IEC建筑防雷标准和我国建筑防雷国家标准中的几个急需纠正的错误和问题

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刘 继 中国电力科技开发中心 张纬钹 清华大学电机与应用电子技术系高压教研室 孙嘉平 中国电力信息中心 刘炳文 铁道部北京铁路局 赵建国 水利部信息中心 一．问题的提出 IEC建筑防雷标准中存在一些技术错误、可靠性（其反面是风险率）畸高畸低和相互不协调之处，我国建筑防雷国标主要来源是IEC标准，而有一些并非IEC标准却又说是引自IEC标准。这两个标准有一个共同点，就是一些重要数据缺乏论证依据和试验依据，而带有主观随意性。如建筑物SPD1一级保护最大通流能量的确定方法，和引入建筑物埋地电缆屏蔽层对SPD1放电电流限制作用如何考虑等都存在问题；而对雷击建筑物时可能造成的设备绝缘反击问题（高土壤电阻率地区、山地，特别是建筑物面积较小，如40×40m2、30×30m2及以下的机房）则两个标准均未作规定。这还涉及反击过程中室内一级、二级、三级保护的动作先后和放电电流大小是随机的，由外往内放电电流逐级减少的顺序失去意义；只在一层或某层设3级保护，如何防止上面各层的反击等等。结果是用建筑防雷IEC标准其低压220V SPD成为全世界通流容量最大，不仅是比同级配电网MOV大好多倍，而且比各国220kV高压MOV（30kA）高，甚至比500kV超高压MOV（80kA）还高，而试验波形又首次选用10／350μs波形，其能量比以往增大到20－22倍之多，以至价值百元级的保护器现在初辄几千、几万元一只。如此畸形的标准若长期使用下去，会给国家造成多大的浪费？每年几千万元，还是上亿万元？我们这样一个发展中国家，难道成为吸引全世界低压保护器小厂都来中国销售世界最“豪华“的小型保护器，拳头大小售几万元，相当于220kA、500kA级，2m高、5m高的2万元、5万元一台MOV，而多数厂家不具备制造后者的条件，却来大发“洋财”，这种咄咄怪事，号称中国防雷专家，不该汗颜？难怪一位不久前从法国回国的防雷专家有这样的感慨：“相信这种各国厂家都来中国销售世界最昂贵而国外都不使用的保护器的状态，几年后总会有明白人出来结束这种状态！”因此，我们呼吁，全国高电压及防雷工作者和有关管理部门应认真研究这一问题及早得出正确的结论。呼吁同行们展开讨论，尽早结束这种状态。但应说明，标准中虽有以上问题需要研究解决，但对其总体上的正确性和权威性不应怀疑，应该严格贯彻执行。 二．IEC和建筑防雷国际中SPD1通过电流计算方法中存在的混乱和错误 IEC1312－1 1995和建筑防雷国标GB50057－94第六章（2000年新增版）图 6.3.4－1给出了计算SPD1电流的方法，其原则是雷击建筑物时，50％的电流从接地装置入地，其余50％的电流由引入建筑物的电源线、电话线和电缆流出，这种电流分布经验数据是来源于大量实测，还是针对典型情况所作的计算？根据我们对电路的分析，实际情况要比以上假定复杂得多，不同情况的电流分配变化很大，需要专门进行研究。 2.1 错误之（1）：这里首先假定它是正确的，但按其选建筑物内的SPD1却是不正确的。 GB50057说明，按照第Ⅰ类试验方法（即 10／350μs波形）的SPD在界面处，但界面就是墙，总不能把保护器装在墙上开出的专用小窗上吧？较为合理的是装于墙内，但这就不符合SPD1的条件，按该标准就不必采用10／350μs波形，IEC1312和国标以及标准制订者本人一开始就认定一级保护要用10／350μs波形（有的IEC制订者来华作技术交流时就是这样说的，而且有时还要100kA的电流值），那样就只好装于墙外了，在墙外露天安装？还是在配电线引入处安装？需知，多数情况下后者已是供电局所属的配电室或配电变压器低压侧MOV，它执行IEC避雷器标准和我国电力设备国标GB11032－2000（电力部与机械部协商制订的，参照IEC避雷器标准中的低压配电避雷器标准）。上个世纪，IEC和我国电力国标一直采用最大通流容量25kA，2001年又参照IEC新标准最大通流容量降至9kA。对于这一标准，电力部门部分专家认为，现在MOV制造水平提高，很容易达到25kA，降至9kA并没有多大经济效益，因为220V每只MOV才25－30元。但制造部门认为，多年运行证明极少发生因超过25kA而引起MOV损坏的事故，所以采用IEC配电避雷器新标准9kA是合适的。关于暴露在露天，直接承受直击雷的作用，世界各国配电网运行满意的25kA，本来应当是建筑物防雷首先应该考虑的经验数据，IEC1312制订者和我国GB 50057制订者却无视这一重要经验而要从头开始选用建筑物内MOV的通流是和试验用波形，实在令人费解。 2.2 错误之（2）：由以上分析，电流向建筑物外流出的50％电流应该流向何处？如果说是流向界面处的SPD1（该标准中的文字说明应该是这样），可是，不论是装于墙内小窗，还是装于墙上的外侧，按规定其接地都应该与建筑物接地连接在一起，并实施局部等电位连接，可是这样SPD1的电流就只能流回室内而不是那50％电流从引入电线流出，流到远方，这与本图的意义相矛盾了。然而，按条文只能是流到远方，亦即流到供电局所辖的低压配电室的SPD了。可见，从选定SPD1的电流位置看，要么图1是错误的，按它选不出采用10／350μs的在墙界面处SPD的电流值，因为墙内小窗上和外面墙上的SPD其接地都是与建筑接地连接，不属于向外流的电流；要么这电流是流向供电局的配电室或配电变压器低压侧的MOV，而这已属电力部门安装管理，且执行电力国家标准。 2.3 错误之（3）：图1只是科普的通俗示意图，它不符合严格的工程图的要求，不能用于标准。因为雷直击建筑时，与接地连接的管道可以如图所示，电流流向外面，而各种电线则应表示建筑结构的高电位击穿导线绝缘，电流才能流到外面去，图中需补画金属结构向导线击穿的电弧，亦即反击电流的电弧。还有另一种情况，就是地电位升通过各个SPD向导线反击放电，从电线流到外面去（计算方法见后）。后一工况在图中则应补上代表SPD的动态电阻（一般0.05-0.15Ω连接于地网与导线之间），通过它才能连接导线将电流引向外面。 2.4 问题之（4）：GB500057中规定：“尚应考虑各种设施引入建筑物的雷电流。应采用以上两值的较大者”这是正确的。但国标却只算第一种情况，而未见到针对第二种情况所作的计算。为什么？ 三．雷击建筑物时SPD1放电电流的计算 我们不是IEC和中国国标制订者，限于物力和经费等条件，无法对某些参数进行实测，更难于按实际情况通过整体系统的冲击大电流试验（过去我们进行过类似规模的试验，例如作者指导广西电力试验研究所在一次国家重点课题的高达36－38kA大型冲击电流试验中，其试验设备总重达40吨之多），所以这里只能进行近似的估算，用以指出应当采用的正确方法和近似的放电电流数值。 3.1 电线、电缆发生的反击和绝缘击穿 这时直击雷电流通过各种电线向外的分流是由各电线的波阻抗决定的（通过L、C的分布参数，在远方接地）。 3.1.1 在一层地面附近击穿架空线绝缘 雷击建筑物击穿电线或电缆的绝缘（很长线路的情况，即末端反射波未到达其幅值的情况）。 a）按线路波阻抗散流情况计算 对很长的架空配电线，估计其多导线波阻抗Z＝100~200Ω，从严，取100Ω，则对Ⅰ、Ⅱ类建筑物，其从配电线引出的电流为： 对Ⅰ类建筑物，I＝200kA，按图1 按装3只SPD计算，每只电流 i1＝i01/3＝（2~4）/3＝0.67~1.3kA 对Ⅱ类建筑物，I＝150kA i01≌150×（1~2）/100＝1.5~3kA 每只SPD的电流 i1＝（1.5~3）/3＝0.1~1kA＜＜25kA｛（国标6.4.7算例中的值） 对后续雷击37.5kA b）近似按稍短线路的电感集中参数计算（假设线路长度为波头值80％时反射波到达击穿绝缘点）参考[1]，考虑很高电压下导线上的波速为光速的75％，即υ＝0.75×300＝225m/μS；反射波到达击穿绝缘点时，线路长度为： 对I1，τ=10μS，则 　 对应80％波头长的时间 l1=0.8×1125=900m 该线路单位长度的电感为100/225＝0.44μH/m．该900m的电感为L＝0.44×900=396μH． 建筑物从地面处击穿绝缘往下到0电位面处的电感，由文[2]按M.B.KOCTEHKO可取相当地面下有5~10m引下线的电感，估计一座建筑物（以塔楼为例）的电感约为0.3-0.4μH／m，可取此电感为4μH。这样，就相当于雷击点向两侧电路分流的等值电路。 计算此电流分布，实质上是雷击点两侧分别为（L1＋R1）电路与（L2＋R2）电路的电流分流问题。早在1973年8月，作者在参与修订过电压与接地国家标准和规程时，就在世界上首次导出了雷击避雷线时电流向两侧分流以及该点电压和对被保护物的安全距离的计算公式[3]，并列入1976、1979和1997年等各版本的标准中，这里与[1][4]不同之处是：当时是以导线长度表示，这里是以电感表示。 雷击点到地的电位U可以从该点向1点和2点分别按 求得，且两者应当相等，由此可以列出下列微分方程： 解之得出 积分 此处I1为流向“1”侧的电流，代入（3）式，即可算出分流系数。 上式简化后可求出 当雷电流达到峰值，即t＝τz时，其分流系数 下面计算长架空线路的引出电流的分流系数（τ1＝10μS）： 此处I1为流向“1”侧的电流。 由上可知，一路架空线路引出的电流为总电流的1－β1＝1－0.979＝0.021，即2.1％。 对Ⅱ类防雷建筑，I1=150kA。则一路线路引出电流为 i01 =0.021×150=3.2kA. 这与前面按Z=100Ω无穷长架空线导出的R=1Ω和2Ω时 i01=1.5kA和 i01=3kA是很接近的，后一结果数值稍大是因为线路长度缩短20%，可见两种算法都是正确的和可信的。 我们还可假设一个重要用户有两路配电线引入，有两路架空电话线引入，并近似都按上述分流值估计，则总的引出电流也只有 iΣ ≌ 4×3.2kA= 13kA 或即 iΣ = 4×2.1% = 8.4% ＜＜50% （IEC和国标中算例认为的数值） 可见两个标准中的这项重要数据应当重新研究和修改。 记得有德国的几位防雷专家曾介绍DEAN公司，ORO公司等的经验数据、雷击建筑物时，流过建筑物的金属结构和接地装置的电流为50%，这其余50%又分别由电线和管道平分，即各流25%。作者认为这是科普性的粗略说法，它与各种条件有关，不可能是固定的百分数。事实上，也没有人拿出不同条件实测的电流值，不过，其中管道分流是会占很大比重，我们计算如后。 c）管道引出电流的计算 管道波阻Zp缺乏具体数据，但它会比高电压电缆的阻抗小，而与铁路轨道的波阻Zr相近，即 Zp ＜ 20~50Ω（高压电缆的波阻） Zp ≌ 10~20Ω（铁路轨道的波阻） 按上列数据估计两条管道上下水管道、煤气管道共3条，此处仅按两条计算的分流值，每条取Zp=15Ω，则 一般是每个管道都是引进和引出，这样，两种管道就是两进两出。其中：两个引进和引出管道的波阻（平行n根，其并联值应为该 ）分别为： 两进与两出的并联值为 管道的引出总电流为 这相当总电流的 此数再加各种电线的分流，特别是其中又有电缆时，那分流数就会约为50%。 仔细查阅，IEC和建筑国标中实际上已指出，引出的50%电流的包括了管道的引出电流，而在计算例中却又忘记了这部分电流，而是把架空线引出的电流过份夸大了，造成不小的错误。当然，作为国际标准和国家标准，取用科普性的粗略数订成标准，各种情况都执行一个平均数，这本身就是不正确的，是不能允许的。 3.1.2 在楼顶击穿架空线绝缘 假定楼高H=80m，其电感L=0.3%×80=24μH（估计单位长度电感为0.3μH/m），一路电源线由一层引到远方。按楼内未用金属管屏蔽时计算，因此时引出电流最大。 Ⅱ类防雷建筑，I1=150kA楼顶电压： 一路电源线分出的电流 为R = 1Ω时 i1 ≌ U/Z = 510/100 = 5.1kA R = 2Ω时，i1 =6.6kA 可见比一层击穿绝缘时的电流稍大，即使有独立的双路电源线和独立的双路电话线，且近似均各有上述的引出电流，则电线总的引出电流为： i1Σ = 4i1 = 4×6.6 = 26.4 kA 占总电流的百分比 若各电线均按规定穿入接地铁管，则只是反击电压驱动外泄电压，按反击系数最大值K= 0.15，最大引出电流也只有 ，占总电流的3%。 由以上计算可知，IEC和建筑国标中规定的电线引出电流50%，无论是在底层击穿绝缘还是在楼顶击穿等绝缘，都不可能引出这样多的电流。只有加上几条管道引出电流，才可能接近50%。 3.1.3 击穿长电缆线绝缘（屏蔽层在建筑物外无良好接地，如悬挂式电缆。） 长电缆是指2.6~10μs波头的LEMP从末端SPD反射回来时，来波已达到波峰值的长度，波在电缆中传播速度约为光速的一半，即约为0.5×300 = 150m/μs，即l1 = （2.6~10/2）×150 = 190~750m，对Zτ= 0.25μs波头，l2 = （0.25/2)×150 = 19m。低压配电电缆的波阻，当三相传播雷电波时，其每相波阻估计 z c = 5~10Ω，本计算取较小值5Ω。 雷击建筑物时在一层（地面）击穿绝缘时，Ⅰ类建筑物外远方SPD所通过的电流为： 取SPD的动态电阻rd = 0.1Ω则 因这是近似计算，取39kA，若按电缆与建筑物分流详算，可证明R = 2时，也不会达到80kA。 3.2 地电位升通过SPD向外散流 3.2.1架空长配电线 这是最经常出现的雷击建筑物工况，每次雷击建筑物都会通过SPD把部分电流引到建筑物以外。 对Ⅰ类防雷建筑物：I1 = 200kA，SPD（MOA型）的动态电阻rd ≌ 0.05~0.2Ω (较大值用于几千安小电流情况）雷击时地电位升反作用于建筑物内MOV，并通过它向所连线路的远端SPD放电。线路经L、C分布参数在远方SPD接地。因为此时是三相SPD同时动作和通流，所以采用三相线路同时传播雷电波时的综合波阻，此值估计为100Ω（日本40年代已实测出单相进行波下单相配电线阻为200~400Ω），建筑物内和建筑物外远端的两组SPD与线路波阻串联，需计入两者的动态电阻rd，故3相SPD的总电流为 远小于GB50057中的电流。 3.2.2 架空短配电线（无 l≥15m地埋电缆段） 属于这种情况的有：经一小段架空线接于配电室或配电变压器低压侧，假定此段线路长度为：建筑物墙高3m，进户线15m，加一档配电线和引下线直到通过SPD接地共约40m。则此线段的三相电感为（三相波阻100Ω，波速0.75c = 0.75×300 = 225m/μs）： 末端SPD的动态电阻与室内SPD相同，均为0.1Ω，末端的冲击接地电阻R=2Ω，则R2=0.1+2=2.1Ω； 建筑物放电回路的电感L1 = 3μH，R1 = （1~2）+0.1Ω。按前面分流系数公式计算分流系数， τ= 10μs时 故一组SPD2 的总电流为 iΣ2 = (1－β)I = (1－ 0.85)×200 = 30kA 每只SPD的电流i = 30/3 = 10kA。 3.2.3 长电缆，悬挂式安装，屏蔽层无良好接地。 三相电缆单相传播雷电波，波阻Z c = 5~10Ω，此处取5Ω，则按地电位升计算，取反击系数 K = 0.15 （作者1974年指导花木桥水电站实测220V电缆的反击系数最大值）每只SPD　 一般建筑物，如砖用结构建筑物，无有效屏蔽作用，则无屏蔽的电缆 K = 1.0 ，故每只SPD　 取38.5kA为最大值（理由如下，并见上述）。 若有3条独立的线路引到远方，则3条电缆引出总电流iΣ = 3×(38.5~77) = 116~231kA。后者＞200kA（雷击总电流），说明需再按与建筑物分流的条件详细计算两者进行比较： 3条电缆的波阻 Zc =（5~10）/3 = 1.7－3.3Ω，建筑物R1 = 1~2Ω。 当R1 = 2Ω时，电缆分流值最大，此时 比较上述两个结果，这应为3条电缆的SPD（接于电缆的首端和末端），每只放电电流为102/3=34kA这可能是接于各种位置、各种线路中SPD遇到的最大的电流，故应明确规定： 建筑物引出的电源电缆和通信信号电缆，其屏蔽层的两端必须接地，其中间还应做多点（3点以上）接地。否则，两端所接SPD的放电电流可能很大，以致超出其按正常情况的选用值。在通信、信号地缆尤其如此，必须特别注意。 3.2.4 电缆埋地敷设，且层蔽层有良好接地。 此时电流绝大部分由电缆屏蔽层流走，芯线中的电流较小，可略去不计。 如果电缆较短，如100m左右，则根据电力系统中保护旋转电机使用电缆保护线段的方式和几十年的实测和运行检验，芯线末端MOV通过的电流约为无屏蔽层限流作用时的10%。 3.2.5各种工况下，SPD通过的最大电流归纳列于表1。 表1 雷击建筑物时室内引出不同结构电线、电缆所装SPD的放电电流（I1 = 200kA） * 这种情况虽属违反国家标准（强制性标准[8]、[9]、[10]，但在我国各地现仍属常见。表中将其电流值加上（ ）号。电力部门早在1954年全国执行屏蔽层两端和中间接地[11]，1956年过电压保护导则[12]，1976、1979年规程[13]加入标准，在工程中执行。