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電涌保護器安裝級數分析

www.images-gaies.com  2019-12-22 14:27:40  河北德實科技有限公司

      電涌保護器安裝級數分析
      關象石1)余立平2)孫丹波2)
      (1.中國氣象學會雷電防護委員會,北京 100081;2.深圳市氣象局,深圳 518001)
     
        [摘 要] :根據國際電工委員會(IEC)標準和《建筑物防雷設計規范》的內容,對《建筑物電子信息系統防雷技術規范》中要求安裝多級電涌保護器的內容進行了分析。
     
        [關鍵詞] :電涌保護器 安裝 級數
      引言
     
        《建筑物電子信息系統防雷技術規范》以GB50343形式于2004年6月實施,其中對電涌保護器(SPD、文中用浪涌保護器)的安裝級數規定了:在電源線路上4級(雷電防護等級A)、3級(雷電防護等級B)、2級(雷電防護等級C和D),在傳輸線路上3級或2級(雷電防護等級A)、2級(雷電防護等級B)、1級或2級(雷電防護等級C和D)。這種要求是否符合防雷設計應“做到安全可靠、技術先進、經濟合理”[1]的要求?本文依據文獻[1]和IEC相關標準分析如下。
     
      1.建筑物內電氣和電子系統可能不需防雷保護
     
         文獻[1]中第一、二章中規定“建筑物防雷設計,應在認真調查地理、地質、土壤、氣象、環境等條件和雷電活動規律以及被保護的特點等的基礎上,詳細研究防雷裝置的形式及其布置”(第1.0.3條)。按建筑物的“重要性、使用性質、發生雷電事故的可能性和后果”將建筑物分為第一、二、三類防雷建筑物,當然還有一大批不屬以上三類而無需防直擊雷的建筑物。在2000年局部修訂條文增加的第六章中,對“一個信息系統是否需要防雷擊電磁脈沖,應在完成直接、間接損失評估和建設、維護投資預測后認真分析綜合考慮,做到安全、適用、經濟”(第6.1.2條)。針對可能出現的建筑物無需防直擊雷和內部電氣、電子系統有防雷擊電磁脈沖(LEMP)需求的矛盾,文獻[1]規定“在設有信息系統的建筑物需防雷擊電磁脈沖的情況下,當該建筑物沒有裝設防直擊雷裝置和不處于其它建筑物或物體的保護范圍內時,宜按第三類防雷建筑物采取防直擊雷的防雷措施”(第6.1.3條)。為什幺在防LEMP時要防直擊雷,第6.3.4條以圖和文的說明,介紹了進入建筑物的各種設施之間雷電流的分配,其要點是分流。這一部分可參見文獻[2]“閃電擊中建筑物防雷裝置時10/350μs雷電流在低壓系統中的分配”。
     
        在IEC62305-1雷電防護第1部分總則中第六章中指出:“為評估是否需要防雷,應根據IEC62305-2所列程序進行風險評估。……如果風險(R1:生命危害、R2:公共設施的損失、R3:文物損失)高于可承受風險RT,則有必要防雷”,防雷要講經濟效益,“如果采用防雷措施后仍會發生的損失CRL和采用防雷措施所用的成本CPM之和低于沒有防雷措施時可能出現的總損失額CL,即CRL+CPM<CL,則采用防雷措施是有益的”。雖然IEC/TC81文件中沒有從另一方面闡述,我們可理解為:當RT>R(R1+R2+R¬3)時,以及CRL+C¬PM>CL時建筑物及其內部系統可不進行防雷設計與施工,少數特殊建筑物除外。
     
        在《建筑物電子信息系統防雷技術規范》(以下簡稱50343)第4章和附錄A中也提及雷擊風險評估,但與文獻[1]和IEC相關標準有很大差異。50343規定:“當N≤NC時,可不安裝防雷裝置”。其中N是建筑物年預計雷擊次數,其計算方法抄自文獻[1]中的附錄一。
     
        關于NC在50343中給出了NC=5.8×10-1.5/C這一公式,其出處可能是QX3-2000中附錄A中NC=5.8×10-3/C,也可能如50343條文說明(4.2條中)的NFC17-102中的附錄B。估且不說NFC17-102:1995“閃電保護 應用提前放電接閃器向建筑物與開闊地區提供閃電保護”是一在國際上很有爭議的法國標準,看其內容,附錄B的“閃電危險評估指南”均指的是直擊雷防護。如B2.2“預期的直接閃電電擊頻率Nd”,B2.3“建筑物的允許閃擊頻率(NC)”。無論是NFC17-102的題目,還是其“提要”中“此標準說明如何應用提前放電避雷導體來保護建筑物免受閃電直接電擊的主要方法”均與防LEMP無關。QX3是“氣象信息系統雷擊電磁脈沖防護規范”,做為行業標準其要求應高于國標要求,且只對本行業有效,怎幺能推而廣之到我國各行各業呢?文獻[1]中N值計算出后,配合使用第2.0.3條和第2.0.4條中內容,規定了第二類防雷建筑物有:預計N>0.06次/α的部、省級辦公建筑物及其它重要或人員密集的公共建筑物:預計N>0.3次/α的住宅、辦公樓等一般性民用建筑物。第三類防雷建筑物有:預計N≥0.012次/α且N≤0.06次/α的部、省級辦公建筑物及其它重要或人員密集的公共建筑物;預計N≥0.06次/α且小于或等于0.3次/α的住宅、辦公樓等一般性民用建筑物;預計N≥0.06次/α的一般性工業建筑物。之后在第三至第五章中規定了相應的防直擊雷措施。這與電氣和電子系統是否需防LEMP沒有直接關系。當一個第二類防雷建筑物內沒有電氣和電子系統,按50343要求,在N≤NC時,可不安裝雷電防護裝置;按GB50057則要求安防雷裝置,且只安裝接閃器、引下線和接地裝置這些外部防雷裝置。
     
        50343條文說明第4.2.2條稱:“電子信息系統設備因雷擊損壞可接受的最大年平均雷擊次數NC值,至今,國內外尚無一個統一的標準”。這句話說的太武斷了,筆者手頭便有IEC62305-2“雷電防護 第2部分:風險管理”的英文版,長達106頁!其“前言”中便指出雷云對地放電“可以令設備發生故障,尤其是電氣及電子系統”、“這些防護措施是否需要以及需要的程度都應通過風險評估來決定”, IEC62305-2就是風險評估的標準,在下文中會做介紹。最近,邱傳睿先生著文說:“關先生在這里犯了兩個錯誤。一是沒有看IEC62305-2的適用范圍。IEC62305-2在適用范圍里明確說:‘本標準適用于由雷擊導致的建筑物內或公共設施內的風險評估,’也就是說,該標準本來就是講雷擊對建筑物及公共設施的影響的,沒有講雷電對建筑物內的電氣、電子系統的影響。……大家可以仔細的閱讀IEC62305-2的英文原文,不難發現關先生對該標準理解的偏差”[3]。難道邱先生沒有注意到該標準“前言”中“尤其是電氣及電子系統”這句話嗎?而且在“4.風險評估方法”中多次提到“內部裝置”(3.23條定義為建筑物內的電氣和電子系統),“D3:電氣和電子系統失效”,“雷擊對公共設施的影響可能是提供服務的設施本身(線路或管道),或是與其相連的電氣和電子系統”。在此,也勸邱先生可以仔細閱讀IEC62305-2的英文原文,看看是誰理解上有偏差。
     
        50343的風險評估和確定雷電防護等級(A、B、C、D)與GB50057和IEC標準是矛盾的。試問一座位于少雷區,以平房(別墅)為主的五星級賓館,一定要按50343的規定列為A級,要在電源上安4級,傳輸線上安3級SPD嗎?可能這座五星級賓館連外部防雷裝置都不一定需要。
     
      2.建筑物內電氣和電子系統是否均需安裝SPD?
     
        SPD是等電位連接技術和防雷裝置的一種,在IEC62305-4中定義為:“用以限制瞬態過電壓和分走電涌電流的器件。它至少含有一非線性文件。”SPD在IEC/TC37標準及等同采用的GB18802.1和GB18802.21中被分為連接至低壓配電系統的SPD和連接至電信和信號網絡的SPD兩大類。在50343中卻多出一個“天饋浪涌保護器”這一與50343主編單位的生產廠商生產SPD系列相配套的類型,難道天饋線傳輸的不是信號嗎,為什幺要專門分出一類來?
     
        在建筑物內電氣和電子系統并非都要使用SPD進行保護!督ㄖ镫姎庋b置 第4部分:安全防護 第44章:過電壓保護 第443節:大氣過電壓或操作過電壓保護》(GB16895.12-2001/idt IEC60364-4-443)中規定:在建筑物電氣裝置僅防由配電系統傳導來的大氣瞬態過電壓以及操作過電壓時(注:這種雷擊線路附近地面而傳導來的過電壓在IEC62305-2中被描述為S4型),“在電氣裝置全部由低壓地下系統而不含架空線供電的情況下,依據表44.B所規定的設備耐沖擊電壓值(注:對220/380V三相系統,分別為6、4、2.5、和1.5kv)便足夠了,而不需要附加的大氣過電壓保護”(3.1.1條),“在電氣裝置由低壓架空線供電或含有低壓架空線供電的情況下,且外界環境影響為AQ1(雷暴日數<25日/年=時,不需要附加的大氣過電壓保護”(3.1.2條)。這里需說明的是,規定所指為S4型,不含建筑物可能遭受直接雷擊的S1型。同時該標準中對3.1.2注明:“在要求可靠性較高或預期有較高的危險性(如火災)的情況下,可考慮增設大氣過電壓保護”,這里的“大氣過電壓”指的是雷擊過電壓,上述技術措施稱之為“過電壓的自身抑制”(靠系統本身絕緣水平)。只有在“電氣裝置由架空線或含有架空線的線路供電,且當地雷電活動符合外界影響條件AQ2(雷暴日數>25日/年)時,應裝設大氣過電壓保護。保護裝置的保護水平不應高于表44.B列出的Ⅱ類過電壓水平(注:2.5kv)”(3.2.1條)。此時不是依靠系統本身絕緣水平的自身抑制,而是靠SPD的保護抑制。在該標準3.2.2條中指出,保護措施可“按照IEC60364-5-534安裝具有Ⅱ類保護水平的電涌防護器;或通過其它方法提供至少等效的電壓衰減量”。
     
        在IEC62305-2中給出了如下圖表(見表1)。
       
      
       
      根據雷擊點位置劃分的損害來源
        ——S1:雷擊建筑物;
        ——S2:雷擊建筑物的鄰近區域;
        ——S3¬:雷擊公共設施(電力和通信線路上);
        ——S4:雷擊公共設施的鄰近區域(電力和通信線路附近的地面)。
     
        損害類型
     
        ——D1:接觸和跨步電壓導致的人員傷亡(活體遭電擊);
        ——D2:實體損害;
        ——D3:過壓導致的電氣和電子系統的失效。
     
        損失類型
     
        ——L1:生命損失;
        ——L2:向大眾服務的公共設施的損失;
        ——L3:文化遺產損失;
        ——L4:經濟損失。
     
        *為醫院和有爆炸風險的建筑物的情況;
        **為農業財產情況(牲畜損失)。
     
        與IEC60364-4-443對應的為S4型。通信行業標準YD5098依據上述標準把少雷區的雷暴日數界定在不超過25天/年的地區,而后做了相應的防雷要求,是符合客觀實際的。但50343卻毫無依據的把少雷區減了5天,規定為20天/年以下。
        
        除上所述外,我們可以假定;為保護室外一個帶云臺的攝像機,可能要在電源、信號線及視頻線上加裝SPD,其投資會遠遠大于攝像頭,而且安全度不會是百分之百。此時,如不是特別重要和安防系統不能停頓,完全可以不安SPD。打壞一個攝像頭,再換一個新的就行了。
     
      3.SPD應該安裝多少級?
     
        按IEC和GB50057標準進行評估分析后,某建筑物可能需要在電氣和電子系統上(不是50343標題中的“信息系統”,該詞從2002年以后IEC標準中已不再使用)安裝SPD。50343中按N與NC之比或信息系統的重要性和使用性質規定了需要1~4級SPD。而文獻[1]在第6.4.4條原則規定“電涌保護器必須能承受預期通過它們的雷電流,并應符合以下兩個附加要求:通過電涌時的最大鉗壓,有能力熄滅在雷電流通過后產生的工頻續流”。并僅對LPZO¬A或LPZOB區與LPZ1區交界處安裝Ⅰ級分類試驗的SPD提出了具體按第6.3.4條規定確定通過SPD的10/350μs雷電流幅值的要求。為解決一旦出現第一級SPD安裝后SPD的電壓保護水平加上線路上感應過電壓不足以保護設備的問題,第6.4.8條規定在這種情況下“尚應在被保護設備處裝設SPD,其標稱放電電流Ⅰn不宜小于8/20μs3kA”。在GB50057中對低壓配電系統上安SPD最多只提到2級。
     
        2002年10月上海召開的“首屆中國防雷論壇”上天津中力孫巍巍先生發言指出在被保護線路上安裝了3~4級SPD是不合理的。2004年10月MCG的葛豪龍先生在“第三屆中國防雷論壇”上先是跨大步從講臺一端走一到另一端,隨后又用十幾個小步走了回去。他說:這段距離可以用幾步跨過時為什么要走十幾個小步呢?葛先生用生動的形體語言說明了他對安裝多級SPD的看法。
     
        究竟需要安裝幾級SPD才是適當的?核心是SPD的電壓保護水平Up和受保護設備的耐沖擊過電壓額定值Uw的關系。在IEC62305-4的D1.1中說明:“如果受保護設備的耐沖擊電壓額定值Uw大于或等于SPD的Up,還必須加上安全裕量,此裕量主要是考慮到連接導體的影響和SPD與受保護設備之間回路的長度影響。一般認為,有20%的裕量是足夠的,除非有更詳細的研究。
     
          1.2Up≤Uw
     
        在SPD和受保護設備很靠近時,對限壓型SPD而言,有效的防護UP(f)應考慮為UP+△U;對開關型SPD而言,UP(f)應考慮U¬P或△U(選取其中較大值)。
     
        △U為連接導體的感應電壓,設定為△U為1kV/m。”
     
        在《連接至低壓配電系統的SPD 選型和應用原則》IEC/TC37(IEC61643-12:2002)中6.1.1條“當受保護設備具有足夠的過電壓承受能力,或在靠近配電干線的配電盤處,一個SPD可能就足夠了”,第6.1.4條中重復了這段話后又有如下內容“在某些特殊情況下,在靠近受保護設備處可能需要附加的保護,如:有非常敏感的設備處;建筑物入口處安裝的SPD與受保護設備之間距離太長;建筑物內部有雷擊放電和內部干擾源所產生的電磁感應場。必須考慮受保護系統中最敏感設備的UW。最靠近這類設備的SPD的UP至少要求比設備的UW低20%。如果建筑物入口處SPD的UP加上6.1.2中所提到的影響(注:指安裝距離產生的振蕩現象),由于SPD和受保護設備間的距離導致在設備處產生的感應電壓低于0.8UW,則不需要在靠近設備處增設第二級SPD”。
     
        為說明以上內容,IEC61643-12還用圖示進行了說明,見圖1。
     
       
      
       
        圖例:
     
        如果Up1×k < 0.8×UW,僅需要SPDNo.1(安裝在裝置入口處)。
        如果Up1×k > 0.8×UW,除了SPDNo.1還應該安裝SPD No.2(Up2 < 0.8UW)。
        Eq是電壓耐受能力為UW的設備,如IEC 60664-1中所定義。
        k是考慮到可能的振蕩得出的系數(1 < k < 2,見6.1.2)。
                     圖1 是否需要附加保護的圖例
     
        IEC61643-22《連接至電信和信號網絡的SPD 選型和應用原則》中對SPD的級數是這樣規定的,“選擇SPD應根據過電壓/過電流威脅水平和SPD的特性來進行,一個單獨的SPD能被用于建筑物內設備保護。即便需要對多個防雷區進行保護,也可以通過在單個SPD中組合防護電路來實現。”(7.3.1.1條),“表3中防雷區(LPZ)的選擇是假定在LPZO/LPZ1區處部分雷電流IB通過SPD(j)(局部雷電流IPC)阻性耦合進入信息技術設備,在該系統中傳導雷電流因布線系統和SPD而改變。如果SPD(j)的UP高于設備的UW,則可以額外安裝一個有適當UP的SPD,這個SPD與SPD(j)應有良好的配合。另一種選擇是,換一個有適當UP的SPD來替代SPD(j)”(7.3.1.2條)。
     
        由此可知,無論是低壓配電系統還是電子系統中,SPD可以只在建筑物入口處安裝一級,只有在1.2UP>UW時(或其他特殊情況下),才需要附加的(額外的)SPD2。在IEC相關標準中用很大的篇幅說明多級SPD相配合時需注意的事項,這也是一種常識,用一句俗話說:龍多了不治水。SPD的系統越復雜,麻煩就越多。
     
      4.SPD的正確選擇
     
        除文獻[1]的規定外,GB16895.22-2004中對低壓配電系統上SPD的安裝做出如下規定:
     
        ——“對防止大氣過電壓(由間接的、遠處的雷擊引起的)(注:指S4型)和操作過電壓的保護。通常這種保護是裝設通過Ⅱ級試驗的SPD來提供,在必要時靠通過Ⅲ級試驗的SPD來提供”。此規定中只提到2級SPD,且用了“必要時”的界定。在其后之中規定SPD對每一保護模式的Ⅰn(標稱放電電流)不應小于5kA(8/20μs)。在使用“3+1”形式時,三相系統中N線與PE線間的SPD,其Ⅰn值不應小于20kA(8/20μs),單相系統中不應小于10kA(8/20μs)。SPD的Up應小于2.5kv。
     
        ——“在建筑物裝有防雷裝置(注:LPS即接閃器、引下線和接地裝置)的情況下使用SPD以防止直接雷擊(注:指S1型)或者建筑物鄰近處被雷擊引起的瞬態過電壓(注:指S2型)SPD應“符合IEC61643-1的雷擊沖擊電流Ⅰimp應根據IEC61312-1計算,更具體的要求在IEC61643-12中給出。如果電流值無法確定,則每一保護模式的Ⅰimp值不應小于12.5kA”。Ⅰimp在IEC標準和GB18802.1中試驗波形為10/350μs。在使用“3+1”安裝形式時“接在N線和PE線間SPD的Ⅰimp值應類似上述的標準計算(注:為L-N的Ⅰimp值的4倍)。如果電流值無法確定,則對于三相系統Ⅰimp¬¬不應小于50kA,對于單相系統Ⅰimp不應小于25kA”。在建筑物入口配電盤上安裝的SPD的Up應小于2.5kV。
     
        Uc、UTOV、耐受預期短路電流、多級SPD之間的配合、SPD失效后的保護、間接接觸防護、SPD的狀態指示、連接導線等詳細要求,GB16895.22與GB50057、IEC62305、IEC61643標準均相同,詳細請參看文獻[4]。由于IEC/T37、TC64、TC81的一致性,本文不再一一引用。電信和信號網絡中SPD的選擇見文獻[5]。
     
        在50343中把10/350μs試驗波形放到了“標稱放電電流”欄中是不對的,GB18802.1中Ⅰimp為沖擊電流,而Ⅰn才是標稱放電電流,是“流過SPD具有8/20波形的電流峰值”。在50343中條文說明4.5.1條使用IEC61312標準中雷電流參數(也可見GB50057附錄六)計算公式:
     
          W/R=(1/2)×(1/0.7)×I¬2×T2 (J/Ω)
     
        并由此式推導出;在單位能量相同的條件下,Ⅰn與Ⅰimp的比值為:1:4.18,即:
     
          I2(20)×T2(20)= I2(350)×T2(350)
     
        從表面上看,數學推導無誤,但是推導人忘記了一個重要條件,在IEC62305-1附錄A中A.3給出這個公式前規定:只有在T1<<<350,在8/20μs波形時,8和20之間達不到遠遠大于這一條件;緱l件不符,此計算能有效嗎?因此,50343中表5.4.1-2在LPZ0/LPZ1區選用8/20μs 80kA、60k A和50kA的In均達不到IEC標準規定的“能承受預期通過它們的雷電流”的要求。
     
      小結
     
        1) SPD是防雷裝置的一種,在建筑物內電氣和電子系統能通過本身的絕緣水平進行過電壓自身抑制時,不一定需要安裝。
        2)當建筑物裝有外部防雷裝置時或建筑物本身無外部防雷裝置,但鄰近的與其有電氣聯系的建筑物上有防雷裝置時,應按GB16895.22的規定在入戶處配電盤上安裝SPD。
        3)一般情況下SPD安裝1級就可以了,安裝第2級時應考慮各種因素的影響及兩級SPD的配合。
        4)由于50343中的明顯錯誤,防雷工程的設計者在發現標準之間的矛盾時應以GB50057、GB18802、GB16895等國標為準進行設計和安裝。
      
      參考文獻
        [1]《建筑物防雷設計規范》GB50057-1994(2000年版)
        [2] 林維勇 “閃電擊中建筑物防雷裝置時10/350μs雷電流在低壓系統中的分配”《中國雷電與防護》2003 N0.3
        [3] 邱傳睿“‘對GB50343若干技術問題的質疑’的質疑”《防雷世界商情》2005.3
        [4]《建筑物電氣裝置 第5-53部分:電氣設備的選擇和安裝 隔離、開關和控制設備 第534部分:過電壓保護電器》GB16895.22-2004/IEC6364-5-53:2001 A1:2002 中國標準出版社
        [5] 郭晉、關象石“通信和信號網絡上SPD的選擇和使用”《中國雷電與防護》2004 No.4

 

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