防雷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展和現(xiàn)狀

關(guān)象石, 邱陽陽, 王 凱, 程向陽

(1.北京市氣象局, 北京 100081;2.安徽省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心, 安徽 合肥 230031)

0 引 言

標(biāo)準(zhǔn)是名稱中含規(guī)范、規(guī)程、要求、導(dǎo)則、指南等的一種準(zhǔn)則,給人提供事物判別的準(zhǔn)則,質(zhì)量測量的依據(jù)、兼容及互聯(lián)的保障”[1]。標(biāo)準(zhǔn)與人們的生活、生產(chǎn)密不可分。自世界進(jìn)入全球貿(mào)易一體化以來,標(biāo)準(zhǔn)更成為“世界的通用語言”[2],標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)結(jié)全世界[3]。

防雷技術(shù)一般認(rèn)為起于1754年前后,但電氣和電子系統(tǒng)的防雷擊電磁脈沖技術(shù)的歷史并不長。隨著現(xiàn)代社會對電氣和電子系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,近40年來防雷擊電磁脈沖技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展迅速,同時出現(xiàn)一些問題和矛盾。

1 我國和國際標(biāo)準(zhǔn)的出版情況

1.1 我國標(biāo)準(zhǔn)

文獻(xiàn)[4]中,國際公認(rèn)的防雷技術(shù)應(yīng)從1754年前后富蘭克林發(fā)明外部防雷裝置(接閃器、引下線和接地裝置)算起,其主要作用是防直擊雷造成的火災(zāi)、建(構(gòu))筑物物理損壞、人及動物傷亡這三種雷電災(zāi)害。當(dāng)然,也有證據(jù)表明在富蘭克林之前我國宋代淳佑年間重修的岳陽慈氏塔(1241—1252年間),清代北京皇宮(順治年間,1670年前后)都曾有意或無意之中使用了接閃、引下、接地的直擊雷防護(hù)措施[5]。其后,1876年在貝爾電話投入使用后,由于架空電話線屢遭雷閃,開始電信行業(yè)的防雷研究與實(shí)踐。1882年紐約開始供配電,由此進(jìn)行了電力行業(yè)的防雷實(shí)踐。

1990年前我國防雷標(biāo)準(zhǔn)出版物如表1所示,其中按行業(yè)分為電力8部,電子設(shè)備3部,鐵路2部,建筑、通信、航空各1部,包括設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、產(chǎn)品等內(nèi)容。

1990年以來,國家和行業(yè)防雷標(biāo)準(zhǔn)的出版共有近百部,含等同(idt)、等效(mod)國際標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容涉及設(shè)計(jì)、安裝、檢測、檢驗(yàn)、雷電監(jiān)測、預(yù)警、產(chǎn)品,涉及行業(yè)有電力、電信、鐵路、氣象、軍隊(duì)、水利、航空、建筑、運(yùn)載火箭、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)、安全防范系統(tǒng)、石油化工、銀行、煤礦、旅游景區(qū)、風(fēng)力和光伏發(fā)電、游艇、高速公路等。

表1 1990年前我國防雷標(biāo)準(zhǔn)出版物

1.2 國際標(biāo)準(zhǔn)

國際防雷標(biāo)準(zhǔn)主要集中在國際電工委員會(IEC)和國際電信聯(lián)盟(ITU)含ITU的前身CCITT中。

IEC/TC 81成立于1980年,從1990年頒布第一個標(biāo)準(zhǔn)IEC 61024算起,到2001年一共頒布直擊雷防護(hù)(IEC 61024)、雷擊電磁脈沖防護(hù)(IEC 61312)、通信線路防護(hù)(IEC 61663)、危險度評估(IEC 61662)、測量(IEC 61819)五個系列16部標(biāo)準(zhǔn)。2001年佛羅倫薩的TC 81年會上決定對這些標(biāo)準(zhǔn)重新整合,到2006年1月完成IEC/TC 81的IEC 62305系列標(biāo)準(zhǔn),如表2所示。

表2 IEC/TC 81的IEC 62305系列標(biāo)準(zhǔn)

在編制計(jì)劃中原來還有第5部分:公共設(shè)施,涉及到民用電力和電信方面的內(nèi)容。后來經(jīng)與ITU、國際大電網(wǎng)(CIGRE)協(xié)調(diào),由他們負(fù)責(zé)編寫后中止第5部分的編寫。

IEC 62305系列標(biāo)準(zhǔn)第1版出版于2006年1月,第2版出版于2010年12月,已idt為GB/T 21714—2015系列,目前正在編寫第3版標(biāo)準(zhǔn)。

除了IEC/TC 81外,IEC/TC 37A出版電涌保護(hù)器(SPD)及元件產(chǎn)品選擇和使用的標(biāo)準(zhǔn)約有15部。IEC/TC 64有9部標(biāo)準(zhǔn)涉及到防雷內(nèi)容。TC 28、TC 77從絕緣配合、EMC的角度編寫的標(biāo)準(zhǔn)為TC 81所引用。

ITU從電信系統(tǒng)自身防雷需求出發(fā),從1993年頒布第一個標(biāo)準(zhǔn)ITU-T.K11后有近30部防雷標(biāo)準(zhǔn)出臺(不包括以前CCITT的出版物),相關(guān)內(nèi)容見文獻(xiàn)[6]。按采用國際標(biāo)準(zhǔn)的國家規(guī)定,本文沒有對未列入國家標(biāo)準(zhǔn)化組織和其他國外國家防雷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容作介紹。

2 技術(shù)內(nèi)容發(fā)展概要

2.1 直擊雷防護(hù)內(nèi)容

建筑物的火災(zāi)、物理損壞、人及動物的生命危險是直擊雷防護(hù)的重點(diǎn)。1754年富蘭克林提出在被保護(hù)建筑物附近矗立一根鐵棍子(Lightning rod,雷電棍,我國舊譯為避雷針,現(xiàn)改為接閃桿),上端要比建筑物高,下端被深深地埋入地中,因此提出高多少和埋多深的問題,即接閃桿的保護(hù)范圍和接地電阻問題。這些問題討論近270年,特別是1777年5月15日,位于英國倫敦附近普夫里特(Puifleet)一座火藥庫的屋角遭受閃擊,而其接閃器是由包括富蘭克林在內(nèi)的一個委員會設(shè)計(jì)的[7]。我國最早的GBJ 57—1983根據(jù)被保護(hù)建筑物的重要性、使用性質(zhì)、發(fā)生雷擊事故的可能性和后果,將建筑物分為第一類、第二類和第三類防雷建筑物,并規(guī)定接閃桿的保護(hù)角分別為30°、45°、60°,這一規(guī)定是與當(dāng)時蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)及世界各國標(biāo)準(zhǔn)大體一致的。但是,自1967年至1972年前蘇聯(lián)莫斯科奧斯坦金諾電視塔在建成后5年中遭受143次閃擊,其中多次擊在塔身,甚至擊到離塔尖(高537 m)200 m到300 m的“腰身”上后,保護(hù)角法遭到質(zhì)疑。IEC 61024-1:1990根據(jù)對閃擊過程研究的成果,規(guī)定保護(hù)范圍的計(jì)算可采用滾球法(全面適用)、保護(hù)角法(只在規(guī)定高度內(nèi)適用)和網(wǎng)格法。在參加1992年澳大利亞霍巴特TC81年會后,林維勇先生在GB 50057—1994《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中改用滾球法和網(wǎng)格法。我國電力行業(yè)在輸電線路的防雷規(guī)范中仍然沿用變角的折線法。

按富蘭克林最初的把鐵棍子深深埋入地中的思路,接地電阻越小泄流越快,防雷越有效。因此,世界各國防雷標(biāo)準(zhǔn)中均對接地電阻值做出要求。GB 50057—1994中規(guī)定,第一、二類防雷建筑物防雷接地沖擊電阻值不應(yīng)大于10 Ω,第三類防雷建筑物接地電阻值不應(yīng)大于30 Ω。這一要求在一些標(biāo)準(zhǔn)中要求接地電阻值至4 Ω乃至1 Ω。研究結(jié)果表明,接地極的接地電阻值與兩個因素有關(guān):① 接地極與土壤的接觸面積越大,電阻越小;② 接地極周圍的土壤導(dǎo)電性能,土壤電阻率越大,電阻越大。因此,在高土壤電阻率地區(qū),為達(dá)到4 Ω或1 Ω的接地電阻需要花費(fèi)大量的人力、財(cái)力,這個投入產(chǎn)出比合理嗎?文獻(xiàn)[8]中提出:飛機(jī)的電氣裝置如何接地?其中包括防雷接地,接地并非一定要接至大地,與代替大地的金屬機(jī)身相連接也是接地,此時接地電阻值無窮大,但空中飛行是安全的。在文獻(xiàn)[9]中明確定義“(接)地是一種有意或非有意的導(dǎo)電連接,由于這種連接,可使電路或電氣設(shè)備接到大地或接到代替大地的某種較大導(dǎo)電體”。因此,IEC 62305-3(GB/T 21714.3—2015)中規(guī)定,在各種雷電防護(hù)水平(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ)情況下(在GB 50057中規(guī)定為第一、二、三類防雷建筑物),如果接地體的長度(指不呈環(huán)型封閉的水平接地體)或環(huán)型接地體的半徑達(dá)到規(guī)定要求時,防雷接地的接地電阻值可不作規(guī)定,即沒有要求[10]。按建筑物防雷類別確定的接地體最小長度如圖1所示。GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]。對1994年版的接地電阻值規(guī)定也相應(yīng)做修改,如第一類防雷建筑物的防雷接地電阻值由10 Ω放寬至30 Ω,同時規(guī)定防雷接地電阻值可不作規(guī)定的條件。但是由于一棟建(構(gòu))筑物往往利用其基礎(chǔ)鋼筋作為共用接地裝置,即便防雷接地電阻值沒有要求,為了防止觸電事故造成的危害,還是規(guī)定共用接地電阻值應(yīng)符合電氣系統(tǒng)安全地的要求。

圖1 按建筑物防雷類別確定的接地體最小長度

現(xiàn)代建(構(gòu))筑物的結(jié)構(gòu)主要是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu),完全可以利用屋面的金屬圍欄或暗敷在屋面內(nèi)的鋼筋網(wǎng)接閃;利用柱內(nèi)鋼筋或結(jié)構(gòu)鋼材作為自然引下線;利用基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋網(wǎng)作為共用接地裝置。防直擊雷的外部防雷裝置的設(shè)計(jì)和施工越來越簡單。

2.2 雷擊電磁脈沖防護(hù)內(nèi)容

雷擊電磁脈沖(LEMP)是閃電直接雷擊中建(構(gòu))筑物(S1型)、建(構(gòu))筑物附近(S2型)、架空金屬管線(S3型)、架空金屬管線附近(S4型),造成閃電電涌侵入的路效應(yīng)和空間磁場感應(yīng)的場效應(yīng)。其電流值雖只是部分雷電流,但是對日益廣泛使用的電氣、電子系統(tǒng)都有巨大的影響,并且隨著電子系統(tǒng)集成化程度的快速提高和線路間距的縮小,閃絡(luò)電位差值日趨變小。LEMP對電氣系統(tǒng)、電子系統(tǒng)的破壞和干擾應(yīng)是現(xiàn)代雷害的新形式。

1995年出版IEC 61312系列防雷擊電磁脈沖技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以來,采用防雷等電位聯(lián)結(jié)、屏蔽、隔離界面、綜合布線以及電涌保護(hù)器(SPD)進(jìn)行LEMP綜合技術(shù)防護(hù)日趨完善。IEC/TC 37 A的SPD產(chǎn)品和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)也從1998年起多次修訂出版。筆者認(rèn)為,防雷等電位聯(lián)結(jié)技術(shù)為核心技術(shù)。

防雷等電位聯(lián)結(jié)是出于防雷的目的,將一建筑物或系統(tǒng)內(nèi)的金屬物體,如建筑物內(nèi)外的金屬結(jié)構(gòu)、電梯軌道、起重機(jī)、金屬地板、金屬門窗框架、金屬管道、電纜橋架、金屬地網(wǎng)、設(shè)備金屬殼體等就近相連,形成立體的防雷等電位網(wǎng)絡(luò)。對于不能直接相連的帶電導(dǎo)體,如配電系統(tǒng)的相線、中性線、電信、信號網(wǎng)絡(luò)中的金屬傳輸線,應(yīng)安裝SPD施行瞬態(tài)等電位聯(lián)結(jié)。即便電位高,如800 kV特高壓線上尚可帶電作業(yè)！近日,網(wǎng)易新聞報(bào)導(dǎo)一俄羅斯少女爬橋自拍不慎墜落到3 000 V的高壓裸線上1 h無大恙。人們總擔(dān)心互相干擾,要求強(qiáng)電弱電分開接地的作法已經(jīng)過時。

過去一段時間,出于對自家生產(chǎn)設(shè)備的安全考慮,一些計(jì)算機(jī)生產(chǎn)商要求在安裝自產(chǎn)的計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備等敏感的信息技術(shù)設(shè)備(ITE)時,要使用單獨(dú)的、專用的、隔離的、低阻抗的專門接地,對接地電阻也提出1 Ω乃至0.5 Ω的要求。有些標(biāo)準(zhǔn)也跟著做出了新的修訂要求,在一些土壤電阻率高的場地,為了達(dá)到該要求,耗費(fèi)大量的人力、財(cái)力。文獻(xiàn)[11]分析了美國IEEE的技術(shù)內(nèi)容,分析ITE的復(fù)數(shù)阻抗中占主導(dǎo)作用的阻抗和感抗,得出只需做好ITE的S型或M型等電位接地網(wǎng)絡(luò),而不需顧及ITE接地電阻值的結(jié)論,也是近年來電子設(shè)備防LEMP的一大亮點(diǎn)。

3 我國防雷標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀和解決問題的建議

3.1 現(xiàn) 狀

1990年以來出版近百部之多的防雷標(biāo)準(zhǔn)涉及面廣,但是也出現(xiàn)一些問題。

(1) 標(biāo)準(zhǔn)之間不協(xié)調(diào),乃至相互矛盾。2003年建設(shè)部組織編寫《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》,并于2004年頒布。在征求意見期間,北京一批老專家就其與GB 50057—1994(2000年版)的矛盾之處提出看法并上書建設(shè)部領(lǐng)導(dǎo),認(rèn)為同樣由建設(shè)部頒布的防雷標(biāo)準(zhǔn)之間的矛盾會使設(shè)計(jì)人員無所適從。GB 50343—2012修訂發(fā)布后,其中一些內(nèi)容尚有矛盾之處,如電子信息系統(tǒng)一詞與IEC 62305(GB/T 21714)中電子系統(tǒng)一詞的矛盾;在LEMP中譯文中使用“雷電電磁脈沖”一詞與GB 50057—2010中使用“雷擊電磁脈沖”的矛盾,雖然一字之差,物理意義卻截然不同;在釆用SPD防護(hù)中A～D級的等級規(guī)定與GB/T 18802.12(IEC 61643-12)的矛盾;推薦使用專用垂直接地干線與標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21714—2015、GB 50057在使用M型等電位連接網(wǎng)絡(luò)上的矛盾等。另外,在石油化工幾個防雷標(biāo)準(zhǔn)中也有石油罐接地電阻值不同要求的問題。

(2) 在名詞術(shù)語上不遵守標(biāo)準(zhǔn)編制的規(guī)則。文獻(xiàn)[12]是編制標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn),其中規(guī)定“對某概念建立有關(guān)術(shù)語和定義以前,應(yīng)查找在其他標(biāo)準(zhǔn)中是否已經(jīng)為該概念建立了術(shù)語和定義。如果已經(jīng)建立,宜引用該概念的標(biāo)準(zhǔn)”[12]。但是SPD最先的術(shù)語和定義為電涌保護(hù)器,其后又出現(xiàn)浪涌保護(hù)器、低壓避雷器、防雷保安器等。關(guān)于LPZ,最早譯文為防雷區(qū),后面再譯成雷電防護(hù)區(qū),有什么區(qū)別,非要加上二個字？防雷裝置(LPS)一詞用了35年,是人們非常熟悉的術(shù)語且無錯誤,忽然將LPS譯為雷電防護(hù)系統(tǒng)。因此,會給標(biāo)準(zhǔn)使用者帶來困惑和不必要的麻煩。IEC標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)化不應(yīng)該是簡單的翻譯,否則會陷入設(shè)計(jì)師看不懂,專家不愿看的怪圈。

(3) 把企業(yè)利益揉進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)。一些標(biāo)準(zhǔn)起草單位(企業(yè))編制標(biāo)準(zhǔn)的目的可能是利用標(biāo)準(zhǔn)的作用推介企業(yè)產(chǎn)品。尤為嚴(yán)重的是有些產(chǎn)品還存在違背科學(xué)原理,沒有嚴(yán)格的產(chǎn)品檢驗(yàn)和實(shí)踐檢驗(yàn)等許多問題。這一問題在近年來編制團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)中要引起注意。

3.2 建 議

2016年1月30日,國務(wù)院辦公廳印發(fā)“國務(wù)院辦公廳關(guān)于印發(fā)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)整合精簡工作方案的通知”[13],決定對強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整合精簡。這項(xiàng)工作正在進(jìn)行之中,勢必能解決強(qiáng)制性防雷技術(shù)國家標(biāo)準(zhǔn)的矛盾問題。

推薦性標(biāo)準(zhǔn)由于執(zhí)行力度小,今后可能僅起到參考或指南的作用。但是,筆者仍建議無論是推薦性標(biāo)準(zhǔn)或者是團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)仍應(yīng)以實(shí)現(xiàn)“一個市場、一個底線、一個標(biāo)準(zhǔn)”的目的[13]。一個行業(yè)、一條底線、一個標(biāo)準(zhǔn)是解決目前我國防雷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)“存在的交叉重復(fù)矛盾、超范圍制定”的關(guān)鍵。全國雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(SAC/TC 258)應(yīng)及時跟蹤國際標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)程,并適合我國國情,在全球貿(mào)易一體化的環(huán)境下起到積極的作用。

4 結(jié) 語

隨著現(xiàn)代社會對電氣和電子系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,近40年來防雷擊電磁脈沖技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展迅猛異常,同時出現(xiàn)一些混亂和矛盾。介紹了防雷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀,可為相關(guān)雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)研究人員提供參考。