防雷及过电压保护与接地

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1、 防雷及过电压保护与接地第一节 雷电有关知识 第二节 建筑物防雷 第三节 交流电气装置的过电压保护 第四节 电气装置的接地与等电位联结 本章小结一、雷电放电过程第一节 雷电有关知识雷电是雷云之间或雷云对地面放电的一种自然现象。在防雷工程中，主要关心的是雷云对大地的放电，称对地雷闪。能产生雷电的带电云层称为雷云。雷云的形成主要是含水汽的空气的热对流效应。雷云的形成过程是综合性的。雷云起电机理：水滴破裂效 应，水滴结冰效应、吸收电荷效应等。带电云层一经形成，就形成雷云空间电场。由此可见，雷电的成因源于大气的运动。视频链接负下行雷通常包括若干次重复的放电过程，而每次可 以分为下列三个阶段： 先导（向

2、下先导、迎面先导）放电主放电余辉放电雷云以带负电荷居多，且有多个负荷中心。 图9-1 雷云对地放电的发展过程和雷电流的波形二、有关的雷电参数 1.雷暴日 雷暴日是指该地区平均一年内有雷电放电的平均天数。雷暴日与该地区所在纬度、当地气象条件、地形地貌有关。Td 40，多雷区； Td 90，强雷区2.雷击大地密度雷击大地密度是每年每平方公里雷击大地的次数。 可根据雷暴日，按下式估算： 根据雷击大地密度可以计算出地面建筑物或架空线路遭受的年 预计雷击次数，从而采取相应的防雷措施。Td值越大，则防雷要求也就越高。 3.雷电流波形和参数雷电流由一个或多个不同的雷击组成： 持续时间小于2ms的短时间雷击（

3、包括首次和首次以后的后续短时间雷击） 持续时间大于2ms的长时间雷击短时间雷击电流波形 雷电流波形表示：T1 /T2（s） 波头陡度定义为雷电流上升 期间雷电流的上升率，即首次短时间雷击的电流波形 取10/350s； 三、雷电波在线路中的传播雷电波具有波的传播特性，是电流波和电压波伴随而 行的统一体。 雷电波在传播过程中到达线路参数发生突变的节点处，还 会发生折射和反射现象。 由于雷电波的等效频率很高，通常采用分布参数电路分析。 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）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。

4、 u=u(t)， i=i(t)均匀无损的单导线（一）雷电波的传播速度和波阻抗雷电波在导线中传播时，其波头的行进速度称为雷电 波的传播速度，即计算表明，雷电波沿架空线传播的速度与光速（3108m/s）相 同，而在电缆中传播的速度约为上值的1/21/3。定义波阻抗与集中参数电路的欧姆定律不同，波阻抗表征的是沿导线传播的（对地 ）电压波和电流波之间的动态比例关系，因为雷电波在传播过程中必须遵循 存在单位长度线路周围媒质中的电场能量和磁场能量一定相等的规律。 与线路长度和负载性质无关 （二）雷电波的折射和反射Z2 Z1A当雷电波沿传输线传播，遇到波阻抗发生突变的节点 时，都会在该节点上产生折射和反射。

5、雷电波的折射和反射原因：由于节点两侧波阻抗的 改变，会使雷电波的电场能量 和磁场能量重新分配，经过节 点的雷电波的电压和电流峰值 也必然发生改变。 雷电波的折射和反射特性对防雷设计具有重要影响。 线路末端开路时，波阻抗无穷大，波在节点处发生正的全 反射。 末端电压U2=u2f=2E在反射波所到之处电压提高1倍！ 波经过并联电容后，电压不 能突变。图 波穿过电容时的折反射CZ1Z2E末端开路时波的折反射波从直角波变为指数波。 因此，只要增加C的值，就能把 陡度限制在一定程度。四、雷电作用的形式（1）直接雷直接雷是指雷电直接击在架空线路、建筑 物、其他物体或外部防雷装置上产生电效应、 热效应和机械

6、力者。（2）雷电感应（感应雷）雷电感应是指雷电对大地放电 时在附近导体上产生的静电感应和 电磁感应，它可能使建筑物金属部 件之间产生火花放电，也可能导致 电力线路的绝缘闪络或损坏。 A点电压幅值由于受直接雷击，被击的架空线路、建筑物、其他物体 或外部防雷装置上会产生很高的电位，从而引起过电压。 （3）雷电波侵入 雷电侵波入是指由于雷电对架 空线路或金属管道的作用（如直接 雷或雷电感应），产生的雷电波可 能沿着这些管线侵入变电所内或建 筑物内，损坏电气设备和危及人身 安全。 （4）雷击电磁脉冲（LEMP）雷击电磁脉冲是指雷电流的电磁效应，它包含传导电涌（浪 涌）和辐射脉冲电磁场效应。电涌指由雷击

7、电磁脉冲引发表现为过电压和（或）过 电流的瞬态波。电涌可由雷击入户电源线路或附近地面产生，并经电源线 路本身传输到电气和电子系统；电涌也可由雷击建筑物或附近 地面而产生，通过环路感应或线路耦合的方式传递能量。一、概述第二节 建筑物防雷雷击大地可能对建筑物及服务设施（如供电线路、通信线路及其他服务设施）造成危害。 建筑物或与其相连的服务设施遭雷击会因雷电的机械、热力、 化学和爆炸效应造成建筑物（或其内存物）及服务设施的物理 损坏，也会因雷电产生的接触电压和跨步电压导致人身受到伤 害。 不但建筑物或服务设施遭雷击会导致建筑物内部电气和电子系 统故障，而且建筑物或与服务设施附近的雷击也会因雷电流与

8、这些系统间的阻性耦合及感应耦合产生的过电压造成电气和电 子系统故障。 用户电气装置以及供电线路因雷电过电压发生故障时也会导致 在电气装置中出现操作过电压。影响建筑物以及服务设施的年平均雷击次数既取决于所 处地区的雷击大地密度，又取决于它们的尺寸、性质和所处 环境。 H100m时，H100m时，k校正系数。 一般情况下：1； 山顶上或旷野孤立的建筑物：2； 金属屋面没有接地的砖木结构：1.7； 河边、湖边、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 风口等处的建筑物，以及特别潮湿的建筑 物：1.5；建筑物年预计雷击次数： 当所考虑建筑物的周边在2倍扩大宽度范 围内有其他建筑物

9、时，其等效面积的计算方 法详见GB500572010。 二、建筑物的防雷分类建筑物应根据其重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，按防雷要求分为三类。防雷类别类别各类类建筑物的具体条件第一类类防 雷建筑物1）凡制造、使用或贮贮存火炸药药及其制品的危险险建筑物， 因电电火花而引起爆炸、爆轰轰， 会造成巨大 破坏和人身伤伤亡者 2）具有0区或20区爆炸危险场险场所的建筑物 3）具有1区或21区爆炸危险场险场所的建筑物，因电电火花而引起爆炸，会造成巨大破坏和人身伤伤亡者第二类类防 雷建筑物1）国家级级重点文物保护护的建筑物 2）国家级级的会堂、办办公建筑物、大型展览览和博览览建筑物、大型火车车

10、站和飞飞机场场、国宾馆宾馆， 国家级级 档案馆馆、大型城市的重要给给水水泵泵房等特别别重要的建筑物 3）国家级计级计算中心、国际际通讯讯枢纽纽等对对国民经济经济有重要意义义的建筑物 4）国家特级级和甲级级大型体育馆馆 5）制造、使用或贮贮存爆炸物质质的建筑物，且电电火花不易引起爆炸或不致造成巨大破坏和人身伤伤亡 者 6）具有1区或21区爆危险场险场所的建筑物，且电电火花不易引起爆炸或不致造成巨大破坏和人身伤伤亡者 7）具有2区或22区爆炸危险场险场所的建筑物 8）工业业企业业内有爆炸危险险的露天钢质钢质封闭闭气罐 9）预计预计雷击击次数大于0.05次/a的部、省级办级办公建筑物及其它重要或人员

11、员密集的公共建筑物以及火灾 危险场险场所 10）预计预计雷击击次数大于0.25次/a的住宅、办办公楼等一般性民用建筑物或一般性工业业建筑物第三类类防 雷建筑物1）省级级重点文物保护护的建筑物及省级级档案馆馆 2）预计预计雷击击次数大于或等于0.01次/a且小于或等于0.05次/a的部、省级办级办公建筑物和其他重要或人 员员密集的公共建筑物以及火灾危险场险场所 3）预计预计雷击击次数大于或等于0.05次/a且小于或等于0.25次/a的住宅、办办公楼等一般性民用建筑物或 一般性工业业建筑物 4）在平均雷暴日大于15d/a的地区，高度在15m及以上的烟囱、水塔等孤立的高耸耸建筑物；在平均雷 暴日小于

12、或等于15d/a的地区，高度在20m及以上的烟囱、水塔等孤立的高耸耸建筑物GB500572010建筑物防雷设计规范三、建筑物防雷装置建筑物防雷装置是用以减少建筑物因雷击引起物理损坏的整套系统，由外部防雷装置和内部防雷装置组成。建筑物防雷装置外部防雷装置组成：接闪器、引下线和接地装置 作用：避免直接雷引起的电效应、热效应及机械效应。内部防雷装置组成：防雷等电位联结或采用电气绝缘 作用：避免建筑物内因雷电感应和高电位反击而出现危险火花各类防雷建筑物对防雷装置的具体要求依据GB 50057标准。（一）接闪器及其保护范围接闪器是外部防雷装置的一部分、用于截收雷击的金属构件，如避雷 针（接闪杆）、避雷线

13、（接闪线）、避雷 带（接闪带）或避雷网（接闪网） （包括被利用作为接闪器的建筑物金属体 和结构钢筋）。安装设计适当的接地良好的接闪器，可以积聚雷电感应电荷，在其 顶端形成局部强场区，产生自下而上 的迎面先导，将雷击下行先导放电的 发展方向引向自身，从而大大减少雷 电流侵入建筑物的概率。1.避雷针避雷针是明显高出被保护物体的杆状接闪器，其针头 采用圆钢或管制成。GB50057规定：避雷针的保护范围 采用滚球法确定。防雷类别滚球半径（m）第一类防雷建筑物30 第二类防雷建筑物45 第三类防雷建筑物60单支避雷针的保护范围：（1）避雷针高度 时：（2）避雷针高度 时：在避雷针针上取高度的一点代替单支

14、避雷针针尖作为圆心。时相同。 其余的作法与双支等高避雷针的保护范围：2.避雷线避雷线一般采用截面不小于50mm2的镀锌钢绞线，架设在被保护物的上方，以保护其免遭直接雷击。避雷线的保护范围也采用滚球法确定。当h小于2hr ,但大于hr 时当h小于或等于hr 时单根避雷线的保护范围：3.避雷带（网）避雷带通常是沿建筑物易受雷击的部位如屋角、屋脊、屋檐和檐角等处敷设的带状导体，通常采用圆钢或扁钢。防雷类别避雷网网格尺寸（m）第一类防雷建筑物55或64第二类防雷建筑物1010或128第三类防雷建筑物2020或2416避雷网是将建筑物屋面上纵横敷设的避雷带组成网格，其网格尺寸大小与建筑物的防雷类别有关。

15、避雷带或避雷网主要适用于宽大的建筑物。避雷带或避雷网一般无须计算保护范围。当避雷带或避雷网与其它接闪器组合使用，或者为了保护低于建筑物的物体而把避雷带或避雷网处于建筑物屋顶四周的导体当作避雷线看待时，可采用滚球法确定其保护范围。屋面上的所有金属突出物，如卫星和共用天线接受装置、节日彩灯、航空障碍灯、金属设备和管道以及建筑金属构件等，均应与屋面上的防雷装置可靠连接。高出屋面避雷带或避雷网的非金属突出物体，如烟囱、透气管、天窗等不在保护范围内时，应在其上部增加避雷带或避雷针保护。当建筑物高度超过其滚球半径时，侧面可能会遭受闪击，特别是各表面的突出尖物、墙角和边缘。但对低于60m的建筑物，通常可忽略

16、侧面闪击。此外，研究数据表明，在高层建筑物内，随着与地面高差降低，其遭受侧面闪击的概率显著减少。因而应在高层建筑物的上部（一般在建筑物高度的最上面20%且高于60m的部位）安装侧面接闪器保护。 表 防雷引下线的数量及间距建筑物防雷分类引下线间距（m）引下线 数量备注人工敷设 引下线利用自然引下线第一类防雷建筑物122不采用独立避雷针、 架空避雷线（网）时第二类防雷建筑物18按柱跨度设置，但平均值182第三类防雷建筑物25按柱跨度设置，但平均值25240m以下建筑物除外（二）引下线与防雷接地装置引下线是外部防雷装置的一部分，将接闪器雷电流传导至 接地装置。为减少由于雷电流通过外部防雷装置引起损坏的概率，引下 线的布置应满足下列要求：1）有几个并联雷电流通道存在；2）雷电流通道的长度最小；3）按防雷等电位要求，将建筑物导电部件进行等电位联结 。防雷引下线应优先利用建筑物四周的钢筋混凝土柱或剪力墙中的主钢筋，还宜利用建筑物的钢柱等作引下线（自然 引下线），其所有部件之间均应