外部防雷与内部防雷的区别马宏达

外部防雷与内部防雷的区别中国科学院电工研究所马宏达摘要：说明现代电信大楼防雷的三个子系统及雷电能量的耗散过程，从而说明外部防雷和内部防雷的区别。用波动电磁理论分析电信大楼的雷电过程才能正确估量系统的雷电参量，才能做出得当的综合防雷的设计关键词：综合防雷LEMP波动电磁理论一、LEMP和内部防雷概念的产生LEMP(雷电电磁脉冲防护)是信息技术发展后的产物，由于电子元件耐受雷电电磁脉冲的能力很低，避雷针防雷方式不足以保护电子设备的安全，新的防雷措施要能消除雷电电磁脉冲的干扰和破坏。所以发展了包括法拉第笼、分流、屏蔽、搭接〔即等电位连接)、接地和过电压保护等的综合防护措施共同保障电子设备的安全。文[1]形象的把这些防雷措施归纳成防雷的三个子系统：“第一个子系统是接闪、引流和接地散流防护系统，这是第一道防线，就好象防洪中的主干泄洪道；第二个子系统是阻塞侵入雷电波进入机房的防护系统，这是第二道防线，就相似防洪中的堤坝(在这里是电气堤坝，是由电感元件构成，如电缆屏蔽效应或隔离变压器等)；第三个子系统是限制被保护设备上的雷电过电压的防护系统，这第三道防线就类似防洪中的排涝系统。这第三道防线中的保护元件有放电管、压敏电阻器、避雷器、电容器等。这三道防线各有其责，缺一不可，不存在谁代替谁的问题，只是视微波站的大小，设备多少，具体情况不同，那道防线设置防护元件多少不同而已”。如果从消散雷电能量来看，可以参看图1。图1电信大楼的进出及其直击雷防护系统示意图当进线前端遭受雷击时，雷电70-90%的能量消散在前端避雷器接地和埋地电缆段中，并从那里入地。进入建筑物内的雷电能量已大为减弱。当雷击大楼法拉第笼时，雷电70-90％的能量消散在法拉第笼及其接地网上，包括埋地电缆段和地下管网上，从电缆芯线中溢出的雷电能量很少。笔者曾用都江堰水利工程的防洪原理来比附这种电磁屏蔽的原理[2]秦朝李冰父子在玉垒山下利用“宝瓶口”引水到内江灌溉农田，为了洪水不到内江泛滥，在“鱼嘴”处使岷江分流，利用水下山脊做“飞砂堰”使洪水到来时扩大分流，“宝瓶日”在洪水到来时发挥瓶口效应阻止洪峰侵人，达到灌溉和防洪的双重目的。这个水利工程的功能与用铁管穿线屏蔽电源线路和信息电路的道理是一样的。前文我们已用波动电磁理论分析过电缆段进线防雷的原理，本文不再重复。这里只强调说明用波动电磁理论分析电信大楼的雷电过程才能正确估量系统的雷电参量。二、外部防雷与内部防雷雷电流波形的区别外部防需是相对内部防雷提出的概念，它是指建筑物外部，包括线路和构筑物遭受雷击的情况。在直接遭受雷击的物体上雷电流能量要按《规范》附录六有关规定估算。直接雷击的标准雷电流波形是10/350μs，它的使用范围包括：接闪器尺寸的确定、输电线尺寸的确定、储油罐壁厚的确定等等。在分析直接雷击事故中也要用到有关规定，如雷击无防雷设施的建筑物造成的内外导线断裂和蒸发现象和森林雷电火灾等。内部防雷雷电流波形是8/20μs，它不是从直接雷击电流波形中选定的。它是作为检验防雷器件耐雷击能力的一种通用标准，它代表的是经过分流和衰减的雷电流波，线路静电感应过电压波和防雷导体(如避雷网、避雷带和防雷引下线等)通过雷电流时对其附近电气导线的电磁感应过电压波。8/20μs电流波包含的能量仅相当于同样幅值10/350μs电流波能量的二十分之一[3]。长期以来电力系统在LEMP计算中surge的波形用的都是8/20μs,智能建筑物的LPZ1区及其内部使用的雷电流计算波形也是8/20μs。文[4]分析了低压配电线路的耐雷水平，指出：“计算表明，对于200kA的雷击电流一般能连续使6-7基电杆对地放电，……在过去的运行经验中也曾发生过连续10基电杆对地放电的情况”。从配电线侵入的雷电波经过沿途的衰减不会维持10/350μs的波形，再经过电缆段的阻塞进人建筑物内的侵入波通用8/20μs波形规范。建筑物遭受雷击时电缆段的芯皮电磁藕合使内芯电流波受到阻塞，并迫使电流波从外皮散流，电缆芯内不会有大的雷电流排出。建筑物接地环内为等电位，电缆芯皮处于等电位状态，带放电间隙的SPD1不能启动。文[3]和[4]都指出《规范》第6.4.7条混淆了选用内部防雷和外部防雷雷电流波形的区别，笔者认为它还错在否定法拉第笼和电缆段的屏蔽作用。三、关于德国的建筑物典型雷电流分配图图2“进入”建筑物的各种设施之间的雷电流分配（《规范》图6.3.4-1及IEC1312-1Figure13）图3进入外部设施（TT系统）雷电流分配的例子[6]（Figurel.1）IEC建筑物防雷的各项文献一致采用图2做“进入”建筑物的各种设施之间的雷电流分配的估算。此图的标题有重要错误，应该标题为雷击建筑物向各种外部设施宣泄电流的分配示意图。这一简化雷电流分配图作为避雷针防雷方式下反击雷电流破坏作用的科普宣传是适当的；但是不能用于法拉第笼防雷方式下雷电流分配的估算。因为它没有显示电缆段和法拉第笼的屏蔽作用，没有显示各分支线路的波阻抗。它用集中参数的电路处理脉冲放电过程是不合理的。同样道理TEC61312-3的规范图例也都没有考虑电缆和法拉第笼的屏蔽作用；也没有用波动电磁理论做计算，而是用集中参数电路做计算，这都是不合理的。由于以上错误，按上述图例计算的雷电参数与实验和运行经验不一致。尤其是图2标题的错误误导了某些人，他们误认为反击雷电流是流向建筑物内部的，所以雷达站的内部过电压保护要一律安装一级保护SPD1,其通流容量为I-PEAK=10-20kA,IEC规范组已经发现了这点错误，文件[6]对图2作了改进，见图3。但是此图中仍然没有标出雷电流将沿电缆外皮泻出，也没有按波动电磁理论标出各分支线路的波阻。法拉第笼外泻雷电流的正确电路示意图应如图4所示：图4雷击法拉第笼时雷电流沿各种外接设施的分配法拉第笼内部的导体处于等电位状态，如果有振荡电流发生也不会超过10kA(8/20μs)，用铁管穿线足以把这种振荡电流屏蔽掉。SPD的3级保护是对侵入雷电波说的，在反击情况下法拉第笼内部的导体处于等电位状态，此时SPD的多级保护不是按级次动作，而是按启动电压大小随机动作。SPD1的启动电压高，它在此情况下是不会动作的。一则内部过电流不大，没有安装SPD1的必要；二则它在高地电位反击情况下不会动作，所以笔者认为安装SPD1是没有意义的。文[5]和[4]从模拟雷击实验和理论计算两方面给出了比较正确的分析，可供读者参考。四、SPD通流容量应以耐受多重雷击的能力标定大多数为多重闪击，用一次耐雷的Im(雷电流幅值)检验和标志是不科学的，应用多次(2次以上)的耐雷电流值检验和标志。耐多重雷击的能力仍按In标志，检验波形为8/20μs。文[7]指出SPD的通流容量相当一种资源储备，我国企业可以生产In为40-60kA及更高通流容量的SPD，价钱也不贵，可以适当提高SPD的通流容量标准，以备多次雷击的通流容量的储备。但是通流容量储备的选定要有切实地运行统计分析和正确的理论指导，不能盲目地按某些防雷公司的宣传提高SPD的通流容量标准。建筑物的防雷，不论直击雷防护还是进线雷电波防护都要把散流和屏蔽这两道防线做好，将雷电能量尽可能地降下来，在此基础上才能谈得上SPD保护，即第3道防线的保护。参考文献[1]许颖，微波通信站的防雷保护，《微波通信站的防雷保护研讨会讲义》，电力部电力科学研究院，北京青河，1994年5月，1-5页；[2]马宏达，建筑物防雷及雷电电磁脉冲防护——在厦门防雷研讨会发言，(2000年厦门市防雷研讨会文集》,2000年2月，70页；[3]区健昌，对IEC61312中的雷电流参数质疑,CHINA防雷,2003,05,7-11页；[4]刘继等，IEC建筑物防雷标准和我国建筑物防雷国家标准中的几个急需纠正的错误和问题,CHINA防雷，2003,04和05期：[5]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；[6]IEC61643-12:2002,Low-voltagesurgeprotectivedevices-Part12:Surgeprotectivedevicesconnectedtolow-voltagepowerdistributionsys-tems-Selectionandapplicationprinciples,page189；[7]许颖，WGMOA正名和新技术条件要求，中国雷电与防护，2003,No.2，第2页。