防雷區(qū)域劃分及防雷器選擇規(guī)范！

2025-06-25 · 閱讀486

防雷區(qū)域劃分（Lightning Protection Zones, LPZ）和防雷器（浪涌保護(hù)器，SPD）的選擇是建筑物和電子設(shè)備防雷保護(hù)的核心規(guī)范內(nèi)容，主要依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IEC 62305 系列和對(duì)應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（如中國(guó)的 GB/T 21714）。以下是關(guān)鍵規(guī)范和原則：

一、 防雷區(qū)域劃分 (LPZ)

防雷區(qū)域劃分的目的是根據(jù)雷電電磁脈沖（LEMP）的威脅程度，將建筑物或空間劃分為不同的區(qū)域，為不同區(qū)域內(nèi)的設(shè)備提供相應(yīng)等級(jí)的防護(hù)。劃分主要考慮：

1. 直接雷擊風(fēng)險(xiǎn)： 該區(qū)域是否會(huì)遭受直接雷擊。

2. 雷電電磁場(chǎng)強(qiáng)度： 該區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度（H）和電場(chǎng)強(qiáng)度（E）。

3. 浪涌電流/電壓幅值： 侵入該區(qū)域的浪涌電流或電壓的大小。

主要防雷區(qū)域 (LPZ) 定義

1. LPZ 0A：

   • 威脅： 可能遭受直接雷擊的區(qū)域。存在全部雷電流（10/350μs波形）和未衰減的雷電電磁場(chǎng)。

   • 區(qū)域： 建筑物外部、未受避雷針/帶直接保護(hù)的屋頂、空曠地帶。

   • 防護(hù)重點(diǎn)： 直擊雷防護(hù)（外部防雷裝置 - LPS）。

2. LPZ 0B：

   • 威脅： 不會(huì)遭受直接雷擊，但處于未衰減的雷電電磁場(chǎng)中。浪涌電流主要來(lái)自感應(yīng)效應(yīng)（8/20μs波形）。

   • 區(qū)域： 受外部 LPS 保護(hù)的區(qū)域（如避雷針保護(hù)范圍內(nèi)，但不包括內(nèi)部）、建筑物外墻附近。

   • 防護(hù)重點(diǎn)： 防止感應(yīng)雷電流侵入線路（如電源線、信號(hào)線入口處）。

3. LPZ 1：

   • 威脅： 浪涌電流/電壓受到首次限制/衰減（例如通過(guò)安裝在 LPZ 0B 到 LPZ 1 邊界的一級(jí) SPD）。雷電電磁場(chǎng)也受到部分衰減（如建筑屏蔽、房間屏蔽）。

   • 區(qū)域： 建筑物內(nèi)部，如主配電柜/總配電箱所在區(qū)域、靠近外墻的區(qū)域。

   • 防護(hù)重點(diǎn)： 進(jìn)一步限制從外部線路侵入的浪涌和內(nèi)部空間感應(yīng)產(chǎn)生的浪涌。

4. LPZ 2：

   • 威脅： 浪涌電流/電壓受到進(jìn)一步限制/衰減（例如通過(guò)安裝在 LPZ 1 到 LPZ 2 邊界的二級(jí) SPD）。雷電電磁場(chǎng)受到更大衰減（如機(jī)房屏蔽、機(jī)柜屏蔽）。

   • 區(qū)域： 建筑物內(nèi)部更深區(qū)域，如分配電柜/樓層配電箱所在區(qū)域、設(shè)備機(jī)房。

   • 防護(hù)重點(diǎn)： 保護(hù)對(duì)浪涌更敏感的設(shè)備。

5. LPZ 3 (及更高)：

   • 威脅： 浪涌電流/電壓受到更嚴(yán)格限制/衰減（例如通過(guò)安裝在 LPZ 2 到 LPZ 3 邊界的三級(jí) SPD或設(shè)備前端 SPD）。雷電電磁場(chǎng)非常微弱或被高度屏蔽。

   • 區(qū)域： 設(shè)備機(jī)柜內(nèi)部、設(shè)備前端、高度屏蔽的機(jī)房核心區(qū)域（如數(shù)據(jù)中心服務(wù)器機(jī)柜前端）。

   • 防護(hù)重點(diǎn)： 為最敏感、最關(guān)鍵的電子設(shè)備（服務(wù)器、交換機(jī)、精密儀器、PLC、醫(yī)療設(shè)備等）提供最終精細(xì)保護(hù)。

區(qū)域劃分原則

• 邊界清晰： 區(qū)域之間應(yīng)有明確的物理或電氣邊界。

• 屏蔽連續(xù)性： 區(qū)域的屏蔽效能（如建筑鋼筋、金屬框架、屏蔽機(jī)房、屏蔽線纜/橋架）是決定電磁場(chǎng)衰減的關(guān)鍵。

• 等電位連接： 每個(gè)區(qū)域邊界處都需要進(jìn)行良好的等電位連接，這是 SPD 有效泄放雷電流的基礎(chǔ)。

• SPD 安裝位置： SPD 必須安裝在區(qū)域邊界上，例如：

  • 一級(jí) SPD：安裝在 LPZ 0B 與 LPZ 1 的邊界（主配電柜進(jìn)線端）。

  • 二級(jí) SPD：安裝在 LPZ 1 與 LPZ 2 的邊界（分配電柜進(jìn)線端）。

  • 三級(jí) SPD：安裝在 LPZ 2 與 LPZ 3 的邊界（設(shè)備前端插座或機(jī)柜配電單元）。

二、 防雷器 (SPD) 選擇規(guī)范

SPD 的選擇必須基于所處的防雷區(qū)域（LPZ）、被保護(hù)系統(tǒng)的特性（電壓、頻率、接地方式）以及需要達(dá)到的保護(hù)水平。

關(guān)鍵選擇參數(shù)

1. 電壓保護(hù)水平 (Up)：

   • 定義： SPD 在泄放標(biāo)稱放電電流 In 時(shí)，其兩端的殘壓峰值。這是 SPD 限制過(guò)電壓能力的核心指標(biāo)。

   • 選擇原則：

     • Up 必須小于被保護(hù)設(shè)備的耐受電壓 (Uw)。 這是最重要的原則！

     • 考慮 SPD 的 Up 累計(jì)：當(dāng)多級(jí) SPD 串聯(lián)使用時(shí)（如一級(jí)+二級(jí)+三級(jí)），最終到達(dá)設(shè)備的殘壓是所有上游 SPD 殘壓的疊加（雖然小于簡(jiǎn)單相加，但必須考慮）。最終總 Up 必須 < Uw。

     • 目標(biāo)是將設(shè)備端的實(shí)際過(guò)電壓限制在 Uw 以下。通常要求 SPD 的 Up 比 Uw 低 20% 以上（即 Up ≤ 0.8 * Uw）以提供足夠裕量。

     • 設(shè)備耐受電壓 Uw 需查閱設(shè)備手冊(cè)（如 IT 設(shè)備常用 1.5kV，工業(yè) PLC 可能 1kV 或更低）。

2. 標(biāo)稱放電電流 (In) 和最大放電電流 (Imax)：

   • 定義：

     • In： SPD 能多次承受（通常 15 次）而不損壞的 8/20μs 波形電流峰值。代表 SPD 的常規(guī)通流能力。

     • Imax： SPD 能承受一次而不損壞的最大 8/20μs 波形電流峰值。代表 SPD 的極限通流能力。

   • 選擇原則 (基于 LPZ)：

     • LPZ 0B 到 LPZ 1 邊界 (一級(jí) SPD)： 需承受較大的感應(yīng)雷電流或部分直擊雷分流電流。要求 In 高 (典型值：電源系統(tǒng) 50kA - 100kA 8/20μs 或 12.5kA - 25kA 10/350μs)。Imax 應(yīng)大于 In。

     • LPZ 1 到 LPZ 2 邊界 (二級(jí) SPD)： 承受經(jīng)過(guò)一級(jí) SPD 限制后的剩余浪涌。In 中等 (典型值：20kA - 40kA 8/20μs)。

     • LPZ 2 到 LPZ 3 邊界 (三級(jí) SPD)： 承受經(jīng)過(guò)前兩級(jí) SPD 限制后的較小浪涌。In 較低 (典型值：5kA - 20kA 8/20μs 或更低)。

   • 具體數(shù)值需根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（雷擊密度、建筑物特性、線路類型和長(zhǎng)度、屏蔽情況等）按標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算或查表確定。

3. 持續(xù)工作電壓 (Uc)：

   • 定義： SPD 能長(zhǎng)期持續(xù)施加在其兩端而不影響其性能或?qū)е铝踊淖畲蠼涣饔行е惦妷夯蛑绷麟妷骸?

   • 選擇原則：

     • Uc 必須大于被保護(hù)線路的 最大持續(xù)運(yùn)行電壓。對(duì)于交流系統(tǒng)：Uc > 1.15 * Uo (Uo 是相電壓)。例如，230V AC 系統(tǒng)，Uc ≥ 275V 或更高（考慮電網(wǎng)波動(dòng)，常選 320V, 350V, 385V, 440V 等）。

     • 裕量選擇： 在電網(wǎng)質(zhì)量較差或波動(dòng)較大的地區(qū)，應(yīng)選擇更高一檔的 Uc 以提高 SPD 壽命和可靠性。

4. 保護(hù)模式：

   • 定義： SPD 連接在線路導(dǎo)體之間（如 L-L, L-N, L-PE, N-PE）的方式。

   • 選擇原則： 必須匹配被保護(hù)系統(tǒng)的配電制式和接地方式：

     • TT 系統(tǒng)： 通常需要 3+1 模式（L1, L2, L3 對(duì) N 保護(hù) + N 對(duì) PE 保護(hù)）或 4 模式（L1, L2, L3, N 各自對(duì) PE 保護(hù)）。

     • TN-S 系統(tǒng)： 通常采用 4 模式（L1, L2, L3, N 各自對(duì) PE 保護(hù)）。

     • TN-C 系統(tǒng)： 通常采用 3 模式（L1, L2, L3 各自對(duì) PEN 保護(hù)）（注意：TN-C 系統(tǒng)安裝 SPD 需謹(jǐn)慎，通常建議改造為 TN-C-S）。

     • IT 系統(tǒng)： 通常需要 L1-L2, L2-L3, L3-L1 間的差模保護(hù)。

5. 響應(yīng)時(shí)間 (Ta)：

   • 定義： SPD 從感受到過(guò)電壓到開(kāi)始有效動(dòng)作泄放電流的時(shí)間。通常氣體放電管 > 開(kāi)關(guān)型 SPD > 限壓型 SPD (MOV)。

   • 選擇原則： 對(duì)于精細(xì)保護(hù)（三級(jí) SPD），應(yīng)選擇響應(yīng)時(shí)間短（納秒級(jí)）的限壓型 SPD（MOV）。一級(jí) SPD 的響應(yīng)時(shí)間要求相對(duì)寬松。

6. 后備保護(hù)裝置 (SCB)：

   • 定義： 串聯(lián)在 SPD 前端的斷路器或熔斷器，用于在 SPD 短路失效時(shí)切斷故障電流，防止火災(zāi)。

   • 選擇原則：

     • 其分?jǐn)嗄芰Ρ仨毚笥诎惭b點(diǎn)的預(yù)期短路電流。

     • 其額定電流應(yīng)大于 SPD 的標(biāo)稱工作電流，但需能可靠分?jǐn)?SPD 失效時(shí)的短路電流。具體選型需根據(jù) SPD 制造商推薦值進(jìn)行。

7. 類型 (基于限壓特性)：

   • 電壓開(kāi)關(guān)型 (Type 1 / Class I)： 如火花間隙。高沖擊電流（10/350μs）能力強(qiáng)，殘壓高，響應(yīng)時(shí)間相對(duì)慢。主要用于一級(jí)防護(hù)（LPZ 0B -> LPZ 1）。

   • 限壓型 (Type 2 / Class II)： 如壓敏電阻（MOV）。8/20μs 通流能力強(qiáng)，殘壓較低，響應(yīng)時(shí)間快。是應(yīng)用最廣泛的類型，用于二級(jí)防護(hù)（LPZ 1 -> LPZ 2）和三級(jí)防護(hù)（LPZ 2 -> LPZ 3）。

   • 組合型 (Type 1+2 / Class I+II)： 內(nèi)部集成開(kāi)關(guān)型和限壓型元件，兼具高沖擊電流能力和較低殘壓。常用于一級(jí)防護(hù)位置（主配電柜），提供一級(jí)和二級(jí)的綜合保護(hù)。

   • 精細(xì)保護(hù)型 (Type 3 / Class III)： 通常指安裝在非常靠近被保護(hù)設(shè)備處的 SPD，具有極低的 Up 和很小的 In。可以是專用插座式 SPD 或設(shè)備內(nèi)置的小型 SPD。

SPD 選擇總結(jié)步驟

1. 確定 SPD 安裝位置對(duì)應(yīng)的 LPZ 邊界。 (例如：主配電柜入口是 LPZ 0B -> LPZ 1)

2. 確定需要保護(hù)的系統(tǒng)特性：

   • 電壓制式 (AC/DC, 電壓等級(jí) Uo)。

   • 配電系統(tǒng)類型 (TT, TN-S, TN-C, IT)。

   • 頻率。

   • 線路類型 (電源、信號(hào)線？ 信號(hào)線需選擇專用信號(hào) SPD)。

3. 確定被保護(hù)設(shè)備的耐受電壓 (Uw)。

4. 選擇 SPD 類型： 根據(jù) LPZ 邊界確定是 Type 1, Type 2, Type 1+2 還是 Type 3。

5. 選擇關(guān)鍵參數(shù)：

   • Uc: > 1.15 * Uo (考慮波動(dòng)，選高一檔)。

   • In / Imax: 根據(jù) LPZ 位置、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)查表/計(jì)算確定。

   • Up: 必須 < Uw (目標(biāo) Up ≤ 0.8 * Uw)。對(duì)于多級(jí)防護(hù)，考慮累計(jì) Up。

   • 保護(hù)模式: 匹配配電系統(tǒng)。

6. 選擇后備保護(hù)裝置 (SCB)： 根據(jù) SPD 制造商推薦和安裝點(diǎn)短路電流選擇。

7. 考慮其他因素： 狀態(tài)指示、遙信功能、安裝方式、認(rèn)證標(biāo)志 (如 TüV, UL, KEMA, 中國(guó) CQC)。

三、 重要規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)

• 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)： IEC 62305 (Part 1-4) - 雷電防護(hù)

• 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)： GB/T 21714 (等同采用 IEC 62305)

  • GB/T 21714.1: 總則

  • GB/T 21714.2: 風(fēng)險(xiǎn)管理

  • GB/T 21714.3: 建筑物的物理?yè)p壞和生命危險(xiǎn) (主要涵蓋外部防雷和內(nèi)部防雷的物理措施)

  • GB/T 21714.4: 建筑物內(nèi)電氣和電子系統(tǒng) (核心：LPZ 劃分和 SPD 應(yīng)用)

• SPD 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)：

  • IEC 61643-11 / GB/T 18802.11: 低壓電涌保護(hù)器 (電源 SPD)

  • IEC 61643-21 / GB/T 18802.21: 電信和信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的電涌保護(hù)器 (信號(hào) SPD)

總結(jié)

防雷是一個(gè)系統(tǒng)工程（LPS）。有效的防雷保護(hù)必須：

1. 正確劃分 LPZ 區(qū)域。

2. 在 LPZ 邊界安裝合適的 SPD。

3. 確保良好的等電位連接和接地。

4. 確保 SPD 參數(shù)（尤其是 Up）與被保護(hù)設(shè)備的耐受電壓匹配。

5. 遵循“逐級(jí)協(xié)調(diào)、能量配合”的原則。

強(qiáng)烈建議： 對(duì)于重要的建筑物或包含大量敏感電子設(shè)備的系統(tǒng)，應(yīng)由具備資質(zhì)的專業(yè)防雷設(shè)計(jì)人員根據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（如 GB/T 21714）進(jìn)行詳細(xì)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、LPZ 劃分和 SPD 選型設(shè)計(jì)，并確保施工符合規(guī)范要求。切勿僅憑經(jīng)驗(yàn)或簡(jiǎn)單模仿選擇 SPD。