电气安全第3版.pptx

第一节 雷电与雷电参数一、雷电的形成与危害 1、形成 形成过程：雷云，先导（向下先导、迎面先导）放电，主放电，余辉放电。雷电形式：直击雷；感应雷，又分静电感应和电磁感应两种形式；球形雷（不讨论）。直击雷是始于雷电先导的放电。感应雷是在直击雷条件下继发的次生雷害。雷云对大地放电（直击雷）示意图雷云对大地放电（直击雷）示意图a)负雷云出现在大地建筑物上方时负雷云出现在大地建筑物上方时 b)负雷云对建筑物顶部尖端放电时负雷云对建筑物顶部尖端放电时 2、危害 热效应。雷电流（几至几百千安培）通过雷击点，发热量可达（50020000）MJ。电磁效应。雷电流量值大、波形陡，在周围空间产生强大且变化剧烈的磁场，磁场中导体被感应出电动势，使闭合金属导体产生感应电流，或使开口金属导体产生开口电压，引发火花放电危险。机械效应。被击物阻性热效应引发的水分气化压强产生内部机械力破坏；电磁力效应产生机械力破坏；电弧热效应引发的空气冲击波产生外部机械力破坏。二、对地雷闪的雷击形式与组合形式 1.雷闪、雷击及其基本类型 对地雷闪（lightning flash to earth）：雷电向大地或地表附着物的放电称为对地雷闪，又称闪击。雷击：雷闪过程中的单次对地放电称为雷击（lightning stroke）。通常一个雷闪过程包含有若干次雷击。雷闪又分为由雷云向建筑物发展向下雷闪和由建筑物向雷云发展的向上雷闪。雷闪中雷击的3种基本形式：首次短时雷击；后续短时雷击；首次或后续长时间雷击。2.雷闪的雷击组合形式 一般和低暴露地点（如平原、低矮建筑）多为下行雷闪，高暴露点（如山峰）多为上行雷闪。通常上行雷闪的所有雷击能量都小于下行雷闪。下行雷闪可能的雷击组合上行雷闪可能的雷击组合 三、雷电参数 1、气象参数 直接观测参数如：雷暴日，雷暴小时。计算参数如：年平均雷暴日。按年平均雷暴日可划分雷击强度区域：少雷区：少于15；多雷区：4090；强雷区：大于90。2、电气参数 （1）雷电流波形及参数定义。O1称为视在原点。1）雷电流幅值I，又称雷电峰值电流。与雷电机械效应有关，主要影响电动力大小。还影响波头陡度，继而间接与雷电电磁效应相关。2）T1波头时间。又称视在波前时间，是短时雷击电流波的一个虚拟参数。3）T2波头时间。又称波尾半峰时间，是短时雷击电流波的一个虚拟参数。4）长时间雷击电流持续时间T。5）波头平均陡度。是短时雷击电流波的一个导出参量，表明了雷电流波头上升速率，量值为I/T 1。与雷电流产生的电磁感应有关，如感应过电压。6）雷电流的电荷量QS（短时雷击）、QL（长时间雷击）和 QFLASH（雷闪）。统称雷电荷量，直观理解为雷电流波形下的面积。雷击装置发生电弧时，其热效应与电荷量有关。7）单位能量W/R。，i(t)是雷电流，W/R是雷电流热脉冲，表明雷电流在1被击负载电阻上产生的能量损耗。单位能量与雷电流引起的阻性发热有关，继而间接与雷电的机械效应相关。可比对短路电流热脉冲理解 （2）雷电参数量值的统计特征及标准雷电流波。统计特征，以及统计特征差异性特征（地区、技术组织、年代）。1）雷闪的极性。指雷闪电荷的极性。典型数据：约10%为正极性，90%为负极性，随地域不同。首次短时雷击中，正极性雷击的威胁更严重。2）雷电流幅值。雷电流幅值范围很大，电力系统和建筑物防雷工程中数据有所不同。电力工程为：建筑防雷工程取值见后续介绍。例：电力工程中超过100kA雷电流，出现的概率按该式计算为0.073，而建筑防雷工程中取值为0.05。3）时间。短时雷电流波用T1/T2形式表示。首次短时雷击按正极性雷击考虑，取T1=10s，T2=350 s。（负极性T1=1s，T2=200 s）后续短时雷击按负极性雷击考虑，取T1=0.25s，T2=100 s。长时间雷击取T=0.5s。4）短时雷击标准波形函数。16 标准短时雷击雷电流波形下雷电参数关系：以上关系是雷电流时间积分和雷电流平方时间积分的结果。电荷单位：C；电流单位：kA；时间单位：s；单位能量单位：MJ/。17 （3）雷电波的表述 通常用T1/T2波形表达，这里符号“/”没有除法运算的含义，仅指雷电波波头时间与半峰时间的一种组合。例如，常用的试验波形有10/350s电流波、8/20s电流波、1.2/50s电压波等。（T1又称为视在波前时间，以两个规定点间直线所确定的波前时间替代实际波前时间，如1.2/50s电压波以30%和90%峰值点为规定点，10/350s电流波以10%和90%峰值点为规定点等。这一做法原因在于实测雷电波中，起始量值较小部分时间长短相差较大，甚至起点位置都不好确定，但这一部分对绝缘的影响程度很小；峰值部分也有类似情况。为了表明对绝缘起主要作用的波前主升段时间，引入了视在波前概念和视在波前时间参数。）第二节 雷电能量在导体上的传输 一、传输线 1、集中与分布参数电路 关键：电路尺寸与电磁波波长的相对大小。电路尺寸 远小于 电磁波波长集中参数电路 电路尺寸 可比于 电磁波波长分布参数电路 为什么几何尺寸如此重要？2、传输线简介 （1）集中与分布参数电路的主要区别 集中参数电路：电流、电压只是时间的函数，在一个支路范围内与位置无关。u=u（t），i=i（t）分布参数电路：电流、电压不仅是时间的函数，还是位置的函数，即：u=u（x，t），i=i（x，t）因此，分布参数电路中没有节点、支路等概念，KCL、KVL不再成立。（2）传输线的波阻抗。传输线上某一点同向传输的电压电流之比，叫做该点的波阻抗。Z（x）=u（x，t）/i（x，t）波阻抗也是一个位置的函数。解释线性传输线，均匀传输线，传输线波阻抗。波阻抗只表明某一点上电压和电流的比例关系，但并不表明能量消耗，因此与集中参数电路中的阻抗有本质的差异。（3）传输线的等效电路。如何用集中参数电路的方法去分析实为分布参数电路的传输线？“长”与“短”的相对性及条件转换。传输线上某一点和紧邻的下一点上电流都可能不同，说明传输线上可以有净电荷的集聚。传输线的集中参数等效电路无限分割级联组合 二、传输线上的行波 （1）对行波的理解。整体看：传输线比作铁路，行波就好比火车。就传输线上任一固定点看：该点上电压、电流随时间的变化，看到的是不同时刻通过该点的电压、电流行波的瞬时值。行波实际表明了有能量在空间的传输。（2）行波波速。v 2=1/（L0C0）=1/（00）（3）行波的折射与反射。当传输路径上波阻抗变化时，由于电场与磁场能量的重新分配，会产生波的折射与反射现象。电流波：表明了磁场能量的传播。电压波：表明了电场能量的传播。波阻抗：表明了磁场与电场能量的比例。根据能量守恒定律，波阻抗变化时，会发生电场和磁场能量的转换，使电流波和电压波发生变化。（4）示例。末端短路末端开路电压加倍电流为零电流加倍电压为零 三、导体上雷电能量传输与传输线的关系 雷电波中能量不可忽略的谐波频率达MHz级，对应的波长为几十到几百米，已小于一般电力或信息线路长度，达到与建筑物尺度可比拟的程度。讨论线路上雷电能量传输时，可将其看作为行波。讨论建筑物上雷电能量传输时，有时仍可近似将导体当作集中参数电路处理。第三节 综合防雷体系 建筑防雷从目标到措施都不是单一的，需要一系列防护措施相互配合与协作，才能达到各方面所需要的防护效果。由此形成的防护规则，就是所谓的综合防雷体系。本章所介绍的防雷都不包括电力系统和信息系统露天架空干线部分，而只包括建筑物本体、内部物体与系统，以及进出建筑物的公共管线。一、与建筑物防雷相关的主要技术领域 1.建筑物防雷与电气工程其他技术领域的关联 （1）电气绝缘与配合。主要与建筑物内的电气电子系统绝缘特性有关联。建筑物防雷系统对雷电能量的衰减导致其对绝缘的危害程度降低，但可能增加新的危害途径。（2）电气和电子信息系统。主要与建筑物内低压配电系统和电子信息系统的电涌保护有关联。雷电作为加害源，其危害程度和传递路径都与建筑物防雷相关，内部系统电涌保护是在建筑物防雷基础上实施的。（3）电磁兼容。涉及雷电作为骚扰源对电子信息系统安全与正常工作的影响，及对电气系统电能质量的影响。建筑物防雷与雷电骚扰源的形式、量值和耦合路径有关联。（4）电击防护与火灾预防。建筑防雷可以降低直接的雷电电击和雷电火灾的概率，但可能产生新的雷电电击和雷电火灾的途径。2.与建筑物防雷相关的IEC技术委员会简介 IEC/TC81雷电防护技术委员会。1980，制定建筑物防雷相关标准的最主要技术委员会，确定工程防雷体系的框架及措施。IEC/TC37避雷器和电涌保护器技术委员会。1951，制定避雷器相关标准的主要技术委员会。1988成立TC37A，1992成立TC37B，制定电涌保护器和电涌保护器元件标准。TC37负责中高压及架空线避雷器。IEC/TC64电气装置和电击防护技术委员会。1967，在接地与等电位联结、大气过电压防护、低压电气装置绝缘配合、过电流保护、导体选择、布线系统等很多方面与建筑物防雷产生关系。IEC/TC28绝缘配合技术委员会。1939，主要制定标称电压工频交流1000V和直流1500V以上电力系统绝缘配合的相关标准。IEC/TC77电磁兼容技术委员会。？，主要制定电磁兼容相关标准，建筑物雷击电磁脉冲防护就是从电磁兼容的角度提出的，并成为建筑物防雷一个新的重要组成部分。另外在接地装置、接地技术、等电位联结、导体选择等诸多方面，建筑物防雷与电磁兼容都有关联，二、综合防雷体系结构 1.综合防雷体系的形成 （1）按伤害对象归纳。（2）按照防护措施所保护的部位归纳。（3）对综合防雷体系的理解 LPS（lightning protection system）：传统建筑物防雷。含外部与内部防雷两部分，以及LPS引起的生命伤害危险的防范。防护目标是物理损害，其中外部防雷针对建筑物实体，内部防雷针对室内空间电火花，需附加防生命伤害的措施。SMP（surge protection measures）：雷击电磁脉冲防护，起源于电子信息系统从电磁兼容角度提出的防护要求。由建筑物上LEMP防护和内部系统电涌保护两道防线组成。防护对象是建筑物内电气、电子系统，目标是避免内部系统失效。关系：LPS是SMP的既有条件；内部LPS与建筑物上LEMP防护措施有交叉重叠。2.建筑物防雷标准 综合防雷体系的框架、内容和措施都体现在防雷工程标准中。变化较大、较频繁，规定不尽一致。IEC标准国家标准标准名称制定（或发布）机构IEC62305GB/T 21714雷电防护IEC/TC81，国标等同采用IEC61643GB/T 18802低压电涌保护器IEC/TC37-SC37A，国标等同采用GB 50057 建筑物防雷设计规范住房与城乡建设部GB 50343建筑物电子信息系统防雷设计规范住房与城乡建设部三、工程防雷系统的形成 工程防雷系统是综合防雷体系的技术实现。工作流程：雷电威胁的确定，风险管理，雷电防护措施的实施。1.雷电损害与雷电损失 雷电威胁包括加害者、受害者及其相互关系。加害者的加害结果称为雷电损害，包括损害源、损害成因与损害类型。损害源指雷电流，损害成因指损害是由雷击发生在哪个部位带来的，损害类型指雷击造成了何种破坏。受害者的受害结果称为雷电损失，雷电损失指雷电损害对个人、团体和社会等带来的后果，归纳为若干种损失类型。类型类型符号符号解释解释损害成因损害成因S1符号含义符号含义可能造成的破坏可能造成的破坏雷击建筑物雷击建筑物电电弧弧发发热热、导导体体过过热热、电电弧弧烧烧蚀蚀引引起起直直接接机机械械损损坏坏、火火灾灾及及爆爆炸炸；过过电电压压引引起起的的火火花花触触发发火火灾灾及及爆爆炸炸；接接触触及及跨跨步步电电压压造造成成电电击击伤伤害害；雷雷击击电电磁磁脉脉冲冲导导致致内内部系统失效部系统失效S2雷击建筑物附近雷击建筑物附近雷击电磁脉冲导致内部系统失效雷击电磁脉冲导致内部系统失效S3雷击连接到建筑物的线路雷击连接到建筑物的线路过过电电压压和和雷雷电电流流产产生生的的火火花花触触发发火火灾灾及及爆爆炸炸；雷雷电电流流产产生生的的接接触触电电压压造造成成电电击击伤害；过电压使内部系统失效伤害；过电压使内部系统失效S4雷击连接到建筑物的线路附近雷击连接到建筑物的线路附近感感应应到到线线路路上上的的过过电电压压传传输输到到建建筑筑物物使使内部系统失效内部系统失效损害类型损害类型D1电击使人或动物受到伤害电击使人或动物受到伤害D2包包括括有有火火花花的的雷雷电电流流效效应应引引起起的的物物理理损损害害（火火灾灾、爆爆炸炸、机机械械损损坏坏、化化学学品泄露等）品泄露等）D3雷击电磁脉冲导致内部系统失效雷击电磁脉冲导致内部系统失效损失类型损失类型L1人身生命的损失（包括永久性伤残）人身生命的损失（包括永久性伤残）L2公共服务的损失（指水、电、气、通信等公共服务）公共服务的损失（指水、电、气、通信等公共服务）L3文化遗产的损失文化遗产的损失L4经济损失（建筑物及其内部物体、业务损失）经济损失（建筑物及其内部物体、业务损失）雷电损害源与损害及损失类型的关系雷电损害源与损害及损失类型的关系损害成因损害成因S1S2S3S4损害类型损害类型D1D2D3D3D1D2D3D3损失类型损失类型 L1、4L14L1、2、4L1、2、4L1、4L14L1、2、4L1、2、4仅对可能有动物的地方。仅对可能有动物的地方。仅对有爆炸危险的建筑物，以及可能因内部系统失效而危及人身安全的建筑物（如仅对有爆炸危险的建筑物，以及可能因内部系统失效而危及人身安全的建筑物（如医院等）。医院等）。通常将L1、L2、L3理解为社会价值损失，L4理解为纯经济价值损失。2.风险管理 风险：雷电可能造成的年均损失（人和物）与被保护建筑物总价值（人和物）之比，用R表示。与损失L1L4相对应的风险为R1R4。R1R3社会价值损失风险用于确定是否需要雷电防护，R4用于评估雷电防护的经济合理性。R1R3风险评估结果记作R，其最大允许值为RT。若R RT，则雷电防护不是必须的，是否实施取决于经济合理性评估，反之则必须实施雷电防护。风险管理：在风险评估的基础上对雷电防护的必要性和经济合理性作出决策。对于必要性:已基本转化为标准条款，反映在建筑物雷电防护等级中；对于经济合理性，需要根据具体项目和相关条件分析确定。3.雷电防护系统的构成及防护措施的确定 对确定需要雷电防护的建筑物，按综合防雷体系的构架实施雷电防护LP（lightning protection），它包括雷电防护系统LPS和雷击电磁脉冲防护措施SPM。雷电防护系统的形成过程步骤工作内容成果1雷电威胁确定确定危害成因、损害和损失类型为风险管理提供依据。部分既有成果为专家工作结果，如雷电参数统计值、年预计雷击次数计算公式、雷电防护等级划分的依据、防雷区划分的规定等2风险管理风险计算、评估确定建筑物所需的雷电防护等级，进而确定防雷工程雷电参数取值，确定建筑物防雷区划分等3雷电防护LPLPS含外部LPS和内部LPS设计，防物理损害和生命伤害确定外部防雷系统形式、布置、参数要求，确定接闪器、引下线、接地装置等防雷装置的材料和结构尺寸，确定防闪电电涌侵入、防感应过电压和防反击的措施，确定防跨步电压和接触电压的措施，等等SPM含建筑物雷击电磁脉冲防护设计和电涌保护系统设计，防内部系统失效或故障，以及特定条件下的人身伤害确定建筑物内防雷击电磁脉冲措施的实施部位和方法，确定电气电子系统电涌保护的布局和保护模式，确定SPD类型和参数，等等第四节 雷电防护等级与建筑物防雷类别划分一、雷电防护等级与建筑物防雷类别的概念 1.雷电防护等级 雷电防护等级LPL（lightning protection level）：对建筑物允许遭受的雷电威胁程度的一种划分，以一组雷电流参数的规定范围为依据，以建筑物遭受这一参数范围内雷击的概率为划分标准。因此，雷电防护等级表明雷电防护应该达到的要求，与具体建筑物无关，又称为雷电防护水平。GB21714.1-2015雷电防护 第1部分：总则将雷电防护等级规定为I、II、III、IV四个等级。雷电参数表1各LPL对应的首次短时雷击的雷电流参数最大值及概率雷电流参数及出现概率雷电防护等级LPLIIIIIIIVI幅值kA200150100T1波头时间s101010T2波头时间s350350350QS电荷量C1007550WR单位能量(MJ)105.62.5雷电流参数小于以上数据的概率0.990.980.95雷电参数表2各LPL对应的后续短时雷击的雷电流参数最大值及概率雷电流参数及出现概率雷电防护等级LPLIIIIIIIVI幅值kA5037.525T1波头时间s0.250.250.25T2波头时间s100100100IT1平均陡度（kAs）200150100雷电流参数小于以上数据的概率0.990.980.95雷电参数表3各LPL对应的长时间雷击和雷闪的雷电流参数最大值及概率雷电流参数及出现概率雷电防护等级LPLIIIIIIIVQL电荷量C200150100T时间s0.50.50.5雷闪雷电流参数及出现概率雷电防护等级LPLIIIIIIIVQFLASH电荷量C300225150雷电流参数小于以上数据的概率0.990.980.95雷电参数表4各LPL雷电流参数最小值及其对应的滚球半径及概率雷电流参数及出现概率雷电防护等级LPLIIIIIIIV最小雷电流幅值IkA351016滚球半径hrm20304560雷电流参数大于以上数据的概率0.990.970.910.84 雷电参数表14解读 LPL等级I对雷电防护要求最高，其后依次递减。比如，对于等级I，按表1和4列示的参数，需要对雷电流幅值3200kA的首次短时雷击进行防护，而200kA以上雷电流和3kA以下雷电流出现的概率均已低于0.01，因此防护等级I能够达到对大约98%的首次短时雷击进行防护。2.建筑物防雷类别 建筑物防雷类别，是按建筑物需要达到的雷电防护等级，对防雷建筑所作的一种划分。对于一栋具体的建筑物，其需要达到何种雷电防护等级，主要取决于对该建筑物的风险评估，但有管辖权的部门也可以不经风险评估就规定特定应用领域的建筑物所需达到的雷电防护等级，比如有爆炸危险性物质的场所。与LPL的关系：前者是标准，后者是按需要达到何种标准对建筑物做出的分类，两者不是同一个概念，但表达时可能有同一个序数，比如，需要达到II级雷电防护等级的建筑物，属于II类防雷建筑。可对比电力系统标称电压与电气设备额定电压的关系等，归纳工程思维和体系的普遍性特征。二、现状防雷工程对建筑物防雷类别的划分 1、标准的异同 GB21714.1-2015雷电防护对应LPL，将建筑物按防雷要求划分为I、II、III、IV共4个类别，各类别建筑防雷工程雷电参数取值与LPL参数一致。GB50057-2010建筑物防雷设计规范则划分为第一、二、三类共3各类别，其中最大参数取值与LPL中IIII对应，最小参数取值与LPL中IIIV对应。2、建筑物年预计雷击次数N计算 该参数表明了建筑物受雷击的概率，有专门的工程计算方法，与建筑物体量、雷电气象参数、建筑物所处位置环境状况等有关。基本思路是将建筑物因高度增加的雷击概率，等效为扩大了的地面的落雷概率。标准计算公式是以长方体建筑为依据的。工程上对不规则建筑的处理是难点。该参数是划分建筑物防雷类别的重要依据之一。N建筑物年预计雷击次数（次a）；k校正系数，取决于所在地地理气象条件、建筑物结构特征等；Ng建筑物所处地区雷击大地的年平均密度（次（km2a）；Ae与建筑物截收相同雷击次数的地面等效面积（km2）；Td年平均雷暴日（da），根据当地气象部门资料取值。建筑长、宽、高单位：m第五节建筑物外部防雷系统 外部LPS主要防直击雷（含顶击和侧击），目标是防止雷电对建筑物的物理损害（D2）。外部LPS可能引起电击伤害（D1）。外部LPS是建筑防雷体系中的第一道防线，是内部LPS和SPM的基础，是预防性体系。技术路径：控制直接来自雷闪的雷电能量通行路径，使其以对建筑物危害最小的方式泄放。一、系统形式与构成 按安装位置，外部LPS分为独立的和非独立的两种类型。独立的外部LPS：雷电流通道与被保护建筑物没有任何接触。通常装设在与被保护建筑物分开的专门构筑物上。非独立的外部LPS：可能与建筑物有接触。全部或部分安装固定在被保护建筑物上。1、接闪器 作用：引雷击向自身，以控制雷云向建筑物放电的部位，实质为引雷器。一般设置在高出建筑物的高度上。原理：利用自身高出建筑物的突出地位和金属材料能够快速聚集大量电荷的特性，以及尖端放电机理，控制雷电先导的发展方向。接闪器只是控制雷云的闪击点，不应具备改变雷云性质的功能，如中和雷云电荷等。凡具有改变雷云性质的防雷装置，都不应视作外部防雷体系中的接闪器，接闪器的设置和保护范围的确定等技术条件不适用于这些装置。类型：人工接闪器，自然接闪器。人工接闪器：接闪杆、线、带、网等。自然接闪器：金属屋面、杆塔等。2、引下线 作用：将接闪器接受的雷电能量由高处引向大地。常见类型：人工引下线，自然引下线。人工引下线：镀锌圆钢、扁钢，同轴屏蔽电缆等。自然引下线：建筑物柱内钢筋等，构筑物金属杆体等。独立的LPS引下线可以是一根或少数几根，非独立的LPS引下线至少两根。工程规范对相邻引下线最大间距有规定。一、二、三类防雷建筑沿建筑周边长度计算最大间距分别为12m、18m和25m。3、防雷接地装置 作用：使雷电能量更有效率地向大地泄放，并降低这一过程所产生的次生危害的严重程度。实现形式：自然接地极，人工接地极。人工接地极类型：A型，B型。A型接地装置安装在被保护建筑物外，且接地极不环绕建筑物，接地极总数不少于2。不能满足引下线间等电位联结和均衡墙体附近局部地电位要求。B型接地装置接地极安装在建筑物外且围绕建筑物成闭合环路，环路导体至少80%埋入土壤。B型接地装置和建筑物基础接地装置可以较好地满足引下线间等电位联结和均衡墙体附近局部地电位要求。接地装置接地电阻最低要求：不宜大于10。A型接地极接地电阻与总长度正相关，满足接地电阻要求最小计算长度l1见图。计算长度系水平接地极取实际长度，垂直接地极取实际长度2倍，代数相加。计算长度大于60m，或土壤电阻率高于3000m，不宜再用A型接地极。B型接地极计算长度取等效圆半径re，要求re l1 re为B型接地极围合的面积。接地极最小计算长度要求建筑物外部防雷系统示例非独立外部LPS独立外部LPS 4、高层建筑侧击雷及其防护 直接雷击中侧击雷仅占百分之几，且雷电流参数比顶击雷低得多。一律按三类防雷建筑处理。防护方法：建筑边梁或圈梁中主钢筋焊接环通，并与外墙所有金属体及顶击雷防雷引下线电气连接。每三层作一次。GB50057-2010建筑物防雷对侧击雷防护有比较具体的规定，包括需要防护的部位和防护装置的形式与布置等。从需要防护的部位来看，按60m滚球能触及的部位都设防方式处理，严格程度大于规范要求。从防护措施来看，在建筑的立面设置明装接闪器的做法，在实际工程中很难实施，本课程仍采用工程界长期惯用的做法，因为实践证明这种防护方法是有效的。二、接闪器保护范围 滚球法、网格尺寸法、折线法（不推荐）。1、滚球法 （1）做法。设立以hr为半径的一个假想硬壳球体（称为滚球），沿需要防直击雷的部位滚动，当球体只能触及接闪器、或只触及接闪器和地面，而不能触及被保护建筑物时，则建筑物各部位就得到接闪器的保护，否则需要对建筑物上被滚球触及的区域进一步设置保护，（2）应用。用于各种接闪器保护范围确定，也用于较高建筑物对邻近较低建筑物保护范围确定。（3）滚球半径hr取值。按建筑物防雷类别固定取值：一类防雷建筑：30m；二类防雷建筑：45m；三类防雷建筑：60m。2、网格尺寸法 控制接闪网网格尺寸大小，就能有效地保护建筑物。（以下单位：m）一类防雷建筑：5X5或6X4以下。二类防雷建筑：10X10或12X8以下。三类防雷建筑：20X20或24X16以下。滚球法与网格尺寸法的关系：滚球法适用于任何接闪器，网格尺寸法适用于接闪网。对接闪网，两种方法可各自独立应用，满足其一即可。小结 滚球法：准确性较好，概念明晰，适用面广，建筑电气工程多有采用，特别适用于接闪杆、线的保护范围确定和较高建筑对较低建筑保护范围的确定。网格尺寸法：简单明了，对接闪网式接闪器特别方便。折线法：准确性和应用方便性不好，但电力工程中仍有所采用。三、典型接闪器保护范围计算 1、接闪杆保护范围计算 1）单只接闪杆保护范围计算 分杆高小于和大于滚球半径两种情况。杆高大于滚球半径时，高出滚球半径的部分对增大保护范围无效，保护范围按杆高等于滚球半径计算。杆高小于滚球半径时杆高小于滚球半径时接闪杆保护范围计算接闪杆保护范围计算 2）两只等高接闪杆保护范围计算 2、架空接闪线的保护范围 只考虑等高杆塔接闪线的情况。分接闪线高度小于和大于滚球半径两种情况。课堂讨论：滚球法原理 目的：体会技术原理与工程方法之间的关系。见识科学研究与技术原理之间的关系。1、雷电闪击理论的电气几何模型。最后击距：电气几何模型认为，当雷闪先导到达建筑物、地面和接闪器附近时，其雷击点有一定的选择范围，可能是建筑物或地面，也可能是接闪器。雷闪先导是否发展为主放电、以及最终向何处放电，取决于是否有以及是哪个物体最先进入雷闪先导的最后击距。公式中雷电流大小按建筑物防雷类别取值，取首次短时雷击最小值，单位：kA；距离单位：m。问题：该电气几何模型与滚球法有何关系？2*、雷电闪击理论的库伦模型 阅读文章，分析讨论。理论依据，假设条件，关键参数及数据，工程方法，准确性评价。四、接触电压和跨步电压电击危险性防护 1）接触电压。引下线上可能出现接触电压，与雷电流在引下线接触点以下长度上的压降和接地装置上的部分压降有关。2）跨步电压。引下线附近地面的跨步电压，与人员站立处接地电流在土壤中的散流场有关。防护措施：引下线绝缘针对1）；地电位均衡；接地点3m内地面层下绝缘；接地点3m内禁入；设多根（不小于10）引下线并尽可能通过环形导体连通针对1）、2）；第六节 建筑物内部防雷系统 内部LPS防护目标：防止雷电在建筑物室空间产生电火花。内部电火花来源：进入建筑物金属管线引入的雷电电涌；雷闪和雷电流沿外部LPS下泄时产生的电磁感应；雷电流沿外部LPS下泄时产生的反击。防护措施：等电位联结针对；绝缘针对，旧称间距。一、沿金属管线侵入雷电电涌引起的电火花危险防护 金属管线分两类：水管、暖气管等非系统金属管线；电力、通信等系统线缆，连同其配线金属管等。电火花可能发生的部位：金属管线室内金属物体间；金属管线相互之间；线缆的屏蔽层（或穿线用金属管道）与芯线导体之间。电火花原因：电位差；防护路径：均衡电位。1.对外引金属管道的防护 外引金属管道在进入建筑物处作等电位联结，既均衡电位，又通过接地泄放雷电电涌电荷。与防电击的总等电位联结措施关系：防护目标不同，技术路径相同（均衡电位），安装做法几乎完全一致。可一并（合并）实施。2.对外引线路的防护 （1）无金属屏蔽层且未穿金属管道敷设。应防芯线电涌电压击穿绝缘产生电火花。方法：进入建筑物处将芯线带电导体通过电涌保护器SPD接至EBB。（2）有金属屏蔽层或穿金属管道敷设。按金属管道处理。有另一种电火花危险需要防范雷电流在线路屏蔽层产生的纵向压降，形成屏蔽层与带电导体与之间的横向电位差，击穿绝缘产生电火花。防护：校核屏蔽层最小截面积。不满足时将带电导体通过电涌保护器接至EBB。绝缘冲击耐压金属屏蔽层截面积二、电磁感应现象及其引起的电火花危险的防护 防护措施：封闭金属环，磁屏蔽，间距。工程中各种跨接（横跨、纵跨）是封闭金属环和/或减小环路面积的措施。可与防电击EB所需跨接合并实施。三、反击及防护 1、反击原理 雷电流通过外部LPS的引下线时，可能对附近的物体发生放电，这种现象称为反击。u(x,t)大于s(x)尺度的绝缘耐压，则会发生反击。研究发现。电感电压和电阻电压下空气的击穿场强不同。前者ER=500kV/m，后者 。混合电阻电感压降下的击穿场强无法计算，采用单纯电压下允许距离简单相加方式计算 对一类防雷建筑，按雷电流幅值200kA、波形10/350s、引下线电感1.5 H/m取值，忽略引下线电阻压降，得不发生反击的最小距离计算公式如下。地面上反击发生的空间范围，是引下线旁半径0.4Ri外水平尺寸与高度成正比的一个倒锥台形，越高处范围越大。如果在地面以上有等电位联结，则是以引下线等电位联结处为锥顶的倒锥体。2、反击的防护 （1）外部LPS电气绝缘。独立外部LPS绝缘计算公式见上页。非独立外部LPS按以下公式估算。ki取决于建筑物防雷类别的系数，一、二和三类防雷建筑分别取值为0.08、0.06和0.04；反映雷电流强度的系数 km取决于空间绝缘材料的系数，空气取1，钢筋混凝土、砖瓦、木材取0.5，有多种材料时取最低值；反映绝缘耐压强度的系数 kc分流系数，1、2和3根及以上引下线时分别取值1、0.66和0.44。分流系数kc概念与量值。多根引下线条件下，单根引下线可能分得的最大雷电流占总雷电流的份额。分析可知，雷击杆塔顶端时，出现某根引下线分得最大比例雷电流情况。近似用集中参数电路自行推导以下公式。如果取h=c，得kc=0.66。这正是上页公式推荐的取值。反击可能产生的生命伤害危险的防护。（2）等电位联结。当现场没有足够的空间维持防反击间距时，可采用等电位联结措施，即将防雷引下线或接地极与可能被反击的金属构件电气连通，强制消除其间电位差，防止反击发生。等电位联结使金属构件分走雷电流，必须校验金属构件对雷电流的耐受能力，以及周围环境是否允许有雷电流从这些金属构件上通过。等电位联结防反击效果，应按smin(x)校核，有时可能需要若干处等电位联结，以降低smin(x)中x可能取得的最大值。等电位联结在底层。如果l过大导致smin(x)过大，可在适当的楼层再次作等电位联结。第七节 建筑物上的雷击电磁脉冲防护措施一、传统建筑物防雷与雷击电磁脉冲防护的关系 传统的建筑物内部防雷：主要是防反击、雷电感应和雷电电涌沿管线的侵入，防护的目标是避免在建筑物内引起火花放电和出现电位差。涉及建筑物内电气电子系统防雷时，将雷电感应（辐射耦合的雷电能量）和侵入雷电波（传导耦合的雷电能量）统称为雷击电磁脉冲，防护的目标是避免电气电子设备损坏，防护体系的名称叫雷击电磁脉冲防护。保护对象：LPS为建筑物实体和室内空间，SPM为室内电气电子系统（统称内部系统）。SPM以LPS为既有条件，分两个环节实施，其一在建筑物内部实体上，其二在内部系统中。后者称为电涌保护。技术措施重叠区域：建筑物实体上的雷击电磁脉冲防护与传统建筑物内部防雷措施部分重叠。重叠区域处理：不重复实施，但技术条件不同处需按各自要求处理。二、雷击电磁脉冲防护的防雷区及划分 1、雷击电磁脉冲LEMP（Lightning Electromagnetic impulse）防护概念 LEMP指作为骚扰源的电闪电流和电闪电磁场。来源：天空雷电电磁辐射；防雷系统下泄雷电流时产生的电磁感应；各种外部管线传导引入的雷电电磁波。研究特点：主要考虑对低压系统和电子信息系统的影响，而这些系统的能量脉冲承受能力可能低至mJ级，因此传统外部防雷系统不能有效防护。2、防雷区及划分 根据被保护空间可能遭受LEMP的严重程度及被保护系统（设备）所要求的电磁环境，可将被保护空间划分为不同的区域，称为防雷区。与建筑物防雷类别的区别：建筑防雷类别：对不同建筑的整体划分，防直击雷、感应雷等。防雷区：对同一建筑内部的空间划分，防LEMP。（1）LPZ0A区：本区内各物体都可能遭受雷击，各物体都可能导走全部雷电流；本区内电磁场没有衰减。如：建筑物接闪器保护范围以外的区域，像屋面未作保护的空调冷却搭所处区域。（2）LPZ0B区：本区内各物体不可能遭受直接雷击，但电磁场并未衰减。如：屋面以上接闪器保护范围内的空间。LPZ0A和LPZ0B区一般都处于建筑物外。（3）LPZ1区：本区内各物体不可能遭受直接雷击，流经导体的电流进一步减小，电磁场可能衰减。如：顶层室内空间。（4）随后的防雷区LPZ2、3根据系统（设备）承受能力做进一步划分。三、实施在建筑物上的雷击电磁脉冲防护措施SPM 作用：衰减LEMP的强度，构成内部系统电涌保护的基础。1、接地系统与等电位联结防雷工程体系中称“等电位连接”接地系统：由接地装置和联结网络（bonding network）共同构成的三维低阻抗金属网络。该术语有多种定义，同名异义。此处按GB21714.4-2015雷电防护含义解释。接地装置：即建筑物LPS的接地装置，有向大地泄放LEMP能量的作用。最好选用B型接地装置，且宜用导体连接形成网格，网格尺寸小到5m左右对LEMP防护有很好的效果。联结网络：由建筑物金属构件和内部系统所有可导电部分（带电导体除外）相互连接形成的网络，目的是避免出现危险电位差。联结网络通常是三维的，因此还有一定的磁场屏蔽作用。实际工程中，通常先将建筑物金属构件相互连接形成联结网络骨架，并预留与内部系统的连接点。内部系统的外露可导电部分、PE线、屏蔽层等相互连接成S形（星形）或M形（网格形）结构，接入联结网络。典型的接入方式有SS型（星形结构单点接入）、MM型（网格形结构网状接入）和MS型（网格形结构单点接入）等，还可混合成所谓的组合1型和组合2型，等电位联结的实施要求：1）在不同防雷区界面处应实施EB。按该要求，在LPZ0与LPZ1区处的EB，与电击防护和内部LPS防护要求的EB重叠，可一并实施。2）在防雷区内部实施EB。外来导电物从同一位置进入建筑物的等电位联结外来导电物多点进入建筑物的等电位联结 2、屏蔽 在需要的空间区域墙、地、顶上实施。作用：主要衰减辐射耦合的LEMP。主要技术指标：衰减系数。屏蔽作法示例（可兼做联结网络）等电位联结与屏蔽示例内部LPS建筑物上的SPM对比