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中國建筑物防雷的特點及其演變

來源:張工 發布時間:2011-11-9 16:55:54
              摘 要:闡明我國建筑物防雷技術的演變過程及其技術要點,說明不能全盤照抄IEC防雷規范的原因。
  1.我國建筑物防雷技術在20世紀50年代以前的情況
  在上世紀50年代以前,我國的防雷技術是向日、美、前蘇聯和德國等國家的技術規范學習的,其中重要的參考資料有[1、2]兩本書。根據我國的實際情況,電力部門頒發有相關的技術規范[3],那時建筑部門還未制訂防雷規范,只是有一些單位(如北京市建筑設計院研究室)寫的技術交流資料。當時建筑物防雷的主要技術形式是避雷針,由于參照前蘇聯的防雷規范做,設計的避雷針又長又多,與我國的建筑藝術和結構形式很不協調。此時,我國的防雷學者已經認識到雷電反擊的危險,采用了如圖1所示的防雷模型。
                                                     
圖1 20世紀50年代以前的中國建筑物防雷模型
  內部防雷以隔離方式為主,考慮直接雷擊建筑物時的反擊高電壓,規定電氣設備與防雷導線相隔S≥3m;考慮進線引入高電位的襲擊,還規定室內燈頭必須高于人身d≥1.2m;此時,防雷接地與電氣設備接地多為分別獨立接地,它們之間的最小距離也是3m。由于沿進線引入的雷電事故多于直接雷擊的事故,所以,有人建議過進線桿應當做絕緣子接地的防雷措施,實際上我國采用鋼筋混凝土桿送電,它正好具有這種防高電位引入的性能,鋼筋混凝土桿的基礎接地電阻具有接地散流的作用。
  在1958年以后,我國逐步開展了建筑物防雷的研究,這些研究結果應用在天安門城樓的防雷和人民大會堂的防雷工程中,并以中國科學院電工所和北京市建筑設計院合編的名義,寫成了《民用建筑物防雷保護》一書(1962年出的第一版)。我們倡議推廣避雷帶和避雷網的防雷形式,在鋼筋混凝土建筑物中應用法拉第籠的防雷形式;我們倡議采用共用接地網,埋地電纜段的進線方式等,這些防雷新技術與電力部門防雷學者的研究不謀而合,形成了50年代后期防雷技術的基礎。
  2.我國建筑物防雷技術在二十世紀五十年代以后的情況二合一防雷器 
  在60~70年代我國進行過重要的防雷實驗研究有:火箭的防雷,石油儲罐的防雷,微波塔(站)的防雷,雷達站的防雷和通信大樓的防雷等,進行這些防雷研究曾動用大量的試驗設備,有些是在建筑物和構筑物的實體上進行的。遺憾的是由于文化大革命的影響,有些實驗沒有很好地總結。在80-90年代我們還進行了故宮古建筑群防雷的研究和雷電電磁脈沖防護的研究。我國的防雷學者自主提出的防雷理論有:DSBGP(分流、屏蔽、搭接、接地、保護)綜合系統學說[4],建筑物防雷設計的六項重要因素學說[5],防雷保護系統的三道防線學說[6]等。我國重要的建筑物采取的防雷方式如圖2和圖3所示。
 

 
圖2 智能建筑物遭受雷擊時雷電散流的示意圖   圖3 中國城區的建筑物的配電模型
  我國制訂的有關建筑物防雷的規范(導則)、條款和規定有以下三大特點:
 ?。?)視高電位引入和高電位引出(即低電位引入)的危險,所以我國采用電纜段進出線或用埋地鐵管穿線的電路。嚴格禁止把電力線、電話線固定在避雷針上或裝有避雷針的架構上。在內部防雷方式上,重視隔離與連接的合理運用。
 ?。?)雷電的二次效應(即雷電電磁脈沖)的危害,重視實際鋼筋混凝土建筑物的屏蔽能力不足的問題[7]。通常鋼筋框架結構的屏蔽效能只有3-15dB,現澆密網鋼筋混凝土為32dB,而電子設備要求的有效屏蔽性能應該為98dB以上。所以我們建議或規定室內電路要穿鐵管敷設,鐵管要按電磁閉鎖的原理兩端接地。我們沒有“開窗、開門對屏蔽室ds的隔離距離”的要求。我們對LPZ(雷電保護分區)的看法也與IEC不同,我們認為應以電氣節點(或屏蔽層面)為分界面,而不是以隔墻為分界面。我們提議要合理布線,即采用綜合布線的規范。電源防雷器
 ?。?)建筑物都應有合格的進出線防雷保護,智能大樓最危險的雷電波,來自天線和地電位反擊高電壓。其解決辦法是等電位連接、屏蔽和安裝SPD。SPD的敷設應根據絕緣配合的要求進行,考慮SPD的殘壓及其保護距離因素,其安裝位置和級數要合理。SPD的容量應按分流后的脈沖雷電波的幅值選定, In波形按8/20μs選定,要重視后續雷擊雷電流的高陡度造成電磁感應過電壓的危險。
  3.我們對IEC建筑物防雷規范中一些問題的異議
  最近我們又得到IEC 62305的有關資料,其中對雷電防護區的模型表述如下:
     1 建筑物          S1 雷擊建筑物
       2 接閃器          S2 雷擊建筑物的鄰近區域
       3 下引線          S3 雷擊入戶公共設施
       4 接地系統         S4 雷擊入戶公共設施的鄰近區域
       5 入戶公共設施       R 滾球半徑
       s 防危險火花之間的間隔距離 ○ 雷擊等電位連接(SPD)
       LPZ0A 直接雷擊,全部雷擊電流
       LPZ0B 間接雷擊,局部雷擊電流或感應電流
       LPZ1 間接雷擊,局部雷擊電流或感應電流
       在LPZ1內部的保護空間必須考慮到具有s間隔距離
                              
    圖4 由雷電防護系統(LPS)定義的雷電防護區(LPZ)(參見IEC62305-3)
       1 建筑物(按LPL1屏蔽)     S1 雷擊建筑物
       2 接閃器            S2 雷擊建筑物的鄰近區域
       3 下引線            S3 雷擊入戶公共設施
       4 接地系統           S4 雷擊入戶公共設施的鄰近區域
       5 房間(按LPL2屏蔽)      R 滾球半徑
       6 入戶公共設施         ds 防極高磁場的安全距離
       ○ 雷擊等電位連接(SPD)
       LPZ0A 直接雷擊,全部雷擊電流,全部磁場
       LPZ0B 間接雷擊,局部雷擊電流或感應電流,全部磁場
       LPZ1 間接雷擊,局部雷擊電流或感應電流,受衰減的磁場
       LPZ2 間接雷擊,感應電流,進一步受衰減的磁場
       在LPZ2內部的保護空間必須考慮到具有安全間距ds
    圖5 針對LEMP的防護措施所定義的雷擊防護區(LPZ)(參見IEC62305-4)
  我們對IEC規定的上述建筑物防雷模型提出質疑,認為IEC規范仍然保持了它在雷電流分流模型中的錯誤,即IEC 1312-1(雷電電磁脈沖的防護)第一部分一般原則(通則)第3.4.1.1條推薦的所謂“進入建筑物的各種設施之間的雷電流分配”模型圖6(如圖6所示)。


 
圖6 “進入”建筑物的各種設施之間的雷電流分配模型圖
(GB50057《規范》[1]圖6.3.4-1及IEC 1312-1 Figure 13)
  我們認為IEC建筑物防雷規范存在以下4問題:
 ?。?)講反擊和防范反擊
  只要把圖1和圖6對比,就可以明了IEC防雷規范沒有把反擊問題當作重要的事,向電源系統排放雷電流是一種非正常的行為,它可能把雷電流傳播到1~2km的附近建筑物內,擴大雷擊事故。許多防雷培訓班在講述圖4防雷模型圖時,沒有警示電源線不應該固定在與接閃器相連的構架上,沒有講明架空線必須與防雷導體(接閃器、引下線)保持足夠的絕緣距離。通過SPD向線路中輸送雷電流是不能允許的,更不能提倡這樣做。
 ?。?) 不講用電纜段屏蔽
  IEC防雷規范不講用電纜段屏蔽,所以才出現向電源系統反灌雷電流問題。德國防雷學者對鐵管的屏蔽作用做過深入地研究,提供了重要的實驗和理論分析數據[8]。我們曾經一再詢問有什么根據否定了鐵管的屏蔽作用,卻得不到切實的有實驗根據的回答。用電纜段敷設進出線和穿鐵管敷設進出線是防范雷電波引入和引出的有效方法。
 ?。?) 不講室內用鐵管布線
  圖4和圖5都標示了ds隔離距離的要求,鋼筋混凝土建筑物在開門、開窗的情況下,ds的距離一般為5~7m,實際上這樣的隔離無法施行。試問,一個10m×10m的微波站,或較大的18m×25m的調度大樓,四面都有門窗,還怎么安裝儀器和設備?實際建筑物內的電磁環境是復雜的,有些隱蔽工程環境不容易搞準,建筑物內的線路和設施還可能變動。按規范給出的算法,要確定各種隔離距離和實現這些隔離距離是很難做到的。所以,我們提出室內的電氣線路都要用鐵管屏蔽,屏蔽管的兩端要就近接地,還要充分利用儀器柜的屏蔽效應。
 ?。?) 不講SPD的保護范圍
  IEC規范只講三級SPD如何接法,不講SPD的保護距離(范圍),不講脈沖波傳播的理論與計算方法。這就誤導人們按穩態電工理論去處理暫態電工過程,從而導致亂裝SPD。這只能給防雷開發商大量推銷SPD以口實,對防雷保護往往并無實際意義。一個SPD的保護距離在10m以上,試問,如何在10m×10m的微波站內安裝三級SPD,又為何安裝這么多SPD?許多技術先進國家不贊成用開關型SPD,因為它有動作時延長和短路接地的性能,或者它不能先于MOV動作,或則引起系統電磁震蕩引發高電壓。而規范中把開關型SPD作為SPD1的首選部件。難道這些錯誤的做法我們也要學習嗎?
  4.搞亂了的基本物理概念
  現在有大量非高電壓專業的人員轉入防雷行業或做防雷管理工作,他們對一些重要的雷電物理現象不了解。所以有必要在此予以補充說明:
 ?。?)電二次效應(雷電電磁脈沖效應)和直接雷擊效應要分清
  雷電直接擊中地物和防雷裝置,檢驗它的標準是10/350μs雷電流波,它按電流源分析計算,按統計規律處理;雷電在接地線上、在電氣線路上耦合產生的是電壓波,這些線路上的電流受線路參數和絕緣性能的影響,它與雷電波不同,過去我們稱之為雷電二次效應,還有人稱之為“感應雷”,現在我們稱之為雷電電磁脈沖,英文是surge,它的檢驗電流標準是8/20μs。8/20μs與10/350μs的雷電流波形都是人為制定的檢驗防雷器件的標準,前者用于內部防雷,后者用于外部防雷,這是不能混淆的。提出SPD1用10/350μs的“電流標準”,這就混淆了內部防雷與外部防雷的差別;混淆了流出與流入建筑物的電流方向。雷電電磁脈沖是雷電電磁耦合產生的,不是雷電流分流產生的。電源系統中怎么能排放不變形的10/350μs雷電流呢?這些在沖擊接地的實驗研究中是有結論的,是電工原理的基礎問題。
 ?。?)高電壓與低電壓電波傳播過程是不同的
  高電壓下絕緣物的表面產生電離現象,不能夠用電阻或電感限制雷電流;在低電壓下能夠用電阻或電感限制電流。高電壓雷電波在輸電線上傳輸,必然產生電暈和三相均勻傳播雷電波的現象,以及沿著線路對地放電(擊穿絕緣子)而產生截波的現象。所以輸電線上不可能不變形地傳輸10/350μs的雷電流波,所以雷電流的估算要在三相中平均分配。然而,在低電壓的線路中脈沖電流波形在傳輸過程中會變得越來越平緩,沒有截波現象,不僅有10/350μs的電流波形標準,還有10/700μs和10/1000μs的電流波形檢驗標準。在低電壓三相電路中可能出現不平衡電流,有時要用線間的過電壓保護器件去做暫態連接。有人故意混淆這些區別,為他們給SPD1規定的10/350μs的雷電流波形檢驗標準辯護,然而這是徒勞的,騙不了人。  
5.結論

我們認為不能全盤照抄IEC建筑物防雷標準,應該吸收它的合理部分,去偽存真,有批判地吸收

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