雷电电磁脉冲的防护第4部分：现有建筑物内设备的防护 GB/T19271.4-2005

中华人民共和国国家标准

雷电电磁脉冲的防护 第4部分：现有建筑物内设备的防护

Protection against lightning electromagnetic impulse(LEMP)-Part 4：Protection of equipment in existing structures

(IEC TR2 61312-4：1998，IDT)

GB／T 19271．4-2005

发布日期：2005年7月29日

实施日期：2006年4月1日

中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局

        中国国家标准化管理委员会                  发布

前言

    GB／T 19271《雷电电磁脉冲的防护》分为4个部分：

    ——第1部分：通则；

    ——第2部分：建筑物的屏蔽、内部等电位连接及接地；

    ——第3部分：对浪涌保护器的要求；

    ——第4部分：现有建筑物内设备的防护。

    本部分为GB／T 19271的第4部分，等同采用IEC TR2 61312-4：1998《雷电电磁脉冲的防护 第4部分：现有建筑物内设备的防护》(1998年英文版)。

    本部分等同翻译IEC TR2 61312-4：1998。

    为便于使用，本部分做了一些编辑性修改：

    ——将一些适用于国际标准的表述改为适用于我国标准的表述。如将“本国际标准……”改为“本标准……”；“IEC 61312的本部分……”改为“本部分……”。

    ——按照汉语习惯对一些编写格式作了修改。如：注后的连字符“—”改为冒号“：”；英文名称的连字符“—”改为空格；表编号、图编号与标题之间的连字符“—”改为空格。

    ——按IEC规定国际标准编号一律改为1997年后的编号。如“IEC 1024……”改为“IEC 61024……”。

    ——“规范性引用文件”的引导语按GB／T 1．1-2000的规定编写。

    ——“术语和定义”按GB／T 1．1-2000的规定编写。

    本部分由全国雷电防护标准化技术委员会(SAC／TC 258)提出并归口。

    本部分由广东省防雷中心负责起草。

    参加起草的单位还有：清华大学电机工程与应用电子技术系、总装备部工程设计院、中国电信集团湖南省电信公司、中国气象局监测网络司。

    本部分主要起草人：杨少杰、黄智慧、张伟安、余乃枞、金良、何金良、陈水明、潘正林。

引言

    GB／T 19271．1给出了雷电电磁脉冲防护的一般原则。然而，随着现有建筑物内复杂电子设备使用的不断增加，要求特别注意防雷和防其他电磁骚扰。应该牢记，现有建筑物内合适的雷电效应防护措施必须考虑建筑物的各种状况，如建筑物结构件、现有配电系统和信息技术设备(ITE)的状况。

    第2章的对照表有助于寻找具体要点和选择最经济的措施以增强设备对LEMP的防护。本对照表方便了进行风险分析并选择最适当的防护措施。

    尤其是对现有建筑物，极力建议以GB／T 19271．1确立的分区概念对被保护系统作系统的布局，并遵循这种系统布局采用图1中的各种措施。

1  总 则

1．1  范围

    本部分为现有建筑物内信息技术设备(ITE)的LEMP防护提供指导，并提出适用于新建建筑物内ITE的LEMP防护方法。

1．2  规范性引用文件

    下列文件中的条款通过GB／T 19271的本部分的引用而成为本部分的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本部分，然而，鼓励根据本部分达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本部分。

    GB／T 19271．1-2003  雷电电磁脉搏冲的防护  第1部分：通则(IEC 61312-1：1995，IDT)

    GB／T 16895．16-2002  建筑物电气装置  第4部分：安全防护  第44章：过电压保护  第444节：建筑物电气装置电磁干扰(EMI)防护(IEC 60364-4-444：1996，IDT)

    GB／T 17626．5-1999  电磁兼容  试验和测量技术  浪涌(冲击)抗扰度试验(idt IEC 61000-4-5：1995)

    GB／T 17626．9-1998  电磁兼容  试验和测量技术  脉冲磁场抗扰度试验(idt IEC 61000-4-9：1993)

    GB／T 17626．10-1998  电磁兼容  试验和测量技术  阻尼振荡磁场抗扰度试验(idt IEC 61000-4-10：1993)

    IEC  61024-1：1990  建筑物防雷  第1部分：通则

    IEC  61024-1-2：1998  建筑物防雷  第1部分：通则  第2节：指南B——防雷系统的设计、安装、维护及检查

    IEC  61662／TR：1995  雷击损害风险评估

    IEC  61662／A1：1996  雷击损害风险评估，修改单1

    IEC  61000-5-2／TR：1997  电磁兼容(EMC)  第5部分：安装和调节指南  第2节：接地和布线

    ITU-T K21建议：1996  用户终端设备抗过电压和过电流的能力

2  对照表

    按对照表收集现有建筑物及其设施的必要数据。根据这些数据，遵照IEC 61662及其修改单1(特为内含电子系统的建筑物而编制的)作风险评估，以确定是否需要对电子系统采取防护措施。如需要采取防护措施，则确定最经济有效的防护措施。

    与IEC 61662无直接关系，但确定防雷设计原则时需考虑的其他问题在表4中列出。

表1  建筑物特征和周围状况

表2  设施特性

表3  设备特性

表4  确定防雷设计原则时需要考虑的其他问题

3  建筑物有外部防雷系统时的防护措施

    根据风险评估确定建筑物是否需要安装外部防雷系统。一般来说，安装一个按IEC 61024-1-2，特别是第3章的要求设计的外部防雷系统是有用的。对钢筋混凝土建筑物，宜研究IEC 61024-1-2的附录A。

    防雷专家的主要任务是确定对外部防雷系统作出改进还是保留原有的安装措施。

    外部防雷系统(LPS)的改进可按以下方法进行；

    a)  按IEC 61024-1：1990中2．2．5d)把现有金属立面和屋面并入防雷系统中；

    b)  如果从钢筋混凝土屋面沿墙体直至建筑物接地装置的钢筋是电气贯通的，则利用钢筋作外部LPS的自然部件；

    c)  减小引下线的间距以及接闪器的网格尺寸(见GB／T 19271．2-2005第3章和IEC 61662 1号修改单)。通常使引下线间距和网格尺寸小于5m；

    d)  相邻的但结构上分离的建筑单元间的伸缩缝上跨接软性等电位连接带(见IEC 61024-1-2，图A．12)，等电位连接带的距离宜等于引下线间距的一半；

    e)  在一座建筑物与一个用以将该建筑物与建筑物另一单元相连的电缆通道长廊之间的伸缩缝上宜跨接等电位连接带。通常，宜在长廊的四个角上安装等电位连接带。等电位连接带宜尽可能短；

    f)  屋顶金属装置需防直接雷击时，宜使之位于LPZ0B区中。例如，通过安装一局部接闪器使之位于LPZ0B区。该接闪器应与建筑物的LPS等电位连接(见IEC 61024-1-2：1990中，图48)。该局部接闪器与金属装置间应满足安全距离d的要求(见IEC 61024-1：1990，3．2)。

4  电缆设施的防护措施

    电缆的合理布线和屏蔽是减少过电压的有效措施。

    外部LPS的屏蔽作用愈小，这些措施就愈重要。IEC 61024-1-2的表B．1说明了布线以及屏蔽措施与过电压的关系。该表的示意图3和图4分别给出良好电缆布线与屏蔽的例子。

    更多的细节在IEC 61024-1-2的图26、图27以及图B．2，图B．3，图B．4中给出。

    当情况特殊，不安装外部防雷系统(IEC 61024-1，3．1．1)时，图1给出的体现防护基本原则的若干技术措施提供了高效的LEMP防护[1]1)。

    可以安装双绝缘变压器或采用Ⅱ类设备，实现现有设施与新设施之间的适当隔离，主要为了避免现有建筑物中采用TN-C接地系统设施中的工频干扰(见图1中和的说明)。

    按图1所示的安装原则可给出符合GB／T 19271．2-2005中3．5要求的对接地、等电位连接以及电缆布线的若干系统布局的方案。图1a)到图1d)各图表示依照ITE数量、类型及敏感性可能作出的分区的例子：

    1)方括号内的数字指的是参考文献中的文献序号。

    ——图1a)为建筑物内只有LPZ1区的例子。为了避免低频干扰即使在LPZ1区内和措施仍是有用的。

    ——图1b)中用一个LPZ2区容纳下所有新设施。对由LPZ0直接过渡到LPZ2区的界面处的SPD有更高要求。

    ——图1c)和图1d)表示根据GB／T 19271．1-2003图4设计的几种可能的LPZ2区。每个LPZ2区表示其区中的ITE更少暴露于雷电和低频干扰电流和磁场影响的空间。为了减少SPD的数量，可用屏蔽电缆或各段互相连接的电缆槽连接两个不同的LPZ2区。

    此处有两种LPZ1／LPZ2界面。

    a)  右侧的界面：

    在楼层间有额外屏蔽，从而为各类干扰电流提供低阻通路，因而对信号电缆及电源电缆干扰耦合非常小的地方，应将功能接地导体直接与等电位连接网络连接。在此情况下，屏蔽层本身构成了LPZ1和LPZ2的界面。

    b)  左侧的界面：

    为避免工频干扰通过ITE，不允许将功能接地导体直接连接至PE线或与PE线相连接的其他金属部件。

    由于隔离变压器或Ⅱ类设备本身具有特殊要求，其对雷电感应过电压的耐压已得到提高，其耐压值可达5kV(1．2／50μs)。因此如果功能接地导体需要与PE线连接，则只能采用SPD作间接连接，所选SPD的动作电压恰好低于耐压值。否则，如果SPD动作电压或限制电压远远低于耐压的话，将使隔离变压器或Ⅱ类设备丧失高绝缘强度的安全特性。

    注：如果不增加新电源而使用原有电源，会因布线而产生大面积的闭合感应回路，这将显著增加绝缘损坏的危险。

    对图1的解释：

    总的说明：

    旧建筑物内原有电源的接地系统通常是TN-C系统，建筑物到处有PEN线，而当PEN线与数据线路的地线连接时可能导致工频干扰(例如，当一台PC机用一条长15m的数据电缆(RS232)与打印机相连，而PC机与打印机由不同的插座取得电源时就会见到这种干扰)。

    如果仅需安装少量的信息技术设备(ITE)，为了阻止这种干扰，宜采用防护措施或。在电源上安装SPD，将减小雷电损害的风险。

    然而，当ITE数量较多时，可能需要增加一个电源。这种情况下，宜采取图1所示合适的电缆布线以及附加的屏蔽措施。

    极力建议新增的电源采用TN-S系统。

    为了避免设备本身与公共等电位网络(CBN)在任意位置的偶然性电气接触，设备的金属外壳应与附近的CBN绝缘。大多数情况下可做到这点，因为私人房间或办公室里的ITE仅通过其连接电缆与接地参考点相连。

    图1的图例：

    表示原有的电源系统(TN、TT、IT)，有新设施已接到该电源上，因而要求采用新的电缆布线方式。

    表示为了防止低频干扰电流通过设备和与之相连的信号电缆而采用的Ⅱ类设备(即无PE线的双绝缘设备)。这些低频干扰电流既可因环路大而引起，也可由于共用等电位网络(CBN)的阻抗不够低而引起。

    表示如果没有Ⅱ类设备，建议采用起同样作用的双绝缘变压器或设备间的信号互连线采用无金属的光纤。

    表示电源电缆与信号电缆紧挨着布线也可以避免形成大的环路。信号电缆建议采用屏蔽电缆。屏蔽电缆的屏蔽层应在两端与设备外壳等电位连接(见图2)。

    各段用互相搭接的金属管道或线槽作附加的屏蔽(至少在楼层之间提供附加屏蔽)也能提供较低阻抗的CBN。此措施对很高的或很长的建筑物或当设备要求高可靠性时特别有用。关于电缆屏蔽及布线的其他信息在图2和图3中给出。

    表示浪涌保护器的较佳安装位置分别在设施入户处的LPZ0／1、LPZ0／1／2界面上(见图1)。

图1  建筑物内有两个不同电源时，改善新装设施的防雷及EMC的若干措施[1]

图2  屏蔽电缆紧挨各段相互搭接的金属板布设使环路面积减小

图3  用金属板提供附加屏蔽的实例

    可用各段电气互连良好的金属电缆槽替代金属板。电缆槽各段的互连需在重叠部分用若干螺栓连接或用连接带连接。为了使电缆槽保持低阻抗，螺栓或连接带应在电缆槽四周均匀分布(详情见IEC 61000-5-2)。

5  电源设施和信息技术设备(ITE)互连线的防护措施

    正常情况下，共用等电位连接网络(CBN)一般不宜用作电源或信号电路的返回通路。

    通常，楼宇内的供电系统宜采用TN-S系统。如果不可能采用TN-S系统，宜采取第4章提出的措施。这些措施也能减轻建筑物内TN-C系统产生的干扰或采用TN-S系统时万一发生接地故障而引起的干扰。

    普通房间内，当电子设备间的信号互连线长度超过10m时，建议采用平衡线路或三同轴电缆，线路两端端口应具有适当的电气隔离，例如采用光耦合器、电感耦合器或电容耦合器(详情见GB／T 16895．16和IEC 61000-5-2)。

    注：在现有的普通房间内，空间屏蔽体、电缆槽和电缆屏蔽层常常难以获得足够的屏蔽效果。大多数情况下，电源电缆是非屏蔽的，且许多设备并不是接连接有屏蔽的数据线设计，此外，插头和插座也是非屏蔽的，设备上通常只有很短的软辫线供屏蔽层连接。为了美观和连线方便，采用各段电气互连的金属管道等是不合适的。

5．1  浪涌保护器(亦见GB／T 19271．3[3])

    电流型避雷器宜尽可能靠近电缆进入被保护空间的入口处(LPZ0／1界面)安装，且在所有带电导线上安装，以防止大量的浪涌能量进入建筑物的各类设备中。在楼宇内随意地使用SPD，可能导致系统出现故障或损坏，特别是当电压型避雷器或设备内部安装的SPD妨碍了建筑物入口处的电流型避雷器的正常动作时(详情见IEC 61643-2)。

    为了保持LEMP防护措施的性能，雷击事件之后，所有的SPD都要经过检查。为此，有必要知道这些SPD安装在何处，以便进行IEC 61024-1-2第6章所规定的维护。

6  安装有天线和其他设备时的防护措施

6．1  实例

    此处所指外部设备有：外部安装的各种传感器，包括天线、气象传感器、监视摄像头、制炼厂的露天传感器(压力、温度、流速、阀门位置传感器等)以及建筑物、杆塔及处理容器上外部安装的各种电气、电子、无线电设备。

6．2  设备的防护(见图4)

    只要可能，宜安装避雷针，使设备免遭直接雷击(处于LPZ0B内)。对高层建筑物，宜采用滚球法确定建筑物顶部和侧面的设备是否可能受到雷击，从而确定是否需安装避雷针。许多情况下，扶手、梯子、管道等可很好地起到接闪器的作用。除了某些结构的天线外，所有设备都能以这种方式进行保护。有时天线不得不安装于暴露位置，因为作为发射天线或接收天线，它们的性能会受到附近避雷针的严重影响。有些天线结构具有自保护功能，因为只有接地良好的经得起雷击的导体暴露在雷击中。市售的天线已愈来愈多具有防雷功能，因而能安全地经受雷击。无良好防雷功能的其他天线，可能需要在其馈线电缆上安装SPD(例如，通常在LPZ0B／1区界面上安装火花间隙)，以防止瞬态浪涌顺着馈线电缆进入接收机或发射机。然而，当安装有外部LPS时，天线的支架宜与LPS作等电位连接。

图4  天线和其他设备的防雷

6．3  减小馈线电缆的感应过电压和防止设备内部的侧向闪络

    如7．3．2所述，对于建筑物间的电缆，通过将电缆敷设于各段搭接的导管、线槽或金属管中，可防止电缆中产生高的感应电压。引向某特定设备的所有电缆应在同一点引出电缆槽。如果可能，应将电缆布设在建筑物的管型部件中，从而充分利用建筑物本身的固有屏蔽特性。如果不可能，例如处理容器的情况，则电缆紧挨容器布设在容器的外部，并充分利用管道、环形钢爬梯以及其他任何相互搭接良好的金属材料所提供的自然屏蔽作用(见图5)。在用角钢构成的杆塔上(见图6)，电缆宜布设在角钢的内角处，以获得结构件的最大保护。所有这些技术措施，使电缆与结构件构成的环路中感应的电压为最小，从而减少旁侧闪络的危险。旁侧闪络是设备内部电路与设备结构件之间形成的电弧，电弧形成后导致大电流流入馈送电缆。

图5  处理容器上的爬梯、管道提供的固有屏蔽

图6  杆塔上电缆的理想安放位置

(钢骨架杆塔剖面图)

7  建筑物间数据、电话、测量互连线的防护措施

7．1  简述

    建筑物间的互连线既有金属连接线(如线对、波导、同轴电缆、多芯电缆等)，也有光缆。防雷要求取决于电缆类型、互连线的数量和建筑物间的防雷系统(LPS)是否互连。

7．2  建筑物间的光缆

    完全绝缘的光缆(即无金属铠装、防潮箔或内加强钢芯的光缆)可安全地架设于建筑物之间，无须采取防护措施。这是完全免除EM干扰最好采用的数据连接线。

    然而，对有连续金属部件的光缆，宜在建筑物的入口处把金属部件与地作等电位连接，并且不宜直接接入光纤接收设备和发送设备。间隔很近但各自的LPS并未互连的建筑物之间，最好采用完全没有金属部件的光缆，以防止过大的电流流过光缆的金属部件，使之过热，从而导致光缆的损伤甚至毁坏。另一方面，如果在建筑物之间连上一条LPS之间的互连电缆，以分流流过光缆的电流，则可以采用有金属部件的光缆。

7．3  建筑物间的金属电缆

7．3．1  各自的LPS无互连的建筑物之间的铜电缆或其他金属电缆

    这种情况很普遍，这种连接线问题最严重。由于雷电流沿着电缆在建筑物之间流动，极易造成电缆两端接口的损坏。电缆成了雷电流的一条低阻抗入地通路，通常造成电缆两端的绝缘击穿。对架空电缆问题更为严重，因为电缆上的过电压不像埋地电缆那样容易向地闪络放电。虽然，只要可能，最好还是将建筑物的LPS互连，且将电缆布设于封闭的各段搭接的金属管道中，但在电缆的两端还是需要安装SPD。实际上，这种情况就是7．3．2中所描述的情况。

7．3．2  各自的LPS互连的建筑物间的铜电缆或其他导电电缆

    依据建筑物间电缆的数量，当只有少量电缆时可采用各段搭接的导管保护电缆；而当建筑物间有许多电缆时，如化工厂的情况，当在多芯测量电缆的两端其屏蔽层或铠装层连接至已互连防雷措施取决于建筑物间电缆的数目，它们可包括一个用于有几条电缆的等电位连接的管道，或在有许多电缆的地方(如化工厂)，在多芯设备电缆上进行屏蔽或铠装连接至已互连的接地系统时，常常足以提供必要的屏蔽，特别是当有大量电缆共同分担雷电流时。

参考文献

    [1] Montandon，E．，Bonding and routing practice with respect on lightning protection and EMC，Proceedings，21st ICLP，Berlin，Sept 1992

    [2]  GB／T 19271．2-2005，雷电电磁脉冲的防护  第2部分：建筑物的屏蔽、内部等电位连接及接地(IEC TS 61312-2：1999，IDT)

    [3]  GB／T 19271．3-2005，雷电电磁脉冲的防护  第3部分：对浪涌保护器的要求(IEC TS 61312-3：2000，IDT)

    [4]  IEC 61643-12：2002，Surge protective devices connected to low-voltage power distribution sys-tems-Pan 12：Selection and application principles(under consideration)