建筑物遭遇雷擊時的放電研究

限于物力和經(jīng)費(fèi)等條件，無法對某些參數(shù)進(jìn)行實(shí)測，更難于按實(shí)際情況通過整體系統(tǒng)的沖擊大電流試驗，所以這里只能進(jìn)行近似的估算，用以指出應(yīng)當(dāng)采用的正確方法和近似的放電電流數(shù)值。

1.電線、電纜發(fā)生的反擊和絕緣擊穿

這時直擊雷電流通過各種電線向外的分流是由各電線的波阻抗決定的（通過L、C的分布參數(shù)，在遠(yuǎn)方接地）。

1.1在一層地面附近擊穿架空線絕緣

雷擊建筑物擊穿電線或電纜的絕緣（很長線路的情況，即末端反射波未到達(dá)其幅值的情況）。

1.1.1按線路波阻抗散流情況計算

對很長的架空配電線，估計其多導(dǎo)線波阻抗Z＝100～200Ω，從嚴(yán)，取100Ω，則對Ⅰ、Ⅱ類建筑物，其從配電線引出的電流為：

對Ⅰ類建筑物，I＝200kA，按裝3只SPD計算，每只電流

i1＝i01/3＝（2～4）/3＝0.67～1.3kA

對Ⅱ類建筑物，I＝150kA

i01≌150×（1～2）/100＝1.5～3kA

每只SPD的電流

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

對后續(xù)雷擊37.5kA

1.1.2近似按稍短線路的電感集中參數(shù)計算（假設(shè)線路長度為波頭值80％時反射波到達(dá)擊穿絕緣點(diǎn)），考慮很高電壓下導(dǎo)線上的波速為光速的75％，即υ＝0.75×300＝225m/μS；反射波到達(dá)擊穿絕緣點(diǎn)時，線路長度為：

對I1，τ=10μS，則

對應(yīng)80％波頭長的時間 l1=0.8×1125=

900m

該線路單位長度的電感為100/225＝0.44μH/m.該900m的電感為L＝0.44×900=396μH．

建筑物從地面處擊穿絕緣往下到0電位面處的電感，按M.B.KOCTEHKO可取相當(dāng)?shù)孛嫦掠?～10m引下線的電感，估計一座建筑物（以塔樓為例）的電感約為0.3-0.4μH／m，可取此電感為4μH。這樣，就相當(dāng)于雷擊點(diǎn)向兩側(cè)電路分流的等值電路。

計算此電流分布，實(shí)質(zhì)上是雷擊點(diǎn)兩側(cè)分別為（L1＋R1）電路與（L2＋R2）電路的電流分流問題。

雷擊點(diǎn)到地的電位U可以從該點(diǎn)向1點(diǎn)和2點(diǎn)分別按求得，且兩者應(yīng)當(dāng)相等。當(dāng)雷電流達(dá)到峰值，即t＝τz時，其分流系數(shù)

這與前面按Z=100Ω無窮長架空線導(dǎo)出的R=1Ω和2Ω時 i01=1.5kA和 i01=3kA是很接近的，后一結(jié)果數(shù)值稍大是因為線路長度縮短20%，可見兩種算法都是正確的和可信的。

一般是每個管道都是引進(jìn)和引出，這樣，兩種管道就是兩進(jìn)兩出。其中又有電纜時，那分流數(shù)就會約為50%。

仔細(xì)查閱，IEC和建筑國標(biāo)中實(shí)際上已指出，引出的50%電流的包括了管道的引出電流，而在計算例中卻又忘記了這部分電流，而是把架空線引出的電流過份夸大了，造成不小的錯誤。當(dāng)然，作為國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)，取用科普性的粗略數(shù)訂成標(biāo)準(zhǔn)，各種情況都執(zhí)行一個平均數(shù)，這本身就是不正確的，是不能允許的。

1.2在樓頂擊穿架空線絕緣

假定樓高H=80m，其電感L=0.3%×80=24μH（估計單位長度電感為0.3μH/m），一路電源線由一層引到遠(yuǎn)方。按樓內(nèi)未用金屬管屏蔽時計算，因此時引出電流最大。

Ⅱ類防雷建筑，I1=150kA樓頂電壓：

一路電源線分出的電流

為R = 1Ω時 i1 ≌ U/Z = 510/100 = 5.1kA

R = 2Ω時，i1 =6.6kA

可見比一層擊穿絕緣時的電流稍大，即使有獨(dú)立的雙路電源線和獨(dú)立的雙路電話線，且近似均各有上述的引出電流，則電線總的引出電流為：

i1Σ = 4i1 = 4×6.6 = 26.4 kA

若各電線均按規(guī)定穿入接地鐵管，則只是反擊電壓驅(qū)動外泄電壓，按反擊系數(shù)最大值K= 0.15，最大引出電流也只有 ，占總電流的3%。

由以上計算可知，IEC和建筑國標(biāo)中規(guī)定的電線引出電流50%，無論是在底層擊穿絕緣還是在樓頂擊穿等絕緣，都不可能引出這樣多的電流。只有加上幾條管道引出電流，才可能接近50%。

1.3擊穿長電纜線絕緣（屏蔽層在建筑物外無良好接地，如懸掛式電纜。）

長電纜是指2.6～10μs波頭的LEMP從末端SPD反射回來時，來波已達(dá)到波峰值的長度，波在電纜中傳播速度約為光速的一半，即約為0.5×300 = 150m/μs，即l1 = （2.6～10/2）×150 = 190～750m，對Zτ= 0.25μs波頭，l2 = （0.25/2）×150 = 19m。低壓配電電纜的波阻，當(dāng)三相傳播雷電波時，其每相波阻估計 z c = 5～10Ω，本計算取較小值5Ω。

取SPD的動態(tài)電阻rd = 0.1Ω則

因這是近似計算，取39kA，若按電纜與建筑物分流詳算，可證明R = 2時，也不會達(dá)到80kA。

2.地電位升通過SPD向外散流

2.1架空長配電線

這是最經(jīng)常出現(xiàn)的雷擊建筑物工況，每次雷擊建筑物都會通過SPD把部分電流引到建筑物以外。

對Ⅰ類防雷建筑物：I1 = 200kA，SPD（MOA型）的動態(tài)電阻rd ≌ 0.05～0.2Ω （較大值用于幾千安小電流情況）雷擊時地電位升反作用于建筑物內(nèi)MOV，并通過它向所連線路的遠(yuǎn)端SPD放電。線路經(jīng)L、C分布參數(shù)在遠(yuǎn)方SPD接地。因為此時是三相SPD同時動作和通流，所以采用三相線路同時傳播雷電波時的綜合波阻，此值估計為100Ω（日本40年代已實(shí)測出單相進(jìn)行波下單相配電線阻為200～400Ω），建筑物內(nèi)和建筑物外遠(yuǎn)端的兩組SPD與線路波阻串聯(lián)，需計入兩者的動態(tài)電阻rd，故3相SPD的總電流遠(yuǎn)小于GB50057中的電流。

2.2架空短配電線（無 l≥15m地埋電纜段）

屬于這種情況的有：經(jīng)一小段架空線接于配電室或配電變壓器低壓側(cè)，假定此段線路長度為：建筑物墻高3m，進(jìn)戶線15m，加一檔配電線和引下線直到通過SPD接地共約40m。則此線段的三相電感為（三相波阻100Ω，波速0.75c = 0.75×300 = 225m/μs）：

末端SPD的動態(tài)電阻與室內(nèi)SPD相同，均為0.1Ω，末端的沖擊接地電阻R=2Ω，則R2=0.1+2=2.1Ω；

建筑物放電回路的電感L1 = 3μH，R1 = （1～2）+0.1Ω。按前面分流系數(shù)公式計算分流系數(shù)， τ= 10μs時

故一組SPD2 的總電流為

iΣ2 = （1－β）I = （1－ 0.85）×200 = 30kA

每只SPD的電流i = 30/3 = 10kA。

2.3長電纜，懸掛式安裝，屏蔽層無良好接地。

三相電纜單相傳播雷電波，波阻Z c = 5～10Ω，此處取5Ω，則按地電位升計算，取反擊系數(shù) K = 0.15

一般建筑物，如磚用結(jié)構(gòu)建筑物，無有效屏蔽作用，則無屏蔽的電纜 K = 1.0 ，故每只SPD取38.5kA為最大值。

若有3條獨(dú)立的線路引到遠(yuǎn)方，則3條電纜引出總電流iΣ = 3×（38.5～77） = 116～231kA。

后者＞200kA（雷擊總電流），說明需再按與建筑物分流的條件詳細(xì)計算兩者進(jìn)行比較，這應(yīng)為3條電纜的SPD（接于電纜的首端和末端），每只放電電流為102/3=34kA這可能是接于各種位置、各種線路中SPD遇到的最大的電流，故應(yīng)明確規(guī)定：

建筑物引出的電源電纜和通信信號電纜，其屏蔽層的兩端必須接地，其中間還應(yīng)做多點(diǎn)（3點(diǎn)以上）接地。否則，兩端所接SPD的放電電流可能很大，以致超出其按正常情況的選用值。在通信、信號地纜尤其如此，必須特別注意。

2.4電纜埋地敷設(shè)，且層蔽層有良好接地。

此時電流絕大部分由電纜屏蔽層流走，芯線中的電流較小，可略去不計。

如果電纜較短，如100m左右，則根據(jù)電力系統(tǒng)中保護(hù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)使用電纜保護(hù)線段的方式和幾十年的實(shí)測和運(yùn)行檢驗，芯線末端MOV通過的電流約為無屏蔽層限流作用時的10%。

（作者單位：齊齊哈爾恒業(yè)房地產(chǎn)開發(fā)有限公司）