国内外雷电防护技术标准发展分析

'国内外雷电防护技术标准发展分析国内外雷电防护技术标准发展分析关象石丁海芳　　摘　要：本文通过对国内外雷电防护技术标准进行归纳和分析，获得了一点认识：防雷标准是建立在人类通过长期观察和试验逐步加深对雷电认识的基础上，并且随着科学技术的进步、随着对雷电灾害新形式的研究和对应的防护方法研究而深化和完善着。　　　　关键词：雷电灾害防护技术标准引　言　　雷电灾害是自远古以来一直发生在自然界的气象灾害。在中外历史记载中，雷击造成火灾、建筑物倒塌和人畜伤亡的纪录连绵不绝。[1]自人类使用有线电信、电话和电气设备以来，出现了雷电灾害的新形式。特别是进入信息时代以来，一方面广泛应用的信息技术设备给人们带来便利、快捷和享受，另一方面雷击电磁脉冲对信息技术设备的损害及造成电气系统或电子系统运行中断的影响又给人们带来了不便和危险。因此，对雷电防护的研究，已由初期的直击雷防护发展到电气系统、电子系统的现代防雷研究，防雷标准也由各国自行制定发展到全球一体化大趋势中。　　1直击雷的防护 　　迄今为止，除对球形闪电（球雷）的成因尚在研究中外，对发生在雷云内部或雷云之间的云闪（云内闪或云际闪）和雷云与大地（及地面建筑物、人畜和树木等）之间的云地闪研究已取得了比较一致的共识。《建筑物防雷设计规范》中将云地闪定义为“直击雷——闪电直接击在建筑物、其它物体、大地或防雷装置上，产生电效应、热效应和机械力者”。[2]这一定义与IEC62305-1中“对地的雷击闪电——在云与地表面之间来自大气的放电，它包括一次或多次闪击”的术语相一致。　　由于直击雷的直观和造成火灾、建筑物损坏和人畜伤亡等雷电灾害的严重性，人类一直在探索直击雷的防护技术。在古代欧州，雷被认为是战神之鼓，为了防止引爆炸药，大量的炸药被存放在教堂内。在雷云密布时，人们便敲响教堂的大钟祈求神的保护。在中国明清建筑中，会在宫殿（如北京故宫承乾殿）正脊瓦下埋一铁制宝盒，盒内除有元宝和金钱外，更有写着“九天应无雷声普化天尊玉枢宝经”乞求神灵保佑的绢条。[3]当然，雷电不会因此而罢休。明永乐十九年五月九日（公元1421年）雷击中新建成的北京皇宫紫禁城三大殿，大火烧了近两天，250多幢新建的宫殿被焚毁。1767年威尼斯一座教堂遭到雷击，引爆了数百吨炸药，造成3000人死亡的悲剧。　　1754年前后，以富兰克林为代表的一批欧美科学家用试验证实了“雷就是电”，并发明了用金属材料接闪、引下和接地的直击雷防护系统。虽然此前也有建筑物有意或无意中采用了这一技术，如重建于1252年的湖南岳阳慈氏塔。该塔高约39m，塔顶为一铁杵，从铁杵连下8条铁链垂至地面[3]。但以接闪器、引下线和接地装置构成的外部防雷装置的历史还应从1754年前后算起。250多年的运行经验说明，外部防雷装置是迄今唯一有效和广泛应用的直击雷防护装置。[4] 　　1980年前后，国内有学者对现存的11座古塔（含杭州六和塔）调查后，按建筑物年预期雷击次数经验公式推算，说这些塔均应遭受上百次雷击，而实际上却很少甚至上千年没受到雷击。因而认定“唯一的解释是六和塔具有消雷的能力”[5]，并仿照古塔的高阻值（10kΩ左右）特性研制生产了接闪部分（非金属材料）阻值为35kΩ的“消雷器”。其核心技术先是说“中和”，后改为“限流为纲”。以后市场上又出现了形形色色的“限流”或“电感”型非常规接闪器，同样是在金属接闪器中串电阻或并电感。　　近年又有人宣传“绝缘防雷”，并引用台湾学者的话“山西应县木塔是世界上唯一保存完好的纯木结构高层建筑物，历经943年雷鸣电击而无损伤，它的建筑防雷技术的考验远远超过避雷针技术！……称之为‘绝缘防雷’技术”。[6]　　木结构或砖（石）结构的古塔是否会因其绝缘或半绝缘的特性而具有“消雷”或“绝缘防雷”的能力呢？无论从理论分析还是从实际运行经验上看都是不可能的。电气专业上有一名词为“绝缘击穿”，指的是绝缘物体上的放电除取决于物体的绝缘水平，更取决于沿面放电强度。在数百千安电流和上万伏高压的雷电流下，有多少著名古建筑毁于雷火：布达拉宫（公元762年）、开封佑国寺塔（1100年前后）、北京法源寺（833年）、北京白塔寺（1391年）、天坛祈年殿（1889年）、天安门（1475年）、故宫景阳宫（1987年）、明献陵明楼（1992年）、沈阳东陵明楼（1962年）、承德外八庙普佑寺（1964年）、清西陵崇陵东配殿（1976年）、山西稷山大佛寺（2004年）……。就连文献[6]提到的应县木塔也于2002年9月7日遭雷击而损坏。现存的杭州六和塔也是几次焚毁后于1900年重建的。文献[3]的作者调研后指出：“我们国家自实施避雷带和避雷网的作法以来，全国各省市都已运行了三四十年，被保护的建筑物从未发生任何事故”。为保护古文物，北京故宫、北海、颐和园和天坛的防雷工程正在施工中，西藏三大重点文物建筑布达拉宫、罗布林卡和萨迦寺以及应县木塔的防雷已进入设计阶段。在欧州，著名的梵蒂冈圣彼得大教堂也完善了防雷装置（图1~图3）。这些防雷装置均是传统的接闪器、引下线和接地体，没有使用任何非常规接闪装置。　　在直击雷防护标准中，有如下三项技术发展：　　1）接闪器的保护范围 　　自从发明了避雷针（接闪器）以来，其保护范围一直在研究中。1777年5月伦敦附近普夫里特镇上的一座火药库遭到雷击，而这一仓库的防雷恰恰是包括富兰克林在内的几位科学家设计的。事后检查发现避雷针并未接闪，这是第一次发现保护范围的问题。《建筑物防雷设计规范》GBJ57-83中避雷针保护范围使用的保护角法，日本标准JISA4201-1992同样利用保护角计算保护范围。中国电力行业标准DL/T620-1997则使用了折线法。按保护角法计算，保护范围大体为一圆椎体，针的高度越高，则圆椎体越大。然而，在实际运行中却大量出现雷击入圆椎体保护区的情况，被称为“侧击”或“绕击”，至于发生侧击或绕击的物理机理却一直没弄明白，直到1960年代在积累了大量雷电观测数据，逐渐搞清了雷击电流发生频度分布、雷电电荷的频度分布以及雷电放电的机制等以后，并根据这些数据和结合实验提出了电气几何理论（EGM），才解释了侧击发生的原因。EGM理论认为：接闪器保护范围因雷电流大小而异，雷电流较大时，其击距（滚球半径）长，当击距大于与某一物体的间距时，雷云先导就会对那一物体放电，并不理会那一物体是否是接闪器。在1994年修订的《建筑物防雷设计规范》中按IEC（国际电工委员会）标准采用了滚球法计算保护范围，欧州标准ENV61024-1：1995、英国标准BS6651：1992、法国标准NFC17-100、美国标准NFPA780：1992、韩国标准KSCIEC61024-1：2002和日本2003年版JISA4201也均采用了滚球法，既便保留了一些保护角法也限定在一定的高度内（如Ⅰ级限在20m内、Ⅱ级30m、Ⅲ级45m和Ⅳ级60m），这与我国电力行标折线法在一定高度内保护范围值与滚球法计算的保护范围值相近类似。　　在IEC62305-3：2005中目前使用滚球法、保护角法和网络法三种方法，其中说明滚球法适用于所有情况，保护角法适用于简单（小型）建筑物且受高度限制，网络法对水平的保护面较适宜。 　　在IEC的保护角法中规定I类防雷建筑物针高20m以下时，保护角为25°，Ⅳ类防雷建筑物针高为20m、30m、45m和60m时，对应的保护角分别为55°、45°、35°和25°。而GB15599-1995中却对Ⅰ类防雷建筑物使用消雷器的保护角做出74°，GB/T16438-1996中对一般建筑（Ⅱ~Ⅳ类）使用消雷器做出78.7°的规定，大大超出IEC和GB50057及电力行业标准的规定。74°和78.7°的规定毫无理论依据和实际运行经验，纯属商业炒作。　　2）接地电阻的要求　　在理论上一直认为接地电阻值越低防雷效果越好，这是因为可以防止高电位反击和跨步电压危害。在GB50057中对一、二、三类防雷建筑物规定冲击接地电阻值分别为10Ω、10Ω和30Ω。而在另一些标准中则更低，甚至提出1Ω乃至0.1Ω的近于?w刻要求，这样在一些土壤电阻率较高的地区为达到此低值需花费几十万到百万元的代价。1996年12月厦门会议上林维勇老师提出，今后对GB50057进行修订时，可能会取消接地电阻值的要求，这是因为就防直击雷而言接地装置的形状和尺寸（长度）比接地电阻的具体数值更为重要。为了防高电位反击可以采取等电位连接，为了防跨步电压危害可以在人行走的地方对接地装置采取局部绝缘。IEC62305-3中提出两种接地类型，A型为单独的水平或垂直接地体，每一接地体有一长度要求，其长度与土壤电阻率有关（针对第Ⅰ、Ⅱ类防雷建筑物，而第Ⅲ、Ⅳ则无要求），与埋设方法（水平或垂直）有关，只有在土壤电阻率较低的地区，接地电阻很容易达到10Ω时才不对接地体长度做要求。B型为建筑物基础钢筋或围绕建筑物的环型人工接地体，其所包覆面积的等效半径（R=A/π）对第Ⅰ、Ⅱ类防雷建筑物而言应不小于由土壤电阻率查算出的接地长度要求，对第Ⅲ、Ⅳ类防雷建筑物则无要求。IEC标准指出，B型特别适用于土壤为裸露出固体岩石地面的接地设计，B型无接地电阻要求。当然，采用共用接地系统后还会有防静电接地、电气安全接地（保护地）和直流工作地的接地电阻值要求，此时只要达到电击防护要求值（一般为4~5Ω）也就足够了。 　　近两年，某防雷生产厂商一直努力将其接地模块产品编为国家标准，最近形成了一个“复合接地体技术条件”的标准征求意见稿。两年前一次会上笔者便指出，《中华人民共和国标准化法》规定：“对需要在全国范围内统一的技术要求，应当制定国家标准”，这种接地模块在任何工程技术标准中没有要求，且其宣称的功能与实测不符（林维勇老师亲自进行了测试，并将测试结果以论文形式公布），根本不具备制定国家标准的基本条件，也是一种商业炒作。　　3）法拉弟笼的应用　　从独立避雷针式的接闪器发明以后，其他类型的接闪器也一直在研究中。富兰克林曾建议在建筑物上装设“沿屋脊的中间线”，1876年马克斯威尔又提出在建筑物上使用水平接闪器（避雷带）或法拉弟笼的设想，这一设想随着现代建筑大量使用钢材而得到实现。　　现代建筑很多是钢筋水泥或金属框架结构，因此可将女儿墙内钢筋引出围屋面敷一圈避雷带接闪，利用柱子的钢材做为引下线和利用基础钢筋为接地装置。同时纵横布设的钢筋把建筑物构成了一个铁笼子，即法拉弟笼，能对空间传导的雷电磁场进行初级屏蔽。采用法拉弟笼做为外部防雷装置后，无需专门再设置接闪器、引下线和接地体，不仅节约了费用，且安全可靠和美观实用。2．电力、电信系统的雷电防护 　　1853年莫尔斯的有线电信实现了实用化，最初使用二根传输线，一去一返实现回路。以后利用设备接地以大地做回路，只需架设一根电线，这一接地的性质属于功能性接地。1876年贝尔电话研究成功后，电话架空线网立即在广阔的区域上架设起来。这些架空线常常遭到雷击，有时线路附近的直击雷也会感应到电话线上，并危及到用户的电话和电话局的设备。1882年在纽约首次实现了配供电，之后架空线路的雷电直击和雷电感应也造成了供电线路和电气设备的损坏。因此电力和电信系统的防直击雷和雷电感应过电压的研究一直在发展中。在全球范围内国际大电网会议（CIRGE）和国际电信联盟（ITU）一直在研究和制定防雷标准。国内电力行业标准（DL）和通信行业标准（YD）发布行业防雷标准，并起到积极的作用。　　但是，由于受前苏联电气规程的影响，有些标准重系统运行的安全，而对用户端设备的安全（人身和财产安全）不甚重视，以致造成了不少的用户端事故。这些均有待于与国际标准接轨中逐步解决。3．电子和电气系统的雷电防护　　IEC62305-4对电子系统的定义是：装有敏感电子部件如信息技术设备、控制和仪表系统、无线电系统和大功率电子装置等。对电气系统定义为：装有低压供电和可能也有电子部件的系统。IEC62305-4中用电子系统和电气系统取代了IEC61312-1中的“信息系统”。　　1973年美国人首次将一万个电子元件集成在1Cm2的芯片上，代表着人类文明进步由电子时代跨进了信息时代。信息技术设备（含计算机、数据传输和现代办公设备等）的关键便是采用集成电路替代了电子管，因此容量更大、速度更快和小型化。但是设备对电涌（过电压和过电流）的耐受水平却大大降低了。实验证明集成电路的耐受水平为10-6~10-8J（焦耳），比电子管的耐受水平10-1~10J低了7个数量级。因此防雷击电磁脉冲被提到重要位置，IEC61312-1：1995中称“鉴于各种类型的电子系统，包括计算机、电信设备、控制设备等的应用不断增加，使本标准的制定成为必需。这些电子系统应用于商业和工业的许多部门，包括大量资金的投入、大规模及高度复杂的工业控制系统，对这样的系统从代价到安全方面考虑非常不希望因雷电导致系统运转的停顿”。IEC61312系列标准总名称是“雷击电磁脉冲（LEMP）的防护”，从1995年到2000年共出版了4个部分。为适应国内防LEMP的需求，GB50057-94于2000年进行了局部条文修改，增加了“第六章防雷击电磁脉冲”，其中涉及到防雷区（LPZ）、等电位连接、屏蔽和电涌保护器（SPD）等内容，基本与IEC 61312系列接轨。　　在IEC中除TC81（第81委员会—防雷）外，尚有TC37、TC64和TC77与TC81密切配合，出版了与防雷相关的标准。如TC37近年出版了IEC61643系列标准，对用于低压配电系统和电信、信号网络的SPD的性能要求和试验方法以及选择和应用做出规定，对应的国标为GB18802.1-2002/IEC61643-1和GB/T18802.21-2004/IEC61643-21（IEC61643-12和IEC61643-22尚未出版）。TC64出版了IEC60364系列标准，总的名称是“建筑物电气装置”，许多涉及到防雷内容，已等同采用为国标的有：GB16895.3-2004/IEC60364-5-54（接地配置和保护联结导体）、GB16895.5-2000/IEC60364-4-43（过电流保护）、GB16895.6-2000/IEC60364-5-52（布线系统）、GB16895.9-2000/IEC60364-7-707（数据处理设备用电气装置的接地要求）、GB16895.11-2001/IEC60364-4-442（低压电气系统对暂时过电压和高压系统与地之间的故障的防护）、GB16895.12-2001/IEC60364-4-443（大气过电压或操作过电压保护）、GB/T16895.17-2002/IEC60364-5-548（信息技术装置的接地配置和等电位联结）、GB/T16895.22-2004/IEC60364-5-534（过电压保护电器）。TC77为电磁兼容（EMC）委员会，从防冲击和脉冲磁场的角度出版标准，如GB17626.5-1999/IEC61000-4-5（冲击抗扰度试验）、GB17626.9-1998/IEC61000-4-9（脉冲磁场抗扰度试验）。笔者作为中国专家参加2004年7月IEC/TC81第3工作组（WG3）罗马会议时，听到有些专家对某一问题有不同看法时，工作组召集人便决定将此问题搁置，交TC77去研究决定。除IEC各委员会之间的配合协调外，IEC还不断地与国际大电网、国际电信联盟协调解决防LEMP的问题。　　2001年10月，IEC/TC81第65届年会在意大利佛罗伦萨召开，中国气象局丁海芳和上海市气象局曹和生代表中国参加了会议。这是自1992年林维勇老师参加澳大利亚霍巴特年会后我国第二次参加IEC/TC81年会。在第65届年会上，TC81决定将已出版的五大系列防雷标准IEC61024（直击雷防护）、IEC61312（防LEMP）、IEC 61662（危险度评估）、IEC61663（通信线路防雷）和IEC61819（LPS的测量）全部打乱，重新编制。在各国专家的共同努力下，经过四年的反复修改，IEC62305系列防雷标准将于近期公布实施，其编号和标准名称如下表：表1IEC/TC81雷电防护标准新体系标准号　名称　62305-162305-262305-362305-462305-5　雷电防护第1部分：总则雷电防护第2部分：风险评估雷电防护第3部分：建筑物的实体损害和生命危险雷电防护第4部分：建筑物内电气和电子系统雷电防护第5部分：公共设施（电力线、通信线和其他管道）　　　为了贯彻国家鼓励积极采用国际标准和国外先进标准的政策，将国际上最新的研究成果以最廉价的技术转让形式吸收，《建筑物防雷设计规范》GB50057已启动了全面修改，重新编制的工作。对2004年公布的《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2004，在其起草过程中便遭到许多专家的批评和抵制，标准公布后大家看到许多内容与IEC标准和现行国标GB 50057的突出矛盾，如术语的矛盾和不妥、总则中基本概念的错误、雷电防护分区中的矛盾、提供各地雷日的错误、雷电防护分级的矛盾、接地干线的设置错误、SPD选择的矛盾等。为此笔者先后著文“GB50343标准中岐义分析”、“对GB50343若干技术问题的质疑”、“电涌保护器安装级数分析”、“在TN和IT系统中安装SPD可选用‘3+1’连接方式”进行了分析。林维勇老师也针对GB50343中接地电阻值强制要求和“接地干线”的设置问题著文“电子系统中功能性接地和等电位连接的几个问题”进行了分析和批评。由于GB50057和GB50343的突出矛盾，已造成防雷设计工程师的困惑和混乱，GB50343应尽快修改或废止。　　在GB50057中强调防雷设计要因地制宜，做到安全可靠、技术先进和经济合理。在IEC标准中给出了下式：　　　　CRL+CPM＜CL　　式中CRL为采用防雷措施后仍可能发生的损失额，CPM为采用防雷措施的费用和维护保养的费用，CL为未采取防雷措施可能发生的损失额，只有在这个公式成立时才需要防雷，这说明防雷要算经济帐的。同样SPD的选择也要考虑经济、实用，有些场合需要，有些场合则不需要，更不能“一刀切”的安装3~4级。如果使用1级SPD的电压保护水平Up低于被保护设备的耐冲击过电压额定值UW，并有一定的裕度，达到UP≤0.8UW即可并不需再加2~3级SPD。在IEC62305系列标准中，增添了许多涉及评估、设计和施工的技术内容，因篇幅所限，不一一介绍了。4．防雷技术标准发展的趋势 　　本文摘要和引言中已指出，防雷标准是建立在对雷电认识的基础上并随着科学技术的进步而发展和完善着。防雷设计和施工要做到知已知彼，或曰“明白两头，抓好中间”，两头的一头是了解雷电及雷击危害来源（在IEC中分为S1~S4型），另一头是了解受保护的电气和电子系统及设备的特性，中间要抓好因地制宜的设计和施工。不久前中国气象科学院在承担科技部重点课题“雷电防护标准化体系”的研究中，初步将防雷标准分为雷电监测和预警、防雷工程设计和施工、防雷装置检测、防雷产品和雷电灾害风险评估及雷电灾难鉴定共五大门类。在此五大门类标准中，有些如防雷工程设计和施工、防雷产品中的SPD、风险评估可以按国际标准等同采用，其他内容尚无同类国际标准可以参考，因而需在加强理论研究和实践经验总结的基础上自行制定，并争取以我为主，进入国际标准范畴。　　在全球经济一体化的今天，世界各国大都积极采用着国际标准。2004年10月14日第35届世界标准日的主题是：“标准联结全世界”。IEC和ISO主席和ITU秘书长的祝词中指出：“从简单到复杂，从微观到宏观，从地方到全球，国际标准无处不在；从产品到服务，再到以国际标准为支撑的全球供应链条的各部分，国际标准无所不及”，“成千上万不同政治和宗教信仰、不同国籍和种族、不同文化背景的人走到一起，在ISO、IEC和ITU框架下高效合作，实现国际标准上的统一，为我们的世界做着积极贡献。这是我们的骄傲，也让未来充满希望”。防雷技术标准发展的趋势也即如此。参考文献　　[1]关象石《国内外雷电灾害事故案例》气象出版社　　[2]《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000年版）　　[3]王时煦“建筑物防雷综述”《建筑电气》1997.1　　[4]林维勇“传统防雷装置的科学基础”2005《中国防雷论坛》　　[5]解广润“消雷器的功能与结构”1978　　[6]虞昊“以现代科学去发掘中国现存古塔的建筑防雷技术机理”《雷电防护与标准化》2003.10'