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 雷電電磁脈沖防護及SPD選擇(建筑)

陳  謙

(山東意匠建筑設計有限公司，濟南市  250022)

摘要：根據(jù)雷電流的分量特征，分析雷電電磁脈沖的防護要點。結合IEC各委員會的相關文件，討論建筑物電源引入處SPD的選擇，并介紹IEC雷電防護委員會(TC81委員會)技術進展和工作方向。

 關鍵詞：電氣、電子系統(tǒng)：雷電電磁脈沖( LEMP)；雷電電磁脈沖防護措施(SPM)；正極性短

時間雷擊；雷電流分配；電涌保護器(SPD);I級試驗電涌保護器

中圖分類號：TU895    doi:   10. 3969 /j. issn. 1003 - 8493. 2016. 06. 003

0  引言

    GB／T 21714.1- 2015／IEC 62305 -1:2010《雷電防護第1部分：總則》引言指出：迄今為止，尚無設備和方法阻止雷電的發(fā)生。雷電作為隨機發(fā)生的自然災害，可能產(chǎn)生三種基本的損害類型：①對人和動物的傷害；②物理損害，包括火災、爆炸、機械損壞、化學品泄漏等；③雷電電磁脈沖導致內(nèi)部系統(tǒng)失效。

    減少雷電對生命、財產(chǎn)造成的損失，屬于外部和內(nèi)部雷電防護系統(tǒng)( LPS)的范疇。雷電電磁脈沖導致內(nèi)部系統(tǒng)（電氣、電子系統(tǒng)）失效主要原因在于：

    a．熱效應：電涌電流流過阻性元件，發(fā)熱增多導致質(zhì)變，產(chǎn)生熱故障，造成元件損毀。

    b．  閃絡效應：電涌電流在導線兩端產(chǎn)生感應電壓，電壓幅值達到一定程度，擊穿線間絕緣和空氣間隙，發(fā)生閃絡現(xiàn)象。

    工頻電流流經(jīng)以上損害路徑，發(fā)生嚴重短路，導致電氣、電子系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生物理損害。避免雷擊造成電氣、電子系統(tǒng)失效，保障其正常工作，屬于雷電電磁脈沖防護（簡稱SPM）。

雷電防護示意見圖1。

    設置SPD是重要的雷電電磁脈沖防護措施，從阻隔電涌沖擊的角度，在建筑物電源進線處設置SPD至關重要。實際選擇中會遇到一系列問題，如大氣過電壓的影響、雷電流分量的種類和特性、SPD的試驗波形之爭、埋地低壓線路SPD選擇、SPD的通流容量計算、風險評估的發(fā)展，以及IEC防雷標準的工作方向等等，本文將對這些問題進行探討。

1  雷電電磁脈沖損害

    雷電電磁脈沖( LEMP)包括閃電電涌和輻射電磁場。

    閃電電涌源于閃電擊在電氣裝置和線路的部分雷電流，以及閃電靜電感應或者雷電電磁效應引發(fā)的過電壓、過電流的瞬態(tài)波。雷電流在導體內(nèi)流動產(chǎn)生電場，在導體內(nèi)變化產(chǎn)生磁場，交互變化的電場和磁場產(chǎn)生電磁波，并向周圍發(fā)射或泄露形成輻射電磁場。

1.1  雷電損害類型

    雷電危害產(chǎn)生過程中，雷電流是直接或間接的損害源。比較而言，遠端雷擊的大氣過電壓威脅相對較小，僅依靠設備自身的耐沖擊電壓值足以防范，不需要特別的過電壓保護措施。

    雷擊產(chǎn)生雷電電磁脈沖的方式有以下幾種：①直接雷擊，部分雷電流侵入電氣、電子系統(tǒng)；②間接雷擊，通過電阻耦合、電感耦合和電容耦合方式侵入電氣、電子系統(tǒng)。電阻耦合包括直接傳導和公共阻抗耦合，其作用相對顯著。電容性耦合的作用比電感性耦合小得多，可不考慮。

    根據(jù)雷擊點相對建筑物的位置，IEC標準提出應考慮S1~S4四種損害類型，見圖2。該圖常用于計算機仿真設計，將復雜的雷擊建筑內(nèi)部系統(tǒng)轉換為雷擊等效電路圖，以便獲取雷電點準確的預期等效電涌電流值。

    直接雷擊的雷電流幅值和能量較大，需要引起特別關注。在S1和S3情況下，建筑物或線路遭到直接雷擊，部分雷電流直接進入建筑物內(nèi)部系統(tǒng)。由此引發(fā)的過電壓和過電流將處于最不利狀況，理論上會產(chǎn)生遠高于S2和S4的閃電電涌。因此，S1和S3產(chǎn)生的部分雷電流是電磁脈沖防護首要的考慮對象。

1.2雷電流分量

    雷電流按極性分為正極性和負極性。雷電流分量的種類分為：①首次短時間雷擊；②后續(xù)短時間雷擊；③長時間雷擊。

    其中，短時間雷擊對電氣、電子系統(tǒng)的沖擊尤其嚴重，其雷電流參數(shù)最大值見表1。

    通常用雷電流參數(shù)的最大值來設計SPD的通流容量，并且可用該值模擬雷電流對SPD影響的測試參數(shù)，包括：①綜合效應，即熱、機械和電弧效應：②能量效應；③閃絡、開裂等電介質(zhì)效應。

    表1中雷電流峰值最高的是首次正極性短時間雷擊，在直接雷擊建筑物或線路的情況下，雖然正極性雷擊的概率為10%，仍被選來測試SPD的通流容量。

2建筑物電源進線處SPD選擇

    雷電電磁脈沖防護的基礎是在建筑物內(nèi)劃分內(nèi)部防雷保護區(qū)，根據(jù)LEMP威脅值的差異，在各保護區(qū)的邊界處設置SPD，泄放雷電流和限制過電壓，使得電氣、電子系統(tǒng)的耐沖擊電壓限值與所在的風險區(qū)域相對應。其中，最重要的環(huán)節(jié)當屬在LPZOA和LPZOB區(qū)交界處設

置第一級SPD，正確地選擇該SPD的波形和通流容量可以避免下游電氣、電子設備因電涌沖擊受損，從而最大限度保護建筑物內(nèi)部系統(tǒng)。

2.1  建筑物電源進線處SPD波形

tests》引言對于SPD的安全和性能測試中要求了三種類別的試驗：  “I級試驗用于模擬部分導入雷電流的沖擊。符合I級試驗方法的SPD通常推薦用于高暴露地點，例如：由雷電防護系統(tǒng)保護的建筑物的電纜入口處。II級或III級試驗方法試驗的SPD承受持續(xù)時間較短的沖擊。”

    由表2各種損害源產(chǎn)生的電涌波形可知，直接雷擊（S1和S3）的波形為10／350s，即正極性短時間雷擊分量的波形。其余的間接雷擊和感應電流的測試波形均為8／20s。

    通常對S1和S3等暴露情況的線路引入處，應采用I級試驗的SPD;對于S2和S4等持續(xù)時間較短的沖擊應采用Ⅱ級試驗的SPD。例如，損害源S3，架空引入線遭受直接雷擊，部分雷電流直接傳導引入建筑物內(nèi)部系統(tǒng)，其電源引入處的SPD應選用I級試驗的10／350s  SPD；損害源S1，對于設置了LPS的防雷建筑物，低壓進線即使采用埋地電纜引入，其電源引入處的SPD也應選用I級試驗的10／350s SPD。

    對于以上二級配電箱，或者建筑物或引入線路不需要考慮直擊雷防護時，可選用Ⅱ級或III級試驗的8/20s SPD。

2.2建筑物進線處SPD通流容量

    IEC標準中SPD的選擇主要涉及三個專業(yè)委員會的文件：①雷電防護委員會（TC81委員會）的IEC62305 -1～4系列文件；②建筑物電氣裝置委員會（TC64委員會）的IEC 60364系列文件；（9低壓電涌保護器分委員會（SC37A分委員會）的IEC 61643系列文件。

    各類文件對建筑物迸線處SPD通流容量有各自的要求，并有相互的溝通，然而，由于問題的復雜性，以及獨立研究的深入，各委員會的文件依然存在分歧。

2.2.1  TC81委員會的相關內(nèi)容

    S1威脅時，我國的GB 50057 - 2010《建筑物防雷設計規(guī)范》（以下簡稱《雷規(guī)》）SPD的通流容量的計算取自GB /T 21714.1 - 2015 /IEC  62305 -1：2010《雷電防護第1部分：總則》的相關模型，該模型在國際上獲得較多的認可。

    建筑物建立防雷等電位連接后，一旦遭遇雷擊，整個建筑物和內(nèi)部系統(tǒng)的電位同步提高，不會產(chǎn)生危險的電位差。然而，當有電氣或電子系統(tǒng)線路引出建筑物時，建筑物內(nèi)地電位和引出的金屬線路遠端地電位之間存在電位差。根據(jù)IEC 62305 -1: 2010附錄E“50%- 50%雷電流分流原則”，即假定50%的雷電流流經(jīng)建筑物的接地系統(tǒng)，另外50%的雷電流均勻分布于遠處接入的服務設施金屬部分。均分的部分雷電流在遠處接入的電源線路芯線間再次均分。

    例如，設置LPS的建筑物埋地引入的非屏蔽電力線路，電涌按《雷規(guī)》4.2.4條第9款計算沖擊電流值：

    假設外來金屬管道有水管、暖氣管和電力管，取n=3．三相四線制電源導體芯線m=4。對于第一、二、三類防雷建筑物，每一保護模式的沖擊電流值I _imp分別為8.33 kA、6.25 kA和4.17 kA。

    損害源S3，直接套用《雷規(guī)》4.2.3條條文說明中的表5．即GB／T 21714.1 - 2015／IEC 62305 -1：2010表E.2。對于第一、二、三類防雷建筑物，每一保護模式的沖擊電流值，i mp分別為10 kA、7.5 kA和5kA。然而，2016年4月發(fā)布的IEC 62305-1 Ed.3 81／516／CD《Protection against lightningPart 1-General principles》版本表E．1中每一保護模式的沖擊電流值/imp分別調(diào)整為25 kA、18. 75 kA和12.5 kA。

    需要補充的是，IEC 62305 -2：2010《Protection against lightning - Part 2:Risk management》的風險評估實際上復雜得多，其SPM應包括：接地和等電位連接、磁屏蔽、合理布線、隔離界面和協(xié)調(diào)配合的SPD系統(tǒng)等措施。然后，將計算得到的總風險值R與風險允許值RT進行比較，如果R>RT，則仍需要采取其他的SPM措施（如降低截收面積、外部和內(nèi)部線路屏蔽等），直到R≤RT。該方法雖然具有相當?shù)目茖W性，但是可操作性較差，推廣應用具有一定的阻力。

2.2.2 TC64委員會的相關內(nèi)容

    《雷規(guī)》4.2.4條第8款“在電源引入的總配電箱處應裝設I級試驗的電涌保護器……每一保護模式的沖擊電流值，當無法確定時，沖擊電流應取等于或大于12.5 kA”引自GB  16895. 22 - 2004／IEC60364 -5 - 53:  2001:  Al：2002。然而，其2015年6月發(fā)布的IEC  60364 -5 - 53 AMD2 Ed. 3.0 64／2031／FDIS(Final Draft Intemational Standard，最終國際標準版草案)版本534.4.4.4.2條做了修訂，要求建筑的電源引入處設置I級試驗的SPD，應按下列之一執(zhí)行：

    a．無風險評估時，每一模式?jīng)_擊電流不應小于12.5 kA。

    b．按IEC 62305 -2進行風險評估時，沖擊電流應按IEC 62305系列標準實施。

    該條文增加了一條附注，明確以上數(shù)據(jù)參考的雷電保護等級(IPL)為Ⅲ類和Ⅳ類。IEC標準雷電保護等級(IPL)Ⅲ類和Ⅳ類的雷電流峰值1= 100 kA,對應于我國第三類防雷建筑物。如果雷電流峰值，取150 kA和200 kA，SPD每一保護模式的沖擊電流值應分別不小于18. 75 kA和25 kA。

2.2.3  SC37A委員會的相關內(nèi)容

    SC37A委員會是避雷器標準化委員會(TC37)的低壓電涌保護器分委員會，對SPD性能要求、試驗方法、選擇和使用等方面給出標準要求。GB／T 18802. 12 - 2014／IEC 61643 - 12:  2008《低壓電涌保護器(SPD)第12部分：低壓配電系統(tǒng)的電涌保護器選擇租使用導則》6.2.1.3“每種所需的保護模式的I _imp值不得小于12.5 kA”。

2.2.4  SPD通流容量比較

    IEC三個委員會的標準與我國標準關于建筑物進線處SPD通流容量的取值見表3。

    雷擊建筑物情況下，IEC各委員會對于入口處SPD通流容量基本選擇10／350 Vs  12.5 kA的常規(guī)應用；架空線路引入時，雷擊線路的SPD通流容量需要修改為10／350ILs 25 kA。SC37A委員會在這方面沒有提出相應要求，也許是因為架空線引入在實際應用中較少。

3標準的工作方向

    由于閃電是隨機的自然現(xiàn)象，TC81委員會對SPD通量容量的計算有以下基本原則：①首先，雷電的防護應基于概率法，需要引入SPD的概率系數(shù)。②其次，不能僅依靠一段時間內(nèi)現(xiàn)場收集的SPD承受的威脅水平確定SPD的通流容量。也就是說，不應僅利用預期部分雷電流峰值（即IEC 62305 -1 Ed.381/ 516／CD版本表E.1）選擇SPD，而應按照預期等效的電涌電流確定SPD的通流容量(I _spd)。

    然而相關成果在IEC成員國內(nèi)引發(fā)了激烈的爭論，部分成員國拒絕接受。分析認為，主要原因是這些成果內(nèi)容復雜，數(shù)據(jù)來源不清，發(fā)布時缺乏有效的準備。因此，TC81委員會不得不做出妥協(xié)，把預期部分雷電流峰值列入IEC 62305 -1 Ed.3 81／516／CD版本表E．1中。同時希望做好以下兩項工作：

    a．技術工作。介紹成果時，需要有技術上的提高，項目維護組( MTs)改進的CD文件應盡可能簡單。此外，新方法應有充分和適當?shù)慕忉屝畔�，包括所提供�?shù)據(jù)的來源，以及如何使用程序，并且應充分利用附錄作為適當?shù)慕忉尮ぞ摺?/font>