雷电及其防护.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,雷电及其防护,河南工业职业技术学院,戴绍基,1,百度百科对雷电的解释,雷电现象,雷电是伴有,闪电,和,雷鸣,的一种雄伟壮观而又有点令人生畏的放电现象。,雷电一般产生于对流发展旺盛的,积雨云,中，因此常伴有强烈的阵风和暴雨，有时还伴有,冰雹,和,龙卷风,。积雨云顶部一般较高，可达,20,公里，云的上部常有冰晶。,冰晶的凇附，水滴的破碎以及空气对流等过程，使云中产生电荷。云中电荷的分布较复杂，但总体而言，云的上部以正电荷为主，下部以负,电荷,为主。因此，云的上、下部之间形成一个电位差。当电位差达到一定程度后，就会产生放电，这就是我们常见的闪电现象。,闪电的的平均电流是,3,万安培，最大电流可达,30,万安培。闪电的电压很高，约为,1,亿至,10,亿伏特。一个中等强度雷暴的功率可达一千万瓦，相当于一座小型,核电站,的输出功率。,放电过程中，由于闪电通道中温度骤增，使空气体积急剧膨胀，从而产生,冲击波,，导致强烈的雷鸣。带有电荷的,雷云,与地面的突起物接近时，它们之间就发生激烈的放电。在雷电放电地点会出现强烈的闪光和爆炸的轰鸣声。这就是人们见到和听到的闪电雷鸣。,以下是两张雷电照片。,2,3,4,电闪雷鸣是一种雄奇壮丽的自然景象，但,同时它,又是一种严重,威协人类生命、财产,的自然灾害。,当地面上的建筑物和电气设备等遭受雷击时，,雷电的放电电压可达数百万伏至数千万伏，放电电流可达几十至几百千安，,远远大于发、供电系统的正常值，其破坏性极大。,雷电可造成人畜伤亡，建筑物炸毁或燃烧，电气线路停电及电气设备损坏等严重事故。雷电灾害已被联合国有关部门列为“,最严重的十种自然灾害之一”，,并被,IEC,（,国际电工委员会,）,称为“,电子化时代的一大公害,”。,因此，研究雷电产生的规律，以便采取有效的防护措施，对于防止雷电造成的损害、防止建筑物的火灾和爆炸事故，具有重要的意义。,5,第一讲 雷电的基本知识,一、,雷电的概念,雷电是一门古老的学科。人类对雷电的,认识和,研究,至少,已经有了数百年的历史，然而有关雷电的一些问题至今尚未能得到完满的解决。,雷,电,（上、下册）（,R,HGolde,）,雷电,防护,（,J,L,Marshall,）,雷电研究的先驱者,；富兰克林（,美,B,Franklin,）、罗蒙诺索夫（,俄,）、黎赫曼（德）,6,(,一,).,雷电的形成,雷云是产生雷电的基本条件。雷云的形成一般必须具备以下三个基本条件：,(1),空气中应有足够的水蒸气。,(2),有使潮湿的空气能够上升并开始凝结为水珠的气象条件或地形条件。,(3),气流能够强烈持久地上升。,7,雷电过程可分为,气流上升、雷云中电荷分离和放电,三个阶段。人类至今对雷云中电荷分离的详情不甚了解。在雷电科学发展的过程中有很多企图说明雷云中电荷分离的理论，例如“,雨滴分裂作用,”理论、“,离子有差别吸收,”理论、“,冰雹与冰晶接触带电学说,”以及“,宇宙射线学说,”等等。以上理论可以部分地解释雷云中电荷分离的过程，有的也得到了模拟实验的证实。但到目前为止，还没有一个理论可以将全部雷电现象解释清楚。只有将各种理论综合起来，才能对雷云中电荷分离现象给以较完善的解释。下面仅简单介绍,“雨滴分裂作用”,理论。,8,在闷热的天气里，空气中的水蒸汽已接近饱和，地面的气温变化不均，使带有大量水蒸汽的空气强烈上升，,在气流上升的过程中，水珠因摩擦而分裂为大小不等的水滴。在快速分裂过程中，小水滴带上了负电荷并上升，大水滴带上了正电荷并下降，于是形成了上负下正的雷云，,如图,22-1,所示。（,存在问题？,）,在上述作用下，,带正（或负）电荷的水珠下降，并继续汇集其他水滴；带负（或正）电荷的水滴上升，并很快又汇集成水珠。这个分离过程要重复好多次，也就是说水珠要经过多次的分裂、汇集、再分裂、再汇集。,等到一定数量的电荷聚集在一个区域时，这个区域的电势就逐渐上升，在它附近的电场强度达到足以使附近空气绝缘被击穿的强度（,约,2530kVcm,1,）时，就发生强烈的放电现象，出现耀眼的闪光。,9,10,(,二,),雷电的种类及危害,雷电的种类可分为以下四种：,1.,直击雷；,2,.,雷电感应；,（感应雷？,）,3.,雷电波侵入；,（归并？）,4,.,球雷。,11,1,直击雷当雷云较低，周围又没有带异性电荷的云层，而在地面上的突出物,(,树木或建筑物,),感应出异性电荷时，雷云就会通过这些物体向大地放电，这就是通常所说的雷击。,这种直接击打在建筑物或其它物体上的雷电就叫做直击雷，,如图,22-2,所示。,12,雷云对大地的放电过程如图,22-3,所示。,13,这种雷云放电是由云端先发出一个不太明亮的、以跳跃式向大地前进的通道开始的，这种预放电叫做跳跃式“,先导放电,”。它的平均速度是,1001000 km/s,，每跳跃前进约,50100 m,，就要停顿,3090 s,，然后再继续进行。,当先导放电的通道到达大地附近时，我们肉眼所看见的“,主放电,”阶段才开始。主放电可以是从大地开始向云端发展的极明亮的放电通道，它的速度约为光速的五分之一到三分之一，即大,约,60 000100 000 km/s,。随着它的向上发展，其亮度也逐渐降低，一到云端，主放电就完成了。,在主放电以后，还有多次发光微弱得多的“,余辉放电,”，又叫“余光”。,14,2,雷电感应,雷电感应是指由于雷电强大的电磁场的变化而产生的静电感应和电磁感应。它可能造成建筑物内的金属部件之间产生火花放电，从而引起火灾；或造成建筑物内配电系统的保护装置误动作而影响供电质量；还可能使建筑物内的信息系统设备造成损坏而引起各种损失和混乱。因此，对于雷电感应的防护也是非常重要的，为此，我国特别颁布了,国家标准,GB50343,2004,建筑物电子信息系统防雷技术规范,。,雷电感应一般可分为两种，即,静电感应,和,电磁感应,。,15,静电感应（,Electrostatic induction,）,当雷云出现在建筑物的上空时，由于静电感应作用，使建筑物上产生与雷云下部的电荷符号相反的电荷。,雷云放电后，若这些感应电荷得不到释放，就会使建筑物与地之间产生很高的电位差。这种现象就叫做静电感应，如图,22-5,所示。,静电感应也可发生在供配电线路上，此时，失去束缚的感应电荷形成向线路两端行进的雷电波。,16,17,电磁感应,(Electromagnetic induction),雷电流以极大的幅值和陡度进行着迅速变化，在它周围的空间里，会产生强大的变化着的电磁场；处于这一电磁场中的导体会感应出很高的电动势，称为电磁感应现象。,雷电流的变化是脉冲型的，由它感应出来的电磁场也是一个脉冲型的，故称其为,雷击电磁脉冲（,Lightning electromagnetic impulse,，,LEMP,）。,如图,22-6,所示，如果在雷电流的强磁场中放一只开口的金属环，环上感应出来的强大感应电动势足以使间隙,ab,之间产生火花放电。雷击电磁脉冲（,LEMP,）是一种干扰源，此处我们关注的是雷电直击于防雷装置或建筑物附近所引起的效应，绝大部分是通过联结导体的干扰，例如雷电流或部分雷电流、被雷电击中的装置的电位升高以及电磁辐射干扰。雷击电磁脉冲是一种强干扰源，它可能干扰附近的信息系统设备正常工作甚至造成这些设备的损坏。,18,电磁感应原理图,19,3,雷电波侵入,由于直击雷或雷电感应而产生的高电位雷电波，沿架空线路或金属管道侵入建筑物而造成危害的现象，称为雷电波侵入。,据统计，由于雷电波侵入而造成的雷害事故，在整个雷害事故中占,50,以上。因此，应对防雷电波侵入予以足够的重视。,也可以把雷电波侵入归并为直击雷和雷电感应的一种后果。,20,4,球雷,(,球状闪电,),人类对球雷的研究还很不成熟。目前一般认为球雷是一团内部带有环流的等离子体。,它是一个温度极高的发光球体，可发出橙色、红色或紫色的光。大多数球雷的直径在,10100cm,左右。,球雷多在强雷暴发生时出现。球雷可沿地面滚动或在空气中飘行，能经烟囱、门窗和其他缝隙进入建筑物内部，或无声无息地消失，或发生剧烈爆炸，造成人身伤亡或使建筑物遭受严重破坏，有时甚至引起火灾和爆炸事故。,（简介防球雷的措施）,21,世界上最早的“球雷”记载当归我国,周书,武王九年（公元前,1068,年），既渡，有火至上复于下，至于王屋，流为乌有。其色赤，其声魄云。,22,5.,雷电的危害,雷电有很大的破坏力，且有多方面的破坏作用。雷击可造成人、畜的伤亡；可使电气设备的绝缘击穿，造成大规模停电；可击坏建筑物引起爆炸或燃烧等。雷电对人类生命和财产造成了重大损失。雷电主要有以下三方面的破坏作用：,23,电效应。,数百至数千千伏的雷电冲击电压可击坏电气设备的绝缘、烧断导线或劈裂杆塔，造成大规模的停电。绝缘损坏又可能引起短路，导致火灾或爆炸事故。巨大的雷电流流经防雷装置时会造成防雷装置的电位升高，这样的高电位又可能作用于电气线路、电气设备或其他金属管道，使它们之间产生放电。这种因接地导体电位升高而向带电导体或与地绝缘的其他金属物体放电的现象，叫做“,雷电反击”或“二次雷击,”。反击能引起电气设备绝缘破坏，造成高电压窜入低压系统；还可能产生较高的,接触电压和跨步电压,，造成人身伤亡事故；或者使金属管道烧穿、易燃易爆物品起火和爆炸等。,热效应。,巨大的雷电流（几十至几百千安）通过导体，在极短的时间内转换为大量的热能，雷击点的发热量约为,5002000J,，可能造成金属熔化、易燃易爆品燃烧或爆炸等。,机械效应。,巨大的雷电流通过被击物时，使被击物缝隙中的气体剧烈膨胀，缝隙中的水分也急剧蒸发，从而在被击物体内部出现强大的机械压力，致使被击物体（例如建筑物等）遭受到严重破坏或发生爆炸。,24,山东黄岛油库雷击事件,1989,年,8,月,12,日上午，山东黄岛油库因雷击引发火灾。损失原油,40000T,，,伤亡,近百名消防队员和油库职工,，损失近亿元,。,这次大事故引起了我国政府机构对雷电灾害的高度重视。国务院成立了专门机构（,雷电防护办公室？,）。此后，我国的防雷行业得到了迅速发展。,亊故原因、教训,和,改进措施。,25,航天工程与雷击,1969,年,11,月,14,日，美国“阿波罗,12,号”宇宙飞船从肯尼迪航天中心发射升空，起飞后第,36,秒和,52,秒两次遭遇雷击，造成三个燃料电池损坏和制导系统失灵。后来不得不启动了备用设备，才转危为安。在阿波罗登月工程的飞船发射过程中，共发生过,7,次雷击事故。,1987,年,3,月，美国国家航天局发射人造卫星时，大力神运载火箭遭受雷击而毁坏，造成的直接经济损失高达,1.7,亿美元。,26,古建筑遭受雷击的例子,原曲阜孔庙在,1742,年毁于雷火重建时耗银十六万七千余两。,据,光绪政要,记载，北京天坛院内多次被雷击。例如“光绪,15,年（,1889,年）,9,月,24,日寅刻雷击祈年殿额，未刻殿内火起,北京故宫博物院内多次遭受雷击。例如：,1954,年,7,月慈宁门西北角垂兽被雷击；,1973,年,8,月雷击崇华宫厨房檐头等。,27,(,三,),雷电的活动规律,1,雷电活动的一般规律,（,1,）湿热地区比气候寒冷而干燥的地区的雷击活动多。,（,2,）雷电活动与地理纬度有关，赤道一带最高，由赤道分别向北、向南递减。,（,3,）从地域来看，雷电活动是山区多于平原，陆地多于湖泊、海洋。,（,4,）从时间上看，强烈的雷电活动多发于七、八月份28,2,雷电活动的选择性,（,1,）从地质条件看，土壤电阻率越小，越利于电荷的积累,。,1,）相对于大片土壤电阻率较大的地域，土壤电阻率较小的局部地域易遭受雷击。,2,）土壤电阻率突然变化的地域最容易遭受雷击。例如岩石与土壤、山坡与稻田的交界处等。,3,）岩石或土壤电阻率较大的山坡，雷击点多发生在山脚，山腰次之。,4,）土山或土壤电阻率较小的山坡，雷击点多发生在山顶，山腰次之。,5,）地下埋有导电矿藏（金属矿、盐矿等）的地区，易受雷击。,6,）地下水位高、小河沟、矿泉水、地下水出口处容易遭受雷击。,（,2,）从地形上看，有利于雷云的形成与相遇处易遭雷击。,在我国，雷击机会的分布有以下规律1,）山的东坡、南坡多于山的北坡和西北坡，这是因为海洋潮湿空气从东南进入大陆后，经曝晒及遇高山被抬升而出现雷雨。,2,）山中的局部平地受雷击的机会大于峡谷，这是因为峡谷窄，不易曝晒和对流，缺乏形成雷击的条件。,3,）湖旁、海边遭受雷击的机会较小，但海滨如有山岳，则靠海的一侧山坡遭受雷击的机会较多。,4,）雷击的地带与风向一致，风口或顺风的河谷容易遭受雷击。,（,3,）从地物看，有利于雷云与大地建立良好的放电通道处易遭雷击,。,1,）空旷地域中间的孤立建筑物，建筑群中的高耸建筑物容易遭受雷击。,2,）排放导电废气的管道口容易遭受雷击。,3,）顶层为金属结构，底下埋有大量金属管道，室内安装有大型金属设备的场所容易遭受雷击。,4,）建筑群中个别潮湿的建筑物（如冷库等）容易遭受雷击。,5,）尖屋顶及高耸建筑物、构筑物（如水塔、烟囱、天线、旗杆、消防梯等）容易遭受雷击。,因此，在实际防雷工作中，要根据雷击活动的具体情况和雷击的可能性进行综合研究，并对周围环境作全面分析后，再制定切实可行的应对方案。,29,3,建筑物易受雷击的部位,（,1,）不同屋顶坡度（,0,、,15o,、,30,、,45,）建筑物的易受雷击部位，如下頁之图,22-7,所示。,（,2,）屋角与檐角雷击率最高。,（,3,）屋顶的坡度越大，屋脊的雷击率也越大，当坡度大于,40,时，屋檐一般不易遭受雷击。,（,4,）当屋面坡度小于,27,、长度小于,30,米时，雷击点多发生在山墙，而屋脊和屋檐一般不易遭受雷击。,30,不同屋顶坡度（,0,、,15,、,30,、,45,）建筑物的易受雷击部位。,在具体应用时，可对易遭受雷击的部位进行重点保护。,31,二、雷电参数,1,年平均雷暴日数,T,d,（,日,/,年,）,2,雷电流幅值,I,（,kA,）,3,雷电流陡度,=,di,dt,(kA,s,),4,雷电冲击过电压 （,kV,）,32,1,年平均雷暴日数,T,d,（,d/a,）,雷电的大小与多少和气象条件有关。为了统计雷电的活动频,繁程度，一般采用雷暴日为单位。,在一天内只要听到雷声或,者看到雷闪就算一个雷暴日。由当地气象台站统计的多年雷暴日的年平均值，称为年平均雷暴日数。,据国家标准,GB50343,2004,建筑物电子信息系统防雷技术规范,3.1,的规定，地区雷暴日等级应根据年平均雷暴日数划分，此值不超过,20,天的地区称为,少雷区,；此值大于,20,但不超过,40,天的地区为,多雷区,；此值大于,40,但不超过,60,天的地区称为,高雷区,；此值超过,60,天以上的地区称为,强雷区,。地区雷暴日数按国家公布的当地年平均雷暴日数为准，详见国家标准,GB50343,2004,建筑物电子信息系统防雷技术规范,之附录,D,，例如，我国年平均雷暴日数最大的海南省,儋州市高达,121d/a,，而最小的青海省,格尔木市仅为,2.3d/a,。,（郑州市为,21.4d/d,，信阳市,28.8d/a,）。在防雷设计中，标准雷暴日数一般可取为,40d/a,。也有用雷暴小时作单位的，即在,1h,内只要听到雷声或看到雷闪就算一个,雷暴小时,。,我国大部分地区一个雷暴日约折合为个雷暴小时。,33,2,雷电流幅值,雷电流的波形如图,22-8,所示。雷电流具有冲击特性。,雷电流幅值,I,（亦称峰值电流）即雷电冲击电流的最大值，亦即主放电时雷电流的最大值。,34,据,DL/T 620-1997,交流电气装置的过电压保护和绝缘配合,，我国一般地区雷电流幅值大于,I,kA,的概率,P,可用下式表示：,平均年雷暴日在,20,及以下地区（例如陕南以外的西北地区、内蒙古自治区的部分地区），雷电活动较弱且辐值较小，雷电流幅值超过,I,kA,的概率,P,则可用下式表达：,雷电流的幅值和极性可用磁钢记录器测量。,35,3,雷电流陡度,雷电流一般在,1,4s,内增长到幅值,I,。雷电流在幅值以前（从,10%,I,上升到,90%,I,）的一段波形称为,波头或波前,，其对应的时间称,波头时间（常记为,T,1,）；,从,10%,I,上升到幅值,I,，再下降至,I,/2,时，其对应的时间称,半波时间或半值时间（常记为,T,2,）。,雷电流的陡度用雷电流波头部分增长的速率来表示，即,陡度,=,di,dt,，常用的平均陡度定义为,I,/,T,1雷电流的陡度可用电花仪组成的陡度仪测量。据测定，雷电流的平均陡度可达（,100,200,）,kA,s,，可见,雷电流是一个幅值很大、陡度很高的冲击波电流。,36,4,雷电冲击过电压,雷击时的冲击过电压很高，直击雷的冲击过电压可用下式表达：,(22-4),式中：,u,z,直击雷冲击过电压（,kv,）；,i,雷电流（,kA,）；,R c,防雷装置的冲击接地电阻（,）；,di,dt,雷电流陡度,(kA/s),；,L,雷电流通路的电感,(H),。,由此可见，,直击雷产生的冲击过电压由两部分组成，前一部分决定于雷电流的大小，后一部分决定于雷电流陡度。应当注意，直击雷冲击过电压除决定于雷电流的特征外，还决定于雷电流通道的波阻抗。,37,第二讲,防直击雷,一个传统的、完整的,防直击雷装置,一般由,接闪器、引下线和接地装置三部分,组成。,经常采用的,接闪器有避雷针、避雷线、避雷网和避雷带等。,避雷针主要用来保护建筑物和发、配电装置；避雷线最适合用来保护电力线路等较长的物体；避雷网和避雷带主要用来保护建筑物；避雷器是一种专用的防雷击过电压的设备，主要用来保护架空线路、高压柜、变压器等电力设备。,38,一、防雷装置 （一）接闪器,接闪器就是专门用来接受雷击的金属导体。,避雷针、避雷线、避雷网和避雷带都是常用的接闪器,。,接闪器利用其高出被保护物的突出地位，把雷电引向自身，然后，通过引下线和接地装置把雷电流泄入大地，从而保护周围一定范围内的物体免受直接雷击。从这个意义上来说，,避雷针的实质是引雷针。,因此，作得不好的避雷针比不作还糟糕！,（雷雨时不要高举金属物体！）,发展过程：长针,短针,避雷带,避雷带加网,39,避雷针一般用圆钢和焊接钢管制成。避雷网和避雷带一般采用圆钢或扁钢，特殊情况下也有采用铜材的。,避雷网分为明装避雷网和暗装避雷网。,明装避雷网是在屋顶上部以较疏的明装金属网格作为接闪器，适用于较重要的部位的防雷保护；暗装避雷网是利用建筑物内的钢筋连接而成，例如利用建筑物屋面板内的钢筋作为接闪装置，从而将避雷网、引下线和接地装置三部分组成一个整体较密的钢铁网笼，亦称为笼式避雷网。采用明装避雷带与暗装避雷网相结合的方法是较好的防雷措施，即在建筑物屋面、女儿墙上安装避雷带，并与暗装的避雷网连接在一起，也称为“法拉第笼”。,40,在电子信息类设备较多的建筑物的防雷工程中，宜慎用避雷针，多用避雷网。若需用避雷针保护时，应以相应的配套措施来减少避雷针接闪时带来的一些负面影响。,除第一类防雷建筑物外，金属屋面的建筑物宜利用其屋面作为接闪器，并应符合一些具体要求。（例如金属屋面的厚度等等）,接闪器应镀锌或涂漆。在腐蚀性较强的场所，应加大截面或采取其他防腐措施。（例如深圳有采用铜避雷带的作法）,41,（二）,引下线,引下线是连接接闪器与接地装置的金属导体。它应满足,机械强度、耐腐蚀和热稳定性,等要求。,为便于测量接地电阻和检查引下线和接地装置，宜在引下线距地面,0.3m,至,1.8m,之间的位置设置断接卡。,在易受机械损伤和应防人身接触的地方，地面上约,1.7m,的一段引下线应采取暗敷或采用热镀锌角钢、改性塑料管或橡胶管等保护。（六十年代天安门还是采用竹筒来保护引下线）,注意：决不能采用钢管来保护防雷引下线！,利用混凝土内钢筋、钢柱作为引下线时，应在室内外的适当地点设若干联结板，该板可供测量、接人工接地体和作等电位联结用。联结板应与作引下线的钢筋焊接，联结板设置在引下线距地面不低于,0.3m,处，并应有明显标志。,防雷装置的引下线不应少于两根。,42,（三）接地装置,接地装置包括接地干线和接地体，是防雷装置的重要组成部分。接地装置向大地均匀泄放雷电流，使防雷装置对地电压不至于过高。,接地装置可用扁钢、圆钢、钢管等钢材制成。人工垂直接地体宜采用角钢、钢管或圆钢；人工水平接地体宜采用扁钢或圆钢。,人工垂直接地体的长度一般宜采用,2.5m,。埋设深度不应小于,0.5m,。人工垂直接地体一般由多根直径为,50m m,的钢管或,50mm50mm5mm,的角钢组成，可成排布置，也可环形布置。为减小接体间的电流屏蔽效应，相邻钢管或角钢之间的距离一般不应小于,5m,。钢管或角钢上端用扁钢或圆钢焊接连成一整体。,人工水平接地体可采用,40mm4mm,的扁钢或直径为,16mm,的圆钢。水平接地体埋深为,0.5m,，多为放射形布置，也可成排布置或环形布置。水平接地体间的距离可视具体情况而定，但一般也不宜小于,5m,。,除人工接地体外，钢筋混凝土基础等自然导体亦可作为防雷接地装置的接地体，但钢筋的截面积应满足要求。,43,（四）接地电阻,接地装置是否良好以及接地电阻的大小，对被保护物的安全有着密切的关系。对防雷接地来说，其允许的接地电阻值应符合有关规定。,（,1,）冲击接地电阻与工频接地电阻。,式中,R,sh,冲击接地电阻；,A,换算系数，详见,GB 5005794,之附彔三。,44,二、接闪器保护范围的确定,避雷针的保护范围,，以它能防护的直击雷的空间来表示。,避雷针的保护范围是人们根据雷电理论、模拟试验和雷击事故统计等三种研究结果进行分析而规定的。,由于雷电放电受很多因素的影响，保护范围也不是绝对安全的。但运行经验证明，处于保护范围内的设备和建筑物受到雷击的可能性很小。,45,建立保护范围的三种方法,1.,用许多导体以一定的保护角盖住需要防雷的空间,-,富兰克林保护形式。,2.,用网格形导体以给定的网格宽度和引下线间距盖住需要防雷的空间,-,法拉弟,保护形式。,3.,用许多导体以,下列方法,盖住需要防雷的空间，即用一给定半径的球体滚过上述导体而不会触及需要防雷的空间,-,滚球法,保护形式。,46,我国过去的防雷设计规范或过电压保护规程，对避雷针或避雷线的保护范围是按“,折线法”,来确定的，而新制订的国家标准,GB50057-1994,（,2000,年版）,建筑物防雷设计规范,则参照国际电工委员会（,I,）标准规定采用“,滚球法,”来确定。但是，现行电力行业标准,DL/T 620-1997,交流电气装置的过电压保护和绝缘配合,中，仍以“折线法”确定避雷针、线对电力设施和架空线路的保护范围。,下面仅介绍“滚球法”。,（世界上以前还有“直线法”、“曲线法”等等。）,47,（一）用,“滚球法”确定,避雷针的保护范围,所谓“滚球法”，就是选择一个半径为,h,r,（滚球半径）的球体，沿需要防护直击雷的部位滚动；如果球体只触及接闪器（包括被利用作为接闪器的金属物）或者接闪器和地面，而不触及需要保护的部位时，则该部位就在这个接闪器的保护范围之内。,采用“滚球法”来计算保护范围的原理是以闪击距离为依据的。滚球半径,h,r,就相当于闪击距离。滚球半径较小，相当于模拟雷电流幅值较小的雷击，保护概率就较高。滚球半径是按建筑物的防雷类别确定的，如表,23-2,所示。,48,按建筑物的防雷类别布置接闪器及其滚球半径,（建筑物的防雷分类見,GB 50057-94,之第二章）,建筑物的防雷类别,避雷网尺寸（不大于）,m,滚球半径,m,第一类防雷建筑物,55,或,64,30,第二类防雷建筑物,1010,或,128,45,第三类防雷建筑物,2020,或,2416,60,49,50,（二）避雷针的保护范围,1,单支避雷针的保护范围,51,单支避雷针的保护范围,（,1,）当避雷针高度 时，单支避雷针的保护范围可按下列步骤通过作图确定。,1,）距地面处作一平行地面的平行线；,2,）以针尖为圆心，为半径，作弧线交于平行线的,A,、,B,两点；,3,）以,A,、,B,为圆心，为半径作弧线，该弧线与针尖相交与地面相切。从此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，如图,23-5,所示。,避雷针在高度,h,x,的平面 和地面上的保护半径,r,x,和,r,o,也可按下列计算式确定：,（,23-3,）,（,23-4,）,式中,r,x,避雷针在高度的平面上的保护半径（,m,）；,h,r,滚球半径（,m,）；,h,x,被保护物的高度（,m,）；,r,o,避雷针在地面上的保护半径（,m,）；,h,避雷针的高度（,m,）。,（,2,）当避雷针高度,h,h,r,时，在避雷针上取高度,h,r,时一点代替单支避雷针针尖作为圆心。其余的作法同（,1,）项。,52,2,双支避雷针的保护范围（略）,53,（三）避雷网和避雷带的保护范围,当建筑物上不宜装设突出的避雷针保护时，可采用避雷网、避雷带保护。,由于避雷网、避雷带安装比较容易，并且不影响外观，所以现在建筑物采用避雷网、避雷带保护方式的越来越多。,当避雷网、避雷带与其他接闪器组合使用时，或当保护低于建筑物的物体时，可把避雷网，避雷带处于建筑物屋顶四周的导体当作避雷线来看待，可采用滚球法确定其保护范围。,对于建筑物易受雷击的屋角、屋脊、檐角、屋檐或屋顶边缘、女儿墙及其他建筑物边角部位都可设避雷带保护。避雷带也可利用直接敷设在房顶和房屋突出部分的接地导体作为接闪器。,当建筑物顶部面积较大时，可敷设避雷网。避雷网网格的大小可根据具体情况，参照表,23-2,所提供的避雷网网格尺寸布置。例如，对第一类、第二类和第三类防雷等级的建筑物，可分别取,5m5m,、,10m10m,和,20m20m,等。,54,三、避雷器,避雷器是一种专用的防雷设备。它主要用来保护电力设备，也用来防止雷电波沿架空线路侵入建筑物内，还可用于抑制操作过电压等内部过电压。,当雷直击于架空线路时，雷电感应过电压以及雷电波会以波的形式侵入发电厂、变电站和电力设备，从而直接威胁电力设备的安全。因此，需要限制侵入波的大小以保证设备安全运行。,目前，实际工程中限制侵入波大小的主要设备就是避雷器。现代电气设备的绝缘水平就是根据经避雷器限制后的过电压水平来决定的,。,因此，正确地选择和合理地使用避雷器，对防止雷电灾害事故是十分重要的。,55,对避雷器一般有以下两个基本要求：,（,1,）当过电压超过一定值时，避雷器应发生放电（动作），将被保护设备直接或经电阻接地，以限制过电压。,（,2,）在过电压作用过去后，应能迅速截断在工频电压作用下的电流（工频续流），使系统恢复正常运行，避免供电中断。,图,23-7,为避雷器保护的接线原理图。,56,避雷器,并联,装设在被保护物的电源引入端，其上端接电源线路，下端接地。正常情况时，避雷器的间隙保持绝缘状态，不影响电力系统的运行。,当雷击时有高压雷电波沿线路袭来时，避雷器间隙被击穿而接地，切断冲击波，这时能够进入被保护电气设备的电压，仅为雷电波通过避雷器及其引线和接地装置时产生的残余电压（残压）。雷电流通过以后，避雷器间隙又恢复绝缘状态，电力系统则可正常运行,。,根据截断工频续流（避雷器动作后流过冲击电流途径的工频电流）的方法不同，,避雷器可分为管型及阀型两种。,57,58,四、建筑物的防雷,（一）建筑物防雷的目的,建筑物（包括构筑物，下同）防雷的目的在于防止或极大地减小雷击建筑物而造成的损失，其意义可概括为以下几点；,（,1,）当建筑物遭受直击雷或雷电波侵入时，可保护建筑物内部的人身安全。,（,2,）当建筑物遭受直击雷时，防止建筑物遭到破坏。,（,3,）保护建筑物内部存放的危险品，不会因雷击和雷电感应而引起燃烧和爆炸。,（,4,）保护建筑物内部的重要设备和电气线路，使之不受损坏并能正常工作。,根据以上四点，应当针对直击雷、雷电感应、雷电波侵入以及由此引起的其他灾害，采取相应的保护措施。,59,（二）建筑物需安装防雷装置的范围,应根据当地雷电活动情况、建筑物高度、所在地点和建筑物的重要性等诸多因素综合考虑，决定是否安装防雷装置。,1,一般原则,选择防雷装置就在于将需要防雷的建筑物每年可能遭雷击而损坏的危险减到小于或等于可接受的最大损坏危险范围内。所以，,作建筑物防雷设计时，应认真调查地质、地貌、土壤、气象、环境等条件和雷电活动规律以及被保护物的特点等，研究防雷装置的形式及其布置，因地制宜地采用相应的防雷措施，做到安全可靠、技术先进、经济合理，并应符合国家现行有关标准和规范的规定。,60,2,建筑物年预计雷击次数,N,的计算 （附录一）,（,1,）建筑物年预计雷击次数应按下式计算确定：,（,23-7,）,式中；,N,建筑物年预计雷击次数（次,/,年）；,k,校正系数。在一般情况下取1,；位于旷野独立的建筑物取,2,；金属屋面的砖木建筑物取,1.7,；位于河边、湖滨、山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、山谷风口处的建筑物以及特别潮湿的建筑物取,1.5,；,Ng,建筑物所处地区雷击大地的年平均密度,次,/,（,km2 a,）,；,Ae,与建筑物截收相同雷击次数的等效面积（,km2,）。,61,（,2,）雷击大地的年平均密度应按下式确定：,式中,Td,年平均雷暴日数,(d/a),，应根据当地气象资料确定。,62,（,3,）建筑物的等效面积,Ae,建筑物的等效面积,Ae,应为其实际平面面积适当向外扩大后的面积。其计算方法应符合下列规定，如图,23-9,所示63,（三）建筑物的防雷类别,根据,GB50057-1994,（,2000,年版）,建筑物防雷设计规范,规定，建筑物按其重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，分为下列三类：,第一类防雷建筑物,第二类防雷建筑物,第三类防雷建筑物,64,第三讲 防雷电感应过电压,一、雷击电磁脉冲的分区,现代建筑一般多为框架结构的多层或高层建筑，大量垂直和水平的钢筋包围高层建筑使之成为一个实际意义上的“法拉第笼”。如图,24-1,所示，如果将钢筋互相连接成电气通路，就会使整座大楼具有良好的接地和极低的接地电阻、多层屏蔽和等电位面，形成一个严密的防雷接地体系。但是，单纯采用“法拉第笼”原理，很难保证信息系统的防雷要求，即作到既能防直击雷，又能防雷击电磁脉冲。因此，从电磁兼容（,Electromagnetic Compatibility,，,EMC,）的观点看来，有必要把一个欲保护的区域，由外至内分为几个保护区。,需要规定和控制雷击电磁环境的那些区域称为防雷区（,Lightning protection zone,LPZ,）。按数字越大者越安全的规律排列，最外层是,LPZ0,区，是直接雷击区域，危险性最高；越往里，危险性越低。这样就将需要保护的空间划分成不同的防雷区，以规定各部分空间不同的雷击电磁脉冲的严重程度和指明各区交界处的等电位联结点的位置。一般以各区在其交界处的电磁环境有明显改变作为划分不同防雷区的特征。通常，防雷区的级数越高，电磁场强度越小。,65,在,GB50057-1994,（,2000,年版）,建筑物防雷设计规范,第六章中将防雷区进行了以下划分（如图,24-2,所示）：,66,（,1,）,LPZOA,区：本区内的各物体都可能遭到直击雷和导走全部雷电流；本区内的电磁场强度没有衰减。例如：位于建筑物外的各种天线，架空引入的配电线和信号线，非铠装和非穿钢管的电缆，明装或浅埋的金属供水、供气、供热管道等。该区不在接闪器（避雷针、带、网）的保护范围内。,（,2,）,LPZOB,区：本区内的各物体几乎不可能遭到大于所选滚球半径对应的雷电流直接雷击，但本区内的电磁场强度没有衰减。例如，全铠装的电力、电信电缆，穿金属管且长度大于,50m,的深埋电缆等。要求铠装电缆的外层铠皮和金属管至少两端接地或每一次穿界面都接地。该区在接闪器（避雷针、带、网）的保护范围内。,67,（,3,）,LPZ1,区：本区内的各物体不可能遭到直接雷击，流经各导体的电流比,LPZ0B,区更小；本区内的电磁场强度可以衰减，这取决于屏蔽措施。例如，高低压配电室、电容器室、变压器室，通信电缆和计算机网络跳线、配线用总配线室，沿窗口的外走廊，有外窗户的一般办公区等地方。据,GB50057-1994,（,2000,版,）,中的指南说明，在通常框架、框剪、剪力墙、框筒、筒中筒和大板等混凝土钢结构或预应力结构的建筑物中，电磁场强度可以衰减,15dB25dB,。,（,4,）,LPZn,1,后续防雷区（,n=1,、,2,、,）：当需要进一步减小流入的雷电流和电磁场强度时，应增设后续防雷区，并按照需要保护的对象所要求的环境区选择后续防雷区的要求条件，以保护敏感度水平高的设备。例如，一些重要的电子设备和有大量精密仪器的机房、仪表室及办公区域，以及建筑物内信息设备机箱、机架、机框内的空间等，其电磁场强度又得到了进一步的衰减。,特别指出：在两个防雷区的界面上，应将所有通过界面的金属物作等电位联结，并宜采取屏蔽措施。但,LPZOA,与,LPZOB,区之间无界面。,68,国际电工委员会标准,IEC 61024-1,文件将建筑物的防雷装置分为两大类，即外部防雷装置和内部防雷装置。外部防雷装置主要由接闪器、引下线和接地装置组成，即传统的避雷装置。内部防雷装置主要用来减小建筑物内部的雷电流及其电磁效应，例如采用电磁屏蔽、等电位联结和装设电涌保护器等措施，用以防止雷击电磁脉冲（,LEMP,）可能造成的危害。,GB50057-1994,建筑物防雷设计规范,在,2000,年版中特别增加了第六章防雷击电磁脉冲，并已自,2000,年,10,月,1,日起施行。该章着重介绍了信息系统（,Information system,）防雷击电磁脉冲的问题，这里的信息系统泛指计算机、通信设备、控制装置等电子装置。,国家标准,GB503432004,建筑物电子信息系统防雷技术规范,也已于,2004,年,6,月,1,日开始实施。,对建筑物的防雷设计必须将外部防雷装置和内部防雷装置作为整体统一考虑。,69,二 防雷击电磁脉冲的装置,电涌保护器（,Surge protective device,，,SPD,）又称浪涌保护器，实际上也就是一种防雷击电磁脉冲的防雷装置。,目前应用最广泛的是氧化锌压敏电阻型电涌保护器。根据,ICE,规定，,电涌保护器是一种限制瞬态过电压和分走电涌电流的器件，它至少含有一个非线性元件。,SPD,应具有快速响应的特点，通过自身优良的非线性特性来实现对过电压和过电流的抑制作用。按照电涌保护器在电子信息系统中的功能，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等。按照电涌保护器的工作原理，又可分为开关型电涌保护器和限压型电涌保护器。开关型,SPD,一般由放电间隙、气体放电管和晶闸管等构成。限压型,SPD,一般由压敏元件和二极管等组成。,70,（一）电涌保护器的应用,1,电涌保护器的作用,电涌保护器的作用是将电气系统、信息系统中作等电位联结的带电导体,(,例如电源线、信号线等,),经电涌保护器与接地系统联结，,利用电涌保护器的非线性特性来限制可能出现的瞬时过电压和分流瞬时过电流，从而形成“准等电位联结”，,以达到保护电气系统和信息系统的目的。,电涌保护器（,SPD,）一般并联在电源线路上。在正常工作条件下，快速响应模块呈现高电阻特性，泄漏电流很小；当电源线路上出现过电压时，流过快速响应模块上的电流迅速增加，快速响应模块呈现低电阻特性，使过电压的能量迅速经,SPD,泄放到大地，从而抑制了电源线路的过电压。,71,2.,电涌保护器的主要技术参数,（,1,）最大冲击电流,I,imp,（,2,）标称放电电流,I,n,（,3,）最高保护水平,（,4,）残压,（,5,）响应时间,72,（二）屏蔽、接地和等电位联结,1,屏蔽,屏蔽既是一种外部防雷措施，又是一种内部防雷措施。,屏蔽是减少电磁干扰的基本措施。在建筑物中一般可采取三种基本屏蔽措施：一是建筑物和房间的外部屏蔽；二是线路屏蔽；三是以合适的路