防雷區域劃分及防雷器選擇規范！

2025-06-25 · 閱讀175

防雷區域劃分（Lightning Protection Zones, LPZ）和防雷器（浪涌保護器，SPD）的選擇是建筑物和電子設備防雷保護的核心規范內容，主要依據國際標準 IEC 62305 系列和對應的國家標準（如中國的 GB/T 21714）。以下是關鍵規范和原則：

一、 防雷區域劃分 (LPZ)

防雷區域劃分的目的是根據雷電電磁脈沖（LEMP）的威脅程度，將建筑物或空間劃分為不同的區域，為不同區域內的設備提供相應等級的防護。劃分主要考慮：

1. 直接雷擊風險： 該區域是否會遭受直接雷擊。

2. 雷電電磁場強度： 該區域的磁場強度（H）和電場強度（E）。

3. 浪涌電流/電壓幅值： 侵入該區域的浪涌電流或電壓的大小。

主要防雷區域 (LPZ) 定義

1. LPZ 0A：

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

   • 區域： 建筑物外部、未受避雷針/帶直接保護的屋頂、空曠地帶。

   • 防護重點： 直擊雷防護（外部防雷裝置 - LPS）。

2. LPZ 0B：

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

   • 區域： 受外部 LPS 保護的區域（如避雷針保護范圍內，但不包括內部）、建筑物外墻附近。

   • 防護重點： 防止感應雷電流侵入線路（如電源線、信號線入口處）。

3. LPZ 1：

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

   • 區域： 建筑物內部，如主配電柜/總配電箱所在區域、靠近外墻的區域。

   • 防護重點： 進一步限制從外部線路侵入的浪涌和內部空間感應產生的浪涌。

4. LPZ 2：

   • 威脅： 浪涌電流/電壓受到進一步限制/衰減（例如通過安裝在 LPZ 1 到 LPZ 2 邊界的二級 SPD）。雷電電磁場受到更大衰減（如機房屏蔽、機柜屏蔽）。

   • 區域： 建筑物內部更深區域，如分配電柜/樓層配電箱所在區域、設備機房。

   • 防護重點： 保護對浪涌更敏感的設備。

5. LPZ 3 (及更高)：

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

   • 區域： 設備機柜內部、設備前端、高度屏蔽的機房核心區域（如數據中心服務器機柜前端）。

   • 防護重點： 為最敏感、最關鍵的電子設備（服務器、交換機、精密儀器、PLC、醫療設備等）提供最終精細保護。

區域劃分原則

• 邊界清晰： 區域之間應有明確的物理或電氣邊界。

• 屏蔽連續性： 區域的屏蔽效能（如建筑鋼筋、金屬框架、屏蔽機房、屏蔽線纜/橋架）是決定電磁場衰減的關鍵。

• 等電位連接： 每個區域邊界處都需要進行良好的等電位連接，這是 SPD 有效泄放雷電流的基礎。

• SPD 安裝位置： SPD 必須安裝在區域邊界上，例如：

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

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

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

二、 防雷器 (SPD) 選擇規范

SPD 的選擇必須基于所處的防雷區域（LPZ）、被保護系統的特性（電壓、頻率、接地方式）以及需要達到的保護水平。

關鍵選擇參數

1. 電壓保護水平 (Up)：

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

   • 選擇原則：

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

     • 考慮 SPD 的 Up 累計：當多級 SPD 串聯使用時（如一級+二級+三級），最終到達設備的殘壓是所有上游 SPD 殘壓的疊加（雖然小于簡單相加，但必須考慮）。最終總 Up 必須 < Uw。

     • 目標是將設備端的實際過電壓限制在 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。

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

2. 標稱放電電流 (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 SPD)： 需承受較大的感應雷電流或部分直擊雷分流電流。要求 In 高 (典型值：電源系統 50kA - 100kA 8/20μs 或 12.5kA - 25kA 10/350μs)。Imax 應大于 In。

     • LPZ 1 到 LPZ 2 邊界 (二級 SPD)： 承受經過一級 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 SPD)： 承受經過前兩級 SPD 限制后的較小浪涌。In 較低 (典型值：5kA - 20kA 8/20μs 或更低)。

   • 具體數值需根據風險評估（雷擊密度、建筑物特性、線路類型和長度、屏蔽情況等）按標準計算或查表確定。

3. 持續工作電壓 (Uc)：

   • 定義： SPD 能長期持續施加在其兩端而不影響其性能或導致劣化的最大交流有效值電壓或直流電壓。

   • 選擇原則：

     • Uc 必須大于被保護線路的 最大持續運行電壓。對于交流系統：Uc > 1.15 * Uo (Uo 是相電壓)。例如，230V AC 系統，Uc ≥ 275V 或更高（考慮電網波動，常選 320V, 350V, 385V, 440V 等）。

     • 裕量選擇： 在電網質量較差或波動較大的地區，應選擇更高一檔的 Uc 以提高 SPD 壽命和可靠性。

4. 保護模式：

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

   • 選擇原則： 必須匹配被保護系統的配電制式和接地方式：

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

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

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

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

5. 響應時間 (Ta)：

   • 定義： SPD 從感受到過電壓到開始有效動作泄放電流的時間。通常氣體放電管 > 開關型 SPD > 限壓型 SPD (MOV)。

   • 選擇原則： 對于精細保護（三級 SPD），應選擇響應時間短（納秒級）的限壓型 SPD（MOV）。一級 SPD 的響應時間要求相對寬松。

6. 后備保護裝置 (SCB)：

   • 定義： 串聯在 SPD 前端的斷路器或熔斷器，用于在 SPD 短路失效時切斷故障電流，防止火災。

   • 選擇原則：

     • 其分斷能力必須大于安裝點的預期短路電流。

     • 其額定電流應大于 SPD 的標稱工作電流，但需能可靠分斷 SPD 失效時的短路電流。具體選型需根據 SPD 制造商推薦值進行。

7. 類型 (基于限壓特性)：

   • 電壓開關型 (Type 1 / Class I)： 如火花間隙。高沖擊電流（10/350μs）能力強，殘壓高，響應時間相對慢。主要用于一級防護（LPZ 0B -> LPZ 1）。

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

   • 組合型 (Type 1+2 / Class I+II)： 內部集成開關型和限壓型元件，兼具高沖擊電流能力和較低殘壓。常用于一級防護位置（主配電柜），提供一級和二級的綜合保護。

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

SPD 選擇總結步驟

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

2. 確定需要保護的系統特性：

   • 電壓制式 (AC/DC, 電壓等級 Uo)。

   • 配電系統類型 (TT, TN-S, TN-C, IT)。

   • 頻率。

   • 線路類型 (電源、信號線？ 信號線需選擇專用信號 SPD)。

3. 確定被保護設備的耐受電壓 (Uw)。

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

5. 選擇關鍵參數：

   • Uc: > 1.15 * Uo (考慮波動，選高一檔)。

   • In / Imax: 根據 LPZ 位置、風險評估結果和標準查表/計算確定。

   • Up: 必須 < Uw (目標 Up ≤ 0.8 * Uw)。對于多級防護，考慮累計 Up。

   • 保護模式: 匹配配電系統。

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

7. 考慮其他因素： 狀態指示、遙信功能、安裝方式、認證標志 (如 TüV, UL, KEMA, 中國 CQC)。

三、 重要規范與標準

• 國際標準： IEC 62305 (Part 1-4) - 雷電防護

• 中國國家標準： GB/T 21714 (等同采用 IEC 62305)

  • GB/T 21714.1: 總則

  • GB/T 21714.2: 風險管理

  • GB/T 21714.3: 建筑物的物理損壞和生命危險 (主要涵蓋外部防雷和內部防雷的物理措施)

  • GB/T 21714.4: 建筑物內電氣和電子系統 (核心：LPZ 劃分和 SPD 應用)

• SPD 產品標準：

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

  • IEC 61643-21 / GB/T 18802.21: 電信和信號網絡的電涌保護器 (信號 SPD)

總結

防雷是一個系統工程（LPS）。有效的防雷保護必須：

1. 正確劃分 LPZ 區域。

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（尤其是 Up）與被保護設備的耐受電壓匹配。

5. 遵循“逐級協調、能量配合”的原則。

強烈建議： 對于重要的建筑物或包含大量敏感電子設備的系統，應由具備資質的專業防雷設計人員根據相關國家標準（如 GB/T 21714）進行詳細的風險評估、LPZ 劃分和 SPD 選型設計，并確保施工符合規范要求。切勿僅憑經驗或簡單模仿選擇 SPD。