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中国建筑物防雷的演变及其特点
发布人:admin  发布时间:2011-11-17
1.我国建筑物防雷技术在20世纪50年代以前的情况

  在上世纪50年代以前,我国的防雷技术是向日、美、前苏联和德国等国家的技术规范学习的,其中重要的参考资料有[1、2]两本书。根据我国的实际情况,电力部门颁发有相关的技术规范[3],那时建筑部门还未制订防雷规范,只是有一些单位(如北京市建筑设计院研究室)写的技术交流资料。当时建筑物防雷的主要技术形式是避雷针,由于参照前苏联的防雷规范做,设计的避雷针又长又多,与我国的建筑艺术和结构形式很不协调。此时,我国的防雷学者已经认识到雷电反击的危险,采用了如图1所示的防雷模型。



 
图1 20世纪50年代以前的中国建筑物防雷模型

 
  从图中可以看出,内部防雷以隔离方式为主,考虑直接雷击建筑物时的反击高电压,规定电气设备与防雷导线相隔S≥3m;考虑进线引入高电位的袭击,还规定室内灯头必须高于人身d≥1.2m;此时,防雷接地与电气设备接地多为分别独立接地,它们之间的最小距离也是3m。由于沿进线引入的雷电事故多于直接雷击的事故,所以,有人建议过进线杆应当做绝缘子接地的防雷措施,实际上我国采用钢筋混凝土杆送电,它正好具有这种防高电位引入的性能,钢筋混凝土杆的基础接地电阻具有接地散流的作用。

  在1958年以后,我国逐步开展了建筑物防雷的研究,这些研究结果应用在天安门城楼的防雷和人民大会堂的防雷工程中,并以中国科学院电工所和北京市建筑设计院合编的名义,写成了《民用建筑物防雷保护》一书(1962年出的第一版)。我们倡议推广避雷带和避雷网的防雷形式,在钢筋混凝土建筑物中应用法拉第笼的防雷形式;我们倡议采用共用接地网,埋地电缆段的进线方式等,这些防雷新技术与电力部门防雷学者的研究不谋而合,形成了50年代后期防雷技术的基础。

  2.我国建筑物防雷技术在二十世纪五十年代以后的情况

  在60~70年代我国进行过重要的防雷实验研究有:火箭的防雷,石油储罐的防雷,微波塔(站)的防雷,雷达站的防雷和通信大楼的防雷等,进行这些防雷研究曾动用大量的试验设备,有些是在建筑物和构筑物的实体上进行的。遗憾的是由于文化大革命的影响,有些实验没有很好地总结。在80-90年代我们还进行了故宫古建筑群防雷的研究和雷电电磁脉冲防护的研究。我国的防雷学者自主提出的防雷理论有:DSBGP(分流、屏蔽、搭接、接地、保护)综合系统学说[4],建筑物防雷设计的六项重要因素学说[5],防雷保护系统的三道防线学说[6]等。我国重要的建筑物采取的防雷方式如图2和图3所示。

 

 
图2 智能建筑物遭受雷击时雷电散流的示意图   图3 中国城区的建筑物的配电模型

 
  我国制订的有关建筑物防雷的规范(导则)、条款和规定有以下三大特点:

  (1)视高电位引入和高电位引出(即低电位引入)的危险,所以我国采用电缆段进出线或用埋地铁管穿线的电路。严格禁止把电力线、电话线固定在避雷针上或装有避雷针的架构上。在内部防雷方式上,重视隔离与连接的合理运用。

  (2)雷电的二次效应(即雷电电磁脉冲)的危害,重视实际钢筋混凝土建筑物的屏蔽能力不足的问题[7]。通常钢筋框架结构的屏蔽效能只有3-15dB,现浇密网钢筋混凝土为32dB,而电子设备要求的有效屏蔽性能应该为98dB以上。所以我们建议或规定室内电路要穿铁管敷设,铁管要按电磁闭锁的原理两端接地。我们没有“开窗、开门对屏蔽室ds的隔离距离”的要求。我们对LPZ(雷电保护分区)的看法也与IEC不同,我们认为应以电气节点(或屏蔽层面)为分界面,而不是以隔墙为分界面。我们提议要合理布线,即采用综合布线的规范。

  (3)建筑物都应有合格的进出线防雷保护,智能大楼最危险的雷电波,来自天线和地电位反击高电压。其解决办法是等电位连接、屏蔽和安装SPD。SPD的敷设应根据绝缘配合的要求进行,考虑SPD的残压及其保护距离因素,其安装位置和级数要合理。SPD的容量应按分流后的脉冲雷电波的幅值选定, In波形按8/20μs选定,要重视后续雷击雷电流的高陡度造成电磁感应过电压的危险。

  3.我们对IEC建筑物防雷规范中一些问题的异议

  最近我们又得到IEC 62305的有关资料,其中对雷电防护区的模型表述如下:

  

     1 建筑物          S1 雷击建筑物
       2 接闪器          S2 雷击建筑物的邻近区域
       3 下引线          S3 雷击入户公共设施
       4 接地系统         S4 雷击入户公共设施的邻近区域
       5 入户公共设施       R 滚球半径
       s 防危险火花之间的间隔距离 ○ 雷击等电位连接(SPD)
       LPZ0A 直接雷击,全部雷击电流
       LPZ0B 间接雷击,局部雷击电流或感应电流
       LPZ1 间接雷击,局部雷击电流或感应电流
       在LPZ1内部的保护空间必须考虑到具有s间隔距离



 

    图4 由雷电防护系统(LPS)定义的雷电防护区(LPZ)(参见IEC62305-3)

  

       1 建筑物(按LPL1屏蔽)     S1 雷击建筑物
       2 接闪器            S2 雷击建筑物的邻近区域
       3 下引线            S3 雷击入户公共设施
       4 接地系统           S4 雷击入户公共设施的邻近区域
       5 房间(按LPL2屏蔽)      R 滚球半径
       6 入户公共设施         ds 防极高磁场的安全距离
       ○ 雷击等电位连接(SPD)
       LPZ0A 直接雷击,全部雷击电流,全部磁场
       LPZ0B 间接雷击,局部雷击电流或感应电流,全部磁场
       LPZ1 间接雷击,局部雷击电流或感应电流,受衰减的磁场
       LPZ2 间接雷击,感应电流,进一步受衰减的磁场
       在LPZ2内部的保护空间必须考虑到具有安全间距ds


    图5 针对LEMP的防护措施所定义的雷击防护区(LPZ)(参见IEC62305-4)

 
  我们对IEC规定的上述建筑物防雷模型提出质疑,认为IEC规范仍然保持了它在雷电流分流模型中的错误,即IEC 1312-1(雷电电磁脉冲的防护)第一部分一般原则(通则)第3.4.1.1条推荐的所谓“进入建筑物的各种设施之间的雷电流分配”模型图6(如图6所示)。



 

图6 “进入”建筑物的各种设施之间的雷电流分配模型图

(GB50057《规范》[1]图6.3.4-1及IEC 1312-1 Figure 13)

 
  我们认为IEC建筑物防雷规范存在以下4问题:

  (1)讲反击和防范反击

  只要把图1和图6对比,就可以明了IEC防雷规范没有把反击问题当作重要的事,向电源系统排放雷电流是一种非正常的行为,它可能把雷电流传播到1~2km的附近建筑物内,扩大雷击事故。许多防雷培训班在讲述图4防雷模型图时,没有警示电源线不应该固定在与接闪器相连的构架上,没有讲明架空线必须与防雷导体(接闪器、引下线)保持足够的绝缘距离。通过SPD向线路中输送雷电流是不能允许的,更不能提倡这样做。

  (2) 不讲用电缆段屏蔽

  IEC防雷规范不讲用电缆段屏蔽,所以才出现向电源系统反灌雷电流问题。德国防雷学者对铁管的屏蔽作用做过深入地研究,提供了重要的实验和理论分析数据[8]。我们曾经一再询问有什么根据否定了铁管的屏蔽作用,却得不到切实的有实验根据的回答。用电缆段敷设进出线和穿铁管敷设进出线是防范雷电波引入和引出的有效方法。

  (3) 不讲室内用铁管布线

  图4和图5都标示了ds隔离距离的要求,钢筋混凝土建筑物在开门、开窗的情况下,ds的距离一般为5~7m,实际上这样的隔离无法施行。试问,一个10m×10m的微波站,或较大的18m×25m的调度大楼,四面都有门窗,还怎么安装仪器和设备?实际建筑物内的电磁环境是复杂的,有些隐蔽工程环境不容易搞准,建筑物内的线路和设施还可能变动。按规范给出的算法,要确定各种隔离距离和实现这些隔离距离是很难做到的。所以,我们提出室内的电气线路都要用铁管屏蔽,屏蔽管的两端要就近接地,还要充分利用仪器柜的屏蔽效应。

  (4) 不讲SPD的保护范围

  IEC规范只讲三级SPD如何接法,不讲SPD的保护距离(范围),不讲脉冲波传播的理论与计算方法。这就误导人们按稳态电工理论去处理暂态电工过程,从而导致乱装SPD。这只能给防雷开发商大量推销SPD以口实,对防雷保护往往并无实际意义。一个SPD的保护距离在10m以上,试问,如何在10m×10m的微波站内安装三级SPD,又为何安装这么多SPD?许多技术先进国家不赞成用开关型SPD,因为它有动作时延长和短路接地的性能,或者它不能先于MOV动作,或则引起系统电磁震荡引发高电压。而规范中把开关型SPD作为SPD1的首选部件。难道这些错误的做法我们也要学习吗?

  4. 搞乱了的基本物理概念

  现在有大量非高电压专业的人员转入防雷行业或做防雷管理工作,他们对一些重要的雷电物理现象不了解。所以有必要在此予以补充说明:

  (1)电二次效应(雷电电磁脉冲效应)和直接雷击效应要分清

  雷电直接击中地物和防雷装置,检验它的标准是10/350μs雷电流波,它按电流源分析计算,按统计规律处理;雷电在接地线上、在电气线路上耦合产生的是电压波,这些线路上的电流受线路参数和绝缘性能的影响,它与雷电波不同,过去我们称之为雷电二次效应,还有人称之为“感应雷”,现在我们称之为雷电电磁脉冲,英文是surge,它的检验电流标准是8/20μs。8/20μs与10/350μs的雷电流波形都是人为制定的检验防雷器件的标准,前者用于内部防雷,后者用于外部防雷,这是不能混淆的。提出SPD1用10/350μs的“电流标准”,这就混淆了内部防雷与外部防雷的差别;混淆了流出与流入建筑物的电流方向。雷电电磁脉冲是雷电电磁耦合产生的,不是雷电流分流产生的。电源系统中怎么能排放不变形的10/350μs雷电流呢?这些在冲击接地的实验研究中是有结论的,是电工原理的基础问题。

  (2)高电压与低电压电波传播过程是不同的

  高电压下绝缘物的表面产生电离现象,不能够用电阻或电感限制雷电流;在低电压下能够用电阻或电感限制电流。高电压雷电波在输电线上传输,必然产生电晕和三相均匀传播雷电波的现象,以及沿着线路对地放电(击穿绝缘子)而产生截波的现象。所以输电线上不可能不变形地传输10/350μs的雷电流波,所以雷电流的估算要在三相中平均分配。然而,在低电压的线路中脉冲电流波形在传输过程中会变得越来越平缓,没有截波现象,不仅有10/350μs的电流波形标准,还有10/700μs和10/1000μs的电流波形检验标准。在低电压三相电路中可能出现不平衡电流,有时要用线间的过电压保护器件去做暂态连接。有人故意混淆这些区别,为他们给SPD1规定的10/350μs的雷电流波形检验标准辩护,然而这是徒劳的,骗不了人。

  5.结论

  我们认为不能全盘照抄IEC建筑物防雷标准,应该吸收它的合理部分,去伪存真,有批判地吸收,还要继承我国自创的先进防雷技术。笔者提供的上述报告很不完善,很多地方还有遗漏不完善。我希望青年学者们发挥独立创新的精神,深入地做些实验工作。按照建筑物的电气线路的实际情况进行分析和实验,不要总是跟着别人的脚步走,不要接受别人的误导,敢于相信自己的分析和实验研究结果。这样才是正确的学习态度,才符合与时俱进。改革创新的精神。

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