防雷技术标准的发展和现状

2019-01-15关象石邱阳阳程向阳

现代建筑电气 2018年12期

关象石, 邱阳阳, 王凯, 程向阳

(1.北京市气象局, 北京 100081;2.安徽省气象灾害防御技术中心, 安徽合肥 230031)

0 引言

标准是名称中含规范、规程、要求、导则、指南等的一种准则,给人提供事物判别的准则,质量测量的依据、兼容及互联的保障”[1]。标准与人们的生活、生产密不可分。自世界进入全球贸易一体化以来,标准更成为“世界的通用语言”[2],标准联结全世界[3]。

防雷技术一般认为起于1754年前后,但电气和电子系统的防雷击电磁脉冲技术的历史并不长。随着现代社会对电气和电子系统的广泛应用,近40年来防雷击电磁脉冲技术标准的发展迅速,同时出现一些问题和矛盾。

1 我国和国际标准的出版情况

1.1 我国标准

文献[4]中,国际公认的防雷技术应从1754年前后富兰克林发明外部防雷装置(接闪器、引下线和接地装置)算起,其主要作用是防直击雷造成的火灾、建(构)筑物物理损坏、人及动物伤亡这三种雷电灾害。当然,也有证据表明在富兰克林之前我国宋代淳佑年间重修的岳阳慈氏塔(1241—1252年间),清代北京皇宫(顺治年间,1670年前后)都曾有意或无意之中使用了接闪、引下、接地的直击雷防护措施[5]。其后,1876年在贝尔电话投入使用后,由于架空电话线屡遭雷闪,开始电信行业的防雷研究与实践。1882年纽约开始供配电,由此进行了电力行业的防雷实践。

1990年前我国防雷标准出版物如表1所示,其中按行业分为电力8部,电子设备3部,铁路2部,建筑、通信、航空各1部,包括设计、试验、产品等内容。

1990年以来,国家和行业防雷标准的出版共有近百部,含等同(idt)、等效(mod)国际标准。标准内容涉及设计、安装、检测、检验、雷电监测、预警、产品,涉及行业有电力、电信、铁路、气象、军队、水利、航空、建筑、运载火箭、计算机及网络、安全防范系统、石油化工、银行、煤矿、旅游景区、风力和光伏发电、游艇、高速公路等。

表1 1990年前我国防雷标准出版物

1.2 国际标准

国际防雷标准主要集中在国际电工委员会(IEC)和国际电信联盟(ITU)含ITU的前身CCITT中。

IEC/TC 81成立于1980年,从1990年颁布第一个标准IEC 61024算起,到2001年一共颁布直击雷防护(IEC 61024)、雷击电磁脉冲防护(IEC 61312)、通信线路防护(IEC 61663)、危险度评估(IEC 61662)、测量(IEC 61819)五个系列16部标准。2001年佛罗伦萨的TC 81年会上决定对这些标准重新整合,到2006年1月完成IEC/TC 81的IEC 62305系列标准,如表2所示。

表2 IEC/TC 81的IEC 62305系列标准

在编制计划中原来还有第5部分:公共设施,涉及到民用电力和电信方面的内容。后来经与ITU、国际大电网(CIGRE)协调,由他们负责编写后中止第5部分的编写。

IEC 62305系列标准第1版出版于2006年1月,第2版出版于2010年12月,已idt为GB/T 21714—2015系列,目前正在编写第3版标准。

除了IEC/TC 81外,IEC/TC 37A出版电涌保护器(SPD)及元件产品选择和使用的标准约有15部。IEC/TC 64有9部标准涉及到防雷内容。TC 28、TC 77从绝缘配合、EMC的角度编写的标准为TC 81所引用。

ITU从电信系统自身防雷需求出发,从1993年颁布第一个标准ITU-T.K11后有近30部防雷标准出台(不包括以前CCITT的出版物),相关内容见文献[6]。按采用国际标准的国家规定,本文没有对未列入国家标准化组织和其他国外国家防雷技术标准的内容作介绍。

2 技术内容发展概要

2.1 直击雷防护内容

建筑物的火灾、物理损坏、人及动物的生命危险是直击雷防护的重点。1754年富兰克林提出在被保护建筑物附近矗立一根铁棍子(Lightning rod,雷电棍,我国旧译为避雷针,现改为接闪杆),上端要比建筑物高,下端被深深地埋入地中,因此提出高多少和埋多深的问题,即接闪杆的保护范围和接地电阻问题。这些问题讨论近270年,特别是1777年5月15日,位于英国伦敦附近普夫里特(Puifleet)一座火药库的屋角遭受闪击,而其接闪器是由包括富兰克林在内的一个委员会设计的[7]。我国最早的GBJ 57—1983根据被保护建筑物的重要性、使用性质、发生雷击事故的可能性和后果,将建筑物分为第一类、第二类和第三类防雷建筑物,并规定接闪杆的保护角分别为30°、45°、60°,这一规定是与当时苏联标准及世界各国标准大体一致的。但是,自1967年至1972年前苏联莫斯科奥斯坦金诺电视塔在建成后5年中遭受143次闪击,其中多次击在塔身,甚至击到离塔尖(高537 m)200 m到300 m的“腰身”上后,保护角法遭到质疑。IEC 61024-1:1990根据对闪击过程研究的成果,规定保护范围的计算可采用滚球法(全面适用)、保护角法(只在规定高度内适用)和网格法。在参加1992年澳大利亚霍巴特TC81年会后,林维勇先生在GB 50057—1994《建筑物防雷设计规范》中改用滚球法和网格法。我国电力行业在输电线路的防雷规范中仍然沿用变角的折线法。

按富兰克林最初的把铁棍子深深埋入地中的思路,接地电阻越小泄流越快,防雷越有效。因此,世界各国防雷标准中均对接地电阻值做出要求。GB 50057—1994中规定,第一、二类防雷建筑物防雷接地冲击电阻值不应大于10 Ω,第三类防雷建筑物接地电阻值不应大于30 Ω。这一要求在一些标准中要求接地电阻值至4 Ω乃至1 Ω。研究结果表明,接地极的接地电阻值与两个因素有关:① 接地极与土壤的接触面积越大,电阻越小;② 接地极周围的土壤导电性能,土壤电阻率越大,电阻越大。因此,在高土壤电阻率地区,为达到4 Ω或1 Ω的接地电阻需要花费大量的人力、财力,这个投入产出比合理吗?文献[8]中提出:飞机的电气装置如何接地?其中包括防雷接地,接地并非一定要接至大地,与代替大地的金属机身相连接也是接地,此时接地电阻值无穷大,但空中飞行是安全的。在文献[9]中明确定义“(接)地是一种有意或非有意的导电连接,由于这种连接,可使电路或电气设备接到大地或接到代替大地的某种较大导电体”。因此,IEC 62305-3(GB/T 21714.3—2015)中规定,在各种雷电防护水平(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ)情况下(在GB 50057中规定为第一、二、三类防雷建筑物),如果接地体的长度(指不呈环型封闭的水平接地体)或环型接地体的半径达到规定要求时,防雷接地的接地电阻值可不作规定,即没有要求[10]。按建筑物防雷类别确定的接地体最小长度如图1所示。GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》[11]。对1994年版的接地电阻值规定也相应做修改,如第一类防雷建筑物的防雷接地电阻值由10 Ω放宽至30 Ω,同时规定防雷接地电阻值可不作规定的条件。但是由于一栋建(构)筑物往往利用其基础钢筋作为共用接地装置,即便防雷接地电阻值没有要求,为了防止触电事故造成的危害,还是规定共用接地电阻值应符合电气系统安全地的要求。

图1 按建筑物防雷类别确定的接地体最小长度

现代建(构)筑物的结构主要是钢筋混凝土结构或钢结构,完全可以利用屋面的金属围栏或暗敷在屋面内的钢筋网接闪;利用柱内钢筋或结构钢材作为自然引下线;利用基础内的钢筋网作为共用接地装置。防直击雷的外部防雷装置的设计和施工越来越简单。

2.2 雷击电磁脉冲防护内容

雷击电磁脉冲(LEMP)是闪电直接雷击中建(构)筑物(S1型)、建(构)筑物附近(S2型)、架空金属管线(S3型)、架空金属管线附近(S4型),造成闪电电涌侵入的路效应和空间磁场感应的场效应。其电流值虽只是部分雷电流,但是对日益广泛使用的电气、电子系统都有巨大的影响,并且随着电子系统集成化程度的快速提高和线路间距的缩小,闪络电位差值日趋变小。LEMP对电气系统、电子系统的破坏和干扰应是现代雷害的新形式。

1995年出版IEC 61312系列防雷击电磁脉冲技术标准以来,采用防雷等电位联结、屏蔽、隔离界面、综合布线以及电涌保护器(SPD)进行LEMP综合技术防护日趋完善。IEC/TC 37 A的SPD产品和应用标准也从1998年起多次修订出版。笔者认为,防雷等电位联结技术为核心技术。

防雷等电位联结是出于防雷的目的,将一建筑物或系统内的金属物体,如建筑物内外的金属结构、电梯轨道、起重机、金属地板、金属门窗框架、金属管道、电缆桥架、金属地网、设备金属壳体等就近相连,形成立体的防雷等电位网络。对于不能直接相连的带电导体,如配电系统的相线、中性线、电信、信号网络中的金属传输线,应安装SPD施行瞬态等电位联结。即便电位高,如800 kV特高压线上尚可带电作业！近日,网易新闻报导一俄罗斯少女爬桥自拍不慎坠落到3 000 V的高压裸线上1 h无大恙。人们总担心互相干扰,要求强电弱电分开接地的作法已经过时。

过去一段时间,出于对自家生产设备的安全考虑,一些计算机生产商要求在安装自产的计算机、通信设备等敏感的信息技术设备(ITE)时,要使用单独的、专用的、隔离的、低阻抗的专门接地,对接地电阻也提出1 Ω乃至0.5 Ω的要求。有些标准也跟着做出了新的修订要求,在一些土壤电阻率高的场地,为了达到该要求,耗费大量的人力、财力。文献[11]分析了美国IEEE的技术内容,分析ITE的复数阻抗中占主导作用的阻抗和感抗,得出只需做好ITE的S型或M型等电位接地网络,而不需顾及ITE接地电阻值的结论,也是近年来电子设备防LEMP的一大亮点。

3 我国防雷标准现状和解决问题的建议

3.1 现状

1990年以来出版近百部之多的防雷标准涉及面广,但是也出现一些问题。

(1) 标准之间不协调,乃至相互矛盾。2003年建设部组织编写《建筑物电子信息系统防雷技术规范》,并于2004年颁布。在征求意见期间,北京一批老专家就其与GB 50057—1994(2000年版)的矛盾之处提出看法并上书建设部领导,认为同样由建设部颁布的防雷标准之间的矛盾会使设计人员无所适从。GB 50343—2012修订发布后,其中一些内容尚有矛盾之处,如电子信息系统一词与IEC 62305(GB/T 21714)中电子系统一词的矛盾;在LEMP中译文中使用“雷电电磁脉冲”一词与GB 50057—2010中使用“雷击电磁脉冲”的矛盾,虽然一字之差,物理意义却截然不同;在釆用SPD防护中A～D级的等级规定与GB/T 18802.12(IEC 61643-12)的矛盾;推荐使用专用垂直接地干线与标准GB/T 21714—2015、GB 50057在使用M型等电位连接网络上的矛盾等。另外,在石油化工几个防雷标准中也有石油罐接地电阻值不同要求的问题。

(2) 在名词术语上不遵守标准编制的规则。文献[12]是编制标准的标准,其中规定“对某概念建立有关术语和定义以前,应查找在其他标准中是否已经为该概念建立了术语和定义。如果已经建立,宜引用该概念的标准”[12]。但是SPD最先的术语和定义为电涌保护器,其后又出现浪涌保护器、低压避雷器、防雷保安器等。关于LPZ,最早译文为防雷区,后面再译成雷电防护区,有什么区别,非要加上二个字？防雷装置(LPS)一词用了35年,是人们非常熟悉的术语且无错误,忽然将LPS译为雷电防护系统。因此,会给标准使用者带来困惑和不必要的麻烦。IEC标准的转化不应该是简单的翻译,否则会陷入设计师看不懂,专家不愿看的怪圈。

(3) 把企业利益揉进标准。一些标准起草单位(企业)编制标准的目的可能是利用标准的作用推介企业产品。尤为严重的是有些产品还存在违背科学原理,没有严格的产品检验和实践检验等许多问题。这一问题在近年来编制团体标准中要引起注意。

3.2 建议

2016年1月30日,国务院办公厅印发“国务院办公厅关于印发强制性标准整合精简工作方案的通知”[13],决定对强制性国家标准进行整合精简。这项工作正在进行之中,势必能解决强制性防雷技术国家标准的矛盾问题。

推荐性标准由于执行力度小,今后可能仅起到参考或指南的作用。但是,笔者仍建议无论是推荐性标准或者是团体标准仍应以实现“一个市场、一个底线、一个标准”的目的[13]。一个行业、一条底线、一个标准是解决目前我国防雷技术标准“存在的交叉重复矛盾、超范围制定”的关键。全国雷电防护标准化技术委员会(SAC/TC 258)应及时跟踪国际标准的进程,并适合我国国情,在全球贸易一体化的环境下起到积极的作用。