外部防雷與內(nèi)部防雷的區(qū)別——馬宏達(dá)

1、外部防雷與內(nèi)部防雷的區(qū)別中國科學(xué)院電工研究所馬宏達(dá)摘要：說明現(xiàn)代電信大樓防雷的三個子系統(tǒng)及雷電能量的耗散過程，從而說明外部防雷和內(nèi)部防雷的區(qū)別。用波動電磁理論分析電信大樓的雷電過程才能正確估量系統(tǒng)的雷電參量，才能做出得當(dāng)?shù)木C合防雷的設(shè)計關(guān)鍵詞：綜合防雷LEMP波動電磁理論一、LEMP和內(nèi)部防雷概念的產(chǎn)生 LEMP(雷電電磁脈沖防護(hù))是信息技術(shù)發(fā)展后的產(chǎn)物，由于電子元件耐受雷電電磁脈沖的能力很低，避雷針防雷方式不足以保護(hù)電子設(shè)備的安全，新的防雷措施要能消除雷電電磁脈沖的干擾和破壞。所以發(fā)展了包括法拉第籠、分流、屏蔽、搭接即等電位連接)、接地和過電壓保護(hù)等的綜合防護(hù)措施共同保障電子設(shè)備的安全。文1

2、形象的把這些防雷措施歸納成防雷的三個子系統(tǒng)：“第一個子系統(tǒng)是接閃、引流和接地散流防護(hù)系統(tǒng)，這是第一道防線，就好象防洪中的主干泄洪道；第二個子系統(tǒng)是阻塞侵入雷電波進(jìn)入機(jī)房的防護(hù)系統(tǒng)，這是第二道防線，就相似防洪中的堤壩(在這里是電氣堤壩，是由電感元件構(gòu)成，如電纜屏蔽效應(yīng)或隔離變壓器等)；第三個子系統(tǒng)是限制被保護(hù)設(shè)備上的雷電過電壓的防護(hù)系統(tǒng)，這第三道防線就類似防洪中的排澇系統(tǒng)。這第三道防線中的保護(hù)元件有放電管、壓敏電阻器、避雷器、電容器等。這三道防線各有其責(zé)，缺一不可，不存在誰代替誰的問題，只是視微波站的大小，設(shè)備多少，具體情況不同，那道防線設(shè)置防護(hù)元件多少不同而已”。如果從消散雷電能量來看，可以參

3、看圖1。圖1 電信大樓的進(jìn)出及其直擊雷防護(hù)系統(tǒng)示意圖當(dāng)進(jìn)線前端遭受雷擊時，雷電70-90%的能量消散在前端避雷器接地和埋地電纜段中，并從那里入地。進(jìn)入建筑物內(nèi)的雷電能量已大為減弱。當(dāng)雷擊大樓法拉第籠時，雷電70-90的能量消散在法拉第籠及其接地網(wǎng)上，包括埋地電纜段和地下管網(wǎng)上，從電纜芯線中溢出的雷電能量很少。筆者曾用都江堰水利工程的防洪原理來比附這種電磁屏蔽的原理2秦朝李冰父子在玉壘山下利用“寶瓶口”引水到內(nèi)江灌溉農(nóng)田，為了洪水不到內(nèi)江泛濫，在“魚嘴”處使岷江分流，利用水下山脊做“飛砂堰”使洪水到來時擴(kuò)大分流，“寶瓶日”在洪水到來時發(fā)揮瓶口效應(yīng)阻止洪峰侵人，達(dá)到灌溉和防洪的雙重目的。這個水利工

4、程的功能與用鐵管穿線屏蔽電源線路和信息電路的道理是一樣的。前文我們已用波動電磁理論分析過電纜段進(jìn)線防雷的原理，本文不再重復(fù)。這里只強(qiáng)調(diào)說明用波動電磁理論分析電信大樓的雷電過程才能正確估量系統(tǒng)的雷電參量。二、外部防雷與內(nèi)部防雷雷電流波形的區(qū)別外部防需是相對內(nèi)部防雷提出的概念，它是指建筑物外部，包括線路和構(gòu)筑物遭受雷擊的情況。在直接遭受雷擊的物體上雷電流能量要按規(guī)范附錄六有關(guān)規(guī)定估算。直接雷擊的標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形是10/350s，它的使用范圍包括：接閃器尺寸的確定、輸電線尺寸的確定、儲油罐壁厚的確定等等。在分析直接雷擊事故中也要用到有關(guān)規(guī)定，如雷擊無防雷設(shè)施的建筑物造成的內(nèi)外導(dǎo)線斷裂和蒸發(fā)現(xiàn)象和森林雷

5、電火災(zāi)等。內(nèi)部防雷雷電流波形是8/20s，它不是從直接雷擊電流波形中選定的。它是作為檢驗防雷器件耐雷擊能力的一種通用標(biāo)準(zhǔn)，它代表的是經(jīng)過分流和衰減的雷電流波，線路靜電感應(yīng)過電壓波和防雷導(dǎo)體(如避雷網(wǎng)、避雷帶和防雷引下線等)通過雷電流時對其附近電氣導(dǎo)線的電磁感應(yīng)過電壓波。8/20s電流波包含的能量僅相當(dāng)于同樣幅值10/350s電流波能量的二十分之一3。長期以來電力系統(tǒng)在LEMP計算中surge的波形用的都是8/20s,智能建筑物的LPZ1區(qū)及其內(nèi)部使用的雷電流計算波形也是8/20s。文4分析了低壓配電線路的耐雷水平，指出：“計算表明，對于200kA的雷擊電流一般能連續(xù)使6-7基電桿對地放電，在過

6、去的運(yùn)行經(jīng)驗中也曾發(fā)生過連續(xù)10基電桿對地放電的情況”。從配電線侵入的雷電波經(jīng)過沿途的衰減不會維持10/350s的波形，再經(jīng)過電纜段的阻塞進(jìn)人建筑物內(nèi)的侵入波通用8/20s波形規(guī)范。建筑物遭受雷擊時電纜段的芯皮電磁藕合使內(nèi)芯電流波受到阻塞，并迫使電流波從外皮散流，電纜芯內(nèi)不會有大的雷電流排出。建筑物接地環(huán)內(nèi)為等電位，電纜芯皮處于等電位狀態(tài)，帶放電間隙的SPD1不能啟動。文3和4都指出規(guī)范第6.4.7條混淆了選用內(nèi)部防雷和外部防雷雷電流波形的區(qū)別，筆者認(rèn)為它還錯在否定法拉第籠和電纜段的屏蔽作用。三、關(guān)于德國的建筑物典型雷電流分配圖圖2“進(jìn)入”建筑物的各種設(shè)施之間的雷電流分配（規(guī)范圖6.3.4-1

7、及IEC 1312-1 Figure 13）圖3進(jìn)入外部設(shè)施（TT系統(tǒng)）雷電流分配的例子6（Figure l.1）IEC建筑物防雷的各項文獻(xiàn)一致采用圖2做“進(jìn)入”建筑物的各種設(shè)施之間的雷電流分配的估算。此圖的標(biāo)題有重要錯誤，應(yīng)該標(biāo)題為雷擊建筑物向各種外部設(shè)施宣泄電流的分配示意圖。這一簡化雷電流分配圖作為避雷針防雷方式下反擊雷電流破壞作用的科普宣傳是適當(dāng)?shù)模坏遣荒苡糜诜ɡ诨\防雷方式下雷電流分配的估算。因為它沒有顯示電纜段和法拉第籠的屏蔽作用，沒有顯示各分支線路的波阻抗。它用集中參數(shù)的電路處理脈沖放電過程是不合理的。同樣道理TEC61312-3的規(guī)范圖例也都沒有考慮電纜和法拉第籠的屏蔽作用；也

8、沒有用波動電磁理論做計算，而是用集中參數(shù)電路做計算，這都是不合理的。由于以上錯誤，按上述圖例計算的雷電參數(shù)與實驗和運(yùn)行經(jīng)驗不一致。尤其是圖2標(biāo)題的錯誤誤導(dǎo)了某些人，他們誤認(rèn)為反擊雷電流是流向建筑物內(nèi)部的，所以雷達(dá)站的內(nèi)部過電壓保護(hù)要一律安裝一級保護(hù)SPD1,其通流容量為I-PEAK=10-20kA,IEC規(guī)范組已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這點(diǎn)錯誤，文件6對圖2作了改進(jìn)，見圖3。但是此圖中仍然沒有標(biāo)出雷電流將沿電纜外皮瀉出，也沒有按波動電磁理論標(biāo)出各分支線路的波阻。法拉第籠外瀉雷電流的正確電路示意圖應(yīng)如圖4所示：圖4雷擊法拉第籠時雷電流沿各種外接設(shè)施的分配法拉第籠內(nèi)部的導(dǎo)體處于等電位狀態(tài)，如果有振蕩電流發(fā)生也不會

9、超過10kA(8/20s)，用鐵管穿線足以把這種振蕩電流屏蔽掉。SPD的3級保護(hù)是對侵入雷電波說的，在反擊情況下法拉第籠內(nèi)部的導(dǎo)體處于等電位狀態(tài)，此時SPD的多級保護(hù)不是按級次動作，而是按啟動電壓大小隨機(jī)動作。SPD1的啟動電壓高，它在此情況下是不會動作的。一則內(nèi)部過電流不大，沒有安裝SPD1的必要；二則它在高地電位反擊情況下不會動作，所以筆者認(rèn)為安裝SPD1是沒有意義的。文5和4從模擬雷擊實驗和理論計算兩方面給出了比較正確的分析，可供讀者參考。四、SPD通流容量應(yīng)以耐受多重雷擊的能力標(biāo)定大多數(shù)為多重閃擊，用一次耐雷的Im (雷電流幅值)檢驗和標(biāo)志是不科學(xué)的，應(yīng)用多次(2次以上)的耐雷電流值檢

10、驗和標(biāo)志。耐多重雷擊的能力仍按In標(biāo)志，檢驗波形為8/20s。文7指出SPD的通流容量相當(dāng)一種資源儲備，我國企業(yè)可以生產(chǎn)In為40-60kA及更高通流容量的SPD，價錢也不貴，可以適當(dāng)提高SPD的通流容量標(biāo)準(zhǔn)，以備多次雷擊的通流容量的儲備。但是通流容量儲備的選定要有切實地運(yùn)行統(tǒng)計分析和正確的理論指導(dǎo)，不能盲目地按某些防雷公司的宣傳提高SPD的通流容量標(biāo)準(zhǔn)。建筑物的防雷，不論直擊雷防護(hù)還是進(jìn)線雷電波防護(hù)都要把散流和屏蔽這兩道防線做好，將雷電能量盡可能地降下來，在此基礎(chǔ)上才能談得上SPD保護(hù)，即第3道防線的保護(hù)。參考文獻(xiàn)1 許穎，微波通信站的防雷保護(hù)，微波通信站的防雷保護(hù)研討會講義，電力部電力科學(xué)

11、研究院，北京青河，1994年5月，1-5頁； 2 馬宏達(dá)，建筑物防雷及雷電電磁脈沖防護(hù)在廈門防雷研討會發(fā)言，(2000年廈門市防雷研討會文集,2000年2月，70頁； 3 區(qū)健昌，對IEC61312中的雷電流參數(shù)質(zhì)疑,CHINA防雷,2003,05,7-11頁； 4 劉繼等，IEC建筑物防雷標(biāo)準(zhǔn)和我國建筑物防雷國家標(biāo)準(zhǔn)中的幾個急需糾正的錯誤和問題,CHINA防雷，2003,04和05期： 5 曾永林，智能大樓雷電電磁脈沖的防護(hù)設(shè)計，雷電防護(hù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2002年第1期42 -48；6 IEC 61643-12: 2002, Low-voltage surge protective devices-Pa