电气安全第4章分析

1、电气安全第4章分析 第四章 雷电、建筑物防雷及工程接地装 置 第一节 雷电与雷电参数 第二节 雷电能量在导体上的传输 第三节 工程防雷体系及建筑物防雷类别 第四节 建筑物外部防雷系统 第五节 建筑物内部防雷系统及雷击电磁脉冲防 护 第六节 工程接地装置 电气安全第4章分析 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。 雷击方式：直接雷击，感应雷击。 2、危害 热效应，机械力效应，电磁效应。 能量巨大，破坏力强。 电气安全第4章分析 图图8-1 雷云对大地放电（直击雷）示雷云对大地放电（直击雷）示 意图意图 a) 负

2、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 电气安全第4章分析 二、雷电参数 1、气象参数 雷暴日，雷暴小时。按雷暴日可划分雷 击强度区域： 少雷区：年雷暴日少于15； 多雷区：年雷暴日4090； 强雷区：年雷暴日大于90。 电气安全第4章分析 2、电气参数 （1）雷击基本形式及其组合。 闪击：雷电向大地或地表附着物的放电 称为闪击。 雷击：闪击过程中的每一次放电称为一 次雷击。 通常一个闪击过程包含有若干次雷击。 闪击又分为由雷云向建筑物发展向下闪 击和由建筑物向雷云发展的向上闪击。 电气安全第4章分析 长时间雷击

3、短时雷击 后续的雷击 短时雷击首次雷击 向下闪击 长时间雷击 短时雷击 后续的雷击 长时间雷击 迭加短时雷击的首次雷击 向上闪击 电气安全第4章分析 _ + i tt i + _ _ i tt i _ a）b） d）c） 单个首次短时雷击 首次短时雷击 后续多次短时雷击后续多次短时和长时间雷击 首次短时雷击 后续长时间雷击 首次短时雷击 00 00 向下闪击可能的雷击组合向下闪击可能的雷击组合 电气安全第4章分析 c）d） b）a） _ i tt i _ _ + i tt i + _ _ + i t e） 短时雷击 叠加的短 时雷击 首次长时间雷击 后续长时间雷击 后续短时雷击 时雷击 叠加的

4、短 单一长时间雷击 0 00 0 0 向上闪击可能的雷击组合向上闪击可能的雷击组合 电气安全第4章分析 （2）建筑物防雷工程中雷电参数取值。 建筑防雷工程中关心的是受雷击的对象 （即建筑物）实际承受的雷击参量大小，这些参 量应按一定概率下最不利的情况考虑。因此防雷 工程中所关心的雷电参量，不再只与雷电本身有 关，还与受雷击对象的特性相关。 电气安全第4章分析 雷电流参数雷电流参数防雷建筑类别防雷建筑类别 一类二类三类 I幅值/kA200150100 T1波头时间/s101010 T2波头时间/s350350350 Qs电荷量/C1007550 W/R单位能量 /(MJ/) 105.62.5 首

5、次短时雷击的雷电流参数首次短时雷击的雷电流参数 t 90% 10% 1 T 2 T I 50% I峰值电流（幅值） 波头时间T 半峰时间 1 2 T i + _ 电气安全第4章分析 雷电流参数雷电流参数防雷建筑类别防雷建筑类别 一类二类三类 I幅值/kA5037.525 T1波头时间/s0.250.250.25 T2波头时间/s100100100 I/T1平均陡度 /(kA/s) 200150100 后续短时雷击的雷电流参数后续短时雷击的雷电流参数 t 90% 10% 1 T 2 T I 50% I峰值电流（幅值） 波头时间T 半峰时间 1 2 T i + _ 电气安全第4章分析 雷电流参数雷

6、电流参数防雷建筑类别防雷建筑类别 一类二类三类 Q1电荷量/C5037.525 T时间/s0.250.250.25 长时间雷击的雷电流参数长时间雷击的雷电流参数 t _ + i 10%10% T 1 Q 1 Q长时间雷击的电荷量 从波头10峰值至波尾10T 电气安全第4章分析 （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。 电气安全第4章分析 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

7、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 为什么几何尺寸尺寸如此重要？ 电气安全第4章分析 600m L N N L 5MHZ BA ua f = b) 50HZ u u f = ua a) ZL 线路段上的电压波 线路 缩小 6000km 600m x x ZL 电气安全第4章分析 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

8、） 因此，分布参数电路中没有节点、支路等概 念，KCL、KVL不再成立。 电气安全第4章分析 （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，传输线的波 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。 电气安全第4章分析 （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

9、可以有净电荷的集聚。 电气安全第4章分析 xxdx+ i (x, t ) xx xxx u(x, t ) r0ddd dd r0L0 g0C0 xx x xx x x , t ) , t )d d u(x+ i (x+ L 0d0d rL Cd 0g0d 0d 传输线的集中参数等效电路 无限分割级联组合 电气安全第4章分析 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，表明不同时刻通过该点的电 压（电流）行波的瞬时值。 行波实际表明了能量在空间的传输。 （2）行波波速 v 2=1/（L0C0）=1/

10、（00 ） 电气安全第4章分析 电气安全第4章分析 （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。 电气安全第4章分析 A 1f i1b i A u u1b 1f u 1f A 1f 1b i 1b u i u1f 1f u 末端短路 末端开路 电气安全第4章分析 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

11、波频率达MHz级。 相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，均将其看作为 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。 电气安全第4章分析 第三节 工程防雷体系及建筑物防雷类别 一、工程防雷体系 1、工程防雷标准简述 IEC/TC81国际电工委员会雷电防护技术 委员会。IEC-61024（1990实施）IEC-62305 （2003始逐渐替换IEC-61024） IEC/TC64国际电工委员会建筑物电气装 置和电击防护技术委员会。 IEC/TC37国际电工委员会避雷器和电涌 保护器

12、技术委员会。 电气安全第4章分析 电涌保护 防雷建筑物内电子信息系统 防雷建筑物内低压电气系统 管道线 电源线 通信线 防侵入雷电波 防雷电感应 内部防雷 防反击 防侧击雷 防顶击雷 防直击雷 外部防雷 建（构）筑物防雷 防雷对象 雷击电磁脉冲防护 2、工程防雷体系结构 电气安全第4章分析 接触电压与跨步电压防生命伤害 、燃气、自来水等）公共设施（电力、通信 室内电子信息设备 室内电气设备 建（构）筑物 防实体损坏 防雷目标 电气安全第4章分析 二、建筑物防雷类别 1、建筑防雷类别划分的目的与结果 （1）目的。明确建筑物受雷击的概率， 明确建筑物受雷击后果的严重程度，明确防护严 密程度要求。

13、（2）类别划分。划分为三个类别。一 类防雷要求最高，二类次之，三类最低。 不在以上三个类别中的建筑物，可不做 人工防雷。 电气安全第4章分析 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。 该参数是划分建筑物防雷类别的重要依 据之一。 电气安全第4章分析 第四节 建筑物外部防雷系统 主要防直击雷（含顶击和侧击），也包 括反击。 外部防雷系统是建筑防雷体系中的第一 道防线，是内部防雷的基础，是预防性体系。 基本思路：控制雷电能量走向，使其以 对建筑物危害最小的方式泄放。 电气安全第4章分析 一、

14、系统构成 由接闪器、引下线和接地装置构成。 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。 电气安全第4章分析 类型：人工接闪器，自然接闪器。类型：人工接闪器，自然接闪器。 人工接闪器：避雷针、线、带、网等。人工接闪器：避雷针、线、带、网等。 自然接闪器：金属屋面、杆塔等。自然接闪器：金属屋面、杆塔等。 电气安全第4章分析 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

15、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。 电气安全第4章分析 3、防雷接地体 作用：使雷电能量更有效率地向大地泄 放。 常见类型：自然接地体，人工接地体。 详见本章工程接地装置部分。 电气安全第4章分析 建筑物防雷系统示例 建筑物基础 避雷带 引下线 断接卡 引下线 断接卡 基础钢筋连通 作自然接地体 屋面 女儿墙 电气安全第4章分析 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）原理。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

16、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， 电气安全第4章分析 建筑阴影部分能被滚球接触， 因此会受到雷击，若滚球接 触建筑物前就受到接闪器的 阻挡，则建筑物受到保护。 r h r h r h r h r h r h r h 电气安全第4章分析 （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。 电气安全第4章分析 2、网格尺寸法 控制避雷网网格

17、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，网格尺寸法适用于避雷网。对 避雷网，两种方法可各自独立应用，满足其一即 可。 电气安全第4章分析 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，特别适用于避雷针、线 的保护范围确定。 网格尺寸法：简单明了，对避雷网式接闪器 特别方便。 折线法：准确性和应用方便性不好，但电力 工程中仍在采用。 电气安全第4章分析 三、典型接闪器保护范围计算 （一）避

18、雷针保护范围计算 1、单只避雷针保护范围计算 分针高小于和大于滚球半径两种情况。 针高大于滚球半径时，高出滚球半径的部分 对增大保护范围无效，保护范围按针高等于滚球 半径计算。 电气安全第4章分析 r h hr h x h xx x r x r r h 平面上保护范围的截面xx AB 针高小于滚球半径时针高小于滚球半径时 避雷针保护范围计算避雷针保护范围计算 电气安全第4章分析 2、两只等高避雷针保护范围计算 A hr x xx hx h r h hr F B O D AOB竖直平面上保护范围 电气安全第4章分析 E BA C 11 O 0 b 地面上保护范围 平面上保护范围x-x F 电气安

19、全第4章分析 （二）避雷线的保护范围 只考虑等高杆塔的情况。分避雷线高小于和 大于滚球半径两种情况。 电气安全第4章分析 3、单根避雷线保护范围 BA r h x h xx x b r hh 避雷线 r h 线高大于滚球半径线高大于滚球半径 勘误：教材图4- 15a有误，左侧 多了一个h标注， 以更改后的本图 为准 电气安全第4章分析 hr bx xx hx h r h hr AB 避雷线 线高小于滚球半径线高小于滚球半径 电气安全第4章分析 四、外部防雷系统导致的次生雷害 1、反击及防护 （1）反击原理。 雷电流下泄入地的过程中，会在引下线 和接地阻抗 上产生压降，该压降使接地体和引下 线上

20、产生很高的对地电压，位置越高，对地电压 越大。该电压可能高到击穿一定厚度的空气或土 壤的程度，向仍处于地电位的金属体放电，产生 与雷击放电类似的危害。这种现象称为反击。 电气安全第4章分析 （2）反击的防范 间距：使防雷引下线和接地体与其他金 属体间拉开足够的距离，增大击穿所需电压，从 而避免反击。一般地上间距大于5m，地下大于3m。 等电位：在确信不会产生其他不良后果的前提 下，将引下线与附近的金属体电气联通，强制等 电位，避免反击发生。 电气安全第4章分析 xR iL Sx Lx x ， 工作接地 防直击雷接地 d S xRS1 . 02 . 0 xx shd 3 . 0 RS 电气安全第

21、4章分析 2、雷电电磁感应防护 （1）产生原理（图见下页） （2）危害：缺口火花放电或高压击穿， 感应过电流 （3）防护措施 仅一类防雷建筑需要考虑。 通过跨接等方式闭合开口金属环、避免 出现大的金属环路。 *还有一种静电感应雷危害，其防护方式此处 不作介绍。 电气安全第4章分析 图图8-3 开口金属环上的电磁感应过电压开口金属环上的电磁感应过电压 电气安全第4章分析 五、侧击雷及其防护 需要防侧击雷的部位：滚球法确定。 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。 电气安全第4章分析 第五节 建筑物内部防雷系统及雷击电磁 脉冲防护

22、 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：主要是防雷电 感应和雷电波沿管线的侵入，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问题时， 又将雷电感应（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。 电气安全第4章分析 技术措施重叠区域：雷击电磁脉冲防护 分两个环节，其一在建筑物上实施，其二在电气 电子系统中实施。在后一环节，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。 电气安全第4章分析 二、

23、传统建筑物内部防雷措施 1感应雷及其防护 （1）设置防感应雷的接地装置。建筑 中所有金属都接于该地，以避免出现电位差。 （2）封闭开口金属环；避免大面积金 属环路。 如：管线连接处跨接，平行金属管线之 间跨接等。 目的：避免感应电压击穿空气产生电火 花。 电气安全第4章分析 2侵入雷电波的防护 路径：沿金属管线由室外引入。 防护方法：在金属管线进入建筑物处作 等电位连接（消除由室外引入的电位差），并与 防感应雷接地装置相连（泄放由室外引入的雷电 能量）。 电气安全第4章分析 三、雷击电磁脉冲防护的防雷区及划分 1、雷击电磁脉冲（LEMPLightning Electromagnetic imp

24、ulse） 指作为干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。 电气安全第4章分析 1、防雷区及划分 根据（1）被保护空间可能遭受LEMP的 严重程度及（2）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。 电气安全

25、第4章分析 （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。 电气安全第4章分析 （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。 电气安全第4章分析 滚球半径h M LP

26、ZOB LPZOLPZO LPZO BB A LPZ1 LPZ2 LPZ3 设备间 设备外壳 架空楼板 电力线路信息线路 建筑钢筋 屋顶避雷针 屋顶避雷带 r 金属风管 电气安全第4章分析 四、实施在建筑物上的雷击电磁脉冲防护措施 1、等电位联结 在不同防雷区的交界面实施。 作用：均衡电位，分流。 主要技术指标：分流系数。 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。 电气安全第4章分析 外来导电物从同一位置进入建筑物的等电位联结 电力 Z 网络 电话 水管 燃气 管道 阴极保护的油/气管基础接地体 外 部 防 雷 保 护 防雷保护等电位联结板EBB 电气安全第4章分析 外来导电物多点进入建筑物的等电位联结 电气安全第4章分析 屏蔽作法示例屏蔽作法示例 电气安全第4章分析 r 屋顶避雷带 屋顶避雷针 建筑钢筋 信息线路电力线