李國會, 張 晶

(中國建筑西南設計研究院有限公司, 四川 成都 610041)

0 引 言

SPD的安裝和接線直接影響著雷擊時對設備的保護效果。在某工程現場驗收巡查時發(fā)現,配電箱內SPD的出線端的接地線均接至PE排,但同時箱內PE排未有效接地。原因是圖紙未明確如何接線,現場根據標準圖集15D502中要求僅將配電箱外殼和就近LEB或MEB相連;另外,現多數情況下,SPD設置于進線開關之后;SPD接地線截面在設計圖紙中未做要求,現場接地線截面規(guī)格做法不統(tǒng)一。本文對以上幾種SPD的不同現象有幾點不同理解和思考,就以上現象造成的影響,基于民用建筑中最為常見的TN系統(tǒng)為例,對電源級SPD的幾種做法展開分析研究。

1 SPD接地線是否接地的影響

1.1 SPD接地線是否接地的規(guī)范要求

在實際項目中發(fā)現,配電箱內PE排有與附近的等電位端子箱MEB或LEB(局部等電位或輔助等電位本文不做討論)相連、和未連接兩種不同情況,某配電箱內SPD安裝示意圖如圖1所示。

圖1 某配電箱內SPD安裝示意圖

為了搞清楚SPD合理的接地方式,梳理了部分相關規(guī)范的要求。GB 50057—2010中附錄J中所示,SPD僅在總箱處直接與MEB連接,后續(xù)的分箱的SPD僅與PE排相連[1],GB 50057—2010中TN系統(tǒng)的配電線路電涌保護器安裝位置示意圖如圖2所示。GB 50343—2012中第5.4節(jié)中內容顯示,每一級的SPD接地線除了與PE線相連外,均與等電位接地端子板(MEB或LEB)相連[2],GB 50343—2012中TN-S系統(tǒng)的配電線路電涌保護器安裝位置示意圖如圖3所示,兩本規(guī)范的做法不盡相同。已經作廢的YDT 5098—2001《通信局(站)雷電過電壓保護工程設計規(guī)范》第5.0.3條要求SPD接地線應就近接地,替換規(guī)范YD 5098—2005《通信局(站)防雷與接地工程設計規(guī)范》描述為“在通信局(站)的建筑設計中,應在SPD的安裝位置預留接地端子”,從該規(guī)范字面上理解,接地端子并不是單純的等電位端子或保護接地線PE[3]。而GB 50057—2010中附錄J.1.2-3中SPD接地線接至PE線或等電位端子板兩者選其一即可[1]。

圖2 GB 50057—2010中TN系統(tǒng)的配電線路電涌保護器安裝位置示意圖

圖3 GB 50343—2012中TN-S系統(tǒng)的配電線路電涌保護器安裝位置示意圖

從以上規(guī)范要求可以看出,弱電系統(tǒng)相關規(guī)范強調要求各級SPD接地線(電源級,本文暫不討論信號級SPD)除了連接PE線外均應就近接地,非弱電設備沒有做強制要求。

1.2 SPD接地線就近接地的必要性

在實際工程中,配電箱內SPD接地線未就近接地的情況要更為常見,根據GB 50057—2010中所示,僅在第1級SPD場所將SPD接地線接到總等電位板,后續(xù)分配電箱SPD接地線不接地的話(僅連到PE排),會有什么影響,本文以TN系統(tǒng)為例進行分析。

(1) 雷電流傳導至分配電箱時,雷電流會向其余通路傳遞,一部分繼續(xù)往前,一部分往回接地處泄放。電源側(從電源總箱或變壓器低壓側)流過來的雷電流流過L1～L3和N線(4P形式)后,經過此4根導體上設置SPD流向PE排,則雷電流就只能沿著PE線往后傳遞至MEB處泄放。這時,PE線也會有雷電流通過,可能在其他處形成的電位差。

(2) 如果雷電流在別處泄放,就會泄放至PE線,圖3中的多級SPD泄放的雷電流均在同一條PE線,且PE線沿著供電線路敷設,會在泄放回路中產生感應電流。從1.1節(jié)分析可知,GB 50057—2010和GB 50343—2012中規(guī)定有所區(qū)別,弱電設備附近設置的SPD接地線就地接地,雷電流可以就地泄放,從而避免產生感應電流影響其他弱電設備。

(3) SPD無論設置于進線開關前或后,但均在饋線分開關之前,SPD接地線就近接地,相比于雷電流在PE線傳導至別處泄放的通道,雷電流就地泄放可以減小泄放回路的阻抗,進而減小下級設備的雷電流,有利于達到更好的多級SPD能量配合。

而若就地泄放,則會改善以上問題,具體如下:

(1) PE線是通過雷電流的基礎通路,但不一定是距離最短的通路。由于PE線是隨著供電系統(tǒng)敷設,設備至接地網或MEB距離較遠。而通過接地裝置泄流,可由柱內或其余建筑垂直金屬構件直接連接至接地網,距離更短,于泄放也更為有利。

(2) 增加一條電源系統(tǒng)(PE)外的雷電流泄放通路,減小了PE線內雷電流的能量及在別處形成的電位差,減小了雷電發(fā)生時造成的危險概率。在分析部分項目遭受雷擊的原因時發(fā)現SPD接地路由不通是原因之一,將PE排就近接地,增加了一條接地通路,極大地增加了SPD接地線有效接地的可靠性。

(3) 大樓的金屬構件較多,分流路由多,分流后每條路由內流經的雷電流較小,可有效減小電磁干擾影響。

(4) 對于弱電系統(tǒng),無論是規(guī)范要求,還是雷電流泄放分析,各級 SPD接地線應就近有效接地;而對于非弱電系統(tǒng)的供配電系統(tǒng),規(guī)范沒有強制要求SPD接地線是否就近接地(MEB總箱處除外),但考慮到現在配電箱內的智能控制系統(tǒng)模塊、電表等設備也越來越多,同時考慮到安全問題,或有精密設備的場所,建議其各級SPD接地線也應就近有效接地,設計時可根據實際情況設置。

1.3 SPD接地線接地的形式

SPD接地線的接地方式有兩種:一種是SPD接地線直接與等電位接地端子板連接接地(圖2、圖3中的等電位端子板均按已有效接地考慮);一種是SPD接地線和PE排連接,PE排再與等電位接地端子板連接接地,部分配電箱PE排是否有效接地就關系到SPD接地線是否有效接地。

SPD接地線接至配電箱PE排是配電箱接線最常見的情況,本文以此情況為基礎進行分析探討。若要實現SPD接地線的有效接地,則需要配電箱內PE排與MEB或LEB之間、LEB與接地極(網)可靠連接。

(1) 配電箱內PE排與MEB或LEB之間連接情況。

JGJ 242—2011《住宅建筑電氣設計規(guī)范》中第10.2.2條規(guī)定,衛(wèi)生間內LEB應包括衛(wèi)生間內電源插座的PE線,其目的是考慮PE線引入房間外的故障電壓,與插座相連的移動設備可能會造成人身觸電事故[4]。GB 51348—2019中第12.7.7條規(guī)定:輔助等電位聯結導體應與區(qū)域內的保護接地導體(PE)相連接[5]。GB 50057—2010第6.3.4條第5款要求:向電子系統(tǒng)供電的配電箱的保護地線(PE)應就近與建筑物的等電位連接網絡做等電位連接。因此,從相關規(guī)范要求和SPD接地線應接地的做法理解,弱電系統(tǒng)配電箱內PE排與就近的等電位端子LEB或MEB相連。

配電箱內PE排和LEB相連后,無需再另外從LEB到配電箱體外殼做等電位連接線。若無法保證PE排和箱體有效連接,則應另外增設等電位連接線。

(2) 等電位連接端子的接地情況。

機房內有效的接線端子是等電位連接端子MEB或LEB。根據GB 50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》規(guī)定,總等電位MEB是將多個接地端子連接在一起并直接與接地裝置連接的金屬板,GB 50054—2011《低壓配電設計規(guī)范》規(guī)定,局部等電位連接LEB是在某一局部范圍內將各導電部分連通[6]。

從上述可知,MEB均可做到有效接地。但局部等電位的主要目的是防止電擊防護的措施,如衛(wèi)生間LEB僅要求某局部區(qū)域的金屬構件和板內的鋼筋連接到LEB,并未強制要求LEB本身做到與大樓接地網連接接地。另外,根據標準圖集15D502第4頁:局部等電位聯結可視為局部范圍內的“總等電位聯結”,但它與總等電位聯結的關系并非總配電箱與分配電箱之間上下級的關系[7]。因此,從等電位的要求來講,規(guī)范并沒有強制要求LEB和MEB相連,實際上,如果設計未做要求,建筑物剪力墻、板內或柱子內鋼筋并不能保證綁扎、焊接等有效連接。因此,LEB即使和柱內鋼筋相連,也并不能保證LEB和接地網或MEB相連。

若機房內LEB無法保證和大樓接地網連接,即使配電箱PE排和LEB連接了,也不能做到有效接地。因此,有SPD的配電箱的機房內的LEB應做到有效接地(與大樓接地網或MEB連接)。部分電子信息系統(tǒng)要求機房LEB通過專用導線與大樓接地網相連,比如消防控制室、民用閉路監(jiān)視室等,其余有電子信息設備(如較多精密儀器的實驗室、醫(yī)院等)的情況,設計時可根據實際情況綜合考慮。

1.4 PE排與等電位端子板連接線截面

基于電擊防護要求的局部等電位連接線截面一般是4 mm2的銅線,而SPD接地線是有截面要求的,其截面要求較多大于等電位連接線要求。因此,考慮到雷電流泄放通路時,應使PE排與LEB連接線截面不小于SPD接地線截面。

1.5 PE排接地的做法建議

有觀點認為,配電箱內PE排雖不直接接地,但箱體外殼接地了,而箱體與PE排連接(配電箱PE排均已與箱體外殼相連,而有等電位連接并接地的場所,配電箱外殼也應接地),且SPD接地線與配電箱內PE排連接,客觀上也使SPD接地了。針對一般的工頻故障電壓,PE排、箱體和等電位端子板相連,即使操作人員接觸到PE排的故障電壓,也不會有危險。但對雷電流造成影響,便不建議這樣做,因為箱體與PE排的連接線截面積多數為2.5 mm2(圖1可清楚看出PE排和箱體的連接線比SPD的接地線截面要小得多),可能并不滿足SPD接地線的規(guī)格要求。另外,SPD接地端通過連接線、PE排、箱體和接地線至接地點泄放雷電流,無疑使箱體置于泄放回路,會使箱體外殼帶有危險電壓,不利于保護。

除了衛(wèi)生間等處的LEB僅是為了電擊防護要求,可不強制要求LEB與大樓接地網相連外,有條件時,在弱電系統(tǒng)每處有SPD的配電箱內PE排就近直接(不建議利用箱體外殼間接接地)有效接地。即LEB與大樓接地網有效連接,為節(jié)約成本,可以利用柱內鋼筋將兩者相連,設計時,LEB可與就近柱內鋼筋相連,柱內鋼筋應與接地網可靠連接,以滿足有效接地要求,部分弱電機房LEB需根據規(guī)范要求單獨與接地網相連,但僅是對末端機房處作要求,對于上級配電也應注意SPD接地線的有效接地問題。

綜上,做到SPD接地線有效接地(除PE線路由外)是一個系統(tǒng)工程,每個環(huán)節(jié)均應可靠連接。認為配電箱PE排,甚至箱體外殼與機房LEB連接后便滿足要求的傳統(tǒng)認識應該改變(機房LEB不一定會與大樓接地網連接,PE排與LEB連接線截面積也不一定滿足要求)。建議在設計圖紙中明確如下內容:弱電系統(tǒng)配電箱PE排與LEB、LEB與接地網應可靠連接;配電箱PE排與LEB連接線截面積應不小于SPD接地線截面;施工方及配電箱成套廠等應明確做法;類弱電系統(tǒng)(如有精密 的實驗室,醫(yī)院等)也應參照執(zhí)行。

2 SPD與進線開關位置關系

SPD有設于進線開關之后和之前兩種情況,SPD的設置位置和設置原則也未受到關注。

設于進線開關之后的情況相比于開關之前的情況要多些,這種做法考慮到SPD及后備保護的檢修,可安全操作和更換。更換和檢修SPD時,可將進線開關斷開,但考慮到SPD及后備保護開關檢修需求較少,沒有必要單純地以便于檢修為理由將SPD設置于開關之后,且還有其余涉及安全角度的因素影響SPD的安裝位置。

GB 50057—2010中第4.5.4條要求:應在固定在建筑物上的節(jié)日彩燈、航空障礙信號燈及其他用電設備的配電箱內的開關的電源側裝設電涌保護器。該條的條文解釋為:“對節(jié)日彩燈,由于白天不使用,它和其他用電設備在不使用期間內,開關均處于斷開狀態(tài),當防雷裝置、設備金屬外殼或帶電體遭雷擊時,開關電源側的電線、設備與鋼管、配電箱、PE線之間可能產生危險的電位差而擊穿電氣絕緣;另外,當開關斷開時,如果SPD安裝在負荷側,從戶外經總配電箱傳來的過電壓電涌可能擊壞開關(因開關的電源側無SPD保護),故SPD應裝設在開關的電源側”[1]。本條規(guī)定考慮了雷電流的流向對開關的沖擊、設備絕緣破壞等影響。從雷電流流向來看,如果是從電源側來的,需先流經進線開關,若雷電流過大,同時開關處于斷開狀態(tài),雷電流傳導的過電壓、及導線電感長產生的感應電壓可能會產生危險電位差而擊穿、破壞開關。另外,也可能會造成電線、設備與鋼管、配電箱、PE線之間產生危險的電位差而破壞電氣絕緣。若雷電流先通過SPD,SPD的限壓作用可以降低外部傳導的過電壓,減小后面的開關和設備的雷擊危害。

因此,以雷電流的流向大小、概率和使用安全的角度分析SPD的設置位置。如果電源側引入雷電流的概率和數值大于下級回路,建議將SPD設于開關之前;反之,可設于開關之后。為方便分析,本文模擬典型民用建筑內供配電網絡,典型民用建筑內供配電網絡示意圖如圖4所示,結合雷電流流向和不同SPD位置做如下分析。

圖4 典型民用建筑內供配電網絡示意圖

(1) 雷電流大概率從上級回路流入。

針對變壓器低壓側(包含室外引入的配電總箱)、樓層總箱處,雷電流從室外引入流向下級開關及線路,建議SPD設置在電源側,即圖4中的SPD1-2、SPD2-2位置。

對于第三級配電的分箱處,配電箱和所帶的用電設備均在室內,且距離外墻的LPZ0和LPZ1區(qū)交界處較遠。末端受感應雷的概率很低,不大可能從負荷側流向電源側,此種情況建議SPD設置在電源側,即圖4中的SPD3-2位置。

(2) 雷電流大概率從下級回路流入。

室外設備容易受雷擊。當配電箱在室內,所帶設備卻在屋頂、外立面等室外時,雷電流從室外設備(負荷側)引入的概率和數值大于從上級回路引入。這時建議SPD設置在負荷側,即圖4中的SPD6-1位置。

(3) 雷電流流向概率不明確。

有兩種雷電流流向概率和雷電流數值不準確的情況。

① 一種是當配電箱和所帶設備都在室外,均會遭受雷電流,雷電流的流向和數值不準確。GB 50057—2010給出了推薦做法,GB 50057—2010中第4.5.4條要求:應在固定在建筑物上的節(jié)日彩燈、航空障礙信號燈及其他用電設備的配電箱內的開關的電源側裝設電涌保護器。從該條文的解釋可知,是為了規(guī)避從戶外配電箱引入的雷電流對開關的沖擊。因此,此種情況其從上級回路引入雷電流的概率和數值大概率大于下級回路,此種情況建議按電源側裝設SPD,即圖4中的SPD5-2位置。

② 另一種是第三級配電的分箱處,配電箱和所帶的用電設備均在室內,但設備距離外墻較近。參考前文第a條分析,建議設于負荷側,即圖4中的SPD4-2位置。但當建筑高度較高時,比如超高層建筑,還應注意在建筑物上部占高度20%并超過60 m的部位,這部分靠外墻部位遭受側擊雷概率較大,其感應雷電流和概率也相對較大。

(4) 部分民用建筑的配電箱。

比如住宅戶表箱的進線斷路器帶了剩余電流保護功能,且動作于跳閘,雷電流可能會使剩余電流保護斷路器跳閘。再次遭受雷電流沖擊時,可能會出現危險。這時,也建議在電源側裝設SPD。

綜上,對于預期雷電流較大的線路(如第一級SPD處),且進線開關使用剩余電流保護附件或有些開關可能會出現斷開情況時,應特別關注SPD和進線開關的相對關系。

3 SPD連接線與接地線截面

在防雷設計時,多數未對SPD接地線的截面有所關注,圖紙中也多數未做出規(guī)定。SPD連接線和接地線截面過低會有如下問題。

(1) SPD連接線是雷電流的泄放通路,若截面過小,雷電流多次沖擊后,可能會破壞導線的絕緣,有火災危險。雖然單獨一次雷電流時間短,但數值很高,也可能會產生較高的能量。

(2) SPD連接線和接地線截面積越大,電感就越小,雷電流流過時所產生的電感壓降就越小(即圖3中的L1和L2所產生的電感電壓),導線所產生的殘壓值也相對小。因此,加大SPD連接線和接地線截面可減小被保護設備的殘壓。

(3) SPD故障損壞后,可能會造成對地短路。這時,如果上級保護開關沒有及時斷開回路,而SPD連接線和接地線因截面過小而無法承受故障電流,就可能發(fā)生火災。

雖然增加SPD連接線和接地線截面積于安全有利,但SPD連接線和接地線也不宜過大,既不經濟,也不容易接線安裝(SPD多是導軌安裝方式,若截面過大,不容易與SPD連接端子壓接)。國家規(guī)范和相關規(guī)范對連接線和接地線有所要求。

(1) GB 50057—2010中的規(guī)定[1]。

連接單臺或多臺Ⅰ級分類試驗或D1類電涌保護器的單根導體的最小截面,應按公式(1)所示:

Smin≥Iimp/8

(1)

式中:Smin——單根導體的最小截面;

Iimp——流入該導體的雷電流。

GB 50057—2010中連接SPD的導體最小截面(銅導體)如表1所示。

表1 GB 50057—2010中接SPD的導體最小截面的規(guī)定(銅導體)

(2) GB 50343—2012中的規(guī)定[2]。

現行規(guī)范GB 50343—2012把SPD的連接線分為了連接相線和接地線。GB 50343—2012對接SPD的導體最小截面的規(guī)定(銅導體)如表2所示。在本規(guī)范2021年的局部修訂條文征求意見稿中,對SPD安裝位置描述和截面大小做了調整。GB 50343局部修訂版對接SPD的導體最小截面的規(guī)定(銅導體)如表3所示。

表3 GB 50343局部修訂版對接SPD的導體最小截面的規(guī)定(銅導體)

對比表2和表3可知,GB 50343修訂版對SPD類型描述與GB 50057—2010協(xié)調一致了。第一級(Ⅰ類)SPD接地線連接線截面由10 mm2加大到16 mm2,而第四級(Ⅳ類)的SPD接地線由4 mm2降低到1.5 mm2;SPD連接相線由2.5 mm2降低到1 mm2。

部分規(guī)范,比如規(guī)范YD 5098—2005中對SPD的相線連接線和接地線規(guī)格比前文規(guī)范高很多,YD 5098—2005對接SPD的導體最小截面的規(guī)定如表4所示。

表4 YD 5098—2005對接SPD的導體最小截面的規(guī)定

從以上分析可知,不同規(guī)范對SPD連接線和接地線的要求各不相同,可操作性也不強。對比了部分廠家產品的樣本要求,發(fā)現部分品牌SPD的相線連接線和接地線規(guī)格大于上述規(guī)范要求值,部分品牌給出了接線的范圍值。同時,咨詢了部分廠家對SPD連接線的實際設置原則(SPD接地線和連接線是在配電箱內部,由成套廠接線完成,SPD廠家需提供給成套廠接線原則),給出的回復是,廠家會給出建議值,但不同廠家執(zhí)行的規(guī)定不同,有的是按照GB 50057—2010和GB 50343—2012中的最低值,有的大于規(guī)范GB 50057—2010和GB 50343—2012中的規(guī)定值,有的是給出一個截面范圍。沒有統(tǒng)一標準,加上成套廠的選擇權限較大,有時為了降低成本采用的導線截面規(guī)格較小,甚至不滿足規(guī)范要求的最低值。因此,建議在設計時根據SPD的安裝位置和預期雷電流大小對SPD的連接相線和接地線截面導體熱穩(wěn)定校驗及接地故障保護校驗,并在設計圖中加以約束,以保證安全。

4 結 語

規(guī)范未明確考慮雷電流泄放對配電箱接PE排與等電位端子板連接線的要求,有條件時,弱電系統(tǒng)有SPD的配電箱內PE排應就近有效接地(等電位端子板應與接地網有效連接),并在設計圖紙中明確。類弱電系統(tǒng)(如有精密儀器的實驗室、醫(yī)院等)也建議參照執(zhí)行。SPD與進線開關的位置關系應根據雷電流的預期流向和概率綜合考慮。為減少雷電流沖擊的影響,建議進線開關避免使用帶剩余電流保護附件的斷路器。規(guī)范GB 50057—2010和GB 50343—2012對SPD連接線、接地線的截面要求是最低值,國內有些行業(yè)標準中規(guī)定的電涌保護器連接導線最小截面積比較大,可按行業(yè)標準執(zhí)行,并應考慮對熱穩(wěn)定和接地故障的影響。