建筑物防雷击电磁脉冲防护等级的划分

建筑物防雷击电磁脉冲防护等级的划分机械工业第四设计研究院陈才俊摘要根据国家标准GB50343-2004叙述雷击危险度评估及电涌防护分级的方法。关键词雷击电磁脉冲电涌保护器SPD拦截效率建筑物是否需要设置SPD，是大家很关心的问题，GB50057-94（2000年版）《建筑物防雷设计规范》第6.1.2条规定“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。”又在第6.4.12条后“保护信息线路和设备的SPD另按国家有关规定确定。”GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》提出了对雷击风险进行评估的分级计算方法，可说是对GB50057-94（2000年版）的补充和完善。笔者根据一些资料,叙述怎样进行分级计算。1确定系统设备损坏可接受的最大年平均雷击次数NcNc可理解为系统设备的防范能力，单位是次/年，如果建筑物实际雷击次数在Nc以下，是不需设置防雷击电磁脉冲设施的。Nc受很多条件（称因子）影响，有系统的重要程度、有自身的抗冲击能力、有系统事故后果严重程度、有建筑物防护能力，也受所在地区雷暴情况影响，这些因子列于表1和表2。表1影响Nc的因子（1）信息系统状况建筑物防雷状况系统重要程度因子C2系统事故后果因子C5信息设备抗冲击能力因子C3建筑物材料结构因子C1信息设备所处防雷分区母子C4因子无不良后果一般金属LPZ20.5不许中断，但无严重后果较弱钢筋混凝土LPZ11.0砖混LPZOB1.5不许中断，且有严重后果砖木LPZOA2.0木2.5相当弱3.0表2影响Nc的因子（2）－1－年平均雷暴日数Td因子C6Td≤20少雷区0．820Td≤40多雷区1．040Td≤60高雷区1．2Td60强雷区1．4Nc=5.8×10-1.5/(C1+C2+C3+C4+C5+C6)(次/年)从表1可见金属结构建筑的抗击雷击电磁脉冲的能力最强（C1=0.5）,因为金属结构对信息设备有屏蔽作用，又有接闪器的引雷作用，相反，木结构的抗击能力最弱（C1=2.5）。信息设备越是深藏在建筑物内部，抗击雷电脉冲能力最强（C4=0.5）。LPZOA是处在建筑物接闪器保护范围外的室外空间（C4=2.0）,LPZOB是处在接闪器保护范围内的室外空间，以及与室外空间连通的地方，如阳台（C4=1.5）。信息设备越是重要，对电磁环境要求越是严格，C2越大，在0.5～3.0范围内取值,事故后果越是严重，C5越大,在0.5～2.0范围内取值，取值越大，NC就越小，即可接受的年雷击次数越小。在多雷区，如果建筑物内有特别重要的信息设备，笔者建议取C的总和为9，如取9，则Nc为0.020,对一些不太重要的信息设备，笔者建议取C的总和为3，此时NC为0.061,其对应关系见表3。表3因子C的总和与NC的关系C的总和9876543Nc0.0200.0230.0260.0310.0370.0460.0612根据地区的年雷暴日数Td,决定地区雷击频度NgNg=0.024·Td1.3(次/年·km2)雷击频度又称雷击大地的年平均密度，Td是年平均雷暴日数（次/年）。3根据雷击频度Ng，决定建筑物年预计雷击次数N1N1=K·Ae·Ng(次/年)K是地形校正系数，通常取作1，Ae是建筑物等效接闪面积，又称等效截收面积（km2）。－2－Ae=[LW+2(L+W))200(HH−+лH（200-H）]×10-6L、W、H分别为建筑物的长、宽、高（m）。此式适用于H小于100m的建筑物。N1是确定建筑物防雷类别的重要参数，也是确定建筑物设置SPD等级的一个因素，作为供电专业，N1是大家非常熟悉的。4根据入户设施的等效接闪面积（又称等效截收面积）Ae′决定入户设施的年预计雷击次数N2N2=Ng·Ae′=Ng(Ae1′+Ae2′)Ae1′是埋地电源电缆的等效截收面积（km2）,对低压电缆，Ae1′=2ds·L·10-6(km2)对高压电缆，Ae1′=0.1ds·L·10-6(km2)Ae2′是埋地信号电缆的等效截收面积，Ae2′=2ds·L·10-6(km2)ds是土壤电阻率（Ω·m）,通常取250，表示埋地电缆的等效宽度，L是电缆长度（m），可取建筑物至网络第一个分支点的距离。这里没有将架空线的有效截收面积计算公式列入，架空线的有效截收面积比电缆的大得多。从上列公式可知土壤电阻率越大，导致预计雷击次数越大；也可知低压电缆的等效截收面积比高压的大。5根据防雷装置拦截效率E确定防雷击电磁脉冲的等级E=1-Nc/N=1-Nc/(N1+N2)N是建筑物包括入户设施的年预计雷击次数，Nc是建筑物内电子信息系统设备因雷击损坏可接受的最大年雷击次数，E可理解为不可接受的百分数，E越大，要求雷电防护等级越高，反之等级越低，分A、B、C、D四级，只有Nc≥N时，才可不必安装防护设施。请见表4。－3－表4防雷设施等级的决定E雷电防护等级E0.98A0.90E≤0.98B0.80E≤0.90CE≤0.8D按GB50343-2004的条文说明，在少雷区或多雷区，有信息系统的建筑物，按A级设计的概率为10%～20%左右，按B级设计的概率为70%～80%，少数设计为C级和D级。6实例分析某企业综合楼,高度17.5m,长度76m,宽度9m,该地区年平均雷暴日数35天/年,该建筑物低压埋地电缆L=200m,信号埋地电缆L=500m,ds=250Ω·m。信息中心位于4层，要求对该建筑物的信息中心设置SPD防护。具体参数：k=1,Td=35,C1=1.0,C2=3.0,C3=3.0,C4=0.5,C5=1.5,C6=1.0，L=76m,W=9m,H=17.5m,Ae=0.02,Ae1′=0.1,Ae2′=0.25,Ng=2.44,N1=0.0488,N2=0.854，N=0.903,Nc=0.0183。E=1-0.0183/0.903=0.98该建筑物应设置B级防护。本题取材于参考文献3。如同一建筑物，当地的年雷暴日数Td为100（强雷区），或10（少雷区），其余条件不变，可求得将分别属于A级、C级。如该建筑物的各因子之和为3，当地的年雷暴日数Td分别为100、35、10，其余条件不变，可求得将分别属于B级、B级、D级，以上各建筑物的具体E值，见表5。表5某建筑物Td、C对E的影响Td103510030．66D0．93B0．98BC的总和100．89C0．98B0．99A笔者继续作一些计算，假设另有两个建筑物，其建筑物等效接闪面积Ae分别是0.06、0.01，各项因子之和分别是9、3，年雷暴日数分别是100、35、10，其余条件不变，计算结果见表6。可见在年雷暴日数在100次/年时，Ae的变化和C的变化，对E几－4－乎不起作用了。表6建筑物Ae.Td.C对E的影响TdAeC的总和103510030.65D0.93B0.98B0.0190.88C0.98B0.99A30.69D0.94B0.98B0.0690.89C0.98B0.99A7再举一例某通信大楼，L=54m,W=22m,H=97m,地区的Td=20次/年，K=1，ds=250Ω·m,各因子总和为8，高压电源电缆长度为500m,信号电缆长度为200m(均埋地引入)。经计算可得Ae=0.048km2,Ng=1.179次/年·km2,N1=0.056,Ae1′=0.0125,Ae2′=0.1,N2=0.133,Nc=0.023,E=1-133.0056.0023.0+=0.88属于C级。本例如是低压电源引入，重行计算，E=1-413.0056.0023.0+=0.95属于B级，可见电源电缆由高压改为低压时，提高了防护等级的要求。本例如是高压电源电缆引入，带金属芯线的光缆引入（有效截收面积为零），重行计算。E=1-015.0056.0023.0+=0.68属于D级。本题取材于参考文献2。8根据防护等级确定SPD的配置GB50343将防护等级分为A、B、C、D四个等级，A级要求设3～４级，Ｂ级要求设２～３级，Ｃ级要求设２级，D级要求设2级，或1级。－5－在普通建筑物、工业厂房的工程实际中，电源SPD（区别于信号SPD）一般情况下仅设置2～3级。对电子信息系统大楼，才可能需要4级（A级）。各级SPD的规格，GB50057和GB50343提出的要求不尽相同，GB50343提出的偏大，笔者建议可按《工业与民用配电设计手册》（第三版）第844、845页提出的典型方案选用。参考文献⑴GB50057-94（2000版）《建筑物防雷设计规范》⑵GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》⑶熊峰，建筑物电子信息系统的雷击电涌防护，《电工技术》200７年第2期⑷丁新亚，利用电子表格对建筑物进行雷击风险评估计算，《现代建筑电气设计技术》（2005年）⑸《工业与民用配电设计手册》（第三版）－6－