雷电防护标准化的现状和若干问题的探讨

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雷电防护标准化的现状和若干问题的探讨

蒋容兴 上海电器科学研究所（ 200063 ） 摘要 　　本文主要介绍中国雷电防护的发展和雷电试验的相关标准。内容有雷电防护的现状、中国雷电防护工程的标准化的发展和必要性、在 SPD标准中的争论和雷电防护标准间的协调，以及产品上常见的技术问题分析。 1. 中国雷电防护的发展现状与标准化 1.1 中国雷害的概况 　　文 [1] 统计， 2000~2001 二年中，在中国雷电灾害造成了人员伤亡共 1661 起，和造成直接经济损失 1000 万元以上有五例， 100 万元以上有二十九例，每年平均损失约数十亿元。 　　雷电灾害主要发生在电力、电信、广播电视、金融证券、石化、交通、建筑等行业。 　　灾害最严重的省市为广东、福建、云南、山东、广西、江西、江苏和上海等。 1.2 雷电防护标准化的必要性 　　中国进入 21 世纪以来，以信息产业作为国民经济支柱产业之一，并以信息化带动工业化为发展方针。目前计算机电子系统和网络的应用已遍及各行业、各部门，乃至家庭，数量与日惧增，因此，雷电防护的标准化已成为十分必要和紧逼的任务。 1.3 雷电防护产品的现状 　　1990 年前后，国内仅有较少工厂生产小 In 的 SPD 产品，并在军工，通信等项目采用。 　　1995 年以后，德法国英美等国产品纷纷进入中国市场，并在重要工程中使用。 　　2000 年前后，国内有许多工厂开始生产 SPD 产品。但规模大的工厂少。 1.4 雷电防护的标准化 　　按照中国的国家技术政策，“在编制新的国家标准时，有 IEC 标准的，应等同采用 IEC 国际。如现有标准修订时，也应采用新的 IEC 标准”。因此我国新编 SPD 的国家标准，与 IEC61643.11 是等同的；在《建筑物防雷设计规范》修订中，则引入了 IEC 的防雷电电磁脉冲、防雷和滚球法等内容。由于中国各地区和各行业存在不同的雷害酷度和技术要求，因此，容许使用它们自己的行业标准。以下列出雷电防护有关的二个国家标准和几个广泛使用的行业标准： 　　1) GB50057-94 （ 2000 修订版）《建筑物防雷设计规范》（国家标准）； 　　2) GB18802.1-2002 《低压配电系统用的电涌保护器》（国家标准）； 　　3) DL/T620-1997 《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（国家电力公司标准）； 　　4) YD5098-2001 《通信局雷电过电压保护工程设计规范》（信息产业部标准）； 　　5)YD/T1235.1 ， 2-2002 《通信局（站）低压配电系统用电涌保护器技术要求和试验方法》（信息产业部标准）； 　　6)GA173-2002 《计算机信息系统防雷保安器》（公安部标准）； 　　7)GA267-2003 《计算机信息系统防雷电电磁脉冲安全保护规程》（公安部标准）； 　　8) QX10.1-2002 《电涌保护器性能要求和试验方法》 ( 气象局标准 ).. 　　以上标准，有的与 IEC 相关的标准等同、有的局部等同、有的一分为二、有的合二为一、有的自成一套。 　　IEC 雷电防护标准的趋势如何？我们怎样能动态跟踪，缩短与 IEC 间的差距？以 TC81 为例，今后的趋势是： 　　1) 标准体系的变化更趋合理化。过去的标准存在相互分割的情况，今后将由下表所列的 IEC62305.1~5 替代。 TC81 标准体系的变化表 新出版物 NO. 替代的出版物 评估出版期 IEC62305-1 雷电防护：总则 IEC61024-1-1 、 2 2004 IEC62305-2 雷电防护：风险评估 IEC61662+A1 2004 IEC62305-3 ：对建筑物伤害和生命的危害 IEC61024-1 2004 IEC62305-4 ：建筑物内电气和电子系统 IEC61312-1 、 2 、 3 、 4 2004 IEC62305-5 雷电防护：公共设施 IEC61663-1 、 2 2005 　　注： 1.IEC61024 系列 - 建筑物雷电防护主要是直接雷。 IEC61024.1 《总则》、 IEC61024.1-1 《保护水平选择》、 IEC61024.1-2 《防护系统设计安装、维护及检查》 　　2.IEC61312 系列 - 建筑物雷电防护主要是感应雷。 IEC61312-1 《雷电电磁脉冲防护》、 IEC61312-2 《建筑物屏蔽、内部搭接、接地》、 IEC61312-3 《电涌保护器要求、级间配合》、 IEC61312-4 《建筑物设备的保护》、 IEC61312-5 《应用导则》 　　3.IEC61662 《风险评估》、 　　4.IEC61663 通信线雷电保护。 　　2) IEC62305 则把雷电保护手段结合起来考虑。 IEC32305-1 （通则）和 IEC62305-2 （风险评估）对 IEC62305-3~-5 均有效。特点是 　　◆　先评估、后防护。（计算与软件）全部公式化、程序化，按数据对建筑物的保护方式进行评估。 　　◆　电气和电子系统的防护，包括了电器和电子系统的保护。脉冲耐压：电力系统为 1.5-2.5-4-6KV ，电子系统为 0.5-1-2-4KV 。 　　3)对 SPD 选择和安装提供了完整的信息。对电力线和电子信息均有效， 同样给出了接地、等电位、屏蔽、合理布线等，并可多种组合。早先标准化的捆绑式的 LPS 由先评估后的灵活组合代之。系统保护水平 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的Ⅰ，扩展至电子系统 　　1.5 试验站 　　可进行 SPD 低压大电流放电试验室二个，已有 10/350 100KA 和 8/20 150KA 脉冲电流发生器、脉冲电压发生器和其它型式试验设备；而且更多的试验室将建成并能进行试验。因此，各种类型的 SPD 无论是家用或其它更重要的产品，均能进行全部试验。 2. 选用中几个问题的探讨 　　2.1 冲击电流 Iimp （ I 级试验电流） 　　在建筑物雷电防护方面，争论最大的问题是 Iimp （ 10/350 ）的引入， Iimp 主要是测量雷电数据的统计，并经数学分析和规范化而得出的一个长波的脉冲试验电流。但作为建筑物内的雷电保护器 SPD 考核试验，则对以 Iimp 进行的，存在以下疑问： 1 中国电力系统中避雷器标准参照 IEC TC37 标准规定的是（ 8/20 ），已沿用数十年，避雷器能非常可靠满足系统避雷的要求。 2. 应考虑在建筑物的普通工程中，雷电流为（ 10/350 ）进户的概率有多少？线遭雷击时，低压电力线上避雷器就会形成多点放电，引入户内第一级 SPD 处的雷电流为何？ 3. 在建筑物遭雷击时，内部存在着复杂的电流通道和各种管线（铁管、金属构件等），典型电流波形到底是什么？ 4. 在 IEC61643 中， I 类试验的项目中大多数内容仍以（ 8/20 ）来进行，如 Up 和动作负载的予处理试验等。为此，建议 SPD 与避雷器采用统一的方法便于比较。（ 10/350 ）的试验作资料性和派生性的项目。 　　2.2 脱离器特性 　　在 IEC61643.1 条款 7.7.1 中 SPD 脱离器的动作负载耐受试验。要求试验时，脱离器不应动作；试验后，脱离器应能正常工作。 　　在 IEC61643.12 中图 12SPD 和过电流保护器间的电涌协调性和条款 6.2.4.3 ，当 SPD 和过电流保护器配合时，在 In 时，过电流保护器不动作；当电流比 In 大时，动作是正常的。 　　我们在脱离器和后备过电流保护间的配合方面还能做什么？ 3. 雷电防护标准的协调性（各 TC 之间） 　　3.1TC37 和 TC37A （ 户外与户内） 　　TC37 为避雷器技术委员会，主要为户外电力线路上用，大多为高压避雷器。而 TC37A 为电涌保护器分技术委员会，主要为户内和户外，电压至 1000 伏。二委员会中，户外用的避雷器和户外型的电涌保护器用途是相同的，但考核性能的要求相差甚大，避雷器为， 1.5~5KA ， 8/20 ，而 SPD 则为， 15~25 KA ， 10/350 ，甚至更大。应予协调。 　　3.2 标准中试验项目的相互协调 　　TC37A 的 IEC61643.1 标准中要求的试验项目过多，应与 TC37 的 IEC60099. 和 TC37B 的 ZnO 的要求相互协调。 　　此外，对多种 Uc 和 In ，如何确定典型规格、 SPD 插拔式模块的插拔力应规定多少？ IEC61643.1 中未予规定。. 4. 产品上常见的技术问题分析 　　4.1 SPD 并联技术中脱离器的设计 　　大容量 SPD Ⅱ 级产品Ｉ max 要求达到 100 、 160kA ，当前解决办法有采用大阀片或小阀片多片并联。前者属非标产品，而后者可设计为模数化结构的标准产品，便于与其他模数化产品协调配合。 　　SPD 的多片并联的基础是阀片（ MOV ）性能和内阻抗的一致性，在国外 MOV 采用真空机械操作无人化生产，产品性能一致，使并联回路均流良好；在国内， MOV 采用人工压制和测试性能进行选配来组成。 　　当前，在 SPD 并联技术中脱离器的构成有二种：美国威尔公司、德国 ABB 公司、 Hager 公司和法国 Citel 公司是每一 MOV 阀片电路均有一脱离器，可指示该电路 MOV 是否劣化。在国内，发现二至四片 MOV 阀片并联后合用一脱离器的情况很多，这能否保证产品性能达到 GB18802.1 中 7.7 条的要求？即 热稳定试验 、动作负载耐受试验、短路电流耐受能力试验、暂态过电压故障试验、 TOV 特性试验等。 　　脱离器由二部分组成，温度热熔断器和短路断路器，温度热熔断器关系密切的考核项目是热稳定试验，合格判别标准： 试验时 SPD 表面温度应总是低于 120 o C, 在脱离器动作后 5 分，表面温度应低于 80 o C 。 今分析如下： 　　MOV 阀片电路均有一脱离器，表面温度常指其出线端处， 　　　　　　θ=kQ1 /C1S1 　　如四片 MOV 阀片并联 　　　　　　θ=kQ4 /4C1 X4S1； 　　　　　　Q4=16Q1 　　式中： θ 为 MOV 阀片温度， 　　　　　　k 为散热系数 　　　　　　Q1 和 Q4 分别为一片和四片，有一片劣化时脱离器动作需要的热量， 　　　　　　C1 为一片的热容量， 　　　　　　S1 为一片的散热面。 　　上式显示 θ=120 o C 时，二种情况是不一样，相差很大。

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