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防雷击电磁脉冲(Lightning Electro—magnetic impulse,LEMP)是建筑物遭受直接雷击或附近遭受雷击的情况下,防止设备和线路的过电流和过电压,即电涌(surge)。
每个建筑物内可以划分为不同的雷电防卫区(Lightning protection zone,LPZ)。按建筑物由外及内雷电能量分布大小分别为LPZ0,LPZl,LPZ2.......LPZn。
《建筑物防雷设计规范》(CB50057—942000版)指出防雷击电磁脉冲主要措施是屏蔽、接地和等电位连接。此外在信息设备的电源和信号侧安装电涌保护器(surge protect device,SPD)是一个重要措施。
屏蔽
信息系统防雷击电磁脉冲要求外部保护限制被保护设备上雷电过电压幅值。为防止被雷电击中的电位升高引起危害,就要将与建筑物组合在—起的大尺寸金属物进行等电位连接,并与防雷装置相连。
对于新建的钢筋混凝土和钢结构的建筑物,就可利用金属支持物、金属框架或混凝土内的钢筋,相互间采用焊接或绑扎,形成严格的法拉第笼形结构。等电位连接可以利用笼形避雷网。
同时对穿越的导电金属就近进行等电位联结。进出建筑物的各种外来导电物、电力线、通讯线、各种金属管道等设施,在防雷区界面上将所有通过界面的金属物做等电位连接。这有利于在LPZO与LPZl区界面做等电位连接和电涌保护器选择,减小感应效应。
防雷规范给出格栅形大空间屏蔽内磁场强度的计算,其中有一前提是格栅形网格宽度≤5m,且计算点距屏蔽层还有安全距离的要求。当格栅形屏蔽网格宽度大于5m,就不能起屏蔽作用,磁场强度就不会衰减。由此可见,对于要求有屏蔽的系统在利用建筑物本身钢筋、金属框架等不能满足要求时,还要另外加设金属网或其他能满足屏蔽的措施,以合适的路径敷设线路,增加线路屏蔽。
因为雷电流具有陡度,通过引下线就在其周围产生强磁场和感应电场,导线若平行引下线敷设,引下线附近的导体回路的磁通量发生变化,回路便会产生感应电压,所以尽可能使设备电缆不要与引下线平行敷设,如果不能避免,就需保持一定距离或采用屏蔽方法,把电缆敷设在高磁导率的铁管内。电力线、通讯线应合理进行安排,保持间距或者采用穿金属管屏蔽等方法。
接地和等电位连接
每个建筑物应该采用共用接地系统。互相临近建筑物之间有电缆连通时,宜将接地装置互相连通。为了彻底消除雷电引起的毁灭性的电位差,就特别需要实行等电位联结,在建筑物的首层、顶层以及各机房均应实行局部等电位联结。
信息系统的等电位连接应采用规范给出的S型、M型及混合型三种结构形式。信息系统对电磁干扰比较敏感,为防止回路间的电磁干扰,对于相对较小、限定于局部的信息系统S型结构较好。当采用S型等电位连接网络时,信息系统所有金属组件,除了等电位连接点外,应与共用接地系统的各组件有大于10kv、1.2/50μs的绝缘。
电涌保护器
防雷电波,可通过装设电涌保护器(SPD)实现。电涌保护器(SPD)的作用在建筑物的不同防雷区(LPZ)界面和所需的特定位置上设置电涌保护器(SPD)是建筑物防电涌综合保护措施中关键的一项措施。SPD的主要作用是当电涌来临动作后,钳压和泄流以及暂态均压。电涌保护器实际上是一种非线性元件。这种非线性元件的工作取决于施加在其两端的电压U和触发电压Ud的大小。对不同的产品Ud为标准给定值。SPD的特性如下:
当U1MΩ),只有很小的漏电电流通过。
当U≥Ud时:SPD的阻值减小到只有几欧姆,瞬间放电,使电压突降:待U<UD时,SPD又呈现高阻抗特性。
电涌保护器的特性参数
(1)电压特性参数:最大钳压、残压、电压保护水平、最大持续电压和最大电涌电压。
a.电压保护水平(即残压)Up:表示在SPD上泄放标称放电电流时,SPD两端的最大电位差。
b.最大钳压:对压敏电阻这类限压型SPD来讲,指SPD钳压功能恶化情况下的残压。
c.最大电涌电压:为SPD最大残压加上SPD两引线寄生电感上的感应电压,亦为被保护设备实际承受的最大过电压。
d.最大持续运行电压Uc:可能持续加于SPD两端的最大交流电压有效值和直流电压。超过此值运行,SPD将遭受致热损坏。
SPD产品样本电压类参数常标以额定电压、持续运行电压、残压。他们之间的关系是:持续运行电压<额定电压<残压,额定电压↑→持续电压↑→残压↑(符号“↑”表示越大,“→”表示引起)。
(2)电流参数:有放电电流、冲击电流。
a.标称放电电流In:流过SPD的模拟雷电流波的波头时间/半值时间=8/20us的电流波的峰值。
b.最大放电电流Imax:用于SPDⅡ级分类试验,8/20us电流波峰值电流(亦称通流容量)。
c.冲击电流Iimp:用于SPDⅠ级分类试验。10/350us电流波冲击电流。在保护设计中,这两大类参数是选用SPD具体规格时必须明确的。
电涌保护器的类型
电涌保护器主要有电压开关型(VST)、限压型(VLT)和复合型。
(1)电压开关型(VST)
无电涌时呈高阻抗,在电涌暂态过电压作用下突变为低阻抗。
常用元件有放电间隙、充气放电管等,一般可用于LPZ0区、LPZ1区。
(2)限压型(VLT)
无电涌时呈高阻抗,随着电涌增大,阻抗连续变小。
常用元件为压敏电阻、抑制二极管等,一般可用于LPZ1区、LPZ2区等。
(3)复合型
由以上两种元件组成。有时呈开关型,有时呈限压型。
电涌保护器的选择步骤及设置原则
SPD选型的实质是正确确定电压保护水平(残压)Up及最大放电电流Imax。保持U小于被保护设备的耐压等级,从而保护设备。(规范表6-4-4,380/220V三相系统各种设备绝缘耐冲击电压额定值)。设计时,可以以规范给出的雷电流分配图、雷电流分流估算式、雷电流参量表作为选择电涌保护器(SPD)的重要依据。
SPD选择步骤
(1)确定建筑物防雷等级
从规范附表6中确定首次雷击及首次雷击以后的雷电流参量,亦可由年均雷暴日T来查取雷电流幅值的雷击概率(从实测的雷电流幅值的雷击概率曲线上)。
(2)明确引入室内各类管线及芯数
查取规范图6.3.4-1进入建筑物的各类设施之间的雷电流分配,并估算出各管线的雷电流分流值。
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