防雷基础知识1

1、防雷基础知识一、雷电的基本知识1、雷电的基本概念大气的运动形成了云层。云层在运动过程中因为剧烈摩擦生电以及云块切割磁力线，就逐步积聚电荷。雷电是带电云层与另一带电云层，或者云层与大地之间的放电现象。在雷雨云下部的负电荷逐步积聚，带负电荷的云层向下靠近地面时，地面的凸出物、金属等会被感应出正电荷，随着电场的逐步增强，其电场场度一般在超过25Kv时，就会开始电离并向下梯级式放电，与地面上的物体（建筑物等）形成的向上先导感应形成雷电通路，并随之开始主放电，发出明亮的闪电和隆隆雷声。这种雷击称为负极性下行先导雷击，约占全部对地雷击中的90以上，其余还有正极性下行先导雷击、负极性上行先导雷击两种。只有先

2、导没有主放电的就是闪电。通常的雷击灾害一般是云层与地面之间的放电造成的。一般认为，当先导从雷云向下发展的时候，它的梯级式跳跃只受到周围大气的影响，没有一定的方向和袭击对象，但它的最后一次跳跃既最后一个梯级就不同了，它必须在这最终阶段选择被击对象。此时，地面上可能有不止一个的物体（比如树木、建筑物等）在它的电场影响下产生向上先导，趋向与下行先导会合。最后一次跳跃的距离称为闪击距离。从接闪器来说，它可以在这个距离内把雷电吸引到自己身上，而对于此距离之外的下行先导，接闪器将无能为力。闪击距离是一个变量，它和雷电流幅值有关，幅值大相应闪击距离大，反之，闪击距离小。因此，防雷装置的接闪器可以把较远的强的

3、闪电引向自身，但对较弱的闪电则有可能失去对建筑物的有效保护。2、雷电的主要特性和活动规律雷电有如下几个特点：冲击电流大 我国所测得的雷电流最大幅值达200KA，一般的雷电流也有几十KA。一次雷电流为200KA的雷击，能使在2Km远处感应产生大于0.6GS的电磁场。而对计算机而言，电磁场干扰能量0.3GS则可使计算机数据混乱或丢失；0.75GS则可使计算机造成假性损坏；2.4GS则可使计算机瘫痪。时间短 一般雷击分为三个阶段，即先导放电、主放电、余光放电。一次放电过程一般是40-100s。 变化梯度大 雷电流变化梯度有的可达10KA/s。 雷电流波型是一种冲击脉冲波形。试验用的820s波型的雷电

4、流放电器，能将10KA的电流传导出来。国际电工委员会（IEC）要求使用10/350s波型的放电器，它的电荷量相当于8/20s脉冲情况下电荷量的约20倍。既波头时间10s，半值时间350s。冲击电压高 强大的电流产生的交变磁场，其感应电压可高达上亿伏。雷电的活动规律：我国的雷电活动，夏季最活跃，冬季最少。全球分布是赤道附近最活跃，随纬度升高而分别向北向南减少，极地最少。一般来说湿热地区比干燥地区、山区比平原雷电活动多。雷电活动还有一定的选择性。一般来说土壤电阻率较小或土壤电阻率突变的地区；山坡的迎风面；湖边、空旷地区的孤立建筑物；城市中的较高建筑物；高大的烟囱和工厂的排气管；金属屋顶；屋顶旗杆、

5、天线、太阳能热水器等相对容易遭受直接雷击。3、雷击的主要危害形式雷击危害形式主要有以下三种：直击雷 直击雷就是闪电直接击在建筑物、大地上产生电效应、热效应和机械力。感应雷 感应雷是在直击雷放电过程中，强大的雷电流在空气中产生大的磁场，使金属物体产生静电感应或金属管线上产生电磁感应；或当直击雷发生以后，云层带电迅速消失，地面某些范围由于散流电阻大，出现局部高电压，形成电涌现象，这种电流可能向周围物体放电，如附近有可燃物就会引发火灾和爆炸，或金属部件之间产生火花而损坏设备。感应雷又分为静电感应雷和电磁感应雷。静电感应雷：雷击时带有大量负电荷的雷云所产生的电场在金属导线上感应出被电场束缚的正电荷，当

6、雷云对地放电或云间放电时，云层中的负电荷在一瞬间消失了（严格说是大大减弱），那么在线路上感应出的这些被束缚的正电荷也就在一瞬间失去了束缚，在电势能的作用下，这些正电荷将沿着线路产生大电流冲击，形成静电感应雷。因此，应把导体上的感应电荷就近泻入地中，以免产生高电位。因此，易燃易爆场所、计算机及其场地的防静电，是十分重要的。 电磁感应雷：雷击发生在供电线路附近，或击在避雷针上其周围空间会产生瞬变强电磁场，此交变电磁场的能量将感应于线路产生很高的电动势通过线路最终作用到设备上。由于避雷针的存在，建筑物上落雷机会反倒增加，内部设备遭感应雷危害的机会和程度一般来说是增加了，对用电设备造成极大危害。因此，

7、防雷装置要求通体要有良好的导电性，接地体一定要处于低阻抗状态，接地电阻应满足相应的国家技术规范要求，使其在雷击发生时能迅速地、有效地泻流雷击及感应电流，以确保防雷安全。雷电波浸入 由于雷电流迅速变化，在周围空间产生瞬变的强电磁场，使附近导体上感应出很高的电动势形成电涌电流，通过正在联机的导线对设备产生强烈的破坏。当雷电接近架空管线或金属管道时，高压冲击波会沿架空管线侵入室内，造成高电流引入，这样可能引起设备损坏或人身伤亡事故。如果附近有可燃物，容易酿成火灾。二、名词解析直击雷：雷电直接击在建筑物上，产生电效应、热效应和机械力者。电效应：因为雷电流非常强大（最大可达200KVA），如果闪电直接击

8、在建筑物接闪器上，电流就沿引下线向大地泻放，这时对地电位升高，产生电效应。强大的电流有可能向临近的物体跳击，称为雷电“反击”，从而造成火灾或人身伤亡。热力效应：强大的雷电流在短时间流过地面物体，产生大量热能使物体融化、起火等。机械力作用：雷击时压缩空气的冲击力量，向四周扩散，其冲击波将物体击垮，或者，强大的雷电流使建（构）筑物局部水份受热汽化膨胀，从而产生很大的机械力，导致建筑物损坏、燃烧或爆炸。雷电感应：雷电放电时，在附近导体上产生的静电感应和电磁感应，它可能使金属部件之间产生火花。 雷电波侵入：由于雷电对架空线路或金属管道的作用，雷电波可能沿着这些管线侵入屋内，危及人身安全或损坏设备。雷击

9、电磁脉冲：作为干扰源的直接雷击和附近雷击所引起的效应。绝大多数是通过连接导体的干扰，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磁辐射干扰。等电位连接：将分开的装置诸导电物体用等电位连接导体或电涌保护器连接起来以减小雷电流在它们之间产生的电位差。防雷装置：lightning protection system(LPS)：外部和内部雷电防护装置的统称。外部防雷装置external lightning protection system：由接闪器、引下线和接地装置组成，主要用以防直击雷的防护装置。内部防雷装置：internal lighting protection system：由等电位

10、连接系统、共用接地系统、屏蔽系统、合理布线系统、浪涌保护器等组成，主要用于减小和防止雷电流在需防空间内所产生的电磁效应。浪涌保护器surge protective device(SPD)：至少应包含一个非线性电压限制元件，用于限制暂态过电压和分流浪涌电流的装置。按照浪涌保护器在电子信息系统的功能，可分为电源浪涌保护器、天馈浪涌保护器和信号浪涌保护器。电压开关型浪涌保护器 voltage switching type SPD：采用放电间隙、气体放电管、晶闸管和三端双向可控硅元件构成的浪涌保护器。通常称为开关型浪涌保护器。电压限制型浪涌保护器 voltage limiting type SPD：采

11、用压敏电阻器和抑制二极管组成的浪涌保护器。通常称为限压型浪涌保护器。雷电防护区 lightning protection zone(LPZ)： 需要规定和控制雷电电磁环境的区域。综合防雷系统synthelical protection against lightning system：建筑物采用外部和内部防雷措施构成的防雷系统。雷电电磁脉冲 lightning electromagnetic impulse(LEMP)：作为干扰源的雷电流及雷电电磁场产生的电磁场效应。共用接地系统 common earthing system：将各部分防雷装置、建筑物金属构件、低压配电保护线(PE)、等电位连接

12、带、设备保护地、屏蔽体接地、防静电接地及接地装置等连接在一起的接地系统。等电位连接equipotent bonding(EB)： 设备和装置外露可导电部分的电位基本相等的电气连接。等电位连接带equipotent bonding bar(EBB)： 将金属装置、外来导电物、电力线路、通信线路及其他电缆连于其上以能与防雷装置做等电位连接的金属带。自然接地体natural earthing electrode：具有兼作接地的但不是为此目的而专门设置的与大地有良好接触的各种金属构件、金属井管、钢筋混凝土中的钢筋、埋地金属管道和设施等的统称。接闪 接闪就是让在一定范围内出现的闪电能量按照人们设计的通道

13、泄放到大地中去。地面通信台站的安全在很大程度上取决于能不能利用有效的接闪装置，把一定保护范围的闪电放电捕获到，纳入预先设计的对地泄放的合理途径之中。避雷针是一种主动式接闪装置，其英文原名是Lightning Conductor，原意是闪电引导器，其功能就是把闪电电流引导入大地。避雷线和避雷带是在避雷针基础上发展起来的。采用避雷针是最首要、最基本的防雷措施。接地接地就是让已经纳入防雷系统的闪电能量泄放入大地，良好的接地才能有效地降低引下线上的电压,避免发生反击。过去有些规范要求电子设备单独接地，目的是防止电网中杂散电流或暂态电流干扰设备的正常工作。90年代以前，部队的通信导航装备以电子管器件为主

14、，采用模拟通信方式，模拟通信对干扰特别敏感，为了抗干扰，所以都采取电源与通信接地分开的办法。现在，防雷工程领域不提倡单独接地。在IEC标准和ITU相关标准中都不提倡单独接地，美国标准IEEEStd1100-1992更尖锐地指出:不建议采用任何一种所谓分开的、独立的、计算机的、电子的或其它这类不正确的大地接地体作为设备接地导体的一个连接点。接地是防雷系统中最基础的环节。接地不好，所有防雷措施的防雷效果都不能发挥出来。防雷接地是地面通信台站安装验收规范中最基本的安全要求。 分流分流就是在一切从室外来的导线（包括电力电源线、电话线、信号线、天线的馈线等）与接地线之间并联一种适当的避雷器。当直接雷或感

15、应雷在线路上产生的过电压波沿着这些导线进入室内或设备时，避雷器的电阻突然降到低值，近于短路状态，将闪电电流分流入地。分流是现代防雷技术中迅猛发展的重点，是防护各种电气电子设备的关键措施。近年来频繁出现的新形式雷害几乎都需要采用这种方式来解决。由于雷电流在分流之后，仍会有少部分沿导线进入设备，这对于不耐高压的微电子设备来说仍是很危险的，所以对于这类设备在导线进入机壳前应进行多级分流。现在避雷器的研究与发展，也超出了分流的范围。有些避雷器可直接串联在信号线或天线的馈线上，它们能让有用信号顺畅通过，而对雷电过压波进行阻隔。采用分流这一防雷措施时，应特别注意避雷器性能参数的选择，因为附加设施的安装或多

16、或少地会影响系统的性能。比如信号避雷器的接入应不影响系统的传输速率；天馈避雷器在通带内的损耗要尽量小；若使用在定向设备上，不能导致定位误差。屏蔽 就是用金属网、箔、壳、管等导体把需要保护的对象包围起来，阻隔闪电的脉冲电磁场从空间入侵的通道。屏蔽是防止雷电电磁脉冲辐射对电子设备影响的最有效方法。三、现代防雷的基本内容防雷的内容有三大部份，即防直击雷（防侧击）、防感应雷和防雷电波侵入。国际标准（IEC）是分内部防雷（防感应雷、防反击、防雷电波侵入和防生命危险）和外部防雷（防直击雷）。外部防雷装置由接闪器、引下线和接地装置三部分组成。其作用是引雷或叫截获闪电，即把雷电流引下。通过引下线，把接闪器截获

17、的雷电流引至接地装置，使雷电流顺利流散到大地中去。内部防雷装置的作用是减少建筑物内的雷电流和所产生的电磁效应以及防止反击、接触电压、跨步电压等二次雷害。除外部防雷装置外，所有为达到此目的所采用的设施、手段和措施均为内部防雷装置，它包括等电位连接设施、屏蔽设施、加装的避雷器以及合理布线和良好接地等措施。因此，防雷工程是一种系统性工程，缺少任何一部份就会造成防雷装置的先天性不足。目前，对防雷工程的设计、审核、施工、检测验收都必须严格按我国现行国家强制性规范标准和各相应的行业标准的要求执行，以避免或减少雷灾的发生。雷电及电涌保护内容见下图：雷电及电涌保护内部防雷外部防雷电涌保护接闪器操作过电压雷击电

18、磁脉冲安全距离防闪络屏蔽等电位连接引下线接地装置GB5005794IEC1024系列GB5005794IEC61312系列IEC60364系列IEC61643系列四、常规避雷装置及其发展 1750年，富兰克林提出以针尖放出电荷缓慢中和雷云中的电荷的避雷针用来防雷。后来的实践证明，它不能“避雷”，而是将雷引向自身来保护其周围的设备。随后俄国罗蒙诺索夫在重复了富兰克林的著名风筝试验（他的朋友利赫曼和他一起试验，因被引下的直击闪电击中而牺牲）之后，于1753年发表的论文（关于因电力而产生的大气现象的发言）中也对此作了重要论证。一个鲜为人知的重要事实是，富兰克林发表避雷针理论之后不久，法国一位工程师即

19、按其理论建立一个避雷针，并且很快发生一次接闪。这是人类首次主动设法改变雷闪途径，也是直击雷可以防护的证明。这位法国工程师作为一个正直的科学家，当即高兴地报告了富兰克林避雷针的引雷成功。避雷针的实际应用，必须解决的是它的保护范围问题。这是在试验室和实际应用中多年逐步定量化的，而且其精确性已基本满足了工程设计的需要。正是各国高压输电和电力系统的发展推动了这一科研工作的前进。1925-1926年，Peek第一个在实验室内利用冲击电压发生器造成“人工雷”对避雷针模型放电，研究保护范围保护系数与雷云高度对针高之比（H/h）的关系,并研究了雷云极性对保护系数的影响。1930-1934年，各国开始广泛利用避

20、雷针保护发电厂和变电所。当时230KV电网已经出现多年，287KV超高压电网正在建设中。如美国煤气和电力公司(AGE)1934年开始用避雷针、避雷线保护变电所,避雷线的保护范围是这样确定的:当架构强度足够时,每保护水平距离0.45m,避雷线悬挂高度要抬高0.3m;架构强度受限制时，每保护水平距离0.6m，要抬高0.3m。这分别相当于保护角56和64。这与日本60年代末的防雷规范60相近。到60年代初（1963年Davis）、70年代初美、英等国对保护输电线路的避雷线的保护范围陆续提出击距理论，即考虑雷电流辐值的大小来选定保护范围。我国高电压工作者（朱木美教授指导王小瑜同志）在职19621964

21、年研究输电线路防雷时也提出了类似方法。至于用来保护发电厂和变电所，我国50年代因担心避雷线断线会波及全厂和全变电所而只采用避雷针。到70年代中期，才明确避雷线可用于发电厂和变电所的保护。避雷带避雷带是在建筑物的屋脊和屋顶四周敷设的接地导体，是由避雷针、避雷线发展而来的。作者最早是由德国资料中了解到这项技术。避雷网是在避雷带的中间敷设接地导体，以保护建筑物的中间部位。用于保护建筑物，其优点是敷设简便、造价低,而且同高耸的避雷针相比,引雷的几率大为减少。而且它接闪后一般是由多根引下线泄散电流，室内设备上的反击电压相对较低。我国建筑防雷工作者提出并在全国广泛应用的笼型防雷方式则是利用建筑物钢筋形成的

22、法拉笼。同时也解决了等电位连接问题，极大地提高了建筑防雷的可靠性。此外，它也便于笼内（屋内）电力、电信、电子设施统一接地（共地式）。我国电力部门发电厂厂房、机房、变电所及主控室，包括控制和信号电缆等不同用途不同电压设备，并制订1952、1956年以来各版过电压和接地标准。这同IEC近年规定、国外公司广泛宣传的统一接地和等电位连接相比，要早40年以上。人们曾企图利用在针尖敷设上放射物质来提高引雷作用，扩大保护范围，后来证明无效。60年代末、70年代初，英、德等国建筑物防雷规范已明确做出否定的结论。80年代，水利电力部电力科学院在高压试验室内所做的试验也证明，放射性避雷针在引雷效果上与同尺寸的普通

23、避雷针没有差别。我国过电压与绝缘配合标准对它一直持否定态度。尽管国际上已有定论,法国及一些法语国家还有一些地方，继续使用带有放射物的避雷针。我国一些从法语国家引进的工业设备,还有用这种避雷针保护的。这不仅浪费资金,无助于防雷改进,而且由于其放射性物质，还造成人身的环境方面的隐患。它违反我国所有有关防雷的标准。提前放电避雷针的工作原理提前放电避雷针的工作原理就是产生一个比普通避雷针更加快的上行先导。 此描述基于负极性下行放电的情况下，此类放电形式最具有普遍性。“satelit+” 卫星提前放电避雷针内部构造示意图 五、建筑物防雷设计的六项要素：（1）接闪功能： 指实现接闪功能所应具备的条件，包括

24、接闪器的形式（避雷针、避雷带和避雷网）、耐流耐压能力、连续接闪效果、造价以及接闪器与建筑物的美学统一性等。（2）分流影响： 指引下线对分流效果的影响。引下线的粗细和数量直接影响分流效果，引下线多，每根引下线通过的雷电流就小，其感应范围就小。引下线相互之间的距离不应小于规范中的规定。当建筑物很高，引下线很长时，应在建筑物的中间部位增加均压环，以减小引下线的电感电压降。这不仅可以分流，而且还可以降低反击电压。（3）均衡电位： 指使建筑物内的各个部位都形成一个相等的电位，即等电位。若建筑物内的结构钢筋与各种金属设置及金属管线都能连接成统一的导电体，建筑物内当然就不会产生不同的电位，这样就可保证建筑物

25、内不会产生反击和危及人身安全的接触电压或跨步电压，对防止雷电电磁脉冲干扰微电子设备也有很大的好处。钢筋混凝土结构的建筑物最具备实现等电位的条件，因为其内部结构钢筋的大部分都是自然而然地焊接或绑扎在一起的。为满足防雷装置的要求，应有目的地把接闪装置与梁、板、柱和基础可靠地焊接、绑扎或搭接在一起，同时再把各种金属设备和金属管线与之焊接或卡接在一起，这就使整个建筑物成为良好的等电位体。（4）屏蔽作用： 屏蔽的主要目的是使建筑物内的通信设备、电子计算机、精密仪器以及自动控制系统免遭雷电电磁脉冲的危害。建筑物内的这些设施，不仅在防雷装置接闪时会受到电磁干扰，而且由于它们本身灵敏性高且耐压水平低，有时附近打雷或接闪时，也会受到雷电波的电磁辐射的影响，甚至在其他建筑物接闪时，还会受到从该处传来的电磁波的影响。因此，我们应尽量利用钢筋混凝土结构内的钢筋，即建筑物内地板、顶板、墙面、及梁、柱内的钢筋，使其构成一个六面体的网笼，即笼式避雷网，从而实现屏蔽。由于结构构造的