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再论外部防雷和内部防雷的区别
中国科学院电工研究所  马宏达
摘  要：介绍了雷电反击作用于供电系统的试验和反击雷电过电压的试验，说明了系统防雷和整体防雷的思想。
关键词：建筑物防雷  SPD  系统防雷
    《防雷世界》杂志2003年第8期刊登了“外部防雷与内部防雷的区别”一文，此文未能充分表达笔者中心思想，特此补充说明并向读者致歉。
    从建筑物外面沿电气线路引入过电压波的防护用多级SPD逐级消减脉冲电压值，搞防雷设计的人都比较熟悉了；然而当雷击建筑物发生雷电反击现象时，LPZ1区内的电位随接地网的电位而整体抬高，反击雷电流将延接地导体向外扩散而不是向建筑物内部的电气线路扩散[1]。这一模式的转变往往被人忽略，而误认为雷电波仍在向室内电气设备流去。此时LPZ1区内的震荡电压和电流来源于电磁感应和电磁耦合，这一点IEC防雷标准并没有说明白；IEC61312-3：2000，IDT《雷电电磁脉冲的防护，第三部分：对浪涌保护器的要求》文本中图B1，图B2，图B7，图B9，图B10都是讲的雷电流向外部其它建筑物和变压器扩散的情况。在雷电反击情况下，用架空线供电的建筑物遭受雷击时容易产生扩大的雷击事故，这一点我国防雷工作者早有察觉。我国防雷学者是采用对进出线做屏蔽段来解决这一问题的。
一、雷电反击作用于供电系统的试验[2]
    1958年清华大学朱德恒老师带领学生做了建筑物遭受雷击时其内部电气设备有无反击危险的模拟试验。笔者按文[2]将此试验重述如下：试验代表建筑物有自己的变电所，经主变压器供电，负荷采用铠装电缆或铁管敷线接至变压器上。假设变压器中心点的工作接地及外壳的保护接地和防雷接地相连结。图1代表变压器高压绕组一端开路，一端经100Ω电阻接地，这种情形相当于Y/Y0接线，高压绕组由架空线供电的运行方式。

图1  防雷接地与变压器工作接地共用时的冲击试验
K——长100m的电力电缆，Tp——3kV、10kVA配电变压器

    试验中电缆拉直，以绝缘子架起，将外壳对地绝缘。如图l加冲击电压于电缆首端外导体，然后测量电缆外导体首端1，末端3及内芯首端2，末端4之电压。测得之示波图如图2所示。

图2  防雷接地与变压器工作接地共用时冲击试验示波图
1、2、3、4——代表各点(参看图1)的示波图

    由图2可见，内芯和外皮间电压基本相同。如将变压器去掉，将4点开路或将4点与3点相连时，所得结果完全一样。这是因为电缆外导体将内芯完全电磁屏蔽之故。因此在3和4点之间接入不论何种型式和容量的变压器时，示波图亦应相同。此时电缆或变压器低压绕组与铁芯间均无反击危险。
    但若变压器中性点具有独立的工作接地，它和防雷接地不相连接，则情况就不同了。按图3进行冲击试验，所得之示波图如图4所示。

图3  防雷接地与变压器工作接地分开时的冲击试验

图4  防雷接地与变压器工作接地分开时冲击试验示波图

    当电压波作用于电缆外导体时，内芯将通过变压器低压绕组和接地电阻从地中补充电荷。当电压波刚作用于外导体时，内芯首端离接地点远，有较大之电感，因而具有较高之电位，但随着时间增加，内芯电位很快衰减至零。离末端越近，其电位衰减得也越快，因而内芯与外导体间出现了电位差。其值视雷电流及接地电阻之大小而定，可达到很大的数值，亦即此时电缆有反击危险。显然这种结线方式是不好的。
    若变压器工作接地及保护接地和防雷接地接在一起，则高压绕组对低压绕组和变压器外壳间将出现很大电位差，其值视接地电阻及雷电流数值而定。因此高压进线须装设保护装置(如浪涌保护器SPD等)。实际上由架空线供电时变压器高压总是装有SPD的。所以我们主张用电缆段和铁管穿线的方法为建筑物供电，这些防雷作法有充分的实验根据和40余年的运行经验，而且写入了GB 50057-94《建筑物防雷设计规范》第3.3.9条第二款第一项和第三款第一项条文之中。我国的这些先进的防雷理论应该写进防雷规范的第六章中，对有误导作用的规范条文应该进行修改。如果还有争议大家可以用实验来检验。
二、一栋建筑物的雷电耗能渠道要设计好
    现在我国防雷公司发明了电子触发型的SPD1器件用以解决SPD1不能先期动作的问题，对此我们表示赞赏。无论如何，我们要研究出适用于各种建筑物和对应于各种情况的最佳防雷方案。我认为将反击雷电流放入电网和相邻建筑物中去扩大雷击事故，不如把反击雷电流引入电缆外皮和屏蔽铁管使其入地更安全更合理。这种系统防雷和整体防雷的思想才是笔者的中心看法，它无意间竟因为10/350μs波形的争议被冲淡了。有人质问：“10/350μs波形已纳入IEC标准中，如果要否定它，就要拿出实测、统计和分析数据，并在IEC的会议上取得多数同意才能成为新的波形。在此之前也就只能照章行事，执行IEC的标准”。
    这一质问另人不解，因为笔者从来没有否定过外部防雷装置的直击雷电流按10/350μs波形规范；笔者只是对SPD1通流容量按10/350μs波形检验提出异议，其理由有四：
    1.世界各国都用8/20μs波形检验SPD，美、英、法、日、俄等国家都不赞成按10/350μs波形检验SPD；
    2.反击时SPD是向外部线路和建筑物“放出”雷电流的，它不是起防雷作用的；
    3.建筑物内的雷电过电压不是10/350μs波形，因为它是感应和耦合过电压。
    4.实际上还有一个试验问题，要得到10/350μs波形试验装置要采用克罗巴电路，现在这种试验在短路状态下才能实现，加入试品后波形将会改变，很难在大部分试品上获得10/350μs的正确波形。
    所以，10/350μs波形检验的规定在理论上和试验中都没有切实根据。为什么要否定铁管和电缆的屏蔽效应，不愿把雷电流从屏蔽层引入地中而非得把雷电流放入供电系统和相邻建筑物中去呢?实践是检验真理的唯一标准，如果不信可以做实验么，我国已经引进10/350μs波形的检验设备，也可以拿来做实验。这些实验越早做越好。
三、反击雷电过电压的试验[3、4]
    我国防雷学者在上世纪60-70年代曾进行过许多建筑物整体模拟雷击试验，由于当时社会不安定许多试验工作没有很好的总结。文[3]是1976年长沙通讯大楼的雷击试验总结，它把建筑物遭受雷击时其内部电磁耦合及电磁感应的关系做了全面的说明，笔者建议防雷同行注意阅读该文。我们不能全靠IEC防雷标准办事，也要注意我国防雷学者的研究成果。内部防雷要解决LPZ1区内的雷击过电压问题，它来自内部防雷装置所受电磁耦合及电磁感应的关系。刘继先生[4]将此LPZ1区内的雷击过电压称为“反击过电压”用△Uj表示，建筑物的接地冲击阻抗为Z，雷击电流为I，建筑物内的反击系数为kj，则有：

    式中：CF代表建筑物结构(包括构型和材料)因素；
    CFg代表地网结构(环状、网状及地极密度)因素；
    CFe代表电器机柜结构(材料、屏蔽效能)因素；
    Un代表电路电压等级(电压高则绝缘子高大，电磁耦合效应差电压低则导体紧贴机壳，耦合效果好)因素；
    C代表导线状况(架空线的反击系数比有屏蔽层两端接地者大一二个数量级)因素
    EP代表供电制式(TN，TS，TT)因素；
    X代表其他因素。
    下面把几个电厂模拟雷击试验测试得到的结果列表：
    按表1数据做图可以更形象化，见图7。

表1  钢结构发电厂厂房内各种电力和电子设备上的反击系数

(模拟雷击厂房顶部，电流幅值4300A，1975年刘继按实测算出)

图7  反击系数与试验条件的关系

    那么接地网的冲击接地阻抗大概有多少呢?经过大量的工程实践和实测数据经过处理刘继先生给出图8的大型接地网(包括基础接地网)的冲击接地阻抗经验曲线组。

图8  大型接地网(包括基础接地网)的冲击接地阻抗经验曲线组

    此图的纵座标是冲击接地阻抗值Z(Ω)，按发电厂和电信机房的要求均不得大于10(Ω)，图中的实测值也均未达到此值。图的横座标是接地网“等值正方形地网”的边长(m)，A是接地网的面积或建筑物基础的面积(m2)，图中ρ是土壤电阻率(Ω•m)。
    按防雷规范取乐观的冲击接地阻抗数值1-5(Ω)，乘以雷电流I(150-200kA)计算其地电位升范围当在150-1000kV之间!所以雷电反击问题必须给以应有地重视。减小雷电反击过电压的重要措施是屏蔽，建筑物有多种多样，其中大部分没有足够地屏蔽性能，在电子仪器众多的智能建筑物中我们提倡用金属线槽或铁管穿线的方法敷设线路，在山区的微波站我们提倡用导线穿入铁管外包对焊的两个工字钢或角钢做进线屏蔽保护；室内用金属线槽屏蔽敷设线路。
    笔者在“外部防雷与内部防雷的区别”一文第四节中使用雷电流符号有误，特此重写更正，并向读者致歉。
四、SPD通流容量应以耐受多重雷击的能力标定
    雷电放电大多数为多重闪击，用一次耐雷的Iimp(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Imax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Imax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二道防线做好，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。
五、结论
    智能大楼的防雷要重视我国学者提出的“三道防线”(或称三个防雷子系统)[5]和“六项设计因素[6]”的思想，也就是系统防雷和整体防雷的思想。
    参考文献
[1] 马宏达，雷击建筑物的反击和电磁振荡过程，建筑电气，2003年第3期，24-27页；
[2] 王时煦，马宏达，陈首新，《建筑物防雷设计》，中国建筑工业出版社，1980年9月，136-138页；
[3] 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(1)：42-48；
[4] 刘继，过电压保护与防雷技术的历史、现状和未来，《中国边缘科学研究会高电压技术与社会发展专委会2000年学术会议论文集》，2000年4月，北京；
[5] 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，北京，1994年5月，1-5页；
[6] 王时煦，马宏达，陈首新，《建筑物防雷设计》(第二版)，中国建筑工业出版社，1985年11月，59-61页；
[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。