說明:
此IEC62305中文版由《防雷世界商情》獨家翻譯提供,
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雷電防護
第1部分:總 則
IEC: Protection Against Lightning
Part1:General principles
目 錄
前言…………………………………………………………………………………………………3
簡介…………………………………………………………………………………………………4
1. 范圍和目標………………………………………………………………………………….…5
2. 規(guī)范性參考文件…………………………………………………………………………….…5
3. 術(shù)語和定義………………………………………………………………………………….…5
4. 雷擊電流參數(shù)………………………………………………………………………….……..11
5. 雷電的損害…………………………………………………………………………….……..11
5.1 對建筑物的損害
5.2 對公共設(shè)施的損害
5.3 損失類型
6. 對防雷的需求和經(jīng)濟利益…………………………………………………………….……..14
6.1 雷電防護需求
6.2 雷電防護的經(jīng)濟利益
7. 防護措施…………………………………………………………….………………………..14
7.1 減少接觸和跨步電壓對活體損害的防護措施
7.2 減少物質(zhì)損害的防護措施
7.3 減少電氣和電子系統(tǒng)失效的防護措施
7.4 防護措施選擇
8. 對建筑物和公共設(shè)施防護的基本準則…………………………… ……………………….16
8.1 雷電防護等級(LPL)
8.2 雷電防護區(qū)(LPZ)
8.3 建筑物防護
附錄A(資料性)雷擊電流參數(shù)…………………………………………………………….….25
附錄B(資料性)供分析用的雷擊電流的時間函數(shù)……………………………………….….34
附錄C(規(guī)范性)供試驗用的雷擊電流的模擬………………………………………….…….38
附錄D(規(guī)范性)對LPS部件受雷電影響的模擬及其試驗參數(shù)……………………….…….42
前 言
1) IEC(國際電工委員會)是世界性標準化組織,其所有成員為國家電工委員會。它致力于促進在電氣和電子領(lǐng)域內(nèi)所有關(guān)于標準化問題的國際合作。為著本目標及其它相關(guān)活動,IEC發(fā)行公布國際標準。前期工作委托給技術(shù)委員會;任何IEC組成成員如對該問題感興趣,可參與準備工作。與IEC有交往的國際性的、政府間的、以及民間組織也可參與該工作。IEC與ISO在兩組織已達成的協(xié)議條件下保持著密切合作。
2) IEC關(guān)于技術(shù)問題的正式?jīng)Q定或協(xié)議,盡可能地表述為相關(guān)的國際公認標準。因每一技術(shù)委員會擁有來自代表各國利益的各國委員會的代表。
3) 為方便國際間合作,產(chǎn)生的文件以各國委員會易接受的形式印發(fā),如:標準、技術(shù)規(guī)格、技術(shù)報告或指南形式等。
4) 為促進國際間的統(tǒng)一化,IEC成員致力于在其各自國家和地區(qū)最大可能地應用IEC國際標準。IEC標準和對應的國家或地區(qū)標準的任何分歧均在后面清晰指明。
5) IEC不提供聲明同意等程序,不對任何聲稱符合其某一標準的設(shè)備負責。
6) 本國際標準的一些要件可能為某一專利權(quán)所屬,此點需注意。對此類專利的確認,IEC不負任何責任。
國際標準IEC 62305-1 由IEC技術(shù)委員會81的分委會WG8起草。
此標準的正文基于下列文件:
FDIS | 表決報告 |
81/XX/FDIS | 81/XX/RVD |
關(guān)于表決通過此標準的全部信息在上表的表決報告可找到。
此公布是根據(jù)ISO/IEC指示第3部分起草的。
委員會決定此公布的內(nèi)容將不作變更直至_____。屆時,此公示將
·重新確認;
·撤銷;
·由修訂版代替;
·修正。
簡 介
雷電是自然的天氣現(xiàn)象且尚無用裝置和其他方法能阻止雷擊放電。雷電閃擊打到建筑物或公共設(shè)施上,進入建筑物,或襲擊到地面損害人身和建筑物,損害建筑物內(nèi)部的裝備和公共設(shè)施,因此必須考慮到雷電防護。
為防護需要,在風險管理項目中對雷電防護措施的安裝和選擇足夠的保護措施及其經(jīng)濟利益上的考慮都是必要的。風險管理方法見IEC62305-2。
雷電防護措施的設(shè)計、安裝和維護的準則分三個部分考慮:
第一部分為減少在建筑物內(nèi)物體損壞和人身傷害的防護措施,見IEC62305-3;
第二部分為減少在建筑物內(nèi)電器和電子系統(tǒng)失效的防護措施,見IEC62305-4;
第三部分為減少進入建筑物內(nèi)的公共設(shè)施的失效(主要是電氣和通信線纜)的防護措施,見IEC62305-5。
雷電防護
第一部分:通 則
1 范圍和目標
本部分對下列雷電防護提供了相關(guān)依據(jù):
·建筑物包括其中的裝備和設(shè)備,也包括人身;
·進入建筑物的公共設(shè)施。
下列案例不包括在本標準的目標之內(nèi):
·鐵路設(shè)施;
·車輛、船只、飛行器、海岸設(shè)施;
·地下高壓管道。
注:通常上列系統(tǒng)由特定當局制訂的專用規(guī)則控制。
2 規(guī)范性參考文件
下列文件中的條款通過本部分的引用而成為本國際標準的條款。凡是注明日期的引用文件,其隨后所有的修改單(不包括勘誤的內(nèi)容)或修訂版均不適用于本部分。然而,鼓勵根據(jù)本國際標準達成協(xié)議的各方研究是否可使用這些文件的最新版本。凡是不注明日期的引用文件,其最新版本適用于本標準。IEC和ISO的成員對國際標準的當前有效性維持其注冊狀態(tài)。
IEC 60364系列:建筑物的電氣安裝;
IEC 60479系列:電流對人和牲畜的影響;
IEC 61643-1-1998年版:接在低壓配電系統(tǒng)上的浪涌保護器;
第一部分:性能、要求和試驗方法;
IEC 61643-12-2002年版:接在低壓配電系統(tǒng)上的浪涌保護器;
第二部分:選擇和應用原則;
IEC 62305系列:雷電防護。
3 術(shù)語和定義
為達到本標準的目的,應使用下列定義。
3.1 對地的雷擊閃電 Lightning flash to earth
在云和地表面之間源于大氣的放電,它包括一次或多次閃擊。
3.2 下?lián)糸W電 Downward flash
在云和地表面之間由于向下引導發(fā)生的雷擊。一個下?lián)糸W電含有一個首次短沖擊,可隨后發(fā)生后續(xù)短沖擊,在一個長沖擊之后可能隨有一個或多個短沖擊。
3.3 上擊閃電 Upward flash
在云和地表面之間由于向上引導發(fā)生的雷擊。一個上擊閃電含有伴隨多個疊置短沖擊或無疊置短沖擊的一個長沖擊,之后可能隨有一個或多個短沖擊。
3.4 雷電沖擊 Lightning stroke
對地雷擊閃電中的單個放電。
3.5 短沖擊 Short stroke
在雷擊閃電中對應一個脈沖電流的部分。此電流的半值時間T2典型地為小于2ms(參見圖A1)。
3.6 長沖擊 Long stroke
在雷擊閃電中對應一個持續(xù)電流的部分。此持續(xù)電流的維持時間Tlong(從前段達10%數(shù)值至尾跡為10%數(shù)值的時間)典型地為大于2ms且小于1s(參見圖A.2)。
3.7 多次沖擊 Multiple strokes
雷擊閃電持續(xù)平均為3~4次沖擊,典型的時間間隔為50ms(偶然地可達數(shù)十次沖擊,其中時間間隔據(jù)已有報告可從10ms至250ms)。
3.8雷擊點 Point of strike
雷擊點為雷擊閃電落在地表面或某個坐落目標上(例如建筑物、LPS、公共設(shè)施、樹等)。
3.9 雷擊電流(i) Lightning current(i)
流過雷擊點的電流。
3.10峰值電流(l) Peak value(l)
雷擊電流的最大值。
3.11短沖擊電流的平均陡度 Average steepness of the short stroke current
在t2-t1,時間間隔內(nèi)電流變化的平均速率。它以電流開始到電流結(jié)束的時間間隔內(nèi)i(t2)-i(t1)的差值除以t2-t1來表示(參見圖A.1)。
3.12短沖擊電流的波頭時間(T1) Front time of short stroke current(T1)
它是一個虛擬參數(shù),由電流從峰值的10%到90%之間的時間間隔乘以1.25所定義(參見圖A.1)。
3.13短沖擊電流的虛擬原點(O1) Virtual origin of short stroke current(O1)
沖擊電流前段連接10%和90%兩個參考點的直線在時間軸上截交的點(參見圖A.1);它早于電流達到其峰值的10%的0.1T1點。
3.14短沖擊電流的半值時間(T2) Time to half value of short stroke current(T2)
它是一個虛擬參數(shù),由電流從虛擬原點O1起至電流回降至峰值一半的時間間隔所定義(參見圖A.1)。
3.15閃擊持續(xù)時間(T) Flash duration(T)
雷擊電流流經(jīng)雷擊點的時間。
3.16長沖擊電流持續(xù)時間(Tlong) Duration of long stroke current(Tlong)
對長沖擊電流從上升到峰值的10%至下降到峰值的10%之間的電流持續(xù)時間(參見圖A.2)。
3.17閃擊充電(Qflash) Flash charge(Qflash)
在整個雷擊閃電過程中雷擊電流對時間的積分。
3.18短沖擊充電(Qshort) Short stroke charge(Qshort)
在一個短沖擊中雷擊電流對時間的積分。
3.19長沖擊充電(Qlong) Long stroke charge(Qlong)
在一個長沖擊中雷擊電流對時間的積分。
3.20比能(W/R) Specific energy(W/R)
在整個雷擊閃電過程雷擊電流的平方對時間的積分;它表示雷擊電流在一個單位電阻上能量的耗損。
3.21短沖擊電流的比能 Specific energy of short stroke current
在短沖擊過程內(nèi)雷擊電流的平方對時間的積分。
注:對一個長沖擊電流,其能量比可以忽略。
3.22保護目標 Object to be protected
防止受雷擊影響的建筑物或公共設(shè)施。
3.23保護建筑物 Structure to be protected
按照本標準防止受雷擊影響需要保護的建筑物。
注:受保護的建筑物可以是大建筑物的一部分。
3.24保護公共設(shè)施 Service to be protected
按照本標準防止受雷擊影響需要保護的公共設(shè)施。
注:電力和通信線纜是最易受雷擊影響的入戶公共設(shè)施。
3.25目標受擊 Lightning to an object
對一個被保護目標的雷電襲擊。
3.26目標附近受擊 Lightning flash near an object
對一個被保護目標的附近受雷電襲擊,可能損壞其電氣和電子系統(tǒng)。
3.27電氣系統(tǒng) Electrical system
一個由低壓電源供給的部件,并也可能有電子部件結(jié)合的系統(tǒng)。
3.28電子系統(tǒng) Electronic system
一個由敏感性電子部件結(jié)合的系統(tǒng),例如通信設(shè)備、計算機、控制和儀表系統(tǒng)、無線電系統(tǒng)、電子電源裝備。
3.29內(nèi)部系統(tǒng) Internal system
一個建筑物內(nèi)的電氣和電子系統(tǒng)。
3.30實體損害 Physical damage
受雷擊后,建筑物損壞或其內(nèi)部物體由于機械的、熱力的、化學的和爆炸影響而損傷。
3.31活體傷害 Injuries of living beings
由于雷擊形成人或動物的接觸或跨步電壓而傷害,包括死亡。
3.32電器和電子系統(tǒng)的失效 Failure of electrical and electronic system
由于雷擊的電磁效應造成電氣和電子系統(tǒng)的永久性損壞。
3.33雷擊電磁脈沖(LEMP) Lightning electromagnetic impulse(LEMP)
雷擊電流的電磁效應。
注:它包括電氣和電子的設(shè)備中形成的浪涌和直接對設(shè)備本身的磁場效應。
3.34雷擊防護區(qū)(LPZ) Lightning Protection Zone(LPZ)
由雷擊電磁環(huán)境定義的區(qū)域。
3.35風險 Risk
由于雷擊可能造成(人身和貨物)的年損失相對于被保護目標(人身和貨物)的總值之比。
3.36風險容差(RT) Tolerable risk(RT)
對被保護目標風險可容許偏離的最大值。
3.37雷擊防護等級(LPL) Lightning protection level(LPL)
對雷擊造成的損傷用一組雷擊電流參數(shù)值作定義去劃分。
注:雷擊防護等級是用相關(guān)雷擊電流參數(shù)去設(shè)計防護措施的。
3.38防護措施 Protection measures
為減少受保護目標的風險而采取的措施。
3.39雷擊防護系統(tǒng)(LPS) Lightning Protection System(LPS)
為減少雷電閃擊對建筑物的實體損害所用的整個系統(tǒng),它也包括建筑物外部和內(nèi)部的防護系統(tǒng)。
3.40外部的雷電防護系統(tǒng) External lightning protection system
LPS的一部分,它含有一個接閃器、一個引下線和一個接地系統(tǒng)。
注:這些部分典型都在建筑物外部。
3.41內(nèi)部的雷電防護系統(tǒng) Internal lightning protection system
LPS的一部分,它是指受保護建筑物內(nèi)的雷電等電位連接和適當安全間隔。
3.42接閃器 Air-termination system
外部的LPS的一部分,利用金屬元件,例如桿、網(wǎng)格導體或吊線以截取雷擊閃電。
3.43引下線 Down-conductor system
外部的LPS的一部分,用以將接閃器的雷擊電流引導到接地系統(tǒng)。
3.44接地系統(tǒng) Earth-termination system
外部的LPS的一部分,用以將雷擊電流引導并散布到地球。
3.45外部傳導部件 External conductive parts
進入或離開受保護建筑物的延伸金屬導體,例如管系、金屬纜、金屬腔箱等,它們可能攜帶雷擊電流的一部分。
3.46雷電等電位連接 Lightning equipotential bonding
將分離的金屬部件連接到LPS,這種直接的導電連接或通過浪涌保護器的連接使得雷擊電流造成的電位差減少。
3.47屏蔽線纜 Shielding wire
為減少雷擊閃電對公共設(shè)施的實體損害所用的金屬線纜。
3.48磁屏蔽 Magnetic shield
包覆在受保護目標或其一部分上的閉合的金屬柵格或連續(xù)篩網(wǎng),以減少其電器和電子系統(tǒng)的失效。
3.49浪涌保護器 Surge protective device(SPD)
為限制瞬態(tài)過壓并轉(zhuǎn)移浪涌電流所用的器件,它至少含有一個非線性元件。
3.50浪涌保護器系統(tǒng)(SPD系統(tǒng)) Surge protective devices system(SPD system)
適當選擇并裝配起來的SPD的匹配組合,用以減少電器和電子系統(tǒng)的失效。
3.51可承受的額定脈沖電壓 Rated impulse withstand voltage
由制造廠商對設(shè)備或其一部分指定的一個可承受的脈沖電壓值,其作用為針對過壓絕緣性耐受能力的規(guī)定(參見IEC60664-1的第1.3.9.2的定義)。
4 雷擊電流參數(shù)
在IEC62305系列中采用的雷擊電流參數(shù)見附錄A;
用于分析目的的雷擊電流的時間函數(shù)見附錄B;
為試驗目的而模擬的雷擊電流的信息見附錄C;
雷擊對LPS部件影響的實驗室模擬所用的基本參數(shù)見附錄D。
5雷擊的損害
5.1對建筑物的損害
雷擊對建筑物的損害可以導致建筑物自身的損壞和建筑物內(nèi)居住的人員與物品的傷害,也包括內(nèi)部系統(tǒng)的失效。這種損壞和失效可能擴展到建筑物周圍,并且也可以影響到局部環(huán)境。擴展到何等程度尺度取決于建筑物的性質(zhì)以及雷擊閃電的性質(zhì)。
5.1.1雷擊對一個建筑物的影響
建筑物的主要特性與雷擊影響的關(guān)系為:
結(jié)構(gòu)(例如木、磚、混凝土、鋼筋混凝土、鋼架結(jié)構(gòu));功能(住房、辦公室、農(nóng)莊、劇院、旅館、學校、醫(yī)院、博物館、教堂、監(jiān)獄、百貨商店、銀行、作坊、工廠、運動場館);居住者和物品(人員和動物、易燃品或非燃品的出現(xiàn)、爆炸品或非爆炸品的出現(xiàn)、耐受低壓或高壓的電氣和電子系統(tǒng));
入戶的公共設(shè)施(電力線纜、通信線纜、管道等);
原有或可提供的防護措施(例如可以使物體損害和生命損害減少的防護措施,可以使內(nèi)部系統(tǒng)減少失效的防護措施);
損害擴展的規(guī)模(撤離很困難的建筑物或會引起恐慌的建筑物、引起周圍危險的建筑物、危機環(huán)境的建筑物)。
5.1.2建筑物受損的原因和類型
雷擊電流是受損的原因,下列應該考慮到的情況取決于雷擊點相對于建筑物的位置:
——S1:雷擊建筑物
——S2:雷擊建筑物的鄰近區(qū)域
——S3:雷擊進入建筑物的公共設(shè)施
——S4:雷擊進入建筑物公共設(shè)施的鄰近區(qū)域
—雷擊建筑物能導致:
立即的機械損害,由于雷擊等離子弧自身熱引起的火災和/或爆炸,或者由雷擊電流在導體上的阻值熱(過熱導體)引起的火災和/或爆炸,或者由充電導致(在熔化金屬里)電弧腐蝕;
火花觸發(fā)的火災和/或爆炸,它是由于局部雷擊電流通道上的電阻和電感耦合導致的過壓所引起的;
由于從電阻和電感耦合所引起的接觸電壓和跨步電壓傷害了人身;
由于雷擊電磁脈沖(LEMP)使內(nèi)部系統(tǒng)失效或工作失常。
—雷擊建筑物的鄰近區(qū)域能導致:
由于雷擊電磁脈沖(LEMP)使內(nèi)部系統(tǒng)失效或工作失常。
—雷擊入戶公共設(shè)施能導致:
由火花觸發(fā)的火災和/或爆炸,它是由于雷擊電流通過入戶公共設(shè)施傳進去所造成的;
內(nèi)部系統(tǒng)失效或工作失常,這是由于雷擊電流使入戶公共管線上出現(xiàn)過壓進入建筑物引起的。
—雷擊入戶公共設(shè)施的鄰近區(qū)域能導致:
內(nèi)部系統(tǒng)失效或工作失常,這是由于雷擊電流使入戶公共管道上感應生成過壓進入建筑物引起的。
注1:內(nèi)部系統(tǒng)失常不包括在IEC62305系列的文件中,應參考IEC-61000-4-5。
注2:只有雷擊電流(總電流或部分電流)帶來的火花有可能觸發(fā)火災。
注3:在管線上或其鄰近區(qū)域的雷擊,在提供了連接到建筑物上等電位連接帶后,則不會造成建筑物的損毀。
雷擊可導致三種基本損害的類型:
——D1:由于接觸和跨步電壓傷害活體
——D2:由于雷擊電流的影響,包括火花造成的實體損害(火災、爆炸、機械毀損、化學釋放)
——D3:由于雷擊電磁脈沖(LEMP)使內(nèi)部系統(tǒng)失效
5.2對公共設(shè)施的損害
雷擊影響到公共設(shè)施時,可以使公共設(shè)施實體損害——用以提供業(yè)務(wù)的線纜或管道,及其所連接的電氣和電子設(shè)備。
損害擴展的規(guī)模取決于業(yè)務(wù)性質(zhì),電氣和電子系統(tǒng)的型式和伸展范圍,以及雷擊閃電的特性。
5.2.1公共設(shè)施受雷擊的影響
公共設(shè)施的主要特性與雷擊影響的關(guān)系為:
結(jié)構(gòu)(線路、頂置、地下、有屏蔽、無屏蔽、光纖、管道、金屬、塑料);
功能(通信線纜、電力線纜、管道);
配套建筑(結(jié)構(gòu)、內(nèi)部設(shè)備、規(guī)模、本地化);
原有或提供的防護措施(例如屏蔽線、SPD、線路余度、液體儲存系統(tǒng)、發(fā)電機組、連續(xù)供電系統(tǒng))。
5.2.2公共設(shè)施受損原因及其類型
雷擊電流是受損的原因,下列應考慮到的情況取決于雷擊點相對于公共設(shè)施的位置:
——S1:雷擊供應業(yè)務(wù)的建筑物
——S3:雷擊進入建筑物的公共設(shè)施
——S4:雷擊入戶公共設(shè)施的鄰近區(qū)域
雷擊供應業(yè)務(wù)的建筑物能導致:
局部雷擊電流流入公共設(shè)施時,其導線和纜網(wǎng)上的阻性熱使金屬熔化;
連接設(shè)備的電阻耦合使線路絕緣擊穿;
管接頭上的非金屬墊圈和絕緣接頭上的膠墊被擊破。
注1:光纖線纜無金屬導體對公共設(shè)施的建筑物遭雷擊時不受影響。
雷擊進入建筑物的公共設(shè)施能導致:
由于雷擊電流的電動應力或熱效應使公共設(shè)施的線路或管道立即機械損毀(金屬線、屏蔽或管道斷路和/或熔化);并由于雷電等離子弧自身的熱使塑料護板擊破;線路的電氣損壞(絕緣擊穿)和連接設(shè)備的電氣損壞;頂置金屬管道薄壁和接合盤中的非金屬墊圈擊破,然后,由于傳輸液體的性質(zhì)又導致擴展成火災或爆炸。
雷擊入戶公共設(shè)施的鄰近區(qū)域能導致:
由于雷擊電流的電感耦合(感應生成過壓)使線路及其連接設(shè)備的絕緣體擊穿。
注2:光纖線纜無金屬導體鄰近地面遭雷擊時不受影響。
雷擊可導致三種基本類型的損害:
——D1:由于接觸和跨步電壓傷害活體
——D2:由于雷擊熱效應使物體損壞(火災、爆炸、機械毀損、化學釋放)
——D3:由于過壓使電氣和電子系統(tǒng)失效
5.3損失的類型
對受保護目標的各種類型的損失可以單獨或結(jié)合在一起產(chǎn)生不同的后果。損失類型的出現(xiàn)取決于目標自身的性質(zhì)。
針對本標準的目的考慮了如下的損失類型:
——L1:生命損失
——L2:公共設(shè)施的損失
——L3:文化遺產(chǎn)損失
——L4:經(jīng)濟損失(建筑物及其內(nèi)部設(shè)施,業(yè)務(wù)活動上的損失)
損失類型L1、L2、L3可視作社會損失,而損失類型L4可視作經(jīng)濟損失。
對應于損失的原因,傷害和損失的類型列為表2a對建筑物,表2b對業(yè)務(wù)。
從傷害類型形成的損失類型參見圖1。
6對防雷的需求和經(jīng)濟利益
6.1防雷的需求
對一個目標雷擊防護的需求為保護其減少社會上的損失L1、L2和L3,并做出評估。
為評估是否需要防雷,應根據(jù)IEC62305-2所含程序做出風險評定。
根據(jù)5.3節(jié)中的損失類型應考慮下列風險:
——R1:生命損失風險
——R2:公共設(shè)施的損失風險
——R3:文化遺產(chǎn)損失風險
如果風險(R1 至R3)高于可承受風險RT,則有必要防雷。
在此情形下,應采取防雷措施,使得風險R(R1 至R3)減小到可承受風險RT。
如果對受保護目標,可能出現(xiàn)多于一種的損失類型,應對每種損失類型(L1、L2和L3)都能滿足的條件。
雷擊導致該項目損失的社會價值即可承受風險RT的值應由負責的國家機構(gòu)來考慮。
注:有關(guān)風險評定和選用防雷措施的程序見IEC62305-2。
6.2防雷的經(jīng)濟效益
對目標的雷擊防護除了其需求以外,對于減少經(jīng)濟損失L4防護措施所能提供的經(jīng)濟效益的評估也是有用的。
在此情形下,應評定風險R4的經(jīng)濟損失。對風險R4評定可以包括采用了防雷措施后經(jīng)濟損失中的成本,或未采用防雷措施的經(jīng)濟損失評定。
如果防雷措施作用后的剩余損失CRL及防雷措施的成本CPM之和小于沒有防雷措施時的總損失成本CL,則其防雷是有利的:
注:防雷經(jīng)濟利益評估見IEC62305-2。
7防護措施
為減少風險采用的防護措施應根據(jù)損害類型選擇。
7.1減少接觸和跨步電壓對活體危害的防護措施
可能的防護措施如下:
對外露導電部件適當?shù)慕^緣;
采用網(wǎng)格接地系統(tǒng)實現(xiàn)等電位化;
行動限制和警告提示。
注1:對建筑物內(nèi)部和外部土壤的表面電阻加大可減少生命災害。
注2:由于公共設(shè)施受到雷擊造成的生命災害可以不考慮。
7.2 減少實體損害的防護措施
可能的防護措施如下:
a) 對建筑物
雷擊防護系統(tǒng)(LPS)
注1:當安裝了LPS,等電位連接對減少火災和爆炸危險和生命災害是非常重要的措施。參見IEC62305-3。
注2:限制火情的發(fā)展和傳播,例如防火倉室、滅火器、消防水栓、火警器配備、滅火裝備等的供應可以減少實體損害。
注3:提供逃生路徑能保護人員。
b)對公共設(shè)施
線纜屏蔽
注4:對地下電纜采用金屬管道能提供保護。
7.3減少電氣和電子系統(tǒng)失效的防護措施
可能的防護措施如下:
a) 對建筑物
在進入建筑物的線纜和內(nèi)部裝備的進入點上的浪涌保護器(SPD);
建筑物和/或其中的裝備和/或進入建筑物的線纜做磁屏蔽;
建筑物內(nèi)部線路的合理布線。
b)對公共設(shè)施
在公共設(shè)施和線纜端接處的浪涌保護器(SPD);
注1:對地下電纜采用足夠厚度的連續(xù)的金屬屏蔽是非常有效的保護。
注2:多重線路、多重設(shè)備、自主電源、發(fā)電組、連續(xù)電源系統(tǒng)、液體存儲系統(tǒng)、自動故障檢測系統(tǒng)對公共設(shè)施減少損失是有效的防護措施。
注3:設(shè)備和電纜的絕緣體提高耐壓能力對過壓引起的失效是一種有效的防護措施。
7.4 防護措施的選擇
設(shè)計者和擁有者對防護措施最合適的選擇應根據(jù)各種損害類型和數(shù)量,也根據(jù)各種防護措施的技術(shù)和經(jīng)濟性做出。
在選擇最合適的防護措施時對風險評估的準則參見IEC62305-2。
防護措施在符合相應的標準要求,且能在安裝場地經(jīng)受住期望的承擔能力的情況下才能有效。
8 建筑物和公共設(shè)施防護的基本準則
對建筑物和公共設(shè)施的理想防護應將受保護目標封閉在一個完善導電的適當厚度的接地的連續(xù)的屏蔽體內(nèi),且公共設(shè)施進入建筑物的進入點處和屏蔽體之間應提供足夠的等電位連接。因而能阻止雷擊電流和有關(guān)電磁場穿透到受保護目標,并阻止電流的熱效應和電動效應的損害,也阻止火花和過壓對電氣和電子系統(tǒng)的險情。
實際上,防護只能達到接近理想狀態(tài),因為在實踐中,建筑物和公共設(shè)施不可能完全封閉在連續(xù)的和/或足夠厚度的屏蔽體中。
屏蔽的不連續(xù)和/或厚度不夠會使雷擊電流穿透屏蔽而造成:
——實體損害和生命災害;
——內(nèi)部系統(tǒng)的失效;
——公共設(shè)施及其連接系統(tǒng)的失效。
采用減少這些損害和有關(guān)的后繼損失的防護措施應對所需保護定義一組雷擊電流參數(shù)(參見雷電防護等級LPL)去設(shè)計。
8.1 雷電防護等級(LPL)
按本標準的目的,引入四個雷電防護等級(Ⅰ至Ⅳ級)。
對每一個LPL等級,固定一組雷擊電流的最大和最小參數(shù)。
注1:最大和最小雷擊電流超過LPLⅠ的本標準不做考慮。
注2:最大和最小雷擊電流超過LPLⅠ的概率很小。
對應于LPLⅠ的雷擊電流最大值將不超過99%的概率。根據(jù)假設(shè)的極性比率(參見附錄A.2)。由正電閃擊的概率將低于10%,而由負電閃擊的概率保留在低于1%以內(nèi)(參見附錄A.3)。
雷擊電流參數(shù)的最大值從對應于LPL-Ⅰ減少到75%為Ⅱ級,減小到50%為Ⅲ和Ⅳ級(雷擊電流I、充電電荷Q和di/dt呈線性變化,而比能(W/R)呈二次變化)。時間參數(shù)都無不同。
不同雷電防護等級(LPL)的雷擊電流參數(shù)的最大值在表3中給出,用以設(shè)計防雷部件(例如導體截面,金屬板厚度、SPD的電流能力、對危險火花的間隔距離),并在對這些部件受雷擊影響做模擬時定義其測試參數(shù)(參見附錄D)。
不同雷電防護等級(LPL)的雷擊電流振幅的最小值用來推導滾球半徑(參見附錄A.4)。以便定義雷電防護區(qū),那里不會受到直接雷擊,(參見7.2節(jié)和圖2、3)。表4中給出了雷擊電流參數(shù)的最小值和相應的滾球半徑。這些數(shù)據(jù)用以決定接閃器位置和去定義雷擊保護區(qū)LPZ0B(參見7.2節(jié))。
從圖A5靜電分布中可以選定對每個防護等級雷擊電流參數(shù)小于最大值但分別大于最低值的加權(quán)概率。
對雷擊有效的防護措施,對每一個LPL等級假設(shè)定義了其電流參數(shù)的范圍,因而有效的防護措施假設(shè)為其雷擊電流參數(shù)的效率相等于在這些電流參數(shù)值范圍以內(nèi)的概率。
8.2 雷電防護區(qū)(LPZ)
各種雷電防護措施,例如LPS、屏蔽線、磁屏蔽和SPD等決定了雷電防護區(qū)(LPZ)。
雷電防護區(qū)(LPZ)位于防護措施的下游,對LPZ上游的雷擊電磁脈沖(LEMP)能顯著的減少。
相應于雷擊威脅定義了如下的雷電防護區(qū)(LPZ):
LPZ0A:暴露在直接雷擊中,承受全部雷擊電流和全部雷擊磁場。
LPZ0B:對直接雷擊進行防護,承受局部雷擊電流或感應電流,以及全部雷擊磁場。
LPZ1:對直接雷擊進行防護,承受局部雷擊電流或感應電流,以及受衰減的雷擊磁場。
LPZ1……n:和LPZ1類似,但對雷擊磁場已進一步受衰減。
注1:一般說,該區(qū)的編號越高,其電磁環(huán)境參數(shù)越低。
作為一般的保護規(guī)則,受保護目標應置于如此的LPZ區(qū)內(nèi),其電磁特性符合遭受損害時具有忍耐堅持能力以減小損害(實體損害、由于過壓造成電氣和電子系統(tǒng)的失效等)。
注2:許多電氣和電子系統(tǒng)及其設(shè)備有關(guān)其設(shè)備耐受能力的信息可由制造商提供。
8.3 建筑物防護
8.3.1 減少實體損害和生命災害的防護
建筑物應受保護達到LPZ0B以內(nèi)或更高,這是由雷電防護系統(tǒng)(LPS)達到的。
一個LPS系統(tǒng)包括外部和內(nèi)部的雷電防護系統(tǒng)(參見圖2)。
外部的LPS的功能為:
——截取對建筑物的雷電閃擊(利用接閃器);
——將雷擊電流安全的導入地(利用引下線);
——將雷擊電流泄放入地(利用接地系統(tǒng))。
內(nèi)部的LPS的功能是防止在建筑物內(nèi)危險火花的發(fā)生,它是利用等電位連接或設(shè)定LPS部件和內(nèi)部其它電氣傳導器件與建筑物的間隔距離S(即電氣分離)來達到。
對建筑物作為規(guī)定,對應于LPL等級定義了四種LPS類型(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型)。
每種類型包括與等級相關(guān)的規(guī)定(例如滾球半徑、網(wǎng)格寬度等),以及與等級無關(guān)的規(guī)定(例如截面、材料等)。
建筑物外部土壤和內(nèi)部地板的表面電阻不夠大時,則由接觸和跨步電壓造成的生命災害應采用如下方法減少:
——在建筑物外部,對外露的導電部件加以絕緣,并用網(wǎng)格接地系統(tǒng)將之做等電位連接,并給出警告提示和活動限制;
——在建筑物內(nèi)部,對公共設(shè)施進入建筑物的進入點處進行等電位連接。
LPS應遵循IEC62305-3。
8.3.2 減少內(nèi)部系統(tǒng)失效的防護
為減少內(nèi)部系統(tǒng)受雷擊電磁脈沖(LEMP)而失效的風險,其防護限于針對下列情況:
—-對建筑物的雷電閃擊,導致由電阻性和感應耦合形成的過壓;
——對建筑物鄰近區(qū)域的雷電閃擊導致由感應耦合形成的過壓;
——由于入戶線路鄰近區(qū)域的雷擊傳入的過壓;
——由內(nèi)部系統(tǒng)直接耦合的磁場。
注:內(nèi)部系統(tǒng)直接耦合的磁場的影響弱,對于某些系統(tǒng)的設(shè)備符合有關(guān)EMC產(chǎn)品標準(參見62305-2)所提供的可以忽略這些影響。
受保護系統(tǒng)可以放置在一個LPZⅠ區(qū)或較高等級的區(qū)內(nèi),這是可以由磁屏蔽使得其感應磁場被衰減,和/或線路走向的適當調(diào)整,以減小感應環(huán)路。在LPZ邊緣的金屬部件應加以等電位連接,對跨越LPZ邊界的系統(tǒng)要用等電位連接導體或必要時采用浪涌保護器(SPD)來實現(xiàn)防護。
具有足夠防護區(qū)的防護措施應符合IEC-62305-4的要求來實現(xiàn)。
對過壓導致內(nèi)部系統(tǒng)失效的有效防護也可由一個SPD系統(tǒng)來實現(xiàn),以限制過壓,使它低于受保護系統(tǒng)所能承受的額定沖擊耐受電壓。
SPD的選擇和安裝應根據(jù)IEC-62305-4的要求。
8.3.3 公共設(shè)施的防護
受保護的公共設(shè)施應置于下列區(qū)域內(nèi):
——LPZ 0B或更高等級,以減小實體損害。這靠選擇埋置于地下取代空架或采用適當安裝的屏蔽線(SW),其有效性根據(jù)線路特性而定,或增大管壁厚度到足夠數(shù)值,并保證金屬管道的連續(xù)性。
——LPZ 1或更高等級,以保護過壓造成的公共設(shè)施失效。采用足夠磁屏蔽(MS)的線纜減小雷擊感應過壓水平,和/或用足夠的SPD以消減過流和限制電壓。
表1a 典型建筑物上雷電的影響
建筑物類型根據(jù)功能和/或內(nèi)容 | 雷 電 影 響 |
住宅 | 擊穿電氣設(shè)備,火災和材料損壞 損壞通常限于暴露目標的雷擊點或雷擊電流路徑上 電氣和電子設(shè)備以及安裝系統(tǒng)(例如電視、計算機、調(diào)制解調(diào)器、電話等)失效 |
農(nóng)場 | 主要風險為火災、跨步電壓損害和材料損壞 次要風險為喪失電源,和由于通風和飼料供給系統(tǒng)的電子控制失效造成的牲畜傷亡 |
劇場、旅館、學校、百貨商店、運動場地 | 電氣裝備的損壞(例如照明),也會導致驚慌失措 由于火警設(shè)施的延時導致火警失效 |
銀行、保險公司、商業(yè)公司等 | 和前項相比,加上喪失通信和計算機失效而丟失數(shù)據(jù) |
醫(yī)院、護理室、監(jiān)獄 | 和前項相比,加上特別照顧的問題,對無法移動人員的營救上的困難 |
工業(yè) | 附加影響取決于工廠的內(nèi)容,從較小損失到無法生產(chǎn)等不可接受的損害 |
博物館、古文化遺產(chǎn)、教堂、 | 無法替代的文化遺產(chǎn)的損失 |
電信和電廠 | 不可承受的公共設(shè)施的損失 |
火藥工廠、軍火工廠 | 后續(xù)火災和爆炸影響著周圍環(huán)境 |
化工廠、煉油廠、核工廠、生化實驗室及其工廠 | 火災和生產(chǎn)失控,以及后續(xù)的對本地和全球環(huán)境的威懾 |
表1b 典型公共設(shè)施上雷電的影響
公共設(shè)施類型 | 雷 電 影 響 |
電信線路 | 線路的機械損壞,屏蔽層和導體的熔化,電纜和設(shè)備絕緣擊穿導致立即喪失服務(wù)能力的重大故障 |
電力線纜 | 對空架低壓線路絕緣體的損壞,線纜絕緣擊穿,以及后續(xù)的喪失服務(wù)能力 |
供水管道 | 電氣和電子控制設(shè)備的損壞,也造成喪失服務(wù)功能 |
燃氣管道 燃油管道 | 管道接合處之間的非金屬墊圈被擊破,也會造成火災和/或爆炸 電氣和電子控制設(shè)備的損壞,也造成喪失服務(wù)功能 |
表2a 根據(jù)雷擊點不同造成建筑物內(nèi)的損害和損失
雷擊點 | 損害源 | 損害類型 | 損失類型 | |
建筑物 |
S1 |
D1 D2 D3 |
L1 L1,L2,L3,L4 L1,L4 | |
建筑物鄰近區(qū)域 |
S2 |
(D2)** ,D3*** |
L1*,L2,L4 | |
入戶的公共設(shè)施 |
S3 |
D1 ,D2 ,D3 |
L1,L2,L3,L4 | |
公共設(shè)施的鄰近區(qū)域 |
S4 |
D3 |
L1*,L2,L4 |
損害源
S1:雷擊建筑物
S2:雷擊建筑物的鄰近區(qū)域
S3:雷擊入戶的公共設(shè)施
S4:雷擊入戶公共設(shè)施的鄰近區(qū)域
損害類型
D1:由于接觸和跨步電壓傷害活體
D2:由于雷擊熱效應使物體損壞(火災、爆炸、機械毀損、化學釋放)
D3:由于過壓使電氣和電子系統(tǒng)失效
損失類型
L1:生命損失
L2:公共設(shè)施的損失
L3:文化遺產(chǎn)損失
L4:經(jīng)濟損失
不帶括號者:立即的損害和損失;
括號內(nèi):可能引起后續(xù)的損害和損失。
* 在醫(yī)院和建筑物內(nèi)爆炸風險的情況下;
** 具有爆炸風險的建筑物的情況下;
*** 具有電子系統(tǒng)的建筑物的情況下。
表2b 根據(jù)不同雷擊點公共設(shè)施的損害和損失
雷擊點 | 損害源 | 損害類型 | 損失類型 |
公共設(shè)施 | S2 | D2* ,D3 | L1*,L2,L4 |
公共設(shè)施鄰近區(qū)域 | S4 | D3 | L2,L4 |
提供業(yè)務(wù)的建筑物 | S1 | D2* ,D3 | L1*,L2,L4 |
* 在管道情況下,接合盤采用非金屬墊圈傳輸易爆炸液體。
表3 根據(jù)雷電防護等級(LPL)規(guī)定的雷擊電流參數(shù)的最大值
首次雷擊 | LPL | |||||
電流參數(shù) | 符號 | 單位 | Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ | Ⅳ |
電流峰值 | I | kA | 200 | 150 | 100 | |
短沖擊電荷 | Qshort | C | 100 | 75 | 50 | |
能量比 | W/R | kJ/Ω | 10.000 | 5.625 | 2.500 | |
時間參數(shù) | T1/T2 | μs/μs | 10/350 | |||
后續(xù)短沖擊 | LPL | |||||
電流參數(shù) | 符號 | 單位 | Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ | Ⅳ |
電流峰值 | I | kA | 50 | 37.5 | 25 | |
平均陡度 | di/dt | kA /μs | 200 | 150 | 100 | |
時間參數(shù) | T1/T2 | μs/μs | 0.25/100 | |||
長沖擊 | LPL | |||||
電流參數(shù) | 符號 | 單位 | Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ | Ⅳ |
長沖擊電荷 | Qlong | C | 200 | 150 | 100 | |
時間參數(shù) | Tlong | s | 0.5 | |||
閃擊 | LPL | |||||
電流參數(shù) | 符號 | 單位 | Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ | Ⅳ |
沖擊電荷 | Qflash | C | 300 | 225 | 150 |
表4 對應各種雷電防護等級(LPL)的雷擊電流參數(shù)和滾球半徑最大值
截取判據(jù) | LPL | |||||
符號 | 單位 | Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ | Ⅳ | |
最小峰值電流 | I | kA | 3 | 5 | 10 | 16 |
滾球半徑 | R | m | 20 | 30 | 45 | 60 |
表5 雷擊電流參數(shù)限值的概率
雷擊電流參數(shù)如下的概率 | LPL | |||
Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ | Ⅳ | |
小于表3中定義的最大值 | 0.99 | 0.98 | 0.97 | 0.97 |
大于表4中定義的最小值 | 0.99 | 0.97 | 0.91 | 0.84 |
圖1 不同的損害類型導致的各種損失類型
1)僅對醫(yī)院或其它建筑物,內(nèi)部電氣和電子系統(tǒng)的失效會立即危及生命。
1 建筑物 S1 雷擊建筑物
2 接閃器 S2 雷擊建筑物的鄰近區(qū)域
3 下引線 S3 雷擊入戶公共設(shè)施
4 接地系統(tǒng) S4 雷擊入戶公共設(shè)施的鄰近區(qū)域
5 入戶公共設(shè)施 R 滾球半徑
s 防危險火花之間的間隔距離
雷擊等電位連接(SPD)
LPZ0A 直接雷擊,全部雷擊電流
LPZ0B 間接雷擊,局部雷擊電流或感應電流
LPZ1 間接雷擊,局部雷擊電流或感應電流
在LPZ1內(nèi)部的保護空間必須考慮到具有s間隔距離
圖2 由雷電防護系統(tǒng)(LPS)定義的雷電防護區(qū)(LPZ)(參見IEC62305-3)
1 建筑物(按LPL1屏蔽) S1 雷擊建筑物
2 接閃器 S2 雷擊建筑物的鄰近區(qū)域
3 下引線 S3 雷擊入戶公共設(shè)施
4 接地系統(tǒng) S4 雷擊入戶公共設(shè)施的鄰近區(qū)域
5 房間(按LPL2屏蔽) R 滾球半徑
6 入戶公共設(shè)施 ds 防極高磁場的安全距離
雷擊等電位連接(SPD)
LPZ0A 直接雷擊,全部雷擊電流,全部磁場
LPZ0B 間接雷擊,局部雷擊電流或感應電流,全部磁場
LPZ1 間接雷擊,局部雷擊電流或感應電流,受衰減的磁場
LPZ2 間接雷擊,感應電流,進一步受衰減的磁場
在LPZ2內(nèi)部的保護空間必須考慮到具有安全間距ds
圖3針對LEMP的防護措施所定義的雷擊防護區(qū)(LPZ)(參見IEC62305-4)
附錄A(資料性)
雷擊電流參數(shù)
A.1 對地雷擊閃電
原有雷擊閃電的兩種基本類型:
——在云和地之間由于向下引導發(fā)生的下?lián)糸W電和
——在地面建筑物和云之間由于向上引導發(fā)生的上擊閃電。
在平坦地域和較低的建筑物經(jīng)常發(fā)生下?lián)糸W電,而對暴露著的和/或較高建筑物則上擊閃電較為顯著。在有效高度升高時雷擊概率增加,其物態(tài)情況隨之改變(參見IEC 62305-2的附錄A)。
一個雷擊電流包含著一個或多個不同的沖擊。
——短沖擊的持續(xù)時間短于2ms(參見圖A.1)
——長沖擊的持續(xù)時間長于2ms(參見圖A.2)
沖擊的另一些差別是其極性(正或負)和從閃擊過程的時間位置(首次沖擊、后續(xù)沖擊、疊置沖擊),圖A.3和A.4分別為下?lián)糸W電和上擊閃電的可能沖擊成分。
上擊閃電的附加成分為首次長沖擊沒有或具有達數(shù)十個疊置短沖擊。但所有上擊閃電的短沖擊的參數(shù)皆小于下?lián)糸W電的。更高的上擊閃電的長沖擊電荷尚未證實。因此上擊閃電的雷擊電流參數(shù)覆蓋在下?lián)糸W電的最大值以內(nèi)來考慮。對上擊和下?lián)糸W電的雷電流參數(shù)的更為精確的評估尚在研究中。
A.2 雷擊電流參數(shù)
本標準基于CIGRE的結(jié)果給出的雷擊電流參數(shù)列明于表A.1。其統(tǒng)計分布可以假設(shè)為對數(shù)正態(tài)分布。相應的均值μ和離差σlog列出于表A.2中,且其分布函數(shù)在圖A.5中表明。在此基礎(chǔ)上,每個參數(shù)的任何數(shù)值的布佔概率就可以被確定。
假設(shè)極性比率的正值為10%,和負值為90%,極性的比率是一個域的函數(shù)。如果沒有當?shù)氐馁Y料可用,這里給出的比率可用。
本標準給出的全部數(shù)值對下?lián)糸W電和上擊閃電雙方均有關(guān)。
注:雷電參數(shù)值通常從高目標的防護措施上取得,雷擊電流峰值的估測的統(tǒng)計分布并未考慮高目標影響,這種統(tǒng)計分布可以從雷電定位系統(tǒng)取得。
A.3 LPLⅠ的最大雷擊電流參數(shù)的確定
雷擊的機械影響取決于雷擊電流(I)的峰值以及給定比能(W/R),當參與著電阻耦合,并且由于電荷(Q)使裝備發(fā)生電弧時,熱影響和給定比能(W/R)相關(guān)。過壓和危險火花是由電感耦合造成的,他和雷擊前端的電流平均陡度(di/dt)相關(guān)。
每個單個參數(shù)(I, Q, W/R, di/dt)的趨勢都在每種破壞機制中起到主要作用,因而在建立的試驗程序中應予以考慮。
首次短沖擊和長沖擊
由正閃擊決定的機械和熱影響和I、Q、W/R值相關(guān)(由于其10%的值更高于對應負閃擊的1%值)。從圖A.5(3、5、8、11和14行)下列具有低于10%的值可以考慮。
根據(jù)圖A.1,首次短沖擊給出前鋒時間的一次近似值為:
(T1的關(guān)系不大)
對指數(shù)衰減沖擊,近似的電荷和比能值可以用下列式子():
這些式子和上列給定值結(jié)合,可以導出半值時間的一次近似值:
對于長沖擊,電荷可按下法作近似計算:
它的持續(xù)時間參見圖A.2,可以從雷擊過程的時間估算出來:
后續(xù)短沖擊
由電路耦合造成危險火花的平均陡度di/dt的最大值決定了由負閃擊形成的后續(xù)短沖擊(因為其1%值更高于首次負閃擊的1%的值,或?qū)谡W擊的10%值)。從圖A.5(2和15行)下列低于1%概率的值可以考慮:
根據(jù)圖A.1后續(xù)短沖擊的值,其前段時間的一次近似值為:
從負閃擊后續(xù)短沖擊的過程時間可以估測其半值時間:
(T2的關(guān)系不大)
A.4 最低雷擊電流參數(shù)的確定
LPS的截取效率取決于雷擊電流參數(shù)的最低值并與滾球半徑有關(guān)。對直接雷電閃擊保護區(qū)的幾何邊界可以用滾球半徑來決定。
根據(jù)電氣-幾何模型,滾球半徑(最后跳距)與首次短沖擊的峰值相關(guān)。在IEEE一個工作組的報告(傳輸線纜雷擊性能估測Ⅱ,1992)中給出了這個關(guān)系:
式中:
R——滾球半徑(m)
I——峰值電流(kA)
對給定的滾球半徑R,假設(shè)所有的峰值閃擊高于相應由自然的或?qū)S玫慕娱W器上截獲了最小的峰值電流I。因此,圖A.5中的負值或正值的首次雷擊峰值的概率(1A和3行)假定為截取概率??紤]了閃擊的極性比率10%正和90%負時,總的截取概率就能算出(參見表5)。
表A.1 引用CIGRE的雷擊電流參數(shù)值的列表(Electra第41和69*號)
參 數(shù) | LPLⅠ級的固定值 | 數(shù)值 | 沖擊類型 | 圖A.5中對應線 | ||
95% | 50% | 5% | ||||
I(kA) |
50 200 | 4(98%) | 20(80%) | 90 | *首次負短 | 1A+1B |
4.9 | 11.8 | 28.6 | *后續(xù)負短 | 2 | ||
4.6 | 35 | 250 | 首次正短(單個) | 3 | ||
Qflash(C) |
300 | 1.3 | 7.5 | 40 | 負閃擊 | 4 |
20 | 80 | 350 | 正閃擊 | 5 | ||
Qshort(C) |
100 | 1.1 | 4.5 | 20 | 首次負短 | 6 |
0.22 | 0.95 | 4 | 后續(xù)負短 | 7 | ||
2 | 16 | 150 | 首次正短(單個) | 8 | ||
W/R (kJ/Ω) |
10.000 | 6 | 55 | 550 | 首次負短 | 9 |
0.55 | 6 | 52 | 后續(xù)負短 | 10 | ||
25 | 650 | 15.000 | 首次正短 | 11 | ||
di/dtmax (kA/μs) |
20 | 9.1 | 24.3 | 65 | *首次負短 | 12 |
9.9 | 39.9 | 161.5 | *后續(xù)負短 | 13 | ||
0.2 | 2.4 | 32 | 首次正短 | 14 | ||
di/dt30/90% (kA/μs) | 200 | 4.1 | 20.1 | 98.5 | *后續(xù)負短 | 15 |
Qlong(C) | 長 | |||||
Tlong(s) | 長 | |||||
波頭持續(xù) (μs) | 1.8 | 5.5 | 18 | 首次負短 | ||
0.22 | 1.1 | 4.5 | 后續(xù)負短 | |||
3.5 | 22 | 200 | 首次正短(單個) | |||
沖擊持續(xù) (μs) | 30 | 75 | 200 | 首次負短 | ||
6.5 | 32 | 140 | 后續(xù)負短 | |||
25 | 230 | 2.000 | 首次正短(單個) | |||
時間間隔(ms) | 7 | 33 | 150 | 多個負沖擊 | ||
總閃擊持續(xù)(ms) | 0.15 | 13 | 1.100 | 負閃擊(全部) | ||
31 | 180 | 900 | 負閃電(無單個) | |||
14 | 85 | 500 | 正閃電 |
注:I=4kA和I=20kA值分別對應的概率為98%和80%。
表A.2 引用CIGRE的雷擊電流參數(shù)的對數(shù)正態(tài)分布均值μ和方差σlog從95%和5%值算出(Electra第41和69號)
參數(shù) | 均值μ | 方差σlog | 沖擊類型 | 圖A.5中對應線 |
I(kA)
| (61.1) | 0.576 | *首次負短(80%) | 1A |
33.3 | 0.263 | *首次負短(80%) | 1B | |
11.8 | 0.233 | *后續(xù)負短 | 2 | |
33.9 | 0.527 | 首次正短(單個) | 3 | |
Qflash(C)
| 7.21 | 0.452 | 負閃擊 | 4 |
83.7 | 0.378 | 正閃擊 | 5 | |
Qshort(C)
| 4.69 | 0.383 | 首次負短 | 6 |
0.938 | 0.383 | 后續(xù)負短 | 7 | |
17.3 | 0.570 | 首次正短(單個) | 8 | |
W/R (kJ/Ω) | 57.4 | 0.596 | 首次負短 | 9 |
5.35 | 0.600 | 后續(xù)負短 | 10 | |
612 | 0.844 | 首次正短 | 11 | |
di/dtmax (kA/μs)
| 24.3 | 0.260 | *首次負短 | 12 |
40.0 | 0.369 | *后續(xù)負短 | 13 | |
2.53 | 0.670 | 首次正短 | 14 | |
di/dt30/90% (kA/μs) | 20.1 | 0.420 | *后續(xù)負短 | 15 |
Qlong(C) | 長 | |||
Tlong(s) | 長 | |||
波頭持續(xù) (μs) | 5.69 | 0.304 | 首次負短 | |
0.995 | 0.398 | 后續(xù)負短 | ||
26.5 | 0.534 | 首次正短(單個) | ||
沖擊持續(xù) (μs) | 77.5 | 0.250 | 首次負短 | |
30.2 | 0.405 | 后續(xù)負短 | ||
224 | 0.578 | 首次正短(單個) | ||
時間間隔(ms) | 32.4 | 0.405 | 多個負沖擊 | |
總閃擊持續(xù)(ms) | 12.8 | 1.175 | 負閃擊(全部) | |
167 | 0.445 | 負閃擊(無單個) | ||
83.7 | 0.472 | 正閃擊 |
Q1=虛原點
I=峰值電流
T1=波頭時間
T2=半值時間
圖A.1 短沖擊參數(shù)(典型T2<2ms)的定義
Qlong=持續(xù)時間
Tlong=長沖擊充電
圖A.2 長沖擊參數(shù)(典型2ms< Tlong <1s)的定義
圖A.3 下?lián)糸W電的可能成分(典型地在平坦區(qū)域和較低建筑物)
圖A.4 上擊閃電的可能成分(典型地對暴露的和/或較高建筑物)
圖A.5 雷擊電流參數(shù)(95%和5%值的線段)積聚頻度分布
附錄B(資料性)
用于分析目的的雷擊電流時間參數(shù)
電流波形如下:
首次短沖擊 10/350
后續(xù)短沖擊 0.25/100
可以定義為:
(B.1)
式中:
I——峰值電流
K——峰值電流的修正系數(shù)
t——時間
τ1——前段時間常數(shù)
τ2——尾跡時間常數(shù)
對不同LPL等級首次短沖擊和后續(xù)短沖擊的電流波形,其采用參數(shù)列于表B.1,其分析用曲線列于圖B.1至B.4。
長沖擊可以描述為一個矩形波,其平均電流為I和持續(xù)時間為Tlong,參見表3。
雷擊電流的振幅密度(圖B.5)可以由分析用曲線推導出來。
表B.1 B.1式中的參數(shù)
參數(shù) | 首次短沖擊 | 后續(xù)短沖擊 | ||||
LPL | LPL | |||||
Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ-Ⅳ | Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ-Ⅳ | |
I(kA) | 200 | 150 | 100 | 50 | 37.5 | 25 |
k | 0.93 | 0.93 | 0.93 | 0.993 | 0.993 | 0.993 |
τ1(μs) | 19.0 | 19 | 19 | 19 | 19 | 19 |
τ2(μs) | 485 | 485 | 485 | 143 | 143 | 143 |
圖B.1 首次短沖擊上升電流的波形
圖B.2 首次短沖擊電流尾跡的波形
圖B.3 后續(xù)短沖擊上升電流的波形
圖B.4 首次短沖擊電流尾跡的波形
1 | 長沖擊 | 400 A | 0.5 s |
2 | 首次短沖擊 | 200 kA | 10/350 μs |
3 | 后續(xù)短沖擊 | 50 kA | 0.25/100 μs |
4 | 包絡(luò)線 |
圖B.5 根據(jù)LPLⅠ等級定義的雷擊電流的振幅密度
附錄C(資料性)
試驗目的用的雷擊電流的模擬
前言
如果一個目標受到雷電襲擊,雷擊電流在目標內(nèi)部分布,且分別對個別防護措施的組成部分試驗時,必須對每個組成部分選擇適當?shù)脑囼瀰?shù)。
C.1 首次短沖擊的能量比和長沖擊的電荷量的模擬
試驗參數(shù)已在表C.1和表C.2中定義了。試驗發(fā)生器的示例參見圖C.1,它可以用以對首次短沖擊的能量比和長沖擊電荷值的模擬。
試驗目的是評定機械完整性,以及不受熱和熔化等有害影響。
模擬首次短沖擊相關(guān)的試驗參數(shù)(峰值電流I,能量比W/R,電荷QS)列明于表C.1。這些參數(shù)都可由同樣的脈沖取得,其近似的指數(shù)衰減電流也可以從具有T2范圍為350的電流達到。
模擬長沖擊的試驗參數(shù)(電荷Q1和持續(xù)時間T)參見表C.2。
根據(jù)試驗項目和期望的損壞機制,對短沖擊或長沖擊的試驗可以施加單個或組合的實驗,這里長沖擊應立即跟隨在首次短沖擊的后面,對電弧熔化的試驗可以用兩種極性來試驗。
C.2 短脈沖前段電流陡度的模擬
電流陡度決定了裝備附近攜帶雷擊電流導體環(huán)路的磁感應生成電壓。
短沖擊電流的陡度定義為在上升時間Δt時的電流上升值Δi(參見圖C.2)。模擬這種電流陡度的相關(guān)實驗參數(shù)列明于表C.3。試驗用發(fā)生器的示例參見圖C.3和C.4,它可以用于模擬直接閃擊的雷擊電流的前段陡度。這種模擬可以做成一個短沖擊及其后續(xù)短沖擊。
注:本模擬涵蓋了短沖擊前段的電流陡度,電流尾跡對本模擬沒有影響。
上式C.2模擬可以獨立實施,或結(jié)合前節(jié)C.1模擬一起實施。
對LPS組成部分的雷擊影響的試驗參數(shù)的模擬的進一步信息參見附錄D。
表C.1 首次短沖擊的試驗參數(shù)
試驗參數(shù) | 雷擊防護等級(LPL) | 容差 | ||
Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ-Ⅳ | ||
峰值電流(kA) | 200 | 150 | 100 | ±10% |
電荷Qs(C) | 100 | 75 | 50 | ±20% |
比能(kJ/Ω) | 10000 | 5625 | 2500 | ±35% |
表C.2 長沖擊的試驗參數(shù)
試驗參數(shù) | 雷擊防護等級(LPL) | 容差 | ||
Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ-Ⅳ | ||
電荷QI(C) | 200 | 150 | 100 | ±20% |
持續(xù)時間T(s) | 0.5 | 0.5 | 0.5 | ±10% |
表C.3 短沖擊的試驗參數(shù)
試驗參數(shù) | 雷擊防護等級(LPL) | 容差 | ||
Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ-Ⅳ | ||
首次短沖擊 Δi (kA) Δt (μs) |
200 10 |
150 10 |
100 10 |
±10% ±20% |
后續(xù)短沖擊 Δi (kA) Δt (μs) |
50 0.25 |
37.5 0.25 |
25 0.25 |
±10% ±20% |
L+LP=10μA R2+RP+R3=20mΩ
標值適用于一級雷電防護等級(LPLⅠ)
圖C.1 對首次短沖擊和長沖擊充電比能模擬的實驗發(fā)生器的示例
圖C.2 根據(jù)表C.3對電流陡度的定義
標值適用于一級雷電防護等級(LPLⅠ)
圖C.3 對大測試項目首次沖擊的前段陡度做模擬的實驗發(fā)生器的示例
標值適用于一級雷電防護等級(LPLⅠ)
圖C.4 對大測試項目后續(xù)沖擊的前段陡度做模擬的實驗發(fā)生器的示例
附錄D(資料性)
LPS組成部分受雷擊影響模擬的試驗參數(shù)
D.1 概述
本附錄D給出了用于實驗室對雷擊影響模擬的基本參數(shù)。附錄D包含了對承受雷擊電流的全部或主要部分的一個雷擊防護系統(tǒng)(LPS)的所有組成部分,其電流必須結(jié)合對每個指定組成部分的標準規(guī)定、要求和試驗程序。
注:系統(tǒng)觀點上的相關(guān)參數(shù)(例如:浪涌保護器的配合)不在本附錄考慮之列。
D.2 雷擊點相關(guān)的電流參數(shù)
對一個雷擊防護系統(tǒng)的物理完整性,雷擊電流參數(shù)充當了相應角色。一般說,這些參數(shù)有峰值電流I,電荷Q,比能W/R,持續(xù)時間T,電流平均陡度di/dt。每個參數(shù)在不同損壞機理中占有主導地位,下節(jié)將作具體分析。試驗中考慮的電流參數(shù)將代表實驗室選用值,即受試驗的LPS部件的實際損壞機理得出數(shù)值的綜合。選擇代表性的數(shù)量,其數(shù)據(jù)在D.5節(jié)中給定。
表D.3記錄了供試驗用的I、Q、W/R、T和di/dt參數(shù)的最大值,作為防護等級要求的函數(shù)。
D.3 電流分擔
表D.3給出的參數(shù)是在雷擊點上雷擊電流相關(guān)的參數(shù)。實際上雷擊電流入地不僅通過一個路徑,某些引下線和自然導體通常出現(xiàn)在外部雷擊防護系統(tǒng)(LPS)和接入保護建筑物的某些公共設(shè)施(例如水和燃氣管道、電力和電信線纜等)上也提供了入地路徑。對一個LPS的特定組成部分決定其實際流經(jīng)電流的參數(shù)。要考慮到它是分擔的電流。流經(jīng)特定位置點的LPS的組成部分的電流的振幅和波型都應評定。當個別專例做評估不可能時,可以采用下述程序作電流參數(shù)的評定方法。
對外部LPS分擔電流的評估,可以采用組態(tài)系數(shù)KC(參見IEC 62305-3的附件D)的方法。這個系數(shù)給出了外部LPS在最壞情況下對流經(jīng)引下線的雷擊電流的分擔。
當進入保護建筑物具有電力和電信線纜的外部導體時,電流分擔的評估可以采用在IEC62305-3附錄B中的近似值Ke和K’e。
上列描述針對某一特定地球路徑雷擊電流峰值的評估。對電流的其它參數(shù)如下:
式中:
XP——在一條特定路徑“P”上有關(guān)的數(shù)值(電流、電荷、比能、電流陡度)
X——與總雷擊電流相關(guān)的數(shù)值(電流、電荷、比能、電流陡度)
k——電流分擔系數(shù)
kc——對LPS外部的電流分擔
ke——對進入保護建筑物的電力和電信線纜的外部導體部分出現(xiàn)時的電流分擔系數(shù)(參見IEC62305-2的附錄B)
D.4 雷擊電流造成可能損害的影響
D.4.1 熱效應
與雷擊電流鏈合的熱影響是和一個導電體或在一個LPS中的導電體的電氣環(huán)路環(huán)流上導致產(chǎn)生阻性熱,以及在一個LPS中分離部件之間產(chǎn)生電弧(例如光花隙)和在連接點電弧的根部生成的熱有關(guān)。
D.4.1.1 阻性熱
阻性熱發(fā)生在一個LPS系統(tǒng)的流經(jīng)巨大雷擊電流的任何組成部分。導體以最小截面積應足以防止導體過熱,以及引起周圍火災。不僅考慮熱影響,而且也要考慮機械抗耐程度,及其暴露空氣中的情況和腐蝕問題。對雷擊電流引起的導體上的發(fā)熱的評估有時很必要,由于事態(tài)發(fā)展導致人身傷害以及火災和爆炸破壞的風險。
以下給出由于雷擊電流造成導體上溫度升高的評估的指導。一種分析方法為:由于電流形成的導體上的瞬時能量作為熱耗散:
因而全部雷擊脈沖生成了熱能,也就是在雷擊路徑上通過LPS組成部分的歐姆電阻乘以脈沖比能,并以焦耳或瓦特秒為單位來表達。
對于雷擊電荷,雷擊閃電的高比能項極短,任何在極短時間內(nèi)在建筑物內(nèi)生成的熱很快散逸:此現(xiàn)象可以視為絕熱。
LPS導體上的溫度可按下式評估:
式中:
θ-θ0——導體上的溫升[K]
α——電阻上的溫度系數(shù)[1/K]
W/R——電流脈沖的比能[J/Ω]
ρ0——導體在室溫時歐姆比電阻[Ωm]
q——導體的截面積[m2]
γ——材料密度[kg/m3]
CW——熱容量[J/kgK]
θS——熔化溫度[℃]
CS——熔化潛熱[J/kg]
采用各種材料的LPS的物理參數(shù)(式(8)所用)的性能值見表D.1。表D.2為此方程式應用示例,不同材料的導體的溫升作為比能W/R的函數(shù),以及導體截面積的函數(shù)。
典型的雷擊是一個持續(xù)很短的沖擊(半值時間為數(shù)百微秒),和極高的電流峰值;在此情況下,還應考慮集膚效應。但多數(shù)在和LPS組成部分鏈接的實際情況下,材料性質(zhì)(LPS導體的動態(tài)磁導率)和幾何組態(tài)(LPS導體的截面積)減小了受導體溫升影響的集膚效應,使之接近可忽略水平。
與發(fā)熱機理主要相關(guān)的雷電閃擊的成分是其首次回擊。
表D.1 用于LPS組成部分的典型材料的物理特性
量值 | 材料 | |||
鋁 | 軟鋼 | 銅 | 不銹鋼(*) | |
ρ0[Ωm] | 29 10-9 | 120 10-9 | 17.8 10-9 | 0.7 10-6 |
α[1/K] | 4.0 10-3 | 6.5 10-3 | 3.92 10-3 | 0.8 10-3 |
γ[kg/m3] | 2700 | 7700 | 8920 | 8 103 |
θS[℃] | 658 | 1530 | 1080 | 1500 |
CS[J/kg] | 397 103 | 272 103 | 209 103 | - |
CW[J/kgK] | 908 | 469 | 385 | 500 |
(*)非磁性 |
表D.2 不同截面積的導體和比能(W/R)函數(shù)下的溫升
截面積 [mm2] | 材 料 | |||||||||||
鋁 | 軟鋼 | 銅 | 不銹鋼(*) | |||||||||
W/R[MJ/Ω] | W/R[MJ/Ω] | W/R[MJ/Ω] | W/R[MJ/Ω] | |||||||||
2.5 | 5.6 | 10 | 2.5 | 5.6 | 10 | 2.5 | 5.6 | 10 | 2.5 | 5.6 | 10 | |
4 | * | * | * | * | * | * | * | * | * | * | * | * |
10 | 564 | * | * | * | * | * | 169 | 542 | * | * | * | * |
16 | 146 | 454 | * | 1120 | * | * | 56 | 143 | 309 | * | * | * |
25 | 52 | 132 | 283 | 211 | 913 | * | 22 | 51 | 98 | 940 | * | * |
50 | 12 | 28 | 52 | 37 | 96 | 211 | 5 | 12 | 22 | 190 | 460 | 940 |
100 | 3 | 7 | 12 | 9 | 20 | 37 | 1 | 3 | 5 | 45 | 100 | 190 |
(*)非磁性 |
D.4.1.2 雷電打擊點的熱損害
在所有LPS組成部分上可以觀察到雷電打擊點的熱損害,在它上面出現(xiàn)電弧,如接閃器,火花間隙等。
在打擊點可以發(fā)生材料熔化和腐蝕,事實上,在電弧根部,有大量熱輸入,以及高電流密度導致集中的歐姆發(fā)熱。大多數(shù)熱能發(fā)生于金屬的表面附近。在根部立即生成的過度的熱將由導體的金屬吸收,在金屬的熔化或蒸發(fā)以及發(fā)光中損耗。此過程的嚴重程度與電流的振幅和持續(xù)時間有關(guān)。
D.4.1.2.1 概述
在雷擊通道打擊點金屬表面的計算熱效應的某些理論模型已經(jīng)建立。本文件為了簡單起見,只引用陽極或陰極電壓降模型。這個模型的應用特別對薄金屬表面膚面有效。所有情況按假定全部能量注入雷擊打擊點去熔化或蒸發(fā)導體材料,忽略材料內(nèi)部熱融合不計的這種保守性結(jié)果看待。另一種模型(參見例[5])按其雷電打擊點損害取決于電流脈沖持續(xù)時間來描述的。
D.4.1.2.2 陽極或陰極電壓降模型
在電弧根部的能量輸入W假設(shè)為由陽極/陰極電壓降ua,c乘以雷擊電流的電荷Q所給定的:
對一定范圍的電流將ua,c作為常量,雷擊電流的電荷(Q)主要是電弧根部能量轉(zhuǎn)換的響應。陽極或陰極電壓降ua,c值為幾十伏。
一種簡單方法設(shè)定在雷擊根部發(fā)生的全部能量都用于熔化,下列方程式(10)用于這個假設(shè),但導致體熔化有些估計過高。對金屬板電弧熔融的實驗數(shù)值如下,參見[9]:
式中:
V——熔化金屬的體積[m3]
ua,c——陽極或陰極電壓降(假定為恒值)[V]
Q——雷擊電流電荷[C]
γ——材料密度[kg/m3]
CW——熱容量[J/kgK]
θS——熔化溫度[℃]
θu——周圍溫度[℃]
CS——熔化潛熱[℃]
本式物理參數(shù)對應于LPS采用不同材料時的特性數(shù)值,見表B.1。
基本上,應考慮的電荷是反擊及雷電持續(xù)電流的總電荷。實驗室經(jīng)驗已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和持續(xù)電流的效應比較反擊電荷的效應不太重要。
D.4. 2 機械效應
雷擊電流造成的機械效應取決于電流的振幅和持續(xù)時間,以及受影響的機械結(jié)構(gòu)的彈性特性[參見8,9],對于LPS中以摩擦力接觸的部件之間也有影響。
D.4.2.1 磁相互作用
兩個帶電導體之間或一個帶電導體形成了一個角度或回路時發(fā)生的磁力。
當一個電路中流經(jīng)電流時,電路不同位置上電動力的振幅取決于雷電流的振幅以及電路的幾何構(gòu)態(tài),這些力的機械作用不僅取決于它們的振幅,也和電流形式、持續(xù)時間以及安裝的幾何狀態(tài)有關(guān)。
D.4.2.1.1 電動力
在導體中流經(jīng)的電流”i”產(chǎn)生的電動力,其l長度的平行段和d距離上(長且窄小的回路)由圖D.1表明,可以近似地用下式計算:
式中:
F(t)——電動力[N]
i——電流[A]
μ0——空氣導磁率[4π10-7H/m]
l——導體長度[m]
d——導體直的平行段之間的距離[m]
一個典型的示例,在LPS中互相形成90℃的對稱角形安排的導體,轉(zhuǎn)角附近用夾箍固定,參見圖D.2,這種構(gòu)態(tài)的應力圖表明在圖D.3中。水平導體的軸向力企圖將導體從夾箍中拉出。沿水平導體的力的參數(shù),以峰值電流100kA考慮,垂直導體的長度為0.5米,表明于圖D.4。
D.4.2.1.2 電動力的效應
電動力的振幅為F時,力的瞬時值為F(t);它和瞬時電流的平方i(t)2成比例。在機械的LPS結(jié)構(gòu)內(nèi)用發(fā)生的應力來表達時,它是彈性變形δ(t)和彈性常數(shù)K的乘積δ(t)×K,對LPS結(jié)構(gòu)應考慮兩種影響;即由LPS結(jié)構(gòu)鏈接的彈性行為以及LPS的永久變形。進一步,在許多場合下,結(jié)構(gòu)內(nèi)部的摩擦力也有重要影響。
彈性LPS結(jié)構(gòu)由雷擊電流電動力造成的振動的振幅,可以用二階微分式來評定。其關(guān)鍵因數(shù)是電流脈沖持續(xù)時間與LPS結(jié)構(gòu)的自然機械振動周期之間的比率,LPS遭遇的典型情況包含著結(jié)構(gòu)的自然振動周期遠比施加力(雷擊電流脈沖的持續(xù)時間)要長得多。在此情況下最大機械應力發(fā)生在電流脈沖停歇之后,其峰值保持在較低于施加力的狀態(tài),因而多數(shù)可以忽略。
彈性變形發(fā)生在拉伸應力超過材料的彈性限度以后,如果LPS結(jié)構(gòu)由軟性材料組成,如鋁或退火的銅,電動力可以使角狀或回路導體變形。因而LPS組成部分應設(shè)計成能耐受這些力而且具有彈性行為。
施加于LPS結(jié)構(gòu)的總機械應力取決于施加力的積分時間,因此也取決于電流脈沖的比能,也與電流脈沖的波形及其持續(xù)時間(與結(jié)構(gòu)的自然振動周期相比)有關(guān)。在試驗時,所有這些有影響的參數(shù)都應考慮。
D.4.2.2 聲沖擊波的效應
當雷擊電流流經(jīng)一個電弧時,產(chǎn)生一個沖擊波,此沖擊波的嚴重程度取決于電流峰值和電流的上升率。
通常聲沖擊波對LPS金屬部件的損害不大,但可以造成周圍部件的損壞。
D.4.3 綜合效應
實踐中熱和機械影響同時發(fā)生,如果部件材料(例如桿、夾箍等)加熱使得材料足夠軟的話,會產(chǎn)生較大的損壞;最嚴重時導體可能爆炸性熔化,并對周圍結(jié)構(gòu)也遭破壞。如果金屬的截面足夠能支持安全運行,機械完整性是可控的。
D.4.4 火花
通常火花只對易燃環(huán)境重要,實踐中LPS組成部件來說,火花并不重要。
可能發(fā)生兩種火花,即“熱火花”和“電壓火花”。熱火花發(fā)生于當一個很強電流迫使通過兩個導體連接點時,多數(shù)熱火花發(fā)生于連接邊緣的內(nèi)部,如果其接合壓力不大的話:主要是由于電流密度極大和接合壓力不足。熱火花的強度與比能有關(guān),其關(guān)鍵階段是在首次返回沖擊時。電壓火花發(fā)生于電流通過一個卷曲路徑(例如接頭內(nèi)部),如果回路中感應電壓超過了金屬部件間的擊穿電壓的時候。感應電壓正比于互感乘以雷擊電流的陡度。多數(shù)產(chǎn)生電壓火花的關(guān)鍵的雷電成分是后續(xù)負沖擊。
D.5 LPS組成部分、相關(guān)問題和試驗參數(shù)
雷電防護系統(tǒng)由數(shù)個不同組成部分,在系統(tǒng)內(nèi)每部分具有一定的功能,。組成部分的性質(zhì)和所能承受的應力都應考慮,并在建立的實驗室中試驗,檢查其性能。
D.5.1 接閃器
接閃器產(chǎn)生的影響有機械的熱效應兩方面(將在D.2中討論,并應注意受雷擊時雷擊電流的大部分將流經(jīng)接閃器的導體),且有時也有電弧熔蝕影響。特別對天然的LPS組成部分,例如薄金屬板屋頂(此處可能發(fā)生表面溫度的過度升高或擊穿)。
對電弧熔蝕影響,要考慮兩個主要試驗參數(shù):即長持續(xù)電流的電荷及其持續(xù)時間。
電荷主導者輸入電弧的能量,特別對長持續(xù)沖擊出現(xiàn)時對電弧影響最嚴重而短沖擊的影響可忽略。
電流持續(xù)時間是向材料熱傳輸現(xiàn)象的一個重要角色,在試驗中施加的電流持續(xù)時間可以適當?shù)暮烷L沖擊的持續(xù)時間(0.5到1秒)相比擬。
D.5.2 引下線
雷擊在導體上的影響可以分為兩大類型:
——電阻性發(fā)熱的影響
——磁相互作用的機械影響,發(fā)生于附近另外的導體分擔雷擊電流時,或者電流改變方向(導體彎曲或?qū)w間形成一定角度)時。
通常這兩種影響互相獨立,對每種影響的檢驗可以在實驗室分別試驗。在各種情況下,對雷擊電流發(fā)熱的機械特性沒有實質(zhì)性不同。
D.5.2.1 電阻性發(fā)熱
雷擊電流流經(jīng)不同截面和不同材料導體時,發(fā)熱的計算和測量已有某些作者[6][7]發(fā)表了論著。其結(jié)果對應的圖表和公式參見第D.4.11節(jié)的總結(jié),因此無實驗室試驗的必要。通常,從導體的溫升觀點檢驗其行為。
在所有情況下,一種必要的實驗室試驗要做的話,應考慮如下問題。
這里應考慮的主要試驗參數(shù)是比能和脈沖電流持續(xù)時間。
根據(jù)焦耳發(fā)熱定律雷擊電流導致的溫升。其數(shù)值和首次沖擊相關(guān),其保守數(shù)據(jù)是從正向沖擊取得的。
導體對應于周圍溫度的熱交換過程,脈沖電流持續(xù)時間具有決定性影響。通常,脈沖電流持續(xù)時間很短,熱過程可以視為絕熱過程。
D.5.2.2 機械影響
已在第D.4.2.1節(jié)中討論過,攜帶雷擊電流的導體之間發(fā)生的機械相互作用。機械力正比于兩個導體內(nèi)流經(jīng)的電流的乘積(如果是單根彎曲導體時,則為電流的平方),并和導體之間的距離成反比。
通常情況下,當導體形成一個回路或彎曲時這種發(fā)生的現(xiàn)象是可見的。如果這樣的導體通過雷擊電流時,承受的機械力試圖將回圈擴張,而導體的彎角將向外伸直。此力的大小正比于電流振幅的平方。有一種明確的區(qū)別,電動力正比于電流振幅的平方,而對應的應力還取決于機械的LPS結(jié)構(gòu)的彈性性能。對于LPS結(jié)構(gòu)極低的自然頻率,在LPS結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生的應力將相當?shù)氐陀陔妱恿ΑT诖饲闆r下,不需做實驗室試驗,一般說,對一個彎成直角的導體的檢驗,著眼于機械觀點,只須其截面積滿足于現(xiàn)行標準的要求。
在所有情況下,一種必要的實驗室試驗要做的話,特別是對軟性材料,應考慮如下問題。首次返回沖擊的三個參數(shù)要考慮,即脈沖電流的持續(xù)時間和比能,以及對剛性系統(tǒng)考慮到電流振幅。
如果脈沖持續(xù)時間遠短于LPS結(jié)構(gòu)的自然機械振動周期(這是LPS結(jié)構(gòu)受雷擊應力的常態(tài)),則系統(tǒng)的質(zhì)量和彈性阻止產(chǎn)生可以感知的變位,而相關(guān)的機械應力主要取決于脈沖電流的比能,脈沖電流峰值的影響有限。
如果脈沖持續(xù)時間較長于自然機械振動周期,則系統(tǒng)的變位對施加應力的波形更為敏感;此時,電流脈沖的峰值及其比能應其試驗中進行復現(xiàn)。
脈沖電流的比能導致的應力使LPS結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彈性和塑性變形,其數(shù)值和首次沖擊相關(guān)。
脈沖電流的峰值導致的LPS結(jié)構(gòu)的最大變位距離,對于具有自然振動頻率較高的剛性系統(tǒng)來說,要考慮到變位數(shù)值和首次沖擊相關(guān)。
D.5.3 連接部分
一個LPS中相鄰導體之間的連接部分可能是機械和熱的弱點,此處具有強應力生成。
當連接器形成直角時,機械力鏈接的應力的主要影響試圖將導線拉直,使連接器拉開,由于在導體上與連接部件之間摩擦阻力,在不同部位的接觸點可能產(chǎn)生電弧,繼之,在小的接觸面上集中電流導致其熱影響將不可忽視。
實驗室試驗表明,對于復合協(xié)同效應很難將每個的影響區(qū)別開:接觸面積的局部熔化影響了機械承載力;連接部件間的相對位移導致產(chǎn)生電弧以及相繼地生成更強烈的熱。
由于沒有有效的模型,實驗室試驗采取盡可能接近許多臨危狀態(tài)的雷擊電流的相應的參數(shù)的這種方法去進行:即適用于施加雷擊電流的相應參數(shù)去做某一種單一的電氣試驗。
在此情況下考慮到三個參數(shù),即脈沖電流的峰值、比能和持續(xù)時間。
脈沖電流的峰值導致最大力,或如果電動拉力超過了摩擦力,LPS結(jié)構(gòu)的最大位移距離。其數(shù)值和首次沖擊相關(guān),其保守數(shù)據(jù)以正向沖擊所取得的考慮。
脈沖電流的比能導致接觸表面的發(fā)熱,該處電流集中在小面積上。其數(shù)值和首次沖擊相關(guān),其保守數(shù)據(jù)以正向沖擊所取得的考慮。
脈沖電流的持續(xù)時間導致結(jié)構(gòu)的最大位移,當超過了摩擦力后材料中的熱傳輸現(xiàn)象具有了重要作用。
D.5.4 接地裝置
在實際問題中,接地裝置電極的化學腐蝕和受力機械損壞比電動力問題更大。在實際情況下,接地電極在電弧根部的腐蝕并不重要。它和接閃器相反,一個典型的LPS具有多個接地裝置:因而雷擊電流被多個接地電極分擔,所以重要性減輕。
在此情況考慮兩個主要試驗參數(shù),即長持續(xù)脈沖電流的電荷和持續(xù)時間。
電荷導致電弧根部的能量輸入,特別是首次沖擊的作用可以忽視,而長持續(xù)沖擊的出現(xiàn),對此部件的影響更為嚴重。
脈沖電流的持續(xù)時間對熱在材料中傳輸?shù)默F(xiàn)象具有重要作用。在試驗中施加脈沖電流的持續(xù)時間應與長持續(xù)沖擊(0.5~1秒)相比擬。
D.6 浪涌保護器(SPD)
SPD受雷擊時的應力取決于SPD的形式,并特別參照有無間隙。
D.6.1 含有火花間隙的SPD
火花間隙受雷擊時的影響,分成兩個主要類別:
——間隙電極材料受熱,熔化和蒸發(fā)后的腐蝕;
——放電沖擊波導致的機械應力。
分別對這些影響調(diào)研非常困難,雙方均和雷擊電流的主要參數(shù)鏈接成復合關(guān)系。
對火花間隙的實驗室試驗盡可能接近在臨危狀態(tài)下雷擊電流的相應參數(shù):即在施加雷擊電流的所有相應參數(shù)下,去做對應于單一的電氣應力試驗。
在此情況下,考慮五個參數(shù),即脈沖電流的峰值、電荷、持續(xù)時間、比能以及上升率。
電流峰值導致沖擊波的嚴重性,其數(shù)值和首次沖擊相關(guān),其保守數(shù)據(jù)以正向沖擊取得的考慮。
電荷導致向電弧的能量輸入,它將對在電荷打擊點的電極材料發(fā)熱、熔化、和最后蒸發(fā)。其數(shù)值和全部雷擊閃電相關(guān),特別是在許多情況下常持續(xù)電流的電荷可以被忽略,取決于電力供應系統(tǒng)(TN、TT、IT)的組態(tài)。
脈沖電流持續(xù)時間導致對電弧的自持磁壓縮,在電弧和電極表面之間的界面上發(fā)生電極等離子噴流的物理現(xiàn)象,它可以吹噴出大量熔化材料。其數(shù)值和首次沖擊相關(guān),其保守數(shù)據(jù)以正向沖擊取得的考慮。
注:電力供應系統(tǒng)所用的火花間隙,要考慮到電壓頻率跟隨著電流振幅組成一個重要的應力系數(shù)。
D.6.2 含有金屬氧化物變阻器(MOV)的SPD
由雷擊造成的金屬氧化物變阻器上的應力可以分成兩大類型,即過載和閃絡(luò)。每種類型由失效形式形成的不同現(xiàn)象所規(guī)定,并由不同參數(shù)所控制。一個金屬氧化物SPD是和其最弱的性能所鏈接著的,未必是不同破壞應力所能發(fā)生的增效作用。因此,對不同失效模式的情況,可行的做法為對其分別進行各自的試驗,以檢驗其行為。
過載是該器件吸收了超過其能力的能量。超過的能量在此可以視作雷擊應力。還考慮到SPD和電源系統(tǒng)連接著,在雷擊電流中止后,電源系統(tǒng)的電流立即注入器件,或施加電壓后,電阻器上的伏安特性的負溫度系數(shù)有關(guān)的熱不穩(wěn)定也能在SPD的致命損毀中起到重要作用。
對金屬氧化物變阻器過載的模擬,一個必須考慮的主要參數(shù)就是電荷。
電荷導致向金屬氧化物電阻器件的能量輸入,金屬氧化物電阻器件上的殘存電壓視做恒量,其數(shù)值考慮和雷擊閃電相關(guān)。
閃絡(luò)和裂開是由脈沖電流振幅超過了電阻的能力,其失效模式通常明顯地沿柱圈的外部飛弧,有時電阻器件被穿透導致開裂或出現(xiàn)垂直于柱圈的一個孔。這種失效主要由于電阻器件柱圈的介電質(zhì)崩潰。
在模擬雷擊現(xiàn)象時必須考慮兩個主要參數(shù),即脈沖電流的峰值和持續(xù)時間。
如果電阻器柱圈的介電強度超過后,脈沖電流的峰值決定了殘存電壓對應的水平。其數(shù)值和首次沖擊相關(guān),其保守數(shù)據(jù)以正向沖擊取得的考慮。
脈沖電流持續(xù)時間導致著施加在電阻器柱圈上的介電質(zhì)應力的持續(xù)時間。
D.7 LPS組成部分試驗時采用試驗參數(shù)的總結(jié)
表D.3總結(jié)了對每個LPS組成部分最關(guān)鍵的方面,是實驗室試驗中可以復現(xiàn)的給定的雷擊電流參數(shù),及其功能的表現(xiàn)。
表D.3中給出的數(shù)值是在雷電打擊點上相關(guān)的重要參數(shù)。
計算試驗數(shù)值時,應考慮電流分擔,它是以電流分擔系數(shù)來表明的,參見于D.3節(jié)的解釋。因此試驗時采用的參數(shù)的數(shù)值可以基于表D.3中給出的數(shù)據(jù)去計算,再加上電流分擔系數(shù)的縮減因子,其表達式已在D.3中說明。
表D.3對不同的LPS組成部分和不同的LPL等級在試驗值計算中對雷擊威懾參數(shù)的總結(jié)
組成部分 | 主要問題 | 雷擊威懾參數(shù) | 注 | ||||
接閃器 | 打擊點腐蝕(例如薄金屬板) | LPL | Qlong[C] | T | |||
Ⅰ Ⅱ Ⅲ-Ⅳ | 200 150 100 | <1 s (施加一個單短沖擊的Qlong) | |||||
接閃器和下引線 | 歐姆熱 | LPL | W/R[kJ/Ω] | T | 按IEC62305-3提供范圍做其余的試驗 | ||
Ⅰ Ⅱ Ⅲ-Ⅳ | 10000 5600 2500 | 在絕熱阻態(tài)中施加W/R | |||||
機械影響 | LPL | I[kA] | W/R[kJ/Ω] | ||||
Ⅰ Ⅱ Ⅲ-Ⅳ | 200 150 100 | 10000 5600 2500 | |||||
連接部分 | 復合影響(熱、機械和電?。?/p> | LPL | I[kA] | W/R[kJ/Ω] | T | ||
Ⅰ Ⅱ Ⅲ-Ⅳ | 200 150 100 | 10000 5600 2500 | <2 ms (對一個單脈沖施加I和W/R) | ||||
接地裝置 | 在打擊點上的腐蝕 | LPL | Qlong[C] | T | 通常按機械/化學觀點(腐蝕等)決定采用尺度 | ||
Ⅰ Ⅱ Ⅲ-Ⅳ | 200 150 100 | <1 s (施加一個單短沖擊的Qlong) | |||||
含有火花間隙的SPD | 復合影響(熱、機械和電?。?/p> | LPL | I[kA] | Qlong[C] | W/R[kJ/Ω] | di/dt[kA/μs] | 對一個單脈沖(持續(xù)T<2 ms)施加I、Qlshort和W/R,并對另一個脈沖施加 Δi/Δt |
Ⅰ Ⅱ Ⅲ-Ⅳ | 200 150 100 | 100 75 50 | 10000 5600 2500 | 200 150 100 | |||
含有金屬氧化物電阻器的SPD | 能量影響(過載) | LPL | Qlong[C] | 雙方觀點都應檢驗
可考慮進行個別的試驗 | |||
Ⅰ Ⅱ Ⅲ-Ⅳ | 100 75 50 | ||||||
介電質(zhì)影響(閃絡(luò)/裂開) | LPL | I[kA] | T | ||||
Ⅰ Ⅱ Ⅲ-Ⅳ | 200 150 100 | <2 ms (對一個單脈沖施加I) |
圖D.1 電動力計算的雙導電體配置
圖D.2 LPS中典型的導電體配置
圖D.3 圖B.2構(gòu)態(tài)下的應力圖
圖D.4 圖B.2峰值電流100kA,垂直導電體長度0.5m時,沿水平導電體單位長度上的力
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