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IEC和我国建筑防雷标准中的几个错误和问题


作者:未知 来源:不详 时间:06-06-20 加入收藏加入收藏夹
关键字:IEC  建筑  防雷  标准

3.1 电线、电缆发生的反击和绝缘击穿

  这时直击雷电流通过各种电线向外的分流是由各电线的波阻抗决定的(通过L、C的分布参数,在远方接地)。

3.1.1 在一层地面附近击穿架空线绝缘

  雷击建筑物击穿电线或电缆的绝缘(很长线路的情况,即末端反射波未到达其幅值的情况)。

a)按线路波阻抗散流情况计算

  对很长的架空配电线,估计其多导线波阻抗Z=100~200Ω,从严,取100Ω,则对Ⅰ、Ⅱ类建筑物,其从配电线引出的电流为:

对Ⅰ类建筑物,I=200kA,按装3只SPD计算,每只电流

i1=i01/3=(2~4)/3=0.67~1.3kA

对Ⅱ类建筑物,I=150kA

i01≌150×(1~2)/100=1.5~3kA

每只SPD的电流

i1=(1.5~3)/3=0.1~1kA<<25kA{(国标6.4.7算例中的值)

对后续雷击37.5kA

b)近似按稍短线路的电感集中参数计算(假设线路长度为波头值80%时反射波到达击穿绝缘点)参考[1],考虑很高电压下导线上的波速为光速的75%,即υ=0.75×300=225m/μS;反射波到达击穿绝缘点时,线路长度为:

对I1,τ=10μS,则

对应80%波头长的时间 l1=0.8×1125=900m

该线路单位长度的电感为100/225=0.44μH/m.该900m的电感为L=0.44×900=396μH.

建筑物从地面处击穿绝缘往下到0电位面处的电感,由文[2]按M.B.KOCTEHKO可取相当地面下有5~10m引下线的电感,估计一座建筑物(以塔楼为例)的电感约为0.3-0.4μH/m,可取此电感为4μH。这样,就相当于雷击点向两侧电路分流的等值电路。

计算此电流分布,实质上是雷击点两侧分别为(L1+R1)电路与(L2+R2)电路的电流分流问题。早在1973年8月,作者在参与修订过电压与接地国家标准和规程时,就在世界上首次导出了雷击避雷线时电流向两侧分流以及该点电压和对被保护物的安全距离的计算公式[3],并列入1976、1979和1997年等各版本的标准中,这里与[1][4]不同之处是:当时是以导线长度表示,这里是以电感表示。

雷击点到地的电位U可以从该点向1点和2点分别按求得,且两者应当相等。当雷电流达到峰值,即t=τz时,其分流系数

下面计算长架空线路的引出电流的分流系数(τ1=10μS):

此处I1为流向“1”侧的电流。

由上可知,一路架空线路引出的电流为总电流的1-β1=1-0.979=0.021,即2.1%。

对Ⅱ类防雷建筑,I1=150kA。则一路线路引出电流为

i01 =0.021×150=3.2kA.

这与前面按Z=100Ω无穷长架空线导出的R=1Ω和2Ω时 i01=1.5kA和 i01=3kA是很接近的,后一结果数值稍大是因为线路长度缩短20%,可见两种算法都是正确的和可信的。

  我们还可假设一个重要用户有两路配电线引入,有两路架空电话线引入,并近似都按上述分流值估计,则总的引出电流也只有

iΣ ≌ 4×3.2kA= 13kA

或即 iΣ = 4×2.1% = 8.4% <<50% (IEC和国标中算例认为的数值)

可见两个标准中的这项重要数据应当重新研究和修改。

  记得有德国的几位防雷专家曾介绍DEAN公司,ORO公司等的经验数据、雷击建筑物时,流过建筑物的金属结构和接地装置的电流为50%,这其余50%又分别由电线和管道平分,即各流25%。作者认为这是科普性的粗略说法,它与各种条件有关,不可能是固定的百分数。事实上,也没有人拿出不同条件实测的电流值,不过,其中管道分流是会占很大比重,我们计算如后。

c)管道引出电流的计算

  管道波阻Zp缺乏具体数据,但它会比高电压电缆的阻抗小,而与铁路轨道的波阻Zr相近,即

Zp < 20~50Ω(高压电缆的波阻)

Zp ≌ 10~20Ω(铁路轨道的波阻)

  按上列数据估计两条管道上下水管道、煤气管道共3条,此处仅按两条计算的分流值,每条取Zp=15Ω,则

  一般是每个管道都是引进和引出,这样,两种管道就是两进两出。其中又有电缆时,那分流数就会约为50%。

  仔细查阅,IEC和建筑国标中实际上已指出,引出的50%电流的包括了管道的引出电流,而在计算例中却又忘记了这部分电流,而是把架空线引出的电流过份夸大了,造成不小的错误。当然,作为国际标准和国家标准,取用科普性的粗略数订成标准,各种情况都执行一个平均数,这本身就是不正确的,是不能允许的。

3.1.2 在楼顶击穿架空线绝缘

  假定楼高H=80m,其电感L=0.3%×80=24μH(估计单位长度电感为0.3μH/m),一路电源线由一层引到远方。按楼内未用金属管屏蔽时计算,因此时引出电流最大。

Ⅱ类防雷建筑,I1=150kA楼顶电压:

一路电源线分出的电流

为R = 1Ω时 i1 ≌ U/Z = 510/100 = 5.1kA

R = 2Ω时,i1 =6.6kA

  可见比一层击穿绝缘时的电流稍大,即使有独立的双路电源线和独立的双路电话线,且近似均各有上述的引出电流,则电线总的引出电流为:

i1Σ = 4i1 = 4×6.6 = 26.4 kA

  若各电线均按规定穿入接地铁管,则只是反击电压驱动外泄电压,按反击系数最大值K= 0.15,最大引出电流也只有 ,占总电流的3%。

  由以上计算可知,IEC和建筑国标中规定的电线引出电流50%,无论是在底层击穿绝缘还是在楼顶击穿等绝缘,都不可能引出这样多的电流。只有加上几条管道引出电流,才可能接近50%。

3.1.3 击穿长电缆线绝缘(屏蔽层在建筑物外无良好接地,如悬挂式电缆。)

  长电缆是指2.6~10μs波头的LEMP从末端SPD反射回来时,来波已达到波峰值的长度,波在电缆中传播速度约为光速的一半,即约为0.5×300 = 150m/μs,即l1 = (2.6~10/2)×150 = 190~750m,对Zτ= 0.25μs波头,l2 = (0.25/2)×150 = 19m。低压配电电缆的波阻,当三相传播雷电波时,其每相波阻估计 z c = 5~10Ω,本计算取较小值5Ω。

取SPD的动态电阻rd = 0.1Ω则

因这是近似计算,取39kA,若按电缆与建筑物分流详算,可证明R = 2时,也不会达到80kA。

3.2 地电位升通过SPD向外散流

3.2.1架空长配电线

  这是最经常出现的雷击建筑物工况,每次雷击建筑物都会通过SPD把部分电流引到建筑物以外。

对Ⅰ类防雷建筑物:I1 = 200kA,SPD(MOA型)的动态电阻rd ≌ 0.05~0.2Ω (较大值用于几千安小电流情况)雷击时地电位升反作用于建筑物内MOV,并通过它向所连线路的远端SPD放电。线路经L、C分布参数在远方SPD接地。因为此时是三相SPD同时动作和通流,所以采用三相线路同时传播雷电波时的综合波阻,此值估计为100Ω(日本40年代已实测出单相进行波下单相配电线阻为200~400Ω),建筑物内和建筑物外远端的两组SPD与线路波阻串联,需计入两者的动态电阻rd,故3相SPD的总电流为

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