防雷区域划分及防雷器选择规范！

2025-06-25 · 阅读175

防雷区域划分（Lightning Protection Zones, LPZ）和防雷器（浪涌保护器，SPD）的选择是建筑物和电子设备防雷保护的核心规范内容，主要依据国际标准 IEC 62305 系列和对应的国家标准（如中国的 GB/T 21714）。以下是关键规范和原则：

一、 防雷区域划分 (LPZ)

防雷区域划分的目的是根据雷电电磁脉冲（LEMP）的威胁程度，将建筑物或空间划分为不同的区域，为不同区域内的设备提供相应等级的防护。划分主要考虑：

1. 直接雷击风险： 该区域是否会遭受直接雷击。

2. 雷电电磁场强度： 该区域的磁场强度（H）和电场强度（E）。

3. 浪涌电流/电压幅值： 侵入该区域的浪涌电流或电压的大小。

主要防雷区域 (LPZ) 定义

1. LPZ 0A：

   • 威胁： 可能遭受直接雷击的区域。存在全部雷电流（10/350μs波形）和未衰减的雷电电磁场。

   • 区域： 建筑物外部、未受避雷针/带直接保护的屋顶、空旷地带。

   • 防护重点： 直击雷防护（外部防雷装置 - LPS）。

2. LPZ 0B：

   • 威胁： 不会遭受直接雷击，但处于未衰减的雷电电磁场中。浪涌电流主要来自感应效应（8/20μs波形）。

   • 区域： 受外部 LPS 保护的区域（如避雷针保护范围内，但不包括内部）、建筑物外墙附近。

   • 防护重点： 防止感应雷电流侵入线路（如电源线、信号线入口处）。

3. LPZ 1：

   • 威胁： 浪涌电流/电压受到首次限制/衰减（例如通过安装在 LPZ 0B 到 LPZ 1 边界的一级 SPD）。雷电电磁场也受到部分衰减（如建筑屏蔽、房间屏蔽）。

   • 区域： 建筑物内部，如主配电柜/总配电箱所在区域、靠近外墙的区域。

   • 防护重点： 进一步限制从外部线路侵入的浪涌和内部空间感应产生的浪涌。

4. LPZ 2：

   • 威胁： 浪涌电流/电压受到进一步限制/衰减（例如通过安装在 LPZ 1 到 LPZ 2 边界的二级 SPD）。雷电电磁场受到更大衰减（如机房屏蔽、机柜屏蔽）。

   • 区域： 建筑物内部更深区域，如分配电柜/楼层配电箱所在区域、设备机房。

   • 防护重点： 保护对浪涌更敏感的设备。

5. LPZ 3 (及更高)：

   • 威胁： 浪涌电流/电压受到更严格限制/衰减（例如通过安装在 LPZ 2 到 LPZ 3 边界的三级 SPD或设备前端 SPD）。雷电电磁场非常微弱或被高度屏蔽。

   • 区域： 设备机柜内部、设备前端、高度屏蔽的机房核心区域（如数据中心服务器机柜前端）。

   • 防护重点： 为最敏感、最关键的电子设备（服务器、交换机、精密仪器、PLC、医疗设备等）提供最终精细保护。

区域划分原则

• 边界清晰： 区域之间应有明确的物理或电气边界。

• 屏蔽连续性： 区域的屏蔽效能（如建筑钢筋、金属框架、屏蔽机房、屏蔽线缆/桥架）是决定电磁场衰减的关键。

• 等电位连接： 每个区域边界处都需要进行良好的等电位连接，这是 SPD 有效泄放雷电流的基础。

• SPD 安装位置： SPD 必须安装在区域边界上，例如：

  • 一级 SPD：安装在 LPZ 0B 与 LPZ 1 的边界（主配电柜进线端）。

  • 二级 SPD：安装在 LPZ 1 与 LPZ 2 的边界（分配电柜进线端）。

  • 三级 SPD：安装在 LPZ 2 与 LPZ 3 的边界（设备前端插座或机柜配电单元）。

二、 防雷器 (SPD) 选择规范

SPD 的选择必须基于所处的防雷区域（LPZ）、被保护系统的特性（电压、频率、接地方式）以及需要达到的保护水平。

关键选择参数

1. 电压保护水平 (Up)：

   • 定义： SPD 在泄放标称放电电流 In 时，其两端的残压峰值。这是 SPD 限制过电压能力的核心指标。

   • 选择原则：

     • Up 必须小于被保护设备的耐受电压 (Uw)。 这是最重要的原则！

     • 考虑 SPD 的 Up 累计：当多级 SPD 串联使用时（如一级+二级+三级），最终到达设备的残压是所有上游 SPD 残压的叠加（虽然小于简单相加，但必须考虑）。最终总 Up 必须 < Uw。

     • 目标是将设备端的实际过电压限制在 Uw 以下。通常要求 SPD 的 Up 比 Uw 低 20% 以上（即 Up ≤ 0.8 * Uw）以提供足够裕量。

     • 设备耐受电压 Uw 需查阅设备手册（如 IT 设备常用 1.5kV，工业 PLC 可能 1kV 或更低）。

2. 标称放电电流 (In) 和最大放电电流 (Imax)：

   • 定义：

     • In： SPD 能多次承受（通常 15 次）而不损坏的 8/20μs 波形电流峰值。代表 SPD 的常规通流能力。

     • Imax： SPD 能承受一次而不损坏的最大 8/20μs 波形电流峰值。代表 SPD 的极限通流能力。

   • 选择原则 (基于 LPZ)：

     • LPZ 0B 到 LPZ 1 边界 (一级 SPD)： 需承受较大的感应雷电流或部分直击雷分流电流。要求 In 高 (典型值：电源系统 50kA - 100kA 8/20μs 或 12.5kA - 25kA 10/350μs)。Imax 应大于 In。

     • LPZ 1 到 LPZ 2 边界 (二级 SPD)： 承受经过一级 SPD 限制后的剩余浪涌。In 中等 (典型值：20kA - 40kA 8/20μs)。

     • LPZ 2 到 LPZ 3 边界 (三级 SPD)： 承受经过前两级 SPD 限制后的较小浪涌。In 较低 (典型值：5kA - 20kA 8/20μs 或更低)。

   • 具体数值需根据风险评估（雷击密度、建筑物特性、线路类型和长度、屏蔽情况等）按标准计算或查表确定。

3. 持续工作电压 (Uc)：

   • 定义： SPD 能长期持续施加在其两端而不影响其性能或导致劣化的最大交流有效值电压或直流电压。

   • 选择原则：

     • Uc 必须大于被保护线路的 最大持续运行电压。对于交流系统：Uc > 1.15 * Uo (Uo 是相电压)。例如，230V AC 系统，Uc ≥ 275V 或更高（考虑电网波动，常选 320V, 350V, 385V, 440V 等）。

     • 裕量选择： 在电网质量较差或波动较大的地区，应选择更高一档的 Uc 以提高 SPD 寿命和可靠性。

4. 保护模式：

   • 定义： SPD 连接在线路导体之间（如 L-L, L-N, L-PE, N-PE）的方式。

   • 选择原则： 必须匹配被保护系统的配电制式和接地方式：

     • TT 系统： 通常需要 3+1 模式（L1, L2, L3 对 N 保护 + N 对 PE 保护）或 4 模式（L1, L2, L3, N 各自对 PE 保护）。

     • TN-S 系统： 通常采用 4 模式（L1, L2, L3, N 各自对 PE 保护）。

     • TN-C 系统： 通常采用 3 模式（L1, L2, L3 各自对 PEN 保护）（注意：TN-C 系统安装 SPD 需谨慎，通常建议改造为 TN-C-S）。

     • IT 系统： 通常需要 L1-L2, L2-L3, L3-L1 间的差模保护。

5. 响应时间 (Ta)：

   • 定义： SPD 从感受到过电压到开始有效动作泄放电流的时间。通常气体放电管 > 开关型 SPD > 限压型 SPD (MOV)。

   • 选择原则： 对于精细保护（三级 SPD），应选择响应时间短（纳秒级）的限压型 SPD（MOV）。一级 SPD 的响应时间要求相对宽松。

6. 后备保护装置 (SCB)：

   • 定义： 串联在 SPD 前端的断路器或熔断器，用于在 SPD 短路失效时切断故障电流，防止火灾。

   • 选择原则：

     • 其分断能力必须大于安装点的预期短路电流。

     • 其额定电流应大于 SPD 的标称工作电流，但需能可靠分断 SPD 失效时的短路电流。具体选型需根据 SPD 制造商推荐值进行。

7. 类型 (基于限压特性)：

   • 电压开关型 (Type 1 / Class I)： 如火花间隙。高冲击电流（10/350μs）能力强，残压高，响应时间相对慢。主要用于一级防护（LPZ 0B -> LPZ 1）。

   • 限压型 (Type 2 / Class II)： 如压敏电阻（MOV）。8/20μs 通流能力强，残压较低，响应时间快。是应用最广泛的类型，用于二级防护（LPZ 1 -> LPZ 2）和三级防护（LPZ 2 -> LPZ 3）。

   • 组合型 (Type 1+2 / Class I+II)： 内部集成开关型和限压型元件，兼具高冲击电流能力和较低残压。常用于一级防护位置（主配电柜），提供一级和二级的综合保护。

   • 精细保护型 (Type 3 / Class III)： 通常指安装在非常靠近被保护设备处的 SPD，具有极低的 Up 和很小的 In。可以是专用插座式 SPD 或设备内置的小型 SPD。

SPD 选择总结步骤

1. 确定 SPD 安装位置对应的 LPZ 边界。 (例如：主配电柜入口是 LPZ 0B -> LPZ 1)

2. 确定需要保护的系统特性：

   • 电压制式 (AC/DC, 电压等级 Uo)。

   • 配电系统类型 (TT, TN-S, TN-C, IT)。

   • 频率。

   • 线路类型 (电源、信号线？ 信号线需选择专用信号 SPD)。

3. 确定被保护设备的耐受电压 (Uw)。

4. 选择 SPD 类型： 根据 LPZ 边界确定是 Type 1, Type 2, Type 1+2 还是 Type 3。

5. 选择关键参数：

   • Uc: > 1.15 * Uo (考虑波动，选高一档)。

   • In / Imax: 根据 LPZ 位置、风险评估结果和标准查表/计算确定。

   • Up: 必须 < Uw (目标 Up ≤ 0.8 * Uw)。对于多级防护，考虑累计 Up。

   • 保护模式: 匹配配电系统。

6. 选择后备保护装置 (SCB)： 根据 SPD 制造商推荐和安装点短路电流选择。

7. 考虑其他因素： 状态指示、遥信功能、安装方式、认证标志 (如 TÜV, UL, KEMA, 中国 CQC)。

三、 重要规范与标准

• 国际标准： IEC 62305 (Part 1-4) - 雷电防护

• 中国国家标准： GB/T 21714 (等同采用 IEC 62305)

  • GB/T 21714.1: 总则

  • GB/T 21714.2: 风险管理

  • GB/T 21714.3: 建筑物的物理损坏和生命危险 (主要涵盖外部防雷和内部防雷的物理措施)

  • GB/T 21714.4: 建筑物内电气和电子系统 (核心：LPZ 划分和 SPD 应用)

• SPD 产品标准：

  • IEC 61643-11 / GB/T 18802.11: 低压电涌保护器 (电源 SPD)

  • IEC 61643-21 / GB/T 18802.21: 电信和信号网络的电涌保护器 (信号 SPD)

总结

防雷是一个系统工程（LPS）。有效的防雷保护必须：

1. 正确划分 LPZ 区域。

2. 在 LPZ 边界安装合适的 SPD。

3. 确保良好的等电位连接和接地。

4. 确保 SPD 参数（尤其是 Up）与被保护设备的耐受电压匹配。

5. 遵循“逐级协调、能量配合”的原则。

强烈建议： 对于重要的建筑物或包含大量敏感电子设备的系统，应由具备资质的专业防雷设计人员根据相关国家标准（如 GB/T 21714）进行详细的风险评估、LPZ 划分和 SPD 选型设计，并确保施工符合规范要求。切勿仅凭经验或简单模仿选择 SPD。