；最后借助三级浪涌保护器，让残余浪涌电压的值降至1 500 V内，这样一来浪涌能量便无法损坏设备。

2.3 SPD的安装注意事项

SPD应从雷电防护能量逐级减弱的方式和保护设备的绝缘耐压要求，根据适用场合配置合适的防雷器。建筑物外的设备为A级保护，0区与1区的交界处为B级保护，1区与2区的交界处为C级保护，2区内重要设备前端为D级保护——浪涌保护器的多级保护原则。

一级保护SPD需接近建筑物的入户线的总等电位连接端子处，二、三级保护SPD需接近被保护设备安装，对其精细保护，譬如科佳电气中的T2类和T3类SPD可做到低残压，更有效地对设备进行防护。SPD连接导线应短而直，其长度不宜大于0.5 m。与此同时，若SPD拥有能量自动配合这一功能，线路长度不受上述规定的限制。要想防止SPD老化而出现短路现象，安装线路上需要设置过电流保护的装置，最好选用有劣化显示功能SPD。如果供电电压超过规定10 %，或是在谐波使电压幅值增加的地方，要按实际情况对限压型SPD提高Uc值。

（1）在电源总配电柜输出端（LPZ0区与 LPZ1区交界处）应安装标称放电电流浪涌保护器，或是安装标称放电电流的限压型SPD，从而把它们作为一级防护。

（2）对于分配电柜的输出端（LPZ1区与 LPZ2区交界处）应设置标称放电电流的限压型SPD，从而把它们作为二级防护。

（3）对于住宅终端的配电箱，其输出端需要设置标称放电电流限压型SPD，从而把它们作为三级防护。

（4）对于配电箱的输出端，应设置混合型或串联型SPD，其技术指标应满足设备要求。

2.4 选择SPD后备保护元件的策略

基于电气安全原因，并联安装在市电电源的SPD，为避免其失效后出现故障短路，应在SDP前设置短路保护器件。一般的SPD的后备保护都具备熔断器、漏电断路器以及断路器3种。过电流保护器不应在SPD允许通过的最大雷电流下开断，但应能开断该点工频短路电流，并满足主电路的过电流保护器级间配合要求。从国外、国内公司各种SPD样本来看，SPD后备保护有关推荐方案过于混乱，不存在统一的标准能够遵循。

2.4.1 常规的后备保护器

熔断器（RCD）的保护特点：熔丝的额定电流应高于被保护系统的正常工作电流并低于主控开关的额定电流，熔断电流应小于SPD电子固态保护装置在电弧区的持续电流。其保护特点：尺寸较小，残压低，价格较便宜；熔断后必须更换熔断体；如果出现一相熔断时，那么三相电动机容易出现两相运转情况，应借助带发报警信号的熔断器加以弥补，并且一相熔断能够断开三相；保护的功能比较单一，只有一段过电流的反时限特性，短路故障、接地故障都能够用其进行防护；无法实现远程遥控。

断路器的保护特征：在故障断开以后，能够手操复位，无须更换其器件，如果切断大短路电流以后烧坏则必须维修；具备长延时、瞬时电流脱扣器这两段保护的功能，能够发挥过载功能、短路防护功能；上下级非选择型断路器间难以实现选择性切断；如果冲击放电电流相同，断路器比熔断器作后备保护器总电压保护水平更高；携带智能带电操机构的断路器，能够做到遥控和遥信；价格比较高；一些断路器分断能力较小。除此之外，空气断路器应选延迟型，C脱扣曲线，磁脱扣电流为（5-10）In；与主电路断路器配合。

配备断路器和熔断器常有以下问题：第一，雷击时易误分断，当大的雷电流经过时，由于断路器（熔断器）无法承受而跳闸，SPD保护失效，雷电流不能彻底泄放，损害后端设备。第二，SPD常年使用后漏电流增大劣化失效，电网暂态过电压导致SPD瞬间击穿电容，导致短路失效，但电流值未到达断路器（熔断器）脱扣值，不能分离，可能导致SPD起火。第三，雷电冲击电流残压高，而且设备防雷没有较高可靠性，非选择型断路器很难选择性地切断，如果故障电流相对较大，容易让上下级断路器瞬时断开，最终导致用户按规范要求安装了该设备却达不到应有的保护功能。

2.4.2 专用后备保护装置SCB的优势

近年来，早有厂家研发出了专用后备保护装置（浪涌后备保护器Surge Protecter Device Circuit Breaker简称SCB），它与常规保护器对比详见表1、表2。

SCB解决了防雷行业多年的防火安全问题，在对不同厂家生产的Uc=275 V、Uc=320 V、Uc=385 V的MOV进行的TOV故障短路试验、TOV故障加载试验、800 V/150 A、100 A短路与加载试验，400V短路试验，多数在半个周波内脱扣，MOV电性能仍然完好，达到了安全脱扣绿色曲线要求。这样的保护性能，在铁路、通信、电力、石化、数据机房、国家重要建筑、工民建等均能实现SPD防火保护，特别是在易燃易爆场所更能突显优异的安全保护性能。所以，SCB浪涌后备保护器是SPD理想的配套保护器件，能够发挥较为理想的保护效果，特点和优势总结如下：1）当SPD劣化、电源出现异常而导致危险工频续流、工频漏电流达到3A前立即脱扣，将SPD从线路上隔离，避免SPD起火。2）如果雷电流通过没有错误脱扣，能够排除SPD无法工作的隐患，很好的解决以往工程中使用熔断器或断路器当作SPD保护装置时存在的盲区隐患。3）外形尺寸模数与微型断路器相似，安装距离小，轨道安装，方便断电检测SPD。4）采用带特殊参数控制脱扣，可对通过的电流实现选择性分断，解决了普通断路器和熔断器用做防雷后备保护时存在的问题。5）规格种类多，可提供不同的开断容量。完全满足T1、T2和T3级别SPD的配套需求。

2.4.3 专用后备保护装置SCB的安装注意事项

以往SCB只有企业标准，近年来随着行业发展，某些产品入编了《国家建筑标准设计图集D503～D505防雷与接地（下册）2016合订本》，设计人员可根据相关要求和选用的经验，在选用SCB过程中，必须注重以下几点：1）严格根据安装线路设备进行选择，使其开断容量符合规定的标准。2）SCB的极数必须与SPD的极数相一致。3）严格按照T1、T2、T3各级别的SPD进行相应的配套SCB装置选择。4）确保SCB接线是上进下出的状态，防止出现倒置接线的行为。5）如果存在远程控制、操作、監视等各种类型要求，应适当增加安装符合规定的自动重合器以及脱扣指示等不同的附件。6）另外，SCB属于专用的SPD电流保护装置，然而，它的保护脱扣装置在定制时是以SPD电流保护为最主要目的，仅能替代既有的、不能适合当成SPD电流保护器件的一些熔断器与断路器，严格避免将其用于电气设备、低压线路保护装置。

3 建筑防雷接地

3.1 防雷接地系统

通常来讲，最为简单的防雷方式就是接地。大地具有电容量非常大、电阻非常低的特点，具备很强的电荷吸收能力，经过大量电荷的吸收之后依然可以维持原有的电位，从这里我们不难发现，大地用作建筑电气的参考电位体是再合适不过的。借助相应导体把非正常的电流向大地泄流，从而确保设备和人不会受到电机的危害，这是实施工业建筑的防雷接地的主要目的。

3.2 接地电阻

在建筑电气设计中，为了使接地物体和大地直接连通，使它们之间形成“等电位”（零电位）。大量事实表明，建筑接地电阻实际的大小会对接地系统具体效果产生直接影响，接地电阻越小越好。接地电阻一般不得大于10 Ω，一个工程中如果共用电气设备的保护接地、防雷接地、防静电接地，接地电阻要求不大于4 Ω，包括弱电设备接地，接地电阻要求不大于1 Ω。在对防雷接地系统进行评判之时可借鉴此参数。施工中常用的降低接地电阻的方法是增加接地极法，它的降阻效果比较稳定、持久、具有较低的施工难度、较小的占地面积，对多种不同的环境都适用。然而，接地极能够接触到的土壤范围相对较小，能够实现的泄流效果也存在一定限制，为了避免电流反击，不同接地极间需要维持相应距离，因此不能够无限制地增加接地极。

3.3 避雷网和接地体材料的选择

在建筑之中，很多避雷网材料都不合格，出现了严重的锈蚀情况。在接地材料方面，除了建筑混凝土内部之外的防雷接地钢材（当完全埋没在混凝土中时才可以用裸钢），都应经过热镀锌的处理，各种材料镀层要求参照防雷规范，对于焊接处与损伤处需要进行防腐处理。铜具有较好的导电率和较高的抗氧化性程度，抗腐蚀性强。锌这种材料的阴极保护功能较好，镀锌钢等镀锌层相对较厚的材料适用于碱性腐蚀的地区。铅是一种不活泼的金属，非常耐腐蚀，铅包铜不但具备铅的防腐性，而且具备铜的导电性，也是接地材料之中较为适合的材料之一，尤其是酸性腐蚀强的地区十分适用。

4 结语

总之，建筑电气防雷接地的设计是个比较复杂的问题，也有很重要的意义，它属于一项系统性较强的复杂工程，对于不同建筑电气环境有不同的防雷需要。很多设计人员在进行设计时，防雷接地设计图纸非常简单，没有进行全面细致的设计。为了对防雷系统进行优化设计，要求设计人员对雷电的危害有一个全面了解，与相关专业进行全面细致的配合，能够根据具体防雷接地等规范对图纸的设计进行完善与细化，并对比市场上的各种防雷保护元器件和材料，择优选择，能够根据各种不同建筑的实际情况，对其防雷设计方法进行详细分析，从而做出优秀的设计方案并应用到实处，从而保护人们生命财产安全，有利于推动行业长期、稳定的发展。

参考文献

[1]次仁多吉.建筑电气安装中防雷接地施工技术与注意事项分析[J].化工管理，2018（36）：194-195.

[2]潘洁.浅谈建筑电气设计中的防雷接地技术[J].居舍，2018（31）：59.

[3]李伟峰.建筑电气工程施工中防雷和接地装置施工技术的研究[J].工程技术研究，2018（10）：62-63.

[4]张明毅，王刚，张晋.关于建筑电气安装中防雷接地施工技术及注意事项分析[J].低碳世界，2018（10）：226-227.

[5]马军振，吴保全，梁浩波.浅谈建筑电气安装接地的施工技术[J].低碳世界，2018（10）：218-219.