GB 50057 - 2010《建筑物防雷设计规范》以建筑物为主体,以建筑物内设备和人员安全为目标;对建筑物防雷工程中的特殊问题可应用规范的原理方法分析解决。
 
突出外墙的空调机防护
GB 50057 - 2010对屋顶金属设备的防雷有相应要求,但对突出外墙的空调机未提供明确的防护措施。下面以较典型的第三类防雷建筑物的高层居住建筑为例,试做分析。
 
防直击雷措施
根据GB 50057 - 2010 4.4.8条第1款规定,高度超过60 m的建筑物,“对水平突出外墙的物体,当滚球半径60 m球体从屋顶周边接闪带外向地面垂直下降接触到突出外墙的物体时,应采取相应的防雷措施”。
 
目前,各类建筑物防侧击雷措施只跟建筑物高度有关(即建筑物上部占高度20 %并超过60 m的部位),和防雷类别对应的滚球半径没有直接关系。图1中B、C、D属于上下对应的外墙突出物,当突出部位是空调板和空调机时,仅在B处设置防直击雷接闪器即可满足要求。
 
防侧击雷措施
 
GB 50057 - 2010  4.4.8条第2款要求,高于60 m的建筑物,其上部占高度20 %并超过60 m的部位应防侧击,防侧击应符合下列规定:
 
a. 上述各表面上的尖物、墙角、边缘、设备以及显著突出的物体,应按屋顶的保护措施处理;
 
b. 接闪器应重点布置在墙角、边缘和显著突出的物体上;
 
c. 外部金属物、外部引下线可利用作为接闪器;
 
d. 作为自然引下线的钢筋混凝土内钢筋和建筑物金属框架均可作为接闪器。
 
条文说明进一步引用IEC 62305-3:2010《雷电防护  第3部分:建筑物的物理损坏和生命危险》5.2.3.2条的内容,侧击的风险是低的 …… 而且其雷电流参数显著低于闪电击到屋顶的雷电流参数。然而,装在建筑物外墙上的电气和电子设备,甚至被低峰值雷电流侧击击中,也可能损坏。
 
高层建筑物上部防侧击雷时,应至少符合第Ⅳ级防雷级别的要求,即设置不大于20 m × 20 m或24 m × 16 m的接闪网格,考虑利用竖向引下线和等电位连接环(水平不大于4层,即间隔3 m × 4 = 12 m)作为接闪网络。当建筑物外墙的金属窗需要做等电位连接时,也可每两层设置水平接闪带,分别在上下两层的金属窗侧面预留连接板,以便等电位连接使用。
 
 
住宅用户箱内不应设置电涌保护器
 
外墙处金属窗可与防雷装置做等电位连接;突出外墙的住宅室外空调机可否做以上等电位连接呢?
 
空调机如果和防雷装置做等电位连接,势必会引入部分雷电流,高层住宅的用户箱内应设置适配的电涌保护器作为防闪电电涌侵入的保护措施。
 
住宅内常用的电线电缆、低压电器(如微型断路器、RCD等)、保护或连接用电器装置(如开关、插座等),以及大多数家用电器已列入3C认证目录,安全性相对有保障;而电涌保护器产品未被列入强制性认证目录。电涌保护器不属于在家用或类似场所使用的保护电器,对未受过训练的非专业人员可能有安全隐患。
 
关于电涌保护器的设置场所,美国国家电气法规NFPA 70 - 2017《National Electrical Code》 285. 11条明确,除特别规定的场所以外,电涌保护器应设置于仅熟练人员才允许进入的场所。NFPA 780 - 2017《Standard for the Installation of Lightning Protection Systems》4. 20. 7. 4条要求,所有电涌保护器部件应便于检查和维护;8. 10. 6. 3条进一步规定,电涌保护器应按照制造商的指示进行周期性检查,间隔时间不应超过7个月。
 
家用及类似场所显然不具备以上电涌保护器安装条件,也不满足电涌保护器的周期性维护要求。
 
因此,住宅室外空调机应处于接闪器的保护范围内,并应与防雷装置保持间隔距离。
 
外墙处空调机的防护
 
>>>>防雷网格
 
以建筑高度为78 m的某第三类防雷高层住宅建筑为例,顶部的空调板和空调机应设置防直击雷措施,在最上层空调板外边缘设置金属栏杆作为接闪器,使得空调机处于滚球保护范围内。
 
建筑物高度的80 %(即62. 4 m)及以上部位需要设置防侧击雷措施,因此,从60 m(20层)开始,顶层的空调板外沿应设置暗装接闪带,并与邻近的防雷网格连接;每间隔一层设置水平暗装接闪带,使空调板之间的空调机处于25 m × 6 m(第三类防雷建筑物引下线间距按25 m)接闪网格滚球保护范围内。室外空调机的防侧击雷措施示意图见图2。
 
>>>>
间隔距离核算
 
室外空调机的典型尺寸按800(L)× 600(H)× 280(W)计算,住宅空调板和空调机突出外墙时,参照国标图集11J930《住宅建筑构造》F49做法,见图3。
 
核算空调机和防雷装置在混凝土中的间隔距离
 
式中:ki —— 取决于所选择的雷电防护装置(LPS)分类,第三类防雷建筑物ki为0. 04;
 
  km —— 取决于电气绝缘材料,混凝土材料取0. 5;
 
  kc —— 取决于流经接闪器和引下线的雷电流,雷电流按两个方向分流,取0. 5;
 
   l—— 从选定的间隔距离的点沿着接闪器或引下线到最近等电位连接点或接地点的长度,m。
 
按空调板最不利情况计算长度,l1 = 1. 2 + 0. 6 = 1. 8 m,楼层高度l2 = 3 m(按每间隔一层设置水平暗装接闪带),即l = l1 + l2 = 1. 8 + 3 = 4. 8 m。
 
核算空调机和防雷装置在空气中间隔距离
 
为了提高顶层空调器防直击雷的可靠性,在顶层空调板外沿设置金属栏杆兼做接闪器,因此,需要核算顶层空调机和金属栏杆接闪器之间空气中的间隔距离。金属栏杆高按600 mm,km取1,l取4. 8 + 0. 6(金属栏杆的高度)= 5. 4 m。
 
可见,对于第三类防雷建筑物,图2的布置满足间隔距离要求,可避免防雷装置对空调器侧闪。如果是第二类防雷建筑物,为了确保对突出外墙的空调器实施保护,水平接闪器可每层设置,即间距3 m。
 
小结
 
当建筑物空调板突出外墙时,室外空调机的防护如下:
 
a. 顶层空调板应设高度不小于600 mm的金属栏杆,并与防雷装置连接。
 
b. 电涌保护器不属于家用或类似场所使用的电器,不应设于住宅用户箱内;所有空调机的金属外壳不应与防雷装置连接,避免引入雷电流。
 
c. 对于第三类防雷住宅建筑,突出外墙的空调器防侧击应间距6 m(每隔一层)设置水平暗装接闪带;对于第二类防雷住宅建筑,间距3 m(每层)设置水平暗装接闪带。
 
d. 室外空调板周边设置暗装接闪带,并与防雷网格连接。
 
室外箱变的防护
 
电涌电流的分配
 
当电源由室外箱变引至设有防雷装置的建筑物内时,GB 50057 - 2010  4.3.8条第4款要求:应在低压电源线路引入的总配电箱、配电柜处装设Ⅰ级试验的电涌保护器。室外箱变处如何设置电涌保护器呢?
 
设有防雷装置的建筑物内的电气和电子系统,可能遭受雷击(S1损害源)时的地电位反击,也可能承受室外箱变及其埋地线路遭受雷击(S3损害源)的闪电电涌侵入。按照GB 50057 - 2010,通常可仅考虑更严酷的地电位反击危害。
 
如果不考虑其他服务设施分流的因素(或引入处采用非金属管道和非金属线路)的前提下,根据电阻耦合原理,雷击建筑物的全部雷电流在建筑物的接地装置和室外箱变的地之间分配,见图4。
 
根据相关试验,施加雷电流i为200 kA、10 / 350 μs雷电流,建筑物和室外箱变的接地电阻R1 = R2 = 30 Ω时,电力电缆长度分别取50 m、500 m和1 000 m,雷电流分布见图5(引自GB / T 19271. 3 - 2005 / IEC TS 61312:2000《雷电电磁脉冲的防护 第3 部分:对浪涌保护器的要求》,此规范已于2017年12月15日废止)。
 
在冲击电流的初始阶段,雷电流的分配由系统的电感确定,到冲击电流的波尾阶段,电流的变化率较小,电涌的分配将由系统的阻抗确定,即:
 
随着室外电缆长度增加,电源线路的阻抗增大,进入室外箱变接地装置的雷电流会相应减小。因此,雷电流的分配依据接地路径的阻抗分配,为方便估算,通常建筑物电气装置的接地极∞和室外箱变接地极之间按50 % — 50 % 分流原则。
 
电涌保护器的选择
 
电涌电流进入箱变的低压绕组后泄放入地,低压侧侵入的雷电流在低压绕组上的过电压并不高,但是,变压器低压侧的过电压会在变压器高、低压绕组间发生电磁耦合,按变压器的变比变换到高压侧,形成高压侧的过电压。这种低压侧遭雷击变换到高压侧的过电压称为正变换过电压。
 
由于变压器高压绕组的绝缘裕度远低于低压绕组,因此常会出现变压器低压侧落雷,低压侧绕组未损坏,而高压侧绕组因正变换过电压而损坏的现象,因此,有必要在箱变的低压侧设置电涌保护器泄放电涌电流。
 
根据电涌电流的分配情况,箱变的接地装置需要泄放和建筑物相当的电涌电流。从图5可以看出,进入电源系统的总雷电流小于进入建筑物接地装置的总雷电流。因此,在室外箱变低压侧设置不大于12. 5 kA、10 / 350 μs的电涌保护器已经充分。
 
电梯机房控制柜电涌保护器选择
 
工程案例
 
某住宅楼遭雷击后,3台电梯无法使用,现场勘查后发现:
 
a. 电梯机房内金属装置(包括电梯金属外壳)、电梯控制箱均采用等电位连接,但是电梯电源箱和等电位连接箱未直接连接。
 
b. 电源箱和电梯控制箱之间的电源线路未做金属管屏蔽。
 
c. 屋面接闪带与电梯机房内金属装置连接。
 
d. 雷电流进入电梯控制箱造成元件损坏。
 
e. 电梯电源箱内4极电涌保护器规格:最大持续运行电压UC = 385 V,电压保护水平UP = 2. 0 kV,标称放电电流In = 20 kA,最大放电电流Imax = 40 kA。电涌保护器视窗显示为绿色,表明未出现故障失效。电梯配电箱现场照片见图6。
 
案例分析
 
根据现场电梯机房、电源箱等照片绘制电气系统图,见图7。
 
由于电梯机房内金属装置和屋顶接闪器连接,导致较大的雷电流引入电梯机房内的电气设备。电涌保护器未出现故障失效,电涌保护器两端接线约为0. 2 m,电涌保护器及其连接线上的有效电压保护水平为U1:
 
U1 = UP + UL = 2. 0 kV + 0. 2 kV = 2. 2 kV
 
回路1长度约2. 0 m,全程未做屏蔽处理,导致雷电流可能在回路1上产生较大的感应过电压U2:
 
 
 
由GB 50057 - 2010表6. 4. 4,Ⅰ类设备(含有电子电路的设备,如计算机、有电子程序控制的设备)的耐冲击电压额定值UW为1. 5 kV。4. 2 kV远大于1. 5 kV,可见,电梯控制柜内电子设备很容易遭雷击损坏。
 
适配的电涌保护器
 
电梯机房处于LPZ1区内,为避免引入雷电流,不应和屋面防雷装置等电位连接。电梯机房内的保护导体、装置外可导电部分应设置等电位连接,电源线路的金属管应做好屏蔽,消除感应过电压U2。
按照GB 50343 - 2012 《建筑物电子信息系统防雷技术规范》表5. 4. 3 - 3,可选择Ⅱ级试验的电涌保护器,具体参数为:Uc = 275 V,Up = 1. 5 kV,In = 20 kA;接线方式为凯文接线时,UL = 0。
 
Up / f = U1 + U2 = UP = 1. 5 kV
 
根据GB 50057 - 2010 6. 4. 5条,Ⅱ级试验的电涌保护器标称放电电流不应小于5 kA。由压敏电阻的伏安特性可知,当安装处预期电涌电流为5 kA时,In = 5 kA,Up / f 5 kA < 1.5 kV,UW = 1. 5 kA,可实现对电梯控制柜有效保护。
 
总之,电梯机房的电涌防护应做到以下几点:
 
a. 电梯机房内电梯电源箱和金属装置等应纳入等电位连接,但不应与屋面防雷装置连接。
b. 电源线路金属管应在两端可靠连接,做好线路屏蔽,以消除感应过电压。
c. 选用适当的电涌保护器和有利的接线方式,使得有效电压保护水平不大于终端设备的耐冲击电压限值。
 
能量配合的电涌保护器
 
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退耦原理 —— 传统能量配合
 
若电梯机房内金属装置不可避免与防雷装置连接(例如和钢筋混凝土内钢筋或钢构件连接),则会引入部分雷电流,因此需要考虑电涌保护器的分级配合。电涌保护器之间的配合,取决于下一级电涌保护器的最大能量耐受。
 
如图8所示,开关型电涌保护器1和限压型电涌保护器2之间配合时,应使电涌保护器2的瞬态电压低于电涌保护器1的触发电压,在允许的空间里,可利用电涌保护器之间的导线提供足够的电感,导线的寄生电感和电涌电流上升率的乘积,形成沿导线的电感电压降UL = L × di / dt,叠加到电涌保护器1上,使得开关型电涌保护器1导通。能量配合满足:U1 ≤ U2 + UL。
 
两级电涌保护器之间协调配合的电缆长度一般要求不低于10 m,但是,在电梯机房同一个电源箱内实现此目标困难较大。另一个选择是采用退耦元件。
 
退耦元件主要选用电感,但是,退耦电感存在以下缺点:
 
—— 电感是耗能元件,将产生不期望的能耗;
 
—— 线路的额定电流受制于电感元件的额定电流;
 
—— 电感会增加安装空间;
 
—— 电感在较大冲击电流情况下,可能出现磁饱和现象,导致电感量降低,配合失效。
 
值得注意的是,在冲击电流作用下,耦合电感会受到不同程度的损伤,导致可信度下降。
 
能量控制的另一个重要因素是电涌电流的陡度di / dt。当对Ⅰ级试验和Ⅱ级试验的电涌保护器进行配合时,应同时经受10 / 350 μs雷电流和雷击概率99 % 的最小陡度0.1 kA/μs,否则仍可能出现配合盲区;放电间隙(SG)和氧化锌压敏电阻(MOV)能量配合原则见图9。
 
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组合型电涌保护器 —— 主动能量控制配合
主动能量控制配合不需要考虑组合电涌保护器的退耦环节,通过控制限压型电涌保护器的最大能量和点火电压的关系,将开关型电涌保护器和限压型电涌保护器直接并联,形成组合型电涌保护器,实现主动能量配合,见图10。这类组合电涌保护器综合了放电间隙和氧化锌压敏电阻各自的优点,既具有MOV高响应速度和低保护水平,又具有SG的高能量泄放能力。
 
主动能量控制配合和传统能量配合的区别:传统解耦技术受制于电涌波形,陡度越大的波形越容易配合,陡度小的波形配合则相对困难。而主动能量控制配合由残压决定,可在后级电涌保护器能量耐受能力之前,设定一个较低的点火电压;当压敏电阻上的残压达到此点火电压时,前级电涌保护器上的点火装置将触发火花间隙,泄放并转移大部分的电涌电流,见图10。
 
因此,主动能量控制配合具有以下优点:
 
—— 将需要配合的电涌保护器直接并联安装;
 
—— 不需要退耦元件,节省安装空间;
 
—— 降低成本,减少能耗;
 
—— 能量配合没有盲区;
 
—— 主动控制,延长电涌保护器的使用寿命;
 
—— 提高了可靠性;
 
—— 降低电压保护水平,一次安装可以同时处理Ⅰ级试验雷电流容量(10 / 350 μs,12. 5 kA)和较低的电压保护水平。
 
 
主动能量控制配合见图11。
 
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组合型电涌保护器 —— 安全能量控制配合
安全能量控制配合在主动能量控制配合的基础上提高了安全性:
 
a. 冲击电流达到25 kA(10 / 350 μs),能轻松应付大多数场所安装处可能出现的预期雷电流。例如,多根引下线的第一类防雷建筑物,分流系数Kc取0. 44时,Iimp = 0. 44 × 200 = 88 kA,每一模式导体上的冲击雷电流Iimp = 88 / 5 = 17. 6 kA,< 25 kA。更有IEC 62305 - 1 Ed. 381 / 590 / FDIS《Protection against lightning — Part 1:General principles》要求,对于Ⅰ类雷电防护等级,发生雷击建筑物(S1威胁)的电阻耦合时,预期的雷电流为10 / 350 μs,25 kA。可见,这种冲击电流等级的电涌保护器可应用于几乎所有的高暴露场所。
 
b. 组合式电涌保护器中,空气间隙的固有缺陷是有续流,续流的幅值接近安装处的短路电流,可能产生以下危害:
 
—— 低压系统电压暂降;
 
—— 发生接地故障,甚至可能出现人身安全问题;
 
—— 设备承受较大应力,寿命降低;
 
—— 上级熔丝动作,导致供电中断。
 
安全能量控制配合的显著特点是特殊的结构设计避免了续流产生,可以在供电电源和大地之间实现电气隔离,也提高了系统的可用性。
 
c. 空气间隙的自点火电压为0. 9 kV,残压值达到0. 9 kV ~ 1. 5 kV的较低水平。
d. 最大持续工作电压为交流350 V,适合电压波动大的环境,提高了电涌保护器的使用寿命。
e. 暂态过电压的UT为415 V。
 
其中:试验电压Ucs= 1. 1 × U0 = 1. 1 × 230 = 253 V
暂态过电压适合包括TN、TT和IT的低压系统。
 
f. 组合型电涌保护器采用的双接线柱,接线见图12,很容易实现凯文接线,将连接线的电感电压降低到最小。
安全能量控制电涌保护器特点见表1。
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电梯控制柜抗扰度
 
电梯控制柜内含有如计算机、电子程序控制的电子设备,具有相当低的限制瞬态过电压水平,属于过电压类别为Ⅰ类的设备,不能与公共电网直接连接。通常,电梯产品技术委员会需要规定系统或设备的过电压类别或额定冲击电压,例如GB 7588 - 2003(2015)《电梯制造与安装安全规范》对于电涌抗扰度的电磁兼容性应满足EN 12016:2013《Electromagnetic compatibility — Product family standard for lifts,escalators and movingwalks — Immunity》的相关规定,其试验要求见GB / T 17626. 5 - 2008 / IEC 61000 - 4 - 5:2005《电磁兼容 试验和测量技术 浪涌(冲击)抗扰度试验》。开关电源适配器交流端的电涌抗扰度试验应满足表3的要求,其试验波形为:开路电压1. 2 / 50 μs,短路电流8 / 20 μs。
 
其中,等级3用于电源线路和信号线路平行敷设的电气环境。设备共用接地系统,该接地系统几乎都会遇到接地故障、开关操作或雷电产生的干扰电压。受保护的电子设备和灵敏度较差的电气设备接于同一电源网络,电涌电压不应超过2 kV。
针对电梯、自动扶梯和移动人行道产品的抗扰度,EN 12016:2013将每相不大于100 A的输入输出交流端口的相线对地电涌电压峰值定为 ± 2 kV。
 
因此,电梯控制柜已具有UW  = 2kV、8 / 20 μs耐冲击电压水平,以上组合型电涌保护器已经满足要求。
 
结论
防雷保护是一项系统工程,要考虑安装环境、使用特点、雷电特性、保护措施等一系列因素:
 
a. 家用及类似场所用户箱内不应设置电涌保护器,突出外墙的电气设备应处于接闪器保护范围内,并与防雷装置保持间隔距离。
b. 为避免室外箱变处正变换过电压的影响,箱变低压侧应设置Ⅰ级试验的电涌保护器。
c. 电涌保护器不是单一的保护措施,终端设备的防雷保护需要综合防护,根据威胁的类型采取适当的过电压保护措施。当终端设备需要考虑较大电涌电流防护时,需要选择组合型电涌保护器,安全能量控制配合比传统的能量配合具有更好的安全性。
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