雷击风险评估及安装SPD的重要性

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  摘 要 本文介绍了雷击损失风险评估是一项细致和认真的工作,分析了安装SPD后的重要性,以减少雷电对建筑物的破坏。
  关键词 雷电防护;SPD防雷;雷击风险评估
  中图分类号 TM 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2011)102-0216-03
  
  雷電可以破坏建筑物容不得丝毫马虎,需要我们防雷人员对各个方面充分考虑,谨慎作业,才能较好完成评估。同时雷击损失风险评估是一种发展中的技术,涉及面广,其方法和风险容限还有待于实践的验证,需要我们防雷人员在实践中得以开发拓展开来。这样就能使防雷工程立于坚实的科学基础之上,做到安全可靠、技术先进和经济合理,克服盲目性和无谓的浪费节省开支。
  1 雷击风险评估的意义与计算方法
  1.1 雷击风险评估的意义
  雷电防护工程设计的依据之一是雷电防护分级,其关键问题是防护工程按照什么等级进行设计,而雷电防护分级的依据,就是对工程所处的雷电环境进行风险评估,按照风险评估的结果确定电子信息系统是否需要防护,需要什么等级的防护。因此,雷电环境的风险评估是雷电防护工程设计不可缺少的环节。
  1.2 雷击风险评估的方法
  雷电环境风险评估是一项复杂的工作,要考虑当地的气象环境、地质地理环境,还要考虑建筑物的重要性、结构特点和电子信息系统设备的重要性及其抗干扰能力。将这些因素综合考虑后,确定一个最佳的防护等级,才能达到安全可靠、经济合理的目的。
  信息系统所处建筑物年预计平均雷击次数计算:
  N1=K·Ng·Ae
  式中:N1为建筑物年预计直击雷次数(次a-1);K为校正系数,一般情况下取K=1,在表1所列情况下取相应数值;Ng为建筑物所处地区每1 km2内年平均雷击大地密度(次km-2·a-1),Ng=0.024 Td1.3,Td为年均雷暴日,由当地气象部门资料确定(个a-1);Ae为建筑物截收相同雷击次数的等效落雷面积(km2),
  Ae=[LW+2(L+W)·+πH(200-H)]·10-6 (1)
  Ae=[LW+2H(L+W)+πH2]·10-6 (2)
  L、W、H分别为建筑物的长、宽、高(m)。当H<100 m,Ae按公式(1)计算;当H≥100 m,Ae按公式(2)计算,其每边的扩大宽度应按建筑物的高H计算。当建筑物各部位的高不同时,应沿建筑物周边逐点算出最大扩大宽度,其等效面积Ae应按每点最大扩大宽度外端的连接线所包围的面积计算。
  入户设施年预计平均直击雷次数计算:
  N2=0.024·Td1.3×(Ae’1+Ae’2)式中,Ae’1为电源线入户设施截收面积,Ae’2为信号线入户设施截收面积。
  注:L是线路从所考虑建筑物至网络的第一个分支点或相临建筑物的长度,单位是m,最大值是1 000 m,当L未知时,应采用L=1 000 m;ds表示埋地引入线缆计算截收面积时的等效宽度,单位为m,其数值等于土壤电阻率,最大值取5 000。
  C1为信息系统所在建筑物材料结构因子,当建筑物屋顶和主体结构均为金属材料时,C1=0.5;当建筑物屋顶和主体结构均为钢筋混凝土材料时,C1=1.0;当建筑物为砖混结构时,C1=1.5;当建筑物为砖木结构时,C1=2.0;当建筑物为木结构或其他易燃材料时,C1=2.5。
  C2为信息系统重要程度因子,一般计算机、通讯设备,C2=0.5;根据《计算机场地安全要求》,C类机房C2=1.0,B类机房C2=2.0,A类机房C2=3.0。
  C3为信息系统设备耐冲击类型和抗冲击能力因子,与设备的耐各种冲击的能力有关,与采用的等电位连接及接地措施有关,与供电线缆、信号线的屏蔽接地状况有关,可原则分为:一般C3=0.5,较弱C3=1.0,相当弱C3=3.0。一般指设备为《低压系统内设备的绝缘配合》
  (GB/T16935. 1-1997)中所指的I类安装位置的设备,且采取了较完善的等电位连接、接地、线缆屏蔽措施;较弱指设备为《低压系统内设备的绝缘配合》(GB/T16935.1-1997)中所指的I类安装位置的设备,但使用架空线缆,因而风险较大;相当弱指设备集成化程度很高,通过低电压、微电流进行逻辑运算的计算机或通讯设备。
  C4为信息系统设备所在雷电防护区(LPZ)的因子:设备在LPZ2或更高层雷电防护区时,C4=0.5;设备在LPZ1区内时,C4=1.0;设备在LPZ0B区内时,C4=1.5;设备在LPZ0A区内时,C4=2.0。有关雷电防护区的定义见图1。
  LPZ0A:直击雷非防护区,本区内的各类物体都可能遭到直接雷击,本区内的电磁场没有衰减,属完全暴露的不设防区。
  LPZ0B:直击雷防护区,本区内的各类物体很少遭到直接雷击,但本区内的电磁场没有衰减,属充分暴露的直击雷防护区。
  LPZ1:第一屏蔽防护区,本区内的各类物体不可能遭到直接雷击,流经各类导体的电流比LPZ0B区进一步减少,由于建筑物的屏蔽措施,本区内的电磁场得到了初步的衰减。
  LPZ2:第二屏蔽防护区,为进一步减小所导引的电流或电磁场而引入的后续防护区。
  LPZn:第三屏蔽防护区,为进一步减小雷电电磁脉冲,以保护敏感度水平高的设备的后续防护区。
  C5为信息系统发生雷击事故的后果因子:信息系统业务中断不会产生不良后果的,C5=0.5;信息系统业务原则上不允许中断,但在中断后无严重后果的,C5=1.0;信息系统业务不允许中断,中断后会产生严重后果的,C5=1.5~2.0。
  C6为表示区域雷暴等级因子。少雷区取0.8,多雷区取1,高雷区取1.2,强雷区取1.4。信息系统雷击电磁脉冲防护分级:
  E=1-Nc/N
  当E>0.98为A级,当0.90  2 SPD防雷效果分析
  雷击风险评估能够确定防雷分级,并根据防雷分级采取相应的防雷措施。当确定了防雷分级时,如何直观地表达各种防雷措施的防雷效果就显得很有必要。在实际应用中,对用户而言,防雷效果比防雷分级更有实用价值,因而各种防雷措施的防雷效果分析很有研究意义和应用价值。在各种防雷措施中,安装电涌保护器(SPD)是电气、电子设备防雷的有效措施,SPD防雷效果分析应该得到重视。GB 50343中也明确规定了不同防护等级需要安装SPD的级数(A级:采取3-4级电涌保护器进行保护;B级:采取2-3级电涌保护器进行保护;C级:采取2级电涌保护器进行保护;D级:采取1级或以上的电涌保护器进行保护)。下面分析安装不同级数SPD的防雷效果。
  2.1 SPD防雷效果分析的原则
  SPD防雷效果分析时,应该遵循一定的原则:①SPD必须满足防雷设计要求;②防雷效果分析应重点考虑SPD对设备耐压因子C3、信息系统重要程度因子C2和雷击后果因子C5等3个因子选择的影响,以允许雷击次数Nc为衡量标准。
  2.2 SPD防雷效果分析的方法
  电涌保护器必须承受预期通过它们的雷电流,并要求通过电涌时的最大钳压,有能力熄灭在雷电流通过后产生的工频续流。一般而言,SPD的选用应该特别关注3大指标:标称放电电流In,响应时间t和保护水平Up。在确定了合适的SPD防护方案后,再对SPD的防雷效果进行分析。
  尽管SPD的防雷效果并不一定与其安装的级数成正比关系,但由于SPD的设计与安装需要层层设防,考虑能量配合,讲究纵深配置,所以在满足要求的基础上,根据SPD对设备耐压因子C3、信息系统重要程度因子C2和雷击后果因子C5等3个因子选择的影响,结合GB 50343的雷击风险评估方法,得出与SPD级数和设备耐压能力有关的设备耐压因子C3的参考值(见表3),与SPD级数和信息系统重要程度有关的信息系统重要程度因子C2的关系参考值(见表4),与SPD级数和雷击后果有关的雷击后果因子C5的参考值(见表5)。
  
  安装SPD的主要作用是限制过电压和提高设备的可靠性,从而可以提高系统的允许雷击次数。为了直观的表示SPD的防雷效果,采用相对指标:Nc相对增强水平(PEN)。Nc相对增强水平是安装某SPD级数相对于少安装1级SPD对应的允许雷击次数的提高程度,可以表示防雷效果的差异。其计算公式为:
  PEN=(Nc1-Nc0) /Nc0·100%
  其中:Nc0和Nc1分别是安装或增加1级SPD前后的允许雷击次数Nc。Nc的数值按GB 50343可接受的最大年平均雷击次数的计算方法来确定。Nc=5.8·10-1.5/C,C=C1+C2+C3+C4+C5+C6,其中因子C3、C2和C5分别由表3、表4和表5来确定,其他因子按GB 50343的标准来确定。
  3 方法应用和案例分析
  以微波站机房为例,进行雷击风险评估及SPD防雷效果分析。
  3.1 基本情况
  某微波站机房长25 m、宽12 m、高7 m,机房所在地平均土壤电阻率800 Ω·m,平均雷暴日23.5个/a,属于多雷区。机房的建筑结构为钢筋混凝土结构。电源线路为低压地埋线,从临近的配电房引入一楼配电间,再从配电间沿电缆沟槽引入机房。信号线路主要采用光纤,另有20对电话线电缆进入机房(L>1 000 m)。机房处于微波塔的保护范围。
  3.2 评估结果
  机房的建筑物材料主要是普通砖。机房设备主要是微波接收设备和通信设备,设备总价值超过800万元,大部分设备属于集成度高的低压微电流设备,耐冲击能力相当弱。微波站机房是通信枢纽,主要为黄河水利委员会传输黄河防汛的有关资料,通过微波对地下发电厂进行远程操控。根据现场勘查得到的数据,使用年预计雷击次数N的计算公式N=K·Ng·Ae和防雷装置拦截效率E的计算公式E=1-Nc/N,通过计算,建筑物年预计雷击次数为0.021次/a,入户设施雷击次数为1.05次/a,建筑物及入户设施年预计雷击次数为1.071次/a,允许雷击次数为0.017次/a,表6给出了机房雷击风险评估的结果。
  从表6可以看出,机房的建筑物雷击次数N为0.0211次/a,属于重要的公共建筑物,依据GB 50057-94(2000年版)的第2.0.4条第二款,划为第三类防雷建筑物。机房信息系统的防雷装置拦截效率E为0.984,依据GB 50343-2004的4.2.4条,防雷分级为A级。机房防雷的重点是电源和设备,以及服务中断所产生的经济损失和社会影响。
  3.3 防雷措施及其效果分析
  按照GB 50057和GB 50343的规定进行防雷设计,对机房进行直击雷防护和雷击电磁脉冲防护。安装建筑物直击雷防护装置,将电源线路屏蔽接地并安装电源SPD,同时做好等电位连接、接地和机房屏蔽。
  鉴于安装SPD在防雷系统中的重要地位,使用SPD级数来对防雷效果进行分析。以电源SPD为例,结合微波站机房的实际情况,在安装直击雷防护装置和埋地电源线路后,表7给出了安装不同级数SPD时所对应的建筑物材料因子C1、信息系统重要程度因子C2、设备耐冲击因子C3、雷电防护区LPZ因子C4、雷击后果因子C5、区域雷暴等级因子C6和总因子C。
  使用公式Nc=5.8·10-1.5/C进行防雷效果分析,已安装直击雷防护装置和埋地电源线路的分析结果见表8。其中,Nc相对增强水平是安装某SPD级数与少安装1级SPD对应的允许雷击次数的提高程度,可以表示防雷效果的差异。
  若以允许雷击次数表示防雷效果,表7的数据表明:安装1级SPD比不安装SPD的防雷效果可以提高29 %左右,安装2级SPD比安装1级SPD的防雷效果可以提高27 %左右,安装3级SPD比安装2级SPD的防雷效果可以提高32 %左右。表8的数据还表明:安装SPD的主要作用是提高设备的允许雷击次数,就是等效于提高系统的平均无雷害运行时间。而安装直击雷防护装置和电源线路屏蔽接地等防雷措施的,可以减少可能发生的雷击次数,明显的降低雷击风险。
  
  4 结论
  1)雷击风险评估是所有防雷工作(防雷检测、防雷工程等)的
  前提。
  2)对安装SPD进行防雷效果分析,具有很重要的实际意义。
  3)Nc相对增强水平(PEN)作为SPD防雷效果分析的指标是切实可行的。
  4)在保證防雷设计要求的基础上,安装不同级数的SPD,其防雷效果存在明显的差异。
  
  
  参考文献
  [1]国家技术监督局.GB 50057-94建筑物防雷设计规范[S].北京:中国计划出版社,2001.
  [2]中国建筑标准设计研究院.GB 50343-2004建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2004.
  [3]中国科学院计算机技术研究所.GB/T 9361-1988计算机场地安全要求[S].北京:北京邮电大学出版社,1988.
  [4]机械部上海电器科学研究所.GB/T 16935.1-1997低压系统内设备的绝缘配合[S].北京:中国标准出版社,1997.
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