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。

　　电子和电气系统的雷电防护

　　IEC 62305-4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。IEC 62305-4中用电子系统和电气系统取代了IEC 61312-1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，IEC 61312-1：1995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”。 IEC 61312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，GB 50057-94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TC 81(第81委员会—防雷)外，尚有TC 37、TC 64和TC 77与TC 81密切配合，出版了与防雷相关的标准。如TC 37近年出版了IEC 61643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GB 18802.1-2002/IEC 61643-1和GB/T 18802.21-2004/IEC 61643-21(IEC 61643-12和IEC 61643-22尚未出版)。TC 64出版了IEC 60364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：GB 16895.3-2004/IEC 60364-5-54(接地配置和保护联结导体)、GB 16895.5-2000/IEC 60364-4-43(过电流保护)、GB 16895.6-2000/IEC 60364-5-52(布线系统)、GB 16895.9-2000/IEC 60364-7-707(数据处理设备用电气装置的接地要求)、GB 16895.11-2001/IEC 60364-4-442(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)、GB 16895.12-2001/IEC 60364-4-443(大气过电压或操作过电压保护)、GB/T 16895.17-2002/IEC 60364-5-548(信息技术装置的接地配置和等电位联结)、GB/T 16895.22-2004/IEC 60364-5-534(过电压保护电器)。TC 77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GB 17626.5-1999/IEC 61000-4-5(冲击抗扰度试验)、GB 17626.9-1998/IEC 61000-4-9(脉冲磁场抗扰度试验)。笔者作为中国专家参加2004年7月IEC/TC 81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TC 77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/TC 81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/TC 81年会。在第65届年会上，TC 81决定将已出版的五大系列防雷标准IEC 61024(直击雷防护)、IEC 61312(防LEMP)、IEC 61662(危险度评估)、IEC 61663(通信线路防雷)和IEC 61819(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，IEC 62305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1 IEC/TC 81 雷电防护标准新体系

　　标准号 名称

　　62305-1雷电防护 第1部分：总则

　　62305-2雷电防护 第2部分：风险评估

　　62305-3雷电防护 第3部分：建筑物的实体损害和生命危险

　　62305-4雷电防护 第4部分：建筑物内电气和电子系统

　　62305-5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》GB 50057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》GB 50343-2004，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“GB 50343标准中岐义分析”、“对GB 50343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 GB 50343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GB 50057和GB 50343的突出矛盾，已造成防雷设计工程师的困惑和混乱，GB 50343应尽快修改或废止。

　在GB 50057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

　　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IEC 62305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。

　 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。