关于反击雷电流问题的讨论

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摘 要 《建筑物防雷设计规范》GB50057-94 2000年局部修订条文第6.3.4和6.4.7条与IEC相当规范不同，否定电缆段的屏蔽效用是错误的。这是造成当前我国防雷过电压保护器SPD通流容量标准混乱的根源。
关键词 建筑物防雷 防雷规范 屏蔽效用
《建筑物防雷设计规范》GB50057-94 2000年局部修订条文(以后简称修订条文)已经公布，其主要内容是增加了防雷电电磁脉冲的条款。这对我国的防雷事业是一个重要的贡献，它介绍和规范了国内和国外防雷研究的最新成果，总体上是很好的。但是有一些条文的制定有失误，修订条文第6.3.4和6.4.7条与IEC相当的规范条文不同，它否定了电缆段的屏蔽效用。我认为这一错误是造成当前我国防雷过电压保护器SPD通流容量标准混乱的根源。笔者提出这个问题与从事防雷工作的同行讨论。
一、 关于反击雷电流的讨论
建筑物遭受雷击时在雷击点的地电位产生浮动，其电压值可达几百千伏，在那里的电气设备绝缘有被击穿的危险，采用SPD(浪涌保护器)暂态等电位联结的办法可使那里的电气设备免于损坏。一栋建筑物的雷电耗能渠道要设计好，其防雷接地电阻值不宜太大，要防止雷电流向电源系统反灌的危险。修订规范图6.3.4-1(见图1)提醒人们对雷电反击问题的重视，这是非常重要的，但作为估计反击雷电流的分配则只适用于架空线的场合；不适用于有屏蔽电缆段的场合。在架空线引入的建筑物中要采用通流容量按10/350μs雷电流波形规范的1级SPD来宣泄这些电流，这么一来，整个配电网络的保护要求都要跟着提高，我国电力配电网现在采用的按8/20μs雷电流波形规范的MOV都要改换。这可不是一件小事，我们必须讨论清楚。
图1 反击情况下建筑物雷电流的分配（架空线配线的情况）
反击雷电流是向外流走的，智能建筑物内为等电位没有反击雷电流。SPDl吸收90％雷电能量是对侵入雷电波说的，不是对反击雷电流说的。在反击情况下智能建筑物内的SPD没有1、2、3级之分。在架空线引入和引出的情况下建筑物遭受雷击，反击雷电流是事故向外部扩大的根源。我国建筑物广泛采用经铁管穿线引入电源线的办法，这种进线方法有电磁闭锁的作用，对引入雷电波和外泻雷电流都有保护作用。我已经详细地介绍过它的原理和性能[1]。IEC 1312-1的第3.4.1.1条明确写有"对屏蔽电缆，电流将沿屏蔽层流走"的说明，在电缆的芯线中没有10/350μs的反击雷电流排出。 修订条文第6.3.4条将有关部分改为"对有屏蔽的电缆，绝大部分的电流将沿屏蔽层流走"，并增加了第6.4.7条，后者是IECl312-1所没有的条文。修订条文第6.4.7条规定："当线路有屏蔽时，通过每个SPD的雷电流可按上述确定的雷电流(即第6.3.4条的规定确定通过SPD的10/350μs雷电流幅值)的30％考虑"，由于这两条规定，所以有人认为"屏蔽不能减少雷电侵入波和反击"[2]。这样一来就把SPD的10/350μs雷电流幅值的规定硬性地加在我国配电网上，笔者认为这是不合理的。这一规定将促使防雷设计人员选用过大容量的SPD，而忽略了从加强屏蔽的角度去保障系统的安全。
IEC 61312-3规范图例都是对架空线说的，因为图例中电缆的屏蔽层没有两端接地。对于电缆的屏蔽层两端接地的情况IEC 61312-3没有涉及。在广东省防雷中心编译的IECl312《雷电电磁脉冲的防护》三个文件的译者前言中说明"其中IECl312-2，IECl312-3均属工程轮廓文本"，即属于草稿，不是正式文本。
IEC61643-1(1998-02)《连接低压配电系统的浪涌保护器，第一部分：性能要求和试验方法》中规定配电SPD通流容量为20kA(8/20us)。IEC标准的编辑不能不知道反击雷电流的厉害，这种矛盾情况说明，当前我们不问有无屏蔽电缆段一律按IEC 1312-3规范图例做计算来选定SPD的通流容量是不合理的。用屏蔽电缆和铁管穿线做进出线段是使雷电流不从芯线外流的有效办法。采用电缆段防范反击雷电流的破坏，王时煦先生老早在人大会堂的防雷工程设计中就采用了这一做法，我们曾箸书从1961年起对这一做法宣传至今。我们在《建筑物防雷设计》[3]一书中再次引用了清华大学在1958年进行的试验，说明防雷接地与变压器工作接地共用，采用电缆段供电才是安全的，在建筑物遭到雷击时才无发生反击扩大事故的危险性。我国电力系统采用这些措施防雷效果显著，采用电缆加铁管双重屏蔽进出线保证了电站和变电站所的防雷安全。我国配电系统按8/20μs雷电流波形通流容量为20kA规范的MOV做防雷效果良好，有甚么雷击事故统计说明要按修订条文改变现有电网的防雷规范呢?世界上许多发达国家都未采用通过SPD的10/350μs雷电流这种过分的规定，我们应该慎重考虑它对我国防雷事业的影响。
二、关于电缆屏蔽效果的讨论
修订条文第6.4.7条规定："当线路有屏蔽时，通过每个SPD的雷电流可按上述确定的雷电流(即第6.3.4条的规定确定通过SPD的10/350μs雷电流幅值)的30％考虑"，此条不是IEC规范的条文。修订条文的制订者应说明此条制订的依据。听说有人将电缆两端短路通电，工频情况下电缆内外各有50％电流。这种试验是不足为证的，因为雷电是脉冲过程，不是稳态过程。如果真的要做试验那就应做埋地电缆段的脉冲放电实验，埋地铁管应按我国供电线路厚壁铁管的实际情况模拟。读者请参看许颖先生的《电缆段的雷电分流》[4]一文。该文例举的实验装置是：电缆段总长142 m,其中埋地段长97m，实验中冲击电流发生器的电容为25.5μF，电缆首端接地电阻为4.3Ω，电缆末端接地电阻为0.4Ω，冲击电流发生器输出的电流波形为一波头约为10μs，总波长约为30μs的短脉冲。该实验原来是为发电机防雷进线段保护做的，其实验结论按发电机防雷指标论述。笔者按文[4]数据和曲线总结对建筑物防雷而言可归纳为：
1. 电缆首端在同样电流下，电缆末端芯子对地电压在电缆埋入土中时比不埋入土中低。电缆埋入土中其外表皮的泄流效应相当与一伸长接地体，电流越大，电缆外皮向土中的泄流效应就越大。
2. 电缆埋入土中时沿电缆长度测得电缆外皮电压的分布：在冲击电流发生器输出电流为10，660A时，埋地15m处的电缆外皮电压降到电缆首端电压的50%以下；埋地30m处的电缆外皮电压降到28%；埋地50m处电缆外皮电压降到19%。
3. 末端电缆芯线和末端电缆外皮间的电压仅为1.1V。
我们对IEC各项文献必须全面、准确地了解。有人提出文献[7]第189页上的说明称"在屏蔽电缆的情况下，屏蔽层的两端应与地直接或经SPD等电压连接。在这种情况，流经电缆的雷电流的大部将流入屏蔽层（典型值50%），小部分将流入电缆内部的导体"。他们误认为"典型值是50%是指屏蔽层与电缆内部导体各流50%，规范修订条纹第6.4.7条规定的30%比50%少了20%。"这是极大的误解！"典型值是50%"是指图1中进入"建筑物的各种服务性管线"与"接地装置"各流过雷电流的50%（我们对这种毛估的方法有不同看法，暂且我们当作它是对的）。IEC的多项文件认为图1的毛估办法是典型的，同时多项文件又说电缆屏蔽层流过大部分雷电流，小部分流入电缆芯中。难道"大部分"和"小部分"是各占50%吗？当前防雷学术界有不管物理模型、不分物理过程乱套公式的（包括计算机软件），现在又出现了乱套本本的毛病。让我们都谨慎起来，消除这种浮躁的心情。
三、 关于SPD通流容量标准的讨论
近年来国外一些防雷厂家来我国推销大通流容量的SPD，说是按IEC标准要用10/350μs波形雷电流规范SPDl。然而世界上大多数国家都没有采用这种"过于极端"[5]的标准。按IEC61643-1(1998-02)标准配电SPD通流容量为20kA(8/20μs)。德国市区配电线路广泛采用地下电缆，很少用架空线。所以笔者怀疑德国也未必全部按10/350μs的规定在建筑物内装SPDl。否定电缆段的屏蔽效果，盲目提高SPD通流容量的思潮来源于：
1.对防雷的措施没有信心；
2.商业利益的趋动。
许多新参加防雷工作的人不了解我国防雷事业开端于电力系统防雷。有人说我国大学没有防雷专业，其实我国大学电机系高电压工程专业就是防雷专业。LEMP只不过是一个新名词，它的实际工作内容早就在电力系统防雷工程中研究了。文[6]介绍了我国在上个世纪70年代对长沙长话大楼做的雷击模拟试验研究结果。这些结果对防雷工作者必须一读。人们只有对事物有实践经验和有全面了解，才能觉得心中有底，才能对所做工作有信心。我相信文[6]对防雷工作者建立完整的雷击物理模型，采取有的放矢的防雷措施，增加工作信心会有帮助。
10/350μs的规定不适用于有屏蔽电缆段进出线的建筑物防雷。如果硬性推行10/350μs的标准容易引发盲目提高SPD通流容量、增加安装SPD数量、增加防雷工程成本的结果；SPD是消耗品、运用不当可能成为事故和频繁假报警的根源，徒然增加运行成本、并不能保障防雷系统的安全。
四、 结论
1. 修订条文第6.4.7条规定："当线路有屏蔽时，通过每个SPD的雷电流可按上述确定的雷电流(即第6.3.4条的规定确定通过SPD的10/350μs雷电流幅值)的30%考虑"，此条不是IEC规范的条文。它与我国的防雷试验结果不合，应于重新审订。
2. SPD的雷电流通流容量应参考多数科技先进国家的防雷标准制订，择善而从。可以区分不同情况分设条文，如按孤立建筑或建筑群、架空线或电缆线进出线区别对待。
参考文献
[1] 马宏达，论铁管布线的防火、防雷和防雷电电磁脉冲的作用，建筑电气，1999，18(2)；12-16
[2] 叶蜚誉 等，建筑物电源电涌保护设计若干问题，《雷电防护标准化学术研讨会论文集》，全国雷电防护标准化技术委员会秘书处编， 2002年；46
[3] 王时煦 马宏达 陈首鑫，《建筑物防雷设计》，中国建筑工业出版社，1980，9；136-141
[4] 许 颖， 电缆段的雷电流分流，《交流电力系统用的金属氧化物避雷器和过电压保护及绝缘配合》，电力工业部电力科学研究院，北京，1997年；158-170
[5] 林维勇，中美建筑防雷专家对话，CHINA防雷，2002，08；28-31
[6] 曾永林，智能大楼雷电电磁脉冲的防护设计，雷电防护与标准化，2002年第1期；42-48
[7] IEC61643-12：2002 Low-voltage Aurge protective devices-Part 12: Surge protective devices connected to low-voltage power distribution systems-Selection and application principles.

 

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