第三章-接闪装置与避雷器件演示幻灯片.ppt

第三章 接闪装置与避雷元件掌握接闪杆的结构和工作原理了解接闪杆保护范围的计算方法掌握接闪线、接闪带和接闪网的结构和工作原理了解接闪线保护范围的计算方法掌握接闪杆、接闪线、接闪带和接闪网的安装方法掌握防感应雷的常见避雷器的结构和原理掌握常见低压避雷器的选择和安装教学目标：1概 述18世纪中叶美国科学家富兰克林通过大量实验（风筝引雷电）建立了雷电学说，创立了避雷理论，发明了接闪杆。用接闪杆来保护高耸的房屋、教堂等，其方法是在物体的最高顶上固定一支更高的磨尖铁棒，在其下端通过一导线通到地下即通过避雷器来引雷放电。贝尔发明电话机以后，就出现了第二种避雷器导雷器，它实际上为一个火花隙。19世纪末出现了阀型避雷器的前身。到了20世纪，人们开始注意到感应雷击（静电感应和电磁感应）的危害。1968年日本松下电器公司研制出了一种金属氧化物非线性电阻的新一代无间隙避雷器氧化锌避雷器。20世纪80年代以后，随着微电子技术的广泛应用与迅猛发展，由于微电子器件对雷电电磁脉冲极端敏感，因而雷电产生的危害面就进一步扩大，许多领域都需要防雷保护。2第一节 直击雷的防范措施防避直击雷装置：接闪器、引下线和接地装置三部分组成。接闪器又包括：接闪杆、接闪线、接闪带和接闪网。它们都是用金属做成，安装在建筑物的顶端。建筑物建筑物接地线接地线 接地体接地体铁塔地网铁塔地网接闪器接闪器引下线引下线3防避直击雷的方法：通过接闪器尖雷电流接收下来，然后通过引下线，接地体迅速的将其送往大地。防避直击雷的基本原理（P26）结论：1）接地电阻越小，雷电压衰减的越快，雷击时散流得越快。因而避雷装置的接地电阻越小越好。2）避雷装置只能大大减少被雷击的可能性。4一、工作原理与结构 接闪杆是一种防直击雷的避雷装置，它是由两百多年前富兰克林发明的，其最大优点是结构简单，安装方便，成本低廉，维护方便。1、接闪杆工作原理：装设在比其他物体高得多的接闪杆，利用自身产生的向上先导来改变雷云的向下先导的走向，将落雷点吸引到自己身上来，以保护比它矮的物体不易遭受雷击。2、接闪杆的结构 接闪杆是接闪器中的一种，采用热镀锌圆钢或度锌焊接的钢管制成，接闪杆的接闪端宜做成半球状，其弯曲半径为最小4.8 m m 至 最大1 2.7 m m。第二节 接闪杆防直击雷的避雷装置：接闪器、引下线、接地装置。防高电压引入（感应雷）的专用避雷器：电力避雷器、电信避雷器。避雷器中的避雷元件（有些可独力使用）：放电管、氧化锌压敏电阻、半导体二极管等。5部分防直击雷接闪杆外形图5A35A3型优化接闪杆型优化接闪杆3A23A2型优化接闪杆型优化接闪杆ZGU-5ABZGU-5AB型型E.S.EE.S.E针针普通接闪杆普通接闪杆6优化接闪杆：优化接闪杆：它具有接閃、降低雷電流幅度及延長放電時間，它具有接閃、降低雷電流幅度及延長放電時間，使使di/dt減小的功能減小的功能。提前预放电接闪杆（提前预放电接闪杆（E.S.E）：）：接闪杆主要由激发器从自然界的电场中吸收并接闪杆主要由激发器从自然界的电场中吸收并贮存能量。反射器及避雷器针尖与大地有良好的电贮存能量。反射器及避雷器针尖与大地有良好的电气连接，处于等电位状态。所以通常情况下，激发气连接，处于等电位状态。所以通常情况下，激发器与反射器之间有电场强度，每当雷闪发生前，电器与反射器之间有电场强度，每当雷闪发生前，电场强度会迅猛增大，激光激发器与反射器之间的电场强度会迅猛增大，激光激发器与反射器之间的电位差大致相当于雷云与大地之间的电位，它们之间位差大致相当于雷云与大地之间的电位，它们之间的电压降迅速增加会造成尖端打火，并使尖端周围的电压降迅速增加会造成尖端打火，并使尖端周围的空气离子化，形成尖端放电现象。的空气离子化，形成尖端放电现象。73、接闪杆接闪器的最小直径 直径 针型圆钢（mm）钢管（mm）针长1m以下1220针长12m1625烟囱顶上的针20408二、接闪杆的保护范围 1、接闪杆保护范围的计算方法：早期采用的有：改进折线法、曲线法、直线法 现在国际上普遍采用：滚球法。滚球法：指以某一定半径的球体，在装有接闪器的建筑物上滚过，滚球被建筑物上所装的接闪器撑起，这时球体的弧与建筑物之间的范围。根据建筑物被雷击后引起后果的严重程度，我国防雷技术标准规范规定，把建筑物分为三类，其滚球半径如表：保护图：建筑物类别滚球半径hr第一类建筑物30m第二类建筑物45m第三类建筑物60m92、单支接闪杆保护范围的计算 （1）当接闪杆的高度hhr时：说明：h：接闪杆到地的高度(m)；hr：滚球半径(m)rx:接闪杆在高度hx的xx,平面上的保护半径（m）。10距地面hr处作一平行于地面的平行线；以针尖为圆心，hr为半径，作弧线交于平行线A、B两点；以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该弧线与地面相交并与地面相切从弧线起到地面止就是保护范围。保护范围是一个对称的锥体。接闪杆在hx高度的xx，平面上的保护半rx为：接闪杆在地面上的保护半ro为：式中：rx 接闪杆在hx高度xx平面的保护半径；hr 为滚球半径；hx 被保护物的高度（m）；r0 接闪杆在地面上的保护半径。11单支接闪杆的保护范围剖面立体图单支接闪杆的保护范围剖面立体图12（2）当接闪杆的高度h大于hr时，在接闪杆上取高度hr的一点代替单支接闪杆针尖作为圆心。接闪杆在地面上的保护半径等于滚球半径，即：接闪杆在地面上的保护半径等于滚球半径，即：r0=hr（3）单支接闪杆保护范围的计算程序已知输入量：rx、hx、hr；程序输出量：h.例例一一：第第二二类类防防雷雷建建筑筑物物，计计算算单单支支接接闪闪杆杆的的保保护护范范围围时时，滚滚球球半半径径为为4545m m，若若接接闪闪杆杆离离地地高高度度为为4545m m，代代入入公公式式得得接接闪闪杆杆在在地地面面上上的的保保护护半半径径为为4545m m；若若接接闪闪杆杆的的高高度度为为8 8m m，代代入入公公式得：式得：=25.6(=25.6(m)m)133、双支等高接闪杆的保护范围（讨论hhr的情况）（1）D （或者D2ro）时，各按单支接闪杆的方法确定。（2）D （或者D2ro）时，保护范围的确定：外侧按单支接闪杆的方法确定，两针之间先作出O,点，以R为半径作经过两针间的弧线。14R的大小为：C、E两点为两针间最外沿的保护点，在地面上每侧的最小保护宽度bo为：在高度为hx的xx，平面上，两针间最外沿每侧的最小保护宽度b为：在AOB线上，距中心线任意距离X处，在其保护范围上边线上的保护高度hx 为：154、双支不等高接闪杆的保护5、方形布置的四支等高接闪杆的保护16三、接闪杆的安装：砖木结构接闪杆的安装平顶屋上接闪杆的安装注：旧规范中，接闪器防腐可以涂漆，新规范已经不允许了，对材料作了相应规定，除以往采用的热镀锌钢外，还有铜、镀锡铜、铝、铝合金、不锈钢、镀铜除以往采用的热镀锌钢外，还有铜、镀锡铜、铝、铝合金、不锈钢、镀铜钢。钢。171、引下线：将接闪器与接地装置连接起来，只有雷击时才载流的金属导线。引 下 线 宜采用热镀锌圆钢或扁钢，宜优先采用圆钢。若用圆钢直径不得小于8mm，若采用扁钢厚度不得小于4mm，宽度不得小于12mm（截面为48m）；引下线应沿建筑物外墙外表明敷设，并经最短路径接地。建筑艺术要求较高者可暗敷设，但截面积应加大，若用圆钢直径不得小于10mm，若采用扁钢截面积不得小于80mm；采 用 多 根专设引下线时，应在各引下线上于距地面0.3 m 至1.8 m 之间装设断接卡，便于测量接地电阻是否达到设计要求和检验引下线。引下线尽量装在行人不易碰撞的地方。建 筑 物 的钢梁、钢柱、消防梯等金属构件以及幕墙的金属立柱宜作为引下线，但其各部件之间均应连成电气贯通。2、接地装置：埋设在地中直接与大地接触作散流的金属导体。若人工接地体采用垂直埋设，一般宜用热镀锌角钢、钢管等，若采用水平埋设，一般宜采用热镀锌扁钢或圆钢；接地电阻一般要求小于10。四、引下线和接地装置18防雷测试点（连接板）引下线及断接卡接地装置 当利用混凝土内钢筋、钢柱作为当利用混凝土内钢筋、钢柱作为自然引下线并同时采用基础接地体时自然引下线并同时采用基础接地体时，可不设断接卡，可不设断接卡，但利用钢筋作引但利用钢筋作引下线时应在室内外的适当地点设若下线时应在室内外的适当地点设若 干干连接板，这些连接板，这些连接板可供测量、接人连接板可供测量、接人工接地体和作等电位连接用工接地体和作等电位连接用。19垂直人工接地体垂直人工接地体垂直人工接地体垂直人工接地体水平人工接地体水平人工接地体自然接地体与人工接地体连接线自然接地体与人工接地体连接线自然接地体与人工接地体连接线自然接地体与人工接地体连接线建筑物基础自然接地体建筑物基础自然接地体建筑物基础自然接地体建筑物基础自然接地体总等电位接地端子板总等电位接地端子板总等电位接地端子板总等电位接地端子板接地总干线接地总干线接地总干线接地总干线接地总引出线接地总引出线接地总引出线接地总引出线0.50.5m m m m地面地面地面地面5m5m5m5m 接地系统接地系统20第三节 接闪线一、工作原理 接闪线：架设在输电线的上方，以此来保护输电线路免遭直接雷击的接闪器。（架空电力线最上面的地线）工作原理：同接闪杆基本相同，但引雷作用和保护宽度均比接闪杆小。接闪线一般采用截面积不小于50mm2（旧规范为35mm2）的热镀锌钢绞线（或铜绞线）架设在被保护物上方而成。接接闪闪线线21二、保护范围的计算计算方法：滚球法。22第四节 接闪带和接闪网一、建筑物易受雷击部位及重点保护 1、建筑物易受雷击部位：主要在：女儿墙、屋角、屋脊、屋檐、檐角等处。2、重点保护部位：以上易受雷击部位，在屋角除装暗设接闪带以外，还应加装接闪杆（一般在50cm左右）；对屋顶上的特殊突出部位（如烟囱等）应另外采取保护措施；对屋顶上的突出部位（如水箱、钢爬梯等）应加装接闪杆，并很好接地（目前建筑物无需另设引下线，利用自身钢筋接地体焊接好即可）。23二、接闪带和接闪网二、接闪带和接闪网 1、接闪带：在平顶房子屋顶四周的女儿墙或坡顶屋的屋脊、屋檐上装上金属带（一般为8的圆钢）作接闪器，并将其与大地良好连接来起到避雷效果。（见下图）242、接闪网：分为明装和暗装两种，暗装利用钢筋混凝土结构中的钢筋网进行雷电保护（必要时还可在保护物上加装辅助接闪网）。2526第五节 避雷器件 避雷器件可分为电力避雷器和电涌保护器（SPD）两种。电力避雷器又分为保护间隙、排气式避雷器、阀型避雷器和氧化锌避雷器；电涌保护器（SPD）按用途不同可分为电源电涌保护器、天馈电涌保护器和信号电涌保护器。一、电力避雷器一、电力避雷器 电力避雷器是一种限制由输配电线路传播的雷电过电压的电压限制器。它实质上是一种放电器，并联在被保护设备的附近，当作用电压超过电力避雷器的放电电压时，避雷器放电，从而保护了其它电气设备不被损坏。一般工作原理：一般工作原理：当电网由于雷击出现瞬时脉冲电压时,防雷器在纳秒内导通，将脉冲电压短路于地泄放，后又恢复为高阻状态，从而不影响用户设备的供电。设备271、保护间隙、保护间隙 保护间隙是最简单，最经济的电力防雷设备,其结构简单，造价低廉，维护方便，但其保护性能较差。主间隙主间隙辅助辅助间隙间隙主间隙辅助间隙主要不足点：强大的冲击电流会造成三相变压器的相间绝缘损坏。主要不足点：强大的冲击电流会造成三相变压器的相间绝缘损坏。等效电路等效电路应用：常用于中性点不直接接地应用：常用于中性点不直接接地10KV 以下的配电网络中，一般安装以下的配电网络中，一般安装在高压熔断器的内侧，以减少变电所线路断器的跳闸次数。在高压熔断器的内侧，以减少变电所线路断器的跳闸次数。282 2、阀型避雷器、阀型避雷器 阀型避雷器是由放电间隙和非线性电阻阀片组成，装在密封的瓷管内。放电间隙的电极由黄铜材料冲压成小圆盘状，中间以云母垫圈隔开，间隙距离为0.51mm。非线性电阻阀片是由许多阀片串连而成的组合件，阀片是用碳化硅加结合剂在3003500C低温下烧结而成。293、氧化锌避雷器、氧化锌避雷器（1）氧化锌避雷器的工作原理）氧化锌避雷器的工作原理1972年，日本研制成无间隙氧化锌避雷器，主要用在电网的高、中、低压保护，高压保护可达500KV以上，低压一般为220/380V，如图所示。氧化锌避雷器主要由氧化锌压敏电阻构成，每一块压敏电阻从制成时起就有它一定的压敏电压（开关电压），当加在压敏电阻两端的电压低于该数值时，压敏电阻呈现高阻状态，如果把它并联在电路上，该阀片呈现断路状态；当加在压敏电阻两端的电压高于该数值时，压敏电阻即被击穿，呈现低电阻，甚至接近短路状态。当电力线被雷击时，雷电波的高电压使压敏电阻击穿，雷电流通过压敏电阻流入大地，使电力线上的雷电压被箝制在安全范围内。当雷电流过后，压敏电阻恢复高阻状态，电力线恢复正常输电。30高压避雷器低压避雷器31（2）、避雷器的主要技术参数（实测）限制电压（Um）:在SPD试验中施加规定波形和辐值的冲击电压时,在SPD接线端子间测得的最大电压峰值。最大持续运行电压（Uc）：可持续加于电气系统电涌保护器保护模式的最大方均根电压或直流电压；可持续加于电子系统电涌保护器端子上，且不致引起电涌保护器传输特性减低的最大方均根电压或直流电压。标称放电电流（In）：流过电涌保护器8/2 0 s 电流波的峰值。残压（Ures）：放电电流流过SPD时,在其端子间的电压峰值。残压与所通过的雷电波峰值电流和波形有关。响应时间：避雷器两端加上的电压为压敏电压时，其延迟一定时间才会导通，该延迟的时间就叫响应时间。响应时间越短，避雷器避雷效果越好，品质越高。ZGB148A-20型电源避雷器的技术指标：额定电压AC 最高持续运行电压冲击通流容量 8/20s限制电压 KV 220V 240V 20KA 1.032二、电涌保护器（二、电涌保护器（SPD）1、电涌保护器的分类（1）按使用非线性元件的特性来分,有电压开关型、电压限制型和组合型。电压开关型SPD：无浪涌出现时，SPD呈高阻状态；当冲击电压达到一定值时（即火花放电电压），SPD的电阻突然下降为极低值。常用的非线性元件有放电间隙、气体放电管、开关型SPD等。电压开关型电涌保护器具有大通流容量（标称通流电流和最大通流电流）的特点，适用于易遭受直接雷击部位的雷电过电压保护（LPZ0A区），开关型开关型SPD为间隙放电型器件，其雷电能量泻放能力大，在线路上使用的为间隙放电型器件，其雷电能量泻放能力大，在线路上使用的主要作用是泄放雷电能量主要作用是泄放雷电能量。33 电压限制型SPD：当没有浪涌出现时，SPD呈高阻状态；随着冲击电流及电压的逐步提高，SPD的电阻持续下降，当超过其起控电压时，电阻突然下降为极低值。常用的非线性元件有压敏电阻、瞬态抑制二极管等。组合型SPD：由电压开关型元件和电压限制型元件混合而成。限压型电涌保护器具有连续的电压/电流特性限压型电涌保护器是较为常用的过电压保护器，一般适用于LPZ0B区、LPZ 区或LPZ2n等后续防雷区的雷电过电压防护。（2）按使用的性质分类 由于雷电过电压可能沿供（配）电线路、信号线路、或天馈线路侵入，因此安装在不同系统中的SPD必须满足不同系统的特殊要求。按使用性质将SPD可分为电源SPD、信号SPD和天馈SPD。限压型限压型SPD为氧化锌压敏电阻器件，其雷电能量为氧化锌压敏电阻器件，其雷电能量泻放能力小，但其过电压抑制能力好，在线路上使用泻放能力小，但其过电压抑制能力好，在线路上使用的主要作用是限制过电压。的主要作用是限制过电压。342、SPD在低压配电系统中技术参数的名称解释 保护模式：SPD可连接在L（相线）、N（零线）、PE（保护线）间，如L-L、L-N、L-PE、N-PE，这些连接方式就称为保护模式。（横向避雷和纵向避雷）额定电压（标称电压）Un：制造厂商对SPD规定的电压值。在低压配电系统中一般指220VAC、380VAC等。点火电压（开关型SPD火花放电电压）：在电涌冲击下开关型SPD电极间击穿电压。箝位电压Uas：使SPD进入箝位状态的浪涌电压。电压保护水平Up：一个表征SPD限制电压的特性参数，它可以从一系列的参考值中选取（如0.08、0.09、1、1.2、1.5、1.8、2、8、10KV等）该值应比在SPD端子测得的最大限制电压大，与设备的耐压一致。额定放电电流In：在8/20s电流波形作用下，通过SPD的额定电流值。最大放电电流Imaxn：在8/20s电流波形作用下，通过SPD的电流峰值。响应时间Tn：SPD两端施加的压敏电压到SPD箝位电压的时间。353、电源、电源SPD 在电子信息系统中，由现代微电子器件组成的电子电路对电网的质量要求较高，对雷电过电压的承受能力较弱，因此必须有电压限制形式的精细保护。为了抑制雷电过电压波的侵入，应安装相应的电源SPD。当前电源SPD大多采用氧化锌压敏电阻作为主要元件，一般分为三级保护设计，在8/20s电流波形作用下，第一级采用通流容量为6080KA的电源SPD保护，第二级采用通流容量为4060KA的电源SPD保护，第三级采用通流容量为2040KA的电源SPD保护。如图3.25、图3.26所示为中光公司生产的ZGG系列电源SPD。36（1）、工作原理：保护器在安装前应检查外贴标记是否损坏，若记损坏或显示窗口的颜色呈红色，表示已不能使用。保护器应安装在供电线路的保险丝之后，应根据不同的供电系统按下图进行安装接线，连接线的截面积必须大于6m,并应尽量短。在正常工作情况下，防雷模块（压敏元件）处于高阻状态。当供电线路有雷电侵入或出现瞬时过电压时，防雷模块将以纳妙级的响应速度立即导通，将雷电过电压泄放到地。当雷电过电压结束以后，防雷模块又迅速地恢复到高阻状态，不影响电网地正常工作。（2）、安装方法（见图）37ZGB148A、ZGB14电源避雷器（1）、产品实物 该电源避雷器主要用于邮电通信、银行、广播电视、机场等一切非爆炸区的电源系统防雷，保证各类电子设备的安全运行。38（2）、工作原理 当有感应雷电波侵入电源传输线式，电源避雷器的防雷组件将以纳秒级（50ns）的响应速度呈现低阻状态，迅速将雷电流泄放到地，将雷电流引起的过电压限制在用电设备允许承受的耐压范围内，以确保电器设备的安全运行。（3）、安装与维护1）安装接线图：392）、安装方法：安装前，先检查外观，应无明显损伤。然后用500型万用表RX10K档（不能用摇表）测量A、B、C、N(或L、N）之间的电阻应为无穷大，A、B、C（或L）对PE的阻值大于100K，N对PE的阻值为无穷大。按照上图连接安装，连线选用截面积为6m以上，耐压不低于AC500V的绝缘铜导线。连接完毕，接通电源，合上断路器，面板上的指示等呈绿色，表示该电源避雷器开始工作。3）、使用与维护：本避雷器在正常使用中无需特别维护，为防止避雷器失效，在雷电过后应及时检查，当发现面板上的指示灯由绿色变为红色时，应立即更换。本避雷器在损坏后，断路器会跳到“OFF”状态，面板上的指示灯呈红色。404、天馈、天馈SPD 各种无线电通信设备（包括微波通信设备、卫星通信设备、短波及超短波通信设备等），雷达设备、电视及其转播和发射设备、无线电广播设备即使是在机房装有防直击雷的保护装置时，从天线的馈线上也可能侵入感应产生的雷电流，而使电子设备遭到雷击。天馈SPD就是将感生的雷电脉冲引入大地，而对射频信号却无干扰地保持正常的通信状态。现在使用的几种天馈SPD其基本原理如图3.27所示。其中（1）是在同轴线上并接一段1/4入的短接线，其原理是按天线工作频率设计的1/4入，在支点对射频呈开路状态，而对雷电过电压呈短路状态。（2）是在导线上直接并联电感及压敏电阻。电感起高频扼流作用，不让射频信号入地，对雷电过电压，电感短路，压敏电阻在雷电过电压下导通。（3）是在同轴线芯上并联气体放电管到地，对雷电流起泄放到地作用。如图3.28所示为中光公司生产的ZGB003系列天馈SPD。415、信号、信号SPD 它主要用于通信系统各类信号线、控制线、数据线上进行过电压保护的装置，如图3.29为计算机避雷器的原理图。该信号SPD是以三极气体放电管和快速箝位二极管为主体构成的线路防雷保护装置。图3.30为信号SPD 426、常见、常见SPD连接示意图连接示意图L1L2L3N图一图一 串联式串联式SPD三相电源防雷箱三相电源防雷箱 SPD防雷箱防雷箱图二图二 并联式并联式SPD单相电源防雷箱单相电源防雷箱非模块式非模块式L1L2L3NPESPD防雷箱防雷箱BX模块式模块式L1L2L3NPEBX43三、三相交流电源的连接方式三、三相交流电源的连接方式 1、三相三线制特点：电源只有三根相线输出，无接地中线，只给三相对称负载供电 2、三相四线制（负载为非对称的情况）三相四线接中制：中线不接地。三相四线接零制：中线接地。3、三相五线制 特点：在三相四线制的基础上，在建筑物总开关的接零点处，多引出一条线到各用户，供室内的设备保安接地(保护地线PE），而零线用N表示。四、低电压配电系统的接地形式四、低电压配电系统的接地形式 1、TN系统：TNS系统，TNC系统，TN-C-S系统。2、TT系统：3、IT系统：说明：第一部分T表示电源是直接接地，I表示通过阻抗接地；第二部分N表示外露导电部分经中性点（N）接地，T表示外露导电部分单独接地；第三部分C表示中性线（N）与保护线（PE）合用，S表示各分开用。44 低压交流供电制式示意图低压交流供电制式示意图图一图一 TN-S系统系统 图二图二 TN-C-S系统系统PEL1L2L3NPEN外露导电部分电源系统接地L1L2L3PEN图三图三 TN-C系统系统 图四图四 TT系统系统L1L2L3PEN电源系统接地外露导电部分外露导电部分PE电源系统接地L1L2L3N45SPD在在TN-C-S电源系统中的安装示意图电源系统中的安装示意图LPZ=防雷保护区防雷保护区SEB=配电柜配电柜EBB=等电位连接排等电位连接排PENkWhEBBL1L2L3PENSEB电表电表 主配电柜主配电柜 分配电柜分配电柜 设备设备 避雷器避雷器 避雷器避雷器 避雷器避雷器EBBLPZ 0LPZ 1LPZ 246SPD在在TN-S电源系统中的安装示意图电源系统中的安装示意图LPZ=防雷保护区防雷保护区SEB=配电柜配电柜EBB=等电位连接排等电位连接排PEkWhEBBL1L2L3NPESEB电表电表 主配电柜主配电柜 分配电柜分配电柜 设备设备 避雷器避雷器 避雷器避雷器 避雷器避雷器EBBLPZ 0LPZ 1LPZ 2N47