CN111357161B - 用于设计防雷系统的方法和雷电流导出装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于设计用于建筑物和设施的外部防雷的防雷系统的方法和一种与此相关的绝缘的雷电流导出装置，该防雷系统的雷电流导出装置至少部分地构造为绝缘电导体，其在绝缘体上具有导电层或护套，并且在相应建筑物或相应设施中存在导电结构，这些导电结构可能会受到在待导出雷电流的情况下产生的感应，并且就此而言在绝缘导出装置上的导电层与相应导电结构形成次级回路。

Description

用于设计防雷系统的方法和雷电流导出装置
技术领域
本发明涉及一种用于设计用于建筑物和设施的外部防雷的防雷系统的方法，该防雷系统的雷电流导出装置至少部分地构造为绝缘电导体，其在绝缘体上具有导电层或护套，并且在相应建筑物或相应设施中存在导电结构，这些导电结构可能会受到在待导出雷电流的情况下产生的感应并且就此而言在绝缘导出装置上的导电层与相应导电结构形成次级回路。
背景技术
从DE 10228665 B4中已知一种在外部防雷中用于电连接接收装置和接地装置的雷电流导出装置。
根据其中的教导，为雷电流导出装置使用电导体，该电导体嵌入绝缘护套中，该绝缘护套又具有导电外罩。
在电导体与接收装置、如避雷针的连接区段中设有用于场控制的装置，以防止表面放电(Gleitentladung)并提高抗脉冲电压性。
已知的教导解决下述任务，即这样构造导出线(Ableitung)，使得可减小与其它要保护的导电设施部件的安全距离。此外，除了具有高浪涌电流承载能力之外，雷电流导出装置还应具有足够的抗表面放电性。
根据引用的现有技术，场控制构造成电容性的或构造为电缆端欧姆场控制。
就此而言，作为控制介质使用可卷绕的半导体材料或半导体条。通过将根据DE10228665 B4的雷电流导出装置与绝缘导出线相结合使用，可保持相对于例如位于建筑物内部的电缆通道之间的邻近区域的分隔距离。
在根据DE 10228665 B4的DE 10233528 B4的扩展方案中应确保，将待导出雷电流在屏蔽导体中的变压器耦合降低到可接受水平。
已表明，通过用绝缘涂层包围此前未绝缘的雷电流导出装置来解决雷电流导出装置的接近问题的基本可能性通过绝缘导出线向防雷系统本身过渡处的问题而变得更加困难。在雷电流沿表面进入导线中的部位发生表面放电。一旦超过表面放电起始电压和与此相关的场强，就会形成稳定放电，这整体降低介电强度并引发闪络，致使实际绝缘失效。如果屏蔽的、耐高压的同轴电缆为防止表面闪络而设有电阻控制的电缆终端并用于防雷，则通过导电性良好的屏蔽导体会在屏蔽导体中产生待导出初级雷电流的不希望的变压器耦合。
这是有问题的，因为导电的屏蔽导体通常连接到建筑物中的金属部件或结构的系统中。在值小于1欧姆的低回路电阻情况下会产生相当大的电流，该电流最高可达待导出初级雷电流的50％。
这种负面影响对集成在建筑物中的电气或电子设施和装置构成重大威胁。只有通过复杂的屏蔽或在绝缘导出线与其它金属部件之间的难以实现的较大距离才能避免这种威胁。为了减少待导出雷电流在屏蔽导体中的变压器耦合，提出：为雷电流导出装置的绝缘护套设置在长度上具有分级电阻的导体外罩。在电导体与接收装置的连接区段中再次设置本身已知的用于场控制的装置，以防止表面放电。
因此，根据DE 10233528 B4的雷电流导出装置由同轴结构形成，该同轴结构包括能承载雷电流的内部导体、相应的绝缘体以及电阻可变的导电护套和外部机械保护套。
导电外罩相对于第一区段具有约100千欧/米的电阻。随后的其它区段的电阻值优选在100千欧/米至1兆欧/米之间。
优选电阻值从100千欧/米逐级增加到1兆欧/米并且具有二到二十个分级。
概括地说，具有绝缘雷电流导出装置的防雷系统的任务在于，除了可靠地导出雷电流之外，还要确保没有部分雷电流在要保护的建筑物或要保护的设施中流动。
就此而言，防雷系统必须与要保护的建筑物或要保护的设施中的导电结构隔离地实现。
此外，应确保将在由雷电流流过的导出线和建筑物中的导电结构组成的导体回路中基于感应效应而产生的电流限制在非临界值。
根据现有技术，这通过在空气中保持足够的分隔距离或通过设置适合的绝缘材料、如基于玻璃纤维增强的棒来实现，其确保相应的绝缘性能。
如已经提到，防雷系统可设有绝缘导出线，在此存在减小分隔距离的可能性。与此相关的挑战是应对沿绝缘导出线表面的上述表面闪络
Figure GDA0003170160860000031
就此而言需要控制沿导出线表面的电位来应对这些表面闪络。
如现有技术中已知，如果绝缘导出线设有导电层，则能够可靠应对表面闪络。
但绝缘导出线上的该导电层却与要保护的建筑物中的导电结构一起形成次级回路。在绝缘导出线中流动的雷电流的磁场会穿透该次级回路。在此会感生出数百千伏范围内的非常高的回路电压。
这种在相应要保护的建筑物、物体或设施中的导电结构中产生的高电流可导致巨大的损失或相应设施的功能受损。在相应防雷系统的现有设计中，作为预防措施增大分隔距离，但这在设施建造以及经常产生的负面建筑效果方面具有缺点。然而在大多数安装情况中到目前为止几乎没有注意次级回路中的这些关键负荷。
此外还有下述要解决的矛盾。
原则上绝缘导出线可用尽可能低欧姆的层包封，以便最小化表面闪络的风险，因为在低欧姆护套的情况下所出现的电压负荷均匀且独立于外部影响地沿整个导出线分布。
另一方面，基于次级回路的低阻抗产生这样的回路电流，其大小与实际上应避免的部分雷电流相当。在低欧姆情况下，次级回路中感应回路电流的脉冲形状与待导出雷电流的时间变化曲线成正比。因此，潜在威胁与待避免的部分雷电流相同。
相反，如果将外部护套设计为高欧姆的、如在根据DE 10233528B4的现有技术中所提出，则表面闪络风险很高，因为出现的电压负荷根据与建筑物结构的电容耦合方面的外部影响沿整个导出线分布不均匀。
虽然基于次级回路的高阻抗仅产生最小的回路电流，其大小较小并且在其时间变化曲线中在数学上依循待在绝缘导出线中导出的雷电流的一阶导数并且就此而言与部分雷电流不可比。但在高阻抗情况下必须采取用于场控制的特殊措施，这在开头提到的现有技术中已经描述过。
发明内容
有鉴于此，本发明的任务因此在于，提出一种用于设计用于建筑物和设施中的外部防雷的防雷系统的方法以及绝缘导出线，其一方面降低产生的次级回路中不允许的电流的风险，另一方面确保即使相应防雷系统运行了较长时间也可在所有环境和其它影响下避免沿绝缘导出线或绝缘导出线上的表面放电。
本发明的任务在方法方面通过用于设计用于建筑物和设施的外部防雷的防雷系统的方法得以解决，该防雷系统的雷电流导出装置至少部分地构造为绝缘的电导体，该绝缘的电导体具有绝缘体的导电的层或护套，并且在相应建筑物或相应设施中存在导电结构，所述导电结构可能会受到在待导出雷电流的情况下产生的感应，并且就此而言在绝缘的雷电流导出装置上的导电层与相应导电结构形成次级回路，该方法包括下述步骤：
-分析建筑物或相应要保护的设施中的导电结构的空间位置并确定可能的次级回路；
-确定绝缘的雷电流导出装置的临界距离并且在考虑绝缘的雷电流导出装置的总长度以及由此产生的总位移电流的情况下根据不能通过增加分隔距离来改变的临界距离的范围内的标准雷电浪涌电流量来评估次级回路中的感应效应；
-将估算的、在次级回路中由感应引起的可能的最大电流与可接受的极限值进行比较；
-在可预计超过极限值的情况下通过有针对性地、至少在部分纵向区段上增加施加到导出线的绝缘体上的导电的层或护套的电阻值来改变绝缘的导出线，其中，电阻增加的上限由电阻值改变的相应区段中的表面放电起始场强预先确定，这样设计这些纵向区段，使得次级回路中产生的电流依循雷电流的一阶时间导数。
有利地，所述绝缘的导出线的导电的层在其整个使用长度上是高欧姆的，但值不超过0.5至10千欧/米。
有利地，所述绝缘的导出线的导电的层或护套在部分纵向区段上通过无表面放电的耐高压的电阻段中断。
有利地，所述绝缘的导出线的导电的层或护套在一个或多个纵向区段上具有嵌入的、耐高压的、无表面放电的电阻区域。
本发明的任务在装置方面通过绝缘的雷电流导出装置来解决，其用于建筑物、物体和/或设施的外部防雷，并且其是本发明的方法设计的防雷系统的雷电流导出装置。
本发明的任务在装置方面通过用于外部防雷的雷电流导出装置来解决，其具有嵌入绝缘护套中的电导体，该绝缘护套设有导电外罩，其特征在于，所述导电外罩至少在部分纵向区段上具有增加的电阻值，在假定的标准雷电流情况下，电阻值的低范围将要保护的建筑物、物体或设施的次级回路中的电流限制在非临界峰值，并且电阻值的高范围仍可靠地避免达到或超过表面放电起始场强，这样设计这些纵向区段，使得次级回路中产生的电流依循雷电流的一阶时间导数。
有利地，所述增加的电阻值低于100千欧/米。
有利地，所述增加的电阻值介于0.5千欧/米至1千欧/米之间的范围内。
有利地，测定所述增加的电阻值，使得相应次级回路中的电流i2为初级回路中、即在雷电流情况下流过雷电流导出装置的电流i1的0.1％至1％。
本发明这样解决开头所述的问题，即，通过在回路中引入或嵌入耐高压的弱导电段来限制回路电流来避免次级回路中的大回路电流。
此外，这些弱导电段的测定和设计也应可靠地防止表面闪络。
这样设计这些段，使得产生的回路电流不再与雷电流曲线成比例，而是很接近地依循雷电流的一阶时间导数。
根据本发明的解决方案使表面闪络的风险最小化并且使次级回路中的所有部件的能量负荷最小化。设计段时的另一测定标准是最小化这些段的能量负荷。
在根据本发明的用于设计用于建筑物、物体和/或设施的外部防雷的防雷系统的方法中，所使用的雷电流导出装置至少部分地构造为绝缘电导体，其在绝缘体上具有导电层或护套，并且在相应建筑物或相应要保护的设施中存在导电结构，这些导电结构可能会受到在待导出雷电流的情况下产生的感应，并且就此而言在绝缘导出装置上的导电层与相应导电结构形成次级回路。根据本发明的方法，首先分析建筑物或相应要保护的设施中的导电结构的空间位置并确定可能的次级回路。
该确定可根据有关相应建筑物或设施的现有文件或结合现场勘察来进行。例如如果建筑物尚未完全装备日后要使用的设施或装置，则上述确定可在考虑建筑物内或上现有的金属部件的情况下来进行，在防雷系统的进一步设计中原则上也要在考虑电磁兼容性的情况下使次级回路电流最小化，以便使相应建筑物也可用于安装和使用高度敏感的电子和电气设备。
在本发明方法的实际实施中，针对某些典型的工业厂房和工业建筑物可使用存储的经验值或建筑物理说明。
在下一步骤中，确定规定要安装的防雷系统的绝缘导出装置的临界距离并且在考虑绝缘导出装置的总长度以及由此产生的总位移电流的情况下根据不能通过增加分隔距离来改变的临界距离范围内的标准雷电浪涌电流量来评估相应次级回路中的感应效应。
然后，将估算的、在相应观察的次级回路中由感应引起的可能的最大回路电流与可接受的极限值进行比较。可在高压测试实验室的测试范围中结合已知的模拟方法预先将相应极限值确定为标准极限值。
接着，在可预计超过极限值的情况下通过有针对性地、至少在部分纵向区段上增加施加到导出线绝缘体上的导电层的电阻值来改变绝缘导出线，电阻增加的上限由电阻值改变的相应区段中的表面放电起始场强预先确定。
在可预计超过极限值的情况下，对绝缘导出线的上述改变也可理解为从预存的大量设计的、在护套电阻值方面具有特定特性的绝缘导出线中形成这样的导出线，其证明对相关应用情况是最佳的。
作为替代方案，可在现场或在交付导出线之前鉴于应用情况下由具有不同电阻值的多个导出线区段个性化组装绝缘导出线。
在本发明的扩展方案中，绝缘导出线的导电层在其整个使用长度上构造成高欧姆的，电阻值介于0.5至10千欧/米之间的范围中或不超过该值。
在本发明的扩展方案中，绝缘导出线的导电层或护套在部分纵向区段上通过无表面放电的耐高压段中断。
绝缘导出线的导电层或护套也可在一个或多个纵向区段上具有嵌入的、耐高压的、无表面放电的电阻区域。
另外，根据本发明，根据该方法构造的绝缘导出装置用于外部防雷。
除了所提出的方法之外，本发明还包括用于外部防雷的雷电流导出装置，其具有嵌入绝缘护套中的电导体，该绝缘护套设有导电外罩，在此，导电外罩至少在部分纵向区段上具有增加的电阻值，在假定的雷电流情况下，电阻值的低范围将要保护的建筑物、物体或设施的次级回路中的回路电流限制在非临界峰值，并且电阻值的高范围在此可靠地避免达到或超过表面放电起始场强。
就此而言，增加的电阻值低于100千欧/米。
优选，增加的电阻值基本上介于0.5千欧/米至1千欧/米的范围内。
在本发明的扩展方案中，这样测定所述增加的电阻值，使得相应次级回路中的电流i2为初级回路中、即在雷电流情况下流过导出装置的电流i1的0.1％至1％。
附图说明
下面应借助实施例并参考附图详细阐述本发明。附图如下：
图1示出根据现有技术的由在要保护的建筑物中的导电结构和绝缘导出线的通常为低欧姆的护套组成的次级回路中的感应效应的原理图；和
图2示出通过使用根据本发明测定的无表面放电的耐高压电阻R对次级回路中的感应电流的根据本发明的限制效果。
具体实施方式
次级回路中感应出的回路电流i2由以下因素决定：待导出雷电流的幅值和时间变化曲线、次级回路的几何结构以及导电护套的根据本发明改变的区域或段的电阻。
绝缘导出线表面上的表面闪络风险也由待导出雷电流的幅值和时间变化曲线以及待测定段的电阻、然而还有沿导出线的外部影响、尤其是附近的导电部件来限定。
因为雷电流的幅值、时间变化曲线、次级回路的几何结构以及沿导出线的外部影响都无法被影响或仅能有条件地被影响，并且绝缘导出线本身应普遍适用，所以根据本发明为了解决所提出的任务而考虑至少在部分纵向区段上相对于绝缘导出线在外部导电护套区域中延伸的电阻值的设计和测定。
下面将说明单位长度电阻的示例性测定或相应纵向区段的设计。
从大量研究和测量可知，当在每米行程的单位长度电容为C＝100pF/m的绝缘导出线上与雷电流相关的电压变化率为du/dt＝3MV/μs时，约300A的电容位移电流起作用。
例如假设绝缘导出线的总长度为10m并且假设沿绝缘导出线的内部导体的电压分布呈线性减小，则产生1500A的总位移电流。
如果假设表面放电场强度为例如EGE＝20kV/cm，则绝缘导出线在相关区段中或整个长度上的电阻将约为1.33千欧/米，作为尽可能不应超过的最大值。
在这样的示例性设计中，在假定I级防雷等级的雷电流情况下(随后的负闪为200kA/μs并且基于标准的耦合电感为1.2μH/m)，在次级回路中产生峰值约为180A并且脉冲持续时间为250ns的回路电流。
通过图1示出用于外部防雷的防雷系统的示例性区段，在此设置雷电流导出装置，其在雷击情况下将雷电流i1经由电导体1导出至接地装置2。
根据相应装备的防雷系统的实施方式，初级电路具有电感L1。
所使用的绝缘防雷导出装置在绝缘体3上具有导电层或外罩4。
该导电层在要保护的建筑物(未示出)中与导电结构5形成次级回路。该次级回路具有电感L2。根据空间分配产生磁耦合M。
在没有根据本发明措施的情况下，次级回路中的感应电流i2可介于电流i1的30％至50％或更多之间，从而对导电结构本身或对该结构上或附近的电子或电气部件产生负面影响。
使用如图2中象征性示出的解决方案来限制次级回路中的感应电流i2。
就此而言，有针对性地、至少在部分纵向区段上增加施加到导出线绝缘体上的导电层4的电阻值R。
电阻增加的上限由电阻值改变的相应区段中的表面放电起始场强预先确定。
在根据本发明设计相应雷电流导出装置时，次级回路i2中的回路电流约为电流i1的0.1％至1％。
电流i2近似由di1/dt得出。

Claims (4)

1.用于设计用于建筑物和设施的外部防雷的防雷系统的方法，该防雷系统的雷电流导出装置至少部分地构造为绝缘的电导体，该绝缘的电导体具有绝缘体的导电的层或护套，并且在相应建筑物或相应设施中存在导电结构，所述导电结构可能会受到在待导出雷电流的情况下产生的感应，并且就此而言在绝缘的雷电流导出装置上的导电层与相应导电结构形成次级回路，该方法包括下述步骤：
-分析建筑物或相应要保护的设施中的导电结构的空间位置并确定可能的次级回路；
-确定绝缘的雷电流导出装置的临界距离，并且在考虑绝缘的雷电流导出装置的总长度以及由此产生的总位移电流的情况下根据不能通过增加分隔距离来改变的临界距离的范围内的标准雷电浪涌电流量来评估次级回路中的感应效应；
-将估算的、在次级回路中由感应引起的可能的最大电流与可接受的极限值进行比较；
-在可预计超过极限值的情况下，通过有针对性地、至少在部分纵向区段上增加施加到导出线的绝缘体上的导电的层或护套的电阻值来改变绝缘的导出线，其中，电阻增加的上限由电阻值改变的相应纵向区段中的表面放电起始场强预先确定，
其中，所述绝缘的导出线的导电的层在其整个使用长度上是高欧姆的，但值介于0.5至10千欧/米之间的范围中，并且
测定增加的电阻值，使得相应次级回路中的电流i2为初级回路中、即在雷电流情况下流过雷电流导出装置的电流i1的0.1％至1％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述绝缘的导出线的导电的层或护套在部分纵向区段上通过无表面放电的耐高压的电阻段中断。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述绝缘的导出线的导电的层或护套在一个或多个纵向区段上具有嵌入的、耐高压的、无表面放电的电阻区域。
4.绝缘的雷电流导出装置，其用于建筑物、物体和/或设施的外部防雷，并且其是按照根据权利要求1至3中任一项所述的方法设计的防雷系统的雷电流导出装置。
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