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概率论是雷电防护技术决策中的科学工具

2016-03-18 14:12:50   来源:   点击:

概率论是雷电防护技术决策中的科学工具

信息来源:    点击次数:1122    发布时间:2013-2-12

摘要]本文通过大量例证,反对“防雷不谈什么概率论”的错误观点[16。

[关键词] 雷电防护水平(LPL);雷电截闪系统(俗称“避雷针(线)”);SPD的In(标称放电电流) 

              

     近期读到一篇文章[1],某专家宣称:“防雷不谈什么概率论”!笔者甚感奇怪!持这种观点者可能只知《规范》的条文规定,不知规定是怎么来的。当今国内制订防雷技术标准存在两种截然不同的做法:一种是基于本国的、本地的、本行业的实践经验,利用概率论工具从统计资料中找出规律来制定[2、3、4],对国际上先进的标准,包括IEC雷电防护标准,是“借鉴”、“参考”,例如电力、邮电、铁道等行业;另一种做法,对IEC雷电防护标准不是“借鉴”,是如何“等同”和“等效”采用的问题,把IEC T81制订的推荐性《雷电防护标准》和资料性附录,仅仅“翻译”后,就变成中国强制的国家标准(GB),资料性附录变成标准性附录。这种做法引起了国内很多防雷专家的异议。国家标准管理委员会国家标准技术审查部主任沈同曾尖锐批评[5]:“部分标准的科学性、先进性和可操作性不强”,“采用(国际)标(准)时未对国际标准全面研究”,存在不少问题,譬如:(1)“有些标准迁就落后的现状”:(2)“标准的内容远达不到打破国外壁垒的要求”:(3)“标准确立未经严格验证”:(4)“盲目照搬国外指标”:(5)“相应的方法、设备等条件不具备”:(6)“仅仅摘录国际上有关文献的一部分”:(7)“不把重点放在转化国际上通用的方法、要求、规定上”:(8)“采(国际)标(准)时仅仅是翻译工作”:(9)“未认真分析与国内现状的差异”等。沈同主任指出的这些存在的问题,非常及时和深刻,是一副清醒剂。

    笔者多次指出[6]:“雷电防护技术是一门实践性很强的实证科学”。只有用科学工具—《概率论》从长期累积的大量统计资料中找出规律来制定防护措施,才能达到“安全可靠、技术先进、经济合理”。对防护规定,不仅要“知其然”,还要“知其所以然”。以下列举实例来与诸位读者研讨。

     例1、确定“建筑物的雷电防护水平(LPL)。 

    GB/T21714.1-2008/IEC62305-1:2006规定“建筑物的雷电防护水平(LPL)为四级,并对每种LPL规定了一组雷电流参数的最大值和最小值:一级[幅值(200kA;3kA),概率(0.99:0.99)],二级[幅值(150kA:5kA),概率(0.98:0.97)],三级[幅值(100kA:10kA),概率(0.97:0.91)],四级[幅值(100kA:16kA),概率(0.97:0.84)]。GB/T21714.1-2008/IEC62305:2006不规定建(构)筑物雷电防护分类,让业主根据技术经济因素自主地选择。GB50057-2010规定分类是沿用我国第一本GBj57-83来的,这是参照苏联《规范》来的[6]。                                                                                                                                                                                        

    雷电防护是减灾,归根到底是经济问题。雷电防护水平(LPL)设置得很髙,现在技术可以办到,但初始投资很大。当然可从减灾和维护费小,得到回报。反之,雷电防护水平(LPL)设置得很低,初始投资小、而雷害损失和维修费可能就大。所以,应当用概率求得雷电防护水平(LPL)最佳选择,以获得最大综合经济效益。 

    需要注意的是,不论是采用IEC《风险评估法》,或采用《GB50057-2010》的分类,要用中国实际的雷电参数和经济参数,而用外国经验公式和参数都求不准(LPL)的最佳选择。                                                                                             

    例2、雷电截闪系统保护范围。

雷电截闪系统防护直击雷的原理基本上是这样的,在接近雷电先导时,在截闪器上近处的电场强度超过被保护物上的,由截闪器首先开始产生迎面先导并极大的增强了在雷电先导与截闪器之间的电场强度,削弱了雷电先导与被保护物之间的电场强度,阻碍了被保护物上的迎面先导的发展。由于这个原因,靠近截闪器形成一个保护范围——一个虛拟空间。雷电击中这个空间的概率,通常称为绕击率。绕击率与很多因素有关。世界各国计算保护范围和绕击率都是经验公式。一般地说,保护范围愈大绕击率就愈大。                                                                                               

雷电先导和迎面先导受很多因素影响,放电路径是曲折的,并不是一定沿着最短(几何)距离发生的。在所有可能放电的方向中,服从统计规律(概率分布)。

    例3、防雷电反击的空气间隔距离。

GB50057-2010规定了防雷反击的空气间隔距离。不同的《规范》规定的空气间隔距离不同,这源自允许的雷电反击概率不同。例如,考核点上呈现的雷电圧受雷电参数和接地阻抗等因素的影响,这些影响因素都是隨机变量、概率分布。还有间隔距离的放电电压也是概率分布,1%概率的放电电压就低,99%概率的放电电压就髙。通常地,设计计算采用的是50%的概率。

空气间隔距离与冲击放电电压之间的关系,有的学者用曲线图表或计算式来表示,这都是经验的,有边界条件的,不能超出其边界条件随意伸延的,否则就会出谬论。笔者近日看到GB50057-2010第116页倒数第6行,介绍1m空气隔间距离的放电电压达3000kV,实在难以置信。

 例4、建(构)筑物雷电防护接地冲击阻抗。

 雷电防护的接地体通过雷电流时是一个复杂的物理的过渡过程。雷电流是随机变量,是概率分布。接地冲击阻抗亦是隨机变量,在《规范》中采用“冲击系数”来处理,原系接地体通过雷电流时,环绕接体形成电弧或火花击穿区域,接地冲击阻抗发生变化。

对接地阻抗(电力行业的正式称谓,见DL/T475-2006[9],俗称“接地电阻”)采用欧姆计量,有争议[8]:接地阻抗的电流和电压是不同“相”,是不符合物理学经典——1826年德国物理学家提出的欧姆定律。笔者认为是“暂用”。请见文[6]第3.1节至3.2节叙述。现在对接地阻抗欧姆值有两个极端,一是完全否认,认为“防雷接地既不科学又不经济”[8]。另一是对欧姆值“斤斤计较”,不惜花巨资来达到规定值,实际是做“冤大头”。因为建(构)筑物雷电防护有七项措施,防雷接地仅是其中一项,“欧姆值”也是一个粗略值。

例5、SPD的配置数量的选择。

据报导,一个大企业的建筑物内被安装了上千只SPD;某系统的许多机房三相电源入口处配电盘后第一级就安装了24只In=20kA防雷器。业主和设计者可能认为SPD安装得愈多愈安全,其实不然。SPD本身是电器,本身有故障或损坏的概率,SPD的故障或损坏的概率是与安装的SPD数量成正比例的。当然SPD安装得愈多,对被保护物愈安全,即被保护物雷害故障的概率减少,但SPD本身故障概率会增多。实际运用中应求得SPD最佳配置数量。                                                                                              

例6,SPD的In(标称放电电流)的最佳选择。

国家标准中规定,SPD的In是标志和识别等级的给定值,表示SPD的电气性能等级,所以叫“标称”。SPD的In等级不同,SPD的许多主要电气性能的技术条件和试验方法的要求不同,实质是代表着SPD的本身安全运行指标的髙低和保护性能好坏,是SPD的综合性的概率。在我国,In最初都是5kA、10kA、20kA等级,后来被炒作到了30kA、40kA等级,近年又炒作60kA、80kA或更髙以至100kA以上等级。SPD指标等级和价格炒上去了,实际性能如何呢?有人[10]提醒大家:“别掉入商人的参数陷阱”。

关于我国SPD的In如何制定,笔者于2004年撰文[11],介绍电力行业制定《3~500kV发变电所母线上用的WGMOA(相当于限圧型SPD)》的经验。我国从1954年开始在东北、重庆、广州、株洲、郑州、武汉等地的3kV及以上的发、变电所母线上安装的阀式避雷器测量通过的雷电流,经大量的多年测量统计分析,超过2kA 的概率为1.4%,超过5kA的概率为2%。笔者查阅到大量美国、前苏联、日本等国公布的实测统计结果。前苏联实测的15099个记录数据,超过5kA 的概率1.43%,超过10kA的概率为0.07% ,美国实测最大电流为15kA,超过10kA的概率为1%,800A以下的占50%。查阅到美国在120V/140V架空线路配电网测得流经阀式避雷器的雷电流1608个记录,最大雷电流为25kA,超过20kA的概率为1%,超过10kA的概率为5%,超过1.3kA的概率为50%。

我国电力行业从1978年至今,用全概率法(通俗说是多少年一遇),对35~500kV变电所预测防护沿架空线路导线上侵入的雷电波的分析研究,雷击点从变电所第一基杆塔开始,随机分布,没有仅按离变电所第一基杆塔极端亊件来定,获得大量资料,结合实践运行统计资料表明,现行《3~500kV变电所雷电防护》及In(5kA、10kA、20kA四级)选择是合适的[12]。直到现在,IEC/SC37发布的IEC60099-4:2001,12ED.1.2规定的仍是5kA、10kA、20kA等级[13]。世界各国3~500kV电网的WGMOA(无间隙金属氧化物避雷器)的In值都接受IEC60099规定,因为实践证明的最佳的技术经济选择。我们按典型的35~500kV变电所预测结果,见文[6]P102表4.1和文[12]介绍,即35kV(In =5kA)为200~300年一遇,110kV(In =5kA~10kA)为300~400年一遇,220kV(In =10kA)为400~600年一遇,330kV(In=10~20kA)为600~800年一遇,500kV(In =20kA)为800~1000年一遇。

综上所述,笔者认为SPD的In (8/20μs)定为5kA、10kA、20kA等级,能满足建(构)筑物内电气系统和电子系统的雷电防护要求。

例7,GB50057-2010第4.2.3条“第一类防雷建筑物防闪电电涌侵入的措施”第3款“当架空线转换成一段金属铠装电缆或护套电缆穿钢管直接埋地引入时,其埋地长度可按ℓ≥2√P计算:ℓ以m计,ρ以Ω.m计”,“且ℓ不应小于15m”。在GB50057-2010《条文说明》中,对这“15m”解释:“因规定架空线距爆炸危险场所至少为杆高的1.5倍,设杆高一般为10m,1.5倍是15m”。

 笔者撰写的文[13]认为上述规定是不正确的,分析如下:

(1)第一类防雷建筑物防护雷电侵入波时的措施,目的是限制雷电侵入波在第一类建筑物内的电气系统、电子系统、易燃易爆物上无危险。呈现的无危险的雷电电压主要决定于埋地电缆首端上以及外侧架空线上雷击电流参数(幅值、陡度、波头和波尾长度等)和埋地电缆长度。雷击点的隨机分布,雷电流参数的概率分布还受着埋地电缆处的接地情况的影响。

(2)ℓ≥2是从埋地金属体的雷电波在地中衰减的经验公式ℓ≤2√P转 过来的,是从经济角度根据试验资料得出的埋地水平伸长接地体冲击有效长度的经验表达式之一。有的学者拟定的为ℓ=20√P/500;还有按不同的指数衰减经验公式。一般地说,水平伸长接地体很长时,末段的衰减效果小。水平伸长接地体不要敷设得太长,太长了,作用小,不经济。这并不是说,末端产生的电位差不会危害末端连接的被保物(电气系统、电子系统、易燃易爆物等)。

第一类防雷建筑物防护雷电波侵入时的入户线要求的埋地电缆长度(ℓ)是电缆末端允许多髙雷电圧的问题。也就是说,电缆末端(建筑物内)连接的被保护物允许多髙电压问题,不是伸长接地体冲击有效长度的问题,这是两回亊,它们的物理含义不同。

(3)埋地电缆长度15m够不够?

笔者在1956年至1957年进行了一系列试验研究[12]。若第一类防雷建筑物,电缆首端雷击电流I=200kA时,15m肯定不够。恐50kA难达到。在电力行标《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》DL/T620-1997第9章《旋转电机的雷电过电压保护》中,分别按电机容量的不同(即安全的概率的要求不同),采用不同长度的电缆段。如单机容量为25000~60000kW的直配电机采用ℓ≥150m电缆段;单机容量为6000kW~25000kW(不含25000kW)的直配电机采ℓ≥100m电缆段;单机容量小于6000kW的直配电机采用ℓ≈50~100m电缆段。

在前苏联1950年及以前制定的《建(构)筑物防雷保护导则》中规定(见国内影印本,苏联科学院出版社1951年版,苏联院士意.斯.斯季柯勒尼柯夫教授等著《工业和民用建筑物防雷保护》一书中P95介绍):《第一类防雷建(构)筑物防护雷电侵入波的措施》是要求入户线经埋地电缆长度ℓ≥50~100m与户外架空连接。1987年修订版至现行的《建(构)筑物防雷保护配置规程》中仍规定:“第一类防雷建(构)筑物防护沿进入建(构)筑物的1kV以下电压供电的、电话的、广播的、信号的架空线路的雷电波侵入危害,应将铅包电缆、或铠装电缆、或穿钢管电缆埋入地中长度不小于50m。” 也就是说,他们根据自己实践经验,从1940年至今,一直规定ℓ≥50m。我国GB50057-94至GB50057-2010也有16年之久,有实践经验,应公布ℓ≥15m的运行结果,雷害概率是多少? 

从上述可见

  (1)第一类防雷建(构)筑物的入户线要求埋地电缆长度(ℓ),不能用ℓ ≥2√P来确定。

   (2)ℓ允许15m,对第一类防雷建(构)筑物是过短,雷害概率将过大。笔者认为,埋地电缆长度多少为好,不仅是计算、试验的问题,更主要的是长期运行经验,从实践中得出雷害概率是多少?是否可接受。笔者认为,根据电力行业发变电所运行经验,至少应不小于50m。最重要的有爆炸危险的应不小于150m。

综合上述七例的论述,充分说明雷电防护离不开《概率论》。《概率论》是雷电防护技术决策中的科学工具。

参考文献

1. 余乃枞:再谈10/350μs和8/20μs冲击波。《防雷技术》,2012年8月。

2. 许颖:电力行业制定防雷保护技术标准的经验回顾。《中国防雷》,2004年第5期。

3. 《邮电设计技—中国防雷》专辑(2007年增刊),中讯邮电咨询设计院。

4. 许颕、徐士珩编著:交流电力系统过电压防护及绝缘配合。中国电力出版社,2006年9月。

5. 沈同:国家标准草案中存在的问题及解决对策。《雷电防护与标准化》,2004年第1期。

6. 许颖、刘继、马宏达、邱传睿编著:建(构)筑物雷电防护。中国建筑工业出版社,2010年8月。

7. 许颖、刘继、马宏达、邱传睿:质疑不正确的《建(构)筑物防雷(电)分类》造成巨大损失或浪费问题。《防雷世界商情》,2011年第1期。

8. (清华大学物理系)虞昊教授:防雷接地既不科学又不经济。《中国防雷》,2006年第1期。

9. 中华人民共和国电力行业标准DL/T475-2006《接地装置特性参数测量导则》。《国家发展和改革委员会》,2006-0506发布,2006-10-01实施。

10. 武神:别掉入商人的参数陷阱。《中国防雷》,2005年第6期。

11. 许颖:进言SPD的标称放电电流(In)和通流能量试验方法的确定。《雷电防护与标准化》,2004年第4期。

12. IEC60099-4:2001.12.Ed.1.2:Surge Arresters-Part4:Metal-Oxide Surge Arrestes without Gaps for A.C. Systems。

13.许颖、刘继、马宏达:第一类防雷建筑物防护雷电侵入波时要求入户线埋地电缆长度(ℓ)用表达式ℓ≥2√P确定是不正确的。


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