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雷击引发低压系统冲击电流研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2015-10-25  来源:《电气&智能建筑》  作者:厦门合道工程设计集团有限公司 洪友白
摘 要 文章以IEC标准和《建筑物防雷设计规范》GB 50054-2010为指导,从雷击损害源、雷击损害类型、雷击电磁脉冲、雷击电涌电流、冲击电流、最大冲击电流入手,逐步深入研究低压系统雷击冲击电流发生的种种情况,进而推断最大冲击电流的起因,作出“雷击建筑物时引发低压系统的最大冲击电流缘于电气系统与防雷系统‘共地’,应在最靠近引来线路入户处安装Ⅰ级试验的SPD”的重要结论及与此结论紧密相关的三条重要推论。
 
关键词 损害源 损害类型 雷击电磁脉冲 电涌电流 冲击电流 电阻耦合 共用接地装置 SPD
 
  如果把雷击冲击电流Iimp最大值比作“凶手”,那么“元凶”是谁?“帮凶”又是谁?夸张的拟人比喻,旨在期待读者摒弃雷电机理枯燥、深奥、复杂的桎梏,以形象、通俗、简单的心态轻松阅读,并用轻车熟路的生活体验助力理解低压系统最大雷击冲击电流的由来,如是。
 
1 雷击损害源及其损害类型
 
  《Protection against lightning Part 1 : General principles》IEC 62305-1:2010[1]指出,建筑物受损源于雷击电流,其损害源按与建筑物关联的雷击落雷点位置分成4种:①雷击建筑物;②雷击建筑物的邻近区域;③雷击连接建筑物的线路;④雷击连接建筑物线路的邻近区域。由其引发的损害类型归为3类:①由于电击伤害人畜;②实体损害(火灾、爆炸、机械破坏、化学泄漏);③由于雷击电磁脉冲(LEMP)使内部系统故障。雷击点、损害源、损害类型及其关系见表1.
 
2 IEC标准中的雷电冲击电流 
 
  由表1可见,各种损害源都引发建筑物D3类型的损害,即缘于雷击电磁脉冲的内部系统故障,其中低压系统的电涌电流在GB 50057-2010《建筑物防雷设计规范》(以下简称《雷规》)中第4.2.3条条文说明中摘录了IEC 62305-1:2010第64页表E.2,并已将其转换为《雷规》建筑物防雷类别,现摘录于见表2.
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  从表2并结合表1可见,IEC标准的雷击冲击电流最大值是在损害源S3,闪电直接击在连接建筑物最近的架空线路,沿线路侵入的情况下引发的,其值为10/350μs波形10kA(应注意,虽然表2中损害源S1,闪电击于建筑物所感应的电流也是10kA,但其波形是8/20μs,对应于10/350μs波形的雷击冲击电流仅为1kA[4]152,153).由于第一类防雷建筑不允许电源直接采用架空线路引入,因此该值仅适用于当全线采用电缆有困难时,由架空线转为电缆时两者的连接处。另外,从工程实践看,第二、三类防雷建筑物已很少直接采用低压架空线路引入电源的情况。因此表2对防雷电冲击电流没有实际选用价值。
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3 电阻耦合引发的雷击冲击电流
 
3.1 雷击电磁脉冲定义回顾
 
  雷击电磁脉冲术语,不仅给人以深奥莫测的感觉,而且一直以来没有成型的定义,在此不妨简单回顾一下。
 
  《雷规》2000年版对其解释:“是一种干扰源。本规范指闪电直接击在建筑防雷装置和建筑物附近所引起的效应。绝大多数是通过连接导体的干扰,如雷电流或部分雷电流、被雷电击中的装置的电位升高以及电磁辐射干扰”。
 
  GB/T 21714.4-2008/IEC 62305-4:2006《雷电防护 第4部分:建筑物内电气和电子系统》对其定义:“雷电流的电磁效应。注:它包括传导浪涌及辐射脉冲电磁场辐射作用”。
 
  《雷规》2010年版对其定义:“雷电流经电阻、电感、电容耦合产生的所有电磁效应,包含闪电电涌和辐射电磁场”。(笔者注释:该定义等同引用IEC 62305-4:2010《雷电防护 第4部分:建筑物内电气和电子系统》)。
 
3.2 LEMP内涵及其电阻耦合
 
  上述《雷规》2010年版的定义,应当说是迄今为止最为清晰表达了“雷击电磁脉冲”的内涵,即闪电电涌是雷电流经“耦合”的结果。值得关注的是,定义中的“电阻……耦合”形式,所谓电阻耦合,形象地说就是电“生”电,即导体通过直接“连接”耦合的电传导;而电感电容耦合就是电“生”磁,磁再“生”电,即导体间没有电的直接连接,而是通过“磁”作为“耦合”媒介的间接连接。其中,电阻耦合将对研究雷击引发的建筑物低压系统冲击电流起着关键的指导作用。
 
3.3 《雷规》条款中涉及的电阻耦合
 
  各类防雷建筑物雷电流流经的防雷装置与低压系统存在着金属性导体直接连接的电阻耦合,从《雷规》下列条款可一目了然。
 
  (1)第4.2.4条:第一类防雷建筑物“当难以装设独立的外部防雷装置时,可将……接闪器直接装在建筑物上……并应符合下列规定等。
  5外部防雷的接地装置……应和电气……接地装置……相连……。
  (2)第4.3.4条:第二类防雷建筑物“外部防雷装置的接地应和……电气……接地共用接地装置……”。
  (3)第4.4.4条:第三类防雷建筑物“防雷装置的接地应与电气……接地共用接地装置……”。
  (4)第4.5.4条“固定在建筑物上的……用电设备和线路应根据建筑物的防雷类别采取相应的防止闪电电涌侵入的措施,并应符合下列规定(略)。
  2 从配电箱引出的配电线路应穿钢管。钢管的一端应与配电箱和PE线相连;另一端应与用电设备外壳……相连,并应就近与屋顶防雷装置相连……”。
 
3.4 电阻耦合引发流过SPD的电涌电流
 
  从标准中3.3节可见,外部防雷装置与电气系统的电阻耦合缘于建筑物的防雷接地装置与电气接地装置共用,即“共地”,以及电气设备外壳与防雷装置在屋面的相连。由于SPD安装点的不同,雷击全电流在SPD和与其并联通路的分流比例不同,因而流过SPD的冲击电流Iimp或标称放电电流In也不尽相同,下文详细研究分析。
 
3.4.1 建筑物引入低压电源线
 
  如图1所示,在低压电源线路引入建筑物的总配电箱(配电柜)处,PE(PEN)线接地与防雷接地装置共用,当雷击建筑物(S1)时,一部分雷电流经建筑物接地装置流向大地,同时接地装置电位急剧升高,在此安装的SPD动作,另一部分雷电流经SPD、进线电缆相导体、相导体与大地耦合电容、建筑外变压器的接地装置(与建筑物接地装置独立)流向大地。根据IEC 62305-4:2010《Protection Against Lightning Part 4 : Electrical and electronic systems within structures》[2],雷击全电流在SPD和与其并联通路的分流,当无法确定时,其比例系数取图1所示的50%,再根据《雷规》第4.2.4条第8款(第一类防雷建筑)和第4.3.8条第4款(第二、三类防雷建筑)流过该处SPD的电涌电流都应为冲击电流Iimp,当无法确定时其值应取等于或大于12.5kA。
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3.4.2 建筑内设变压器
 
(1)有线路外引至有独自敷设接地装置的配电装置
 
  如图2所示,配电变压器设在本建筑物内(或附设于外墙处),在低压侧的配电屏上有线路引出本建筑物至其它有独自敷设接地装置的配电装置。变压器接地装置与建筑物防雷接地装置共用,当雷击建筑物(S1)时,接地装置电位急剧升高,在变压器低压母线安装的SPD动作,雷电流从建筑物接地装置经SPD、进线电缆相导体后分流,一路欲从变压器往高压线路经由耦合电容流入大地,但受到变压器瞬态作用下的高电抗扼流相当于开路;另一路与上述“低压电源线路引入”类同,经低压线路相导体与大地的耦合电容、建筑物外独自敷设的接地装置流入大地。根据《雷规》第4.3.8条第4款(第二、三类防雷建筑)流过该处SPD的电涌电流应取冲击电流Iimp,当无法确定时该值应等于或大于12.5kA.
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(2)无线路引出建筑物
 
 
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