雷电电磁脉冲防护及SPD选择(建筑)

陈  谦

(山东意匠建筑设计有限公司，济南市  250022)

摘要：根据雷电流的分量特征，分析雷电电磁脉冲的防护要点。结合IEC各委员会的相关文件，讨论建筑物电源引入处SPD的选择，并介绍IEC雷电防护委员会(TC81委员会)技术进展和工作方向。

 关键词：电气、电子系统：雷电电磁脉冲( LEMP)；雷电电磁脉冲防护措施(SPM)；正极性短

时间雷击；雷电流分配；电涌保护器(SPD);I级试验电涌保护器

中图分类号：TU895    doi:   10. 3969 /j. issn. 1003 - 8493. 2016. 06. 003

0  引言

    GB／T 21714.1- 2015／IEC 62305 -1:2010《雷电防护第1部分：总则》引言指出：迄今为止，尚无设备和方法阻止雷电的发生。雷电作为随机发生的自然灾害，可能产生三种基本的损害类型：①对人和动物的伤害；②物理损害，包括火灾、爆炸、机械损坏、化学品泄漏等；③雷电电磁脉冲导致内部系统失效。

    减少雷电对生命、财产造成的损失，属于外部和内部雷电防护系统( LPS)的范畴。雷电电磁脉冲导致内部系统（电气、电子系统）失效主要原因在于：

    a．热效应：电涌电流流过阻性元件，发热增多导致质变，产生热故障，造成元件损毁。

    b．  闪络效应：电涌电流在导线两端产生感应电压，电压幅值达到一定程度，击穿线间绝缘和空气间隙，发生闪络现象。

    工频电流流经以上损害路径，发生严重短路，导致电气、电子系统内发生物理损害。避免雷击造成电气、电子系统失效，保障其正常工作，属于雷电电磁脉冲防护（简称SPM）。

雷电防护示意见图1。

    设置SPD是重要的雷电电磁脉冲防护措施，从阻隔电涌冲击的角度，在建筑物电源进线处设置SPD至关重要。实际选择中会遇到一系列问题，如大气过电压的影响、雷电流分量的种类和特性、SPD的试验波形之争、埋地低压线路SPD选择、SPD的通流容量计算、风险评估的发展，以及IEC防雷标准的工作方向等等，本文将对这些问题进行探讨。

1  雷电电磁脉冲损害

    雷电电磁脉冲( LEMP)包括闪电电涌和辐射电磁场。

    闪电电涌源于闪电击在电气装置和线路的部分雷电流，以及闪电静电感应或者雷电电磁效应引发的过电压、过电流的瞬态波。雷电流在导体内流动产生电场，在导体内变化产生磁场，交互变化的电场和磁场产生电磁波，并向周围发射或泄露形成辐射电磁场。

1.1  雷电损害类型

    雷电危害产生过程中，雷电流是直接或间接的损害源。比较而言，远端雷击的大气过电压威胁相对较小，仅依靠设备自身的耐冲击电压值足以防范，不需要特别的过电压保护措施。

    雷击产生雷电电磁脉冲的方式有以下几种：①直接雷击，部分雷电流侵入电气、电子系统；②间接雷击，通过电阻耦合、电感耦合和电容耦合方式侵入电气、电子系统。电阻耦合包括直接传导和公共阻抗耦合，其作用相对显著。电容性耦合的作用比电感性耦合小得多，可不考虑。

    根据雷击点相对建筑物的位置，IEC标准提出应考虑S1~S4四种损害类型，见图2。该图常用于计算机仿真设计，将复杂的雷击建筑内部系统转换为雷击等效电路图，以便获取雷电点准确的预期等效电涌电流值。

    直接雷击的雷电流幅值和能量较大，需要引起特别关注。在S1和S3情况下，建筑物或线路遭到直接雷击，部分雷电流直接进入建筑物内部系统。由此引发的过电压和过电流将处于最不利状况，理论上会产生远高于S2和S4的闪电电涌。因此，S1和S3产生的部分雷电流是电磁脉冲防护首要的考虑对象。

1.2雷电流分量

    雷电流按极性分为正极性和负极性。雷电流分量的种类分为：①首次短时间雷击；②后续短时间雷击；③长时间雷击。

    其中，短时间雷击对电气、电子系统的冲击尤其严重，其雷电流参数最大值见表1。

    通常用雷电流参数的最大值来设计SPD的通流容量，并且可用该值模拟雷电流对SPD影响的测试参数，包括：①综合效应，即热、机械和电弧效应：②能量效应；③闪络、开裂等电介质效应。

    表1中雷电流峰值最高的是首次正极性短时间雷击，在直接雷击建筑物或线路的情况下，虽然正极性雷击的概率为10%，仍被选来测试SPD的通流容量。

2建筑物电源进线处SPD选择

    雷电电磁脉冲防护的基础是在建筑物内划分内部防雷保护区，根据LEMP威胁值的差异，在各保护区的边界处设置SPD，泄放雷电流和限制过电压，使得电气、电子系统的耐冲击电压限值与所在的风险区域相对应。其中，最重要的环节当属在LPZOA和LPZOB区交界处设

置第一级SPD，正确地选择该SPD的波形和通流容量可以避免下游电气、电子设备因电涌冲击受损，从而最大限度保护建筑物内部系统。

2.1  建筑物电源进线处SPD波形

tests》引言对于SPD的安全和性能测试中要求了三种类别的试验：  “I级试验用于模拟部分导入雷电流的冲击。符合I级试验方法的SPD通常推荐用于高暴露地点，例如：由雷电防护系统保护的建筑物的电缆入口处。II级或III级试验方法试验的SPD承受持续时间较短的冲击。”

    由表2各种损害源产生的电涌波形可知，直接雷击（S1和S3）的波形为10／350s，即正极性短时间雷击分量的波形。其余的间接雷击和感应电流的测试波形均为8／20s。

    通常对S1和S3等暴露情况的线路引入处，应采用I级试验的SPD;对于S2和S4等持续时间较短的冲击应采用Ⅱ级试验的SPD。例如，损害源S3，架空引入线遭受直接雷击，部分雷电流直接传导引入建筑物内部系统，其电源引入处的SPD应选用I级试验的10／350s  SPD；损害源S1，对于设置了LPS的防雷建筑物，低压进线即使采用埋地电缆引入，其电源引入处的SPD也应选用I级试验的10／350s SPD。

    对于以上二级配电箱，或者建筑物或引入线路不需要考虑直击雷防护时，可选用Ⅱ级或III级试验的8/20s SPD。

2.2建筑物进线处SPD通流容量

    IEC标准中SPD的选择主要涉及三个专业委员会的文件：①雷电防护委员会（TC81委员会）的IEC62305 -1～4系列文件；②建筑物电气装置委员会（TC64委员会）的IEC 60364系列文件；（9低压电涌保护器分委员会（SC37A分委员会）的IEC 61643系列文件。

    各类文件对建筑物迸线处SPD通流容量有各自的要求，并有相互的沟通，然而，由于问题的复杂性，以及独立研究的深入，各委员会的文件依然存在分歧。

2.2.1  TC81委员会的相关内容

    S1威胁时，我国的GB 50057 - 2010《建筑物防雷设计规范》（以下简称《雷规》）SPD的通流容量的计算取自GB /T 21714.1 - 2015 /IEC  62305 -1：2010《雷电防护第1部分：总则》的相关模型，该模型在国际上获得较多的认可。

    建筑物建立防雷等电位连接后，一旦遭遇雷击，整个建筑物和内部系统的电位同步提高，不会产生危险的电位差。然而，当有电气或电子系统线路引出建筑物时，建筑物内地电位和引出的金属线路远端地电位之间存在电位差。根据IEC 62305 -1: 2010附录E“50%- 50%雷电流分流原则”，即假定50%的雷电流流经建筑物的接地系统，另外50%的雷电流均匀分布于远处接入的服务设施金属部分。均分的部分雷电流在远处接入的电源线路芯线间再次均分。

    例如，设置LPS的建筑物埋地引入的非屏蔽电力线路，电涌按《雷规》4.2.4条第9款计算冲击电流值：

    假设外来金属管道有水管、暖气管和电力管，取n=3．三相四线制电源导体芯线m=4。对于第一、二、三类防雷建筑物，每一保护模式的冲击电流值I _imp分别为8.33 kA、6.25 kA和4.17 kA。

    损害源S3，直接套用《雷规》4.2.3条条文说明中的表5．即GB／T 21714.1 - 2015／IEC 62305 -1：2010表E.2。对于第一、二、三类防雷建筑物，每一保护模式的冲击电流值，i mp分别为10 kA、7.5 kA和5kA。然而，2016年4月发布的IEC 62305-1 Ed.3 81／516／CD《Protection against lightningPart 1-General principles》版本表E．1中每一保护模式的冲击电流值/imp分别调整为25 kA、18. 75 kA和12.5 kA。

    需要补充的是，IEC 62305 -2：2010《Protection against lightning - Part 2:Risk management》的风险评估实际上复杂得多，其SPM应包括：接地和等电位连接、磁屏蔽、合理布线、隔离界面和协调配合的SPD系统等措施。然后，将计算得到的总风险值R与风险允许值RT进行比较，如果R>RT，则仍需要采取其他的SPM措施（如降低截收面积、外部和内部线路屏蔽等），直到R≤RT。该方法虽然具有相当的科学性，但是可操作性较差，推广应用具有一定的阻力。

2.2.2 TC64委员会的相关内容

    《雷规》4.2.4条第8款“在电源引入的总配电箱处应装设I级试验的电涌保护器……每一保护模式的冲击电流值，当无法确定时，冲击电流应取等于或大于12.5 kA”引自GB  16895. 22 - 2004／IEC60364 -5 - 53:  2001:  Al：2002。然而，其2015年6月发布的IEC  60364 -5 - 53 AMD2 Ed. 3.0 64／2031／FDIS(Final Draft Intemational Standard，最终国际标准版草案)版本534.4.4.4.2条做了修订，要求建筑的电源引入处设置I级试验的SPD，应按下列之一执行：

    a．无风险评估时，每一模式冲击电流不应小于12.5 kA。

    b．按IEC 62305 -2进行风险评估时，冲击电流应按IEC 62305系列标准实施。

    该条文增加了一条附注，明确以上数据参考的雷电保护等级(IPL)为Ⅲ类和Ⅳ类。IEC标准雷电保护等级(IPL)Ⅲ类和Ⅳ类的雷电流峰值1= 100 kA,对应于我国第三类防雷建筑物。如果雷电流峰值，取150 kA和200 kA，SPD每一保护模式的冲击电流值应分别不小于18. 75 kA和25 kA。

2.2.3  SC37A委员会的相关内容

    SC37A委员会是避雷器标准化委员会(TC37)的低压电涌保护器分委员会，对SPD性能要求、试验方法、选择和使用等方面给出标准要求。GB／T 18802. 12 - 2014／IEC 61643 - 12:  2008《低压电涌保护器(SPD)第12部分：低压配电系统的电涌保护器选择租使用导则》6.2.1.3“每种所需的保护模式的I _imp值不得小于12.5 kA”。

2.2.4  SPD通流容量比较

    IEC三个委员会的标准与我国标准关于建筑物进线处SPD通流容量的取值见表3。

    雷击建筑物情况下，IEC各委员会对于入口处SPD通流容量基本选择10／350 Vs  12.5 kA的常规应用；架空线路引入时，雷击线路的SPD通流容量需要修改为10／350ILs 25 kA。SC37A委员会在这方面没有提出相应要求，也许是因为架空线引入在实际应用中较少。

3标准的工作方向

    由于闪电是随机的自然现象，TC81委员会对SPD通量容量的计算有以下基本原则：①首先，雷电的防护应基于概率法，需要引入SPD的概率系数。②其次，不能仅依靠一段时间内现场收集的SPD承受的威胁水平确定SPD的通流容量。也就是说，不应仅利用预期部分雷电流峰值（即IEC 62305 -1 Ed.381/ 516／CD版本表E.1）选择SPD，而应按照预期等效的电涌电流确定SPD的通流容量(I _spd)。

    然而相关成果在IEC成员国内引发了激烈的争论，部分成员国拒绝接受。分析认为，主要原因是这些成果内容复杂，数据来源不清，发布时缺乏有效的准备。因此，TC81委员会不得不做出妥协，把预期部分雷电流峰值列入IEC 62305 -1 Ed.3 81／516／CD版本表E．1中。同时希望做好以下两项工作：

    a．技术工作。介绍成果时，需要有技术上的提高，项目维护组( MTs)改进的CD文件应尽可能简单。此外，新方法应有充分和适当的解释信息，包括所提供数据的来源，以及如何使用程序，并且应充分利用附录作为适当的解释工具。

    b．  日常工作。建议项目维护组制定标准各部分的通用原则：“维持IEC 62305 Ed.2(笔者注，即GB／T 21714.1～4- 2015／IEC 62305 -1～4: 2010)的方法；遵循最简单的方法（如50%- 50%雷电流分流原则）；尽可能避免对非常复杂的现象使用公式，从而造成虚假的精度；建议用常规的、近似的方法解释标准；建议各国委员会用全新的流程和简单的方法改进标准。”

4结语

    电气、电子设备一旦因雷电电磁脉冲失效，可能产生难以估量的直接损失和间接损失。在直接雷击威胁时，SPD的通流容量应首先考虑正极性短时雷击分量峰值，建筑物进线处SPD应选择10／350s I级试验产品，考虑到常规应用，每一模式冲击电流值一般不必大于12.5 kA。特殊情况雷击架空线路时，可能需选择通流容量更大的SPD。国内标准应尽可能与国

际标准协调统一，不应仅“征求国内各方面意见”而采用其他数值，甚至采用8／20sⅡ级试验产品。

    IEC TC81委员会对于雷电电磁脉冲防护的研究和防雷标准的发展提出了务实的技术和日常工作方法，以促进各国家委员会对IEC标准的参与、维护和改进。