浅谈电气系统和建筑物的防雷保护

1、 XX学院毕业设计（论文）浅谈电气系统和建筑物的防雷保护 系 别： 电气工程系 年 级： 10级 专 业： 电气工程及其自动化 指导老师： 答辩日期：浅谈电气系统和建筑物的防雷保护内 容 摘 要200多年前，富兰克林发明避雷针以后，建筑物等设施已得到了一定的保护，人们认为这样就可以防止雷害，不再受到任何雷电的威胁。但是随着近代高科技的发展，避雷针已经不再有完全的保护作用，90年代以后，雷灾出现新的特点，这主要是因为一些高大建筑的兴起，最典型的就是高层智能大厦，这种高大的建筑物很容易吸引落雷，从而使本身所在建筑及附近建筑遭到破坏。另外，微电子技术高度发展及广泛应用到各个领域，使雷害对象也转移到室

2、内的电器、电子设备，以至发生人身伤亡事故。随之防雷对象也由强电转移到弱电，雷电产生的电磁脉冲超过直接雷击而成为主要危害。现今智能建筑中大量的弱电系统构成了大厦的中枢神经,然而当系统出现故障时就可能造成非常深远的影响,导致大厦中各系统的瘫痪。故障的原因是多方面的,其中电磁干扰占了很大的比重,根据业内的统计资料显示:众多个案例中,超过25%是由于雷电及其它电磁干扰等引起的电涌而造成的由上述可知防雷是非常必要的，对建筑物的防雷更加需要注意。本文主要论述电气系统在建筑物的防雷保护上的运用，并讨论如何才能更好的利用电气系统防雷，有效保护建筑物，减少最小的损失。首先我们将叙述雷电对建筑及其内部设备的危害，

3、再介绍建筑物防雷等级确定的方法，然后阐述目前针对雷电危害的电气综合防雷系统的设计外部防雷和室内防护，最后以一实际工程对防雷系统设计过程进行详细的介绍。关 键 词 防雷等级 内部防雷 外部防雷 电气系统 目录 浅谈电气系统和建筑物的防雷保护11.雷电的危害11.2间接雷击11.3雷电波侵入11.4地电位反击12、防雷等级的确定22.1当建筑物的高H小于100m22.2当建筑物的高H等于或大于100m32.3当建筑物各部位的高不同时33、综合防雷系统设计33.1外部防雷系统及其设计43.1.1接闪器43.1.2 当避雷针高度hhr时53.1.3当避雷针高度h>hr时63.1.4引下线73.1

4、.5接地体73.2内部防雷系统及设计83.2.1防雷器SPD设计安装83.2.2等电位连接94、工程举例104.1、外部防雷系统设计104.1.1、接闪器104.1.2、引下线104.1.3、接地体114.2、内部防雷系统设计114.2.1、根据建筑物的需求设计安装SPD防雷器；114.2.2、等电位连接114.2.3、其它注意事项115、结论12参 考 文 献13浅谈电气系统和建筑物的防雷保护1.雷电的危害 雷电过电压又称外部过电压或大气过电压，是由于电力系统的设备或建筑物遭受来自大气中的雷击或雷电感应而引起的过电压。雷电过电压有两种基本形式将对建筑造成危害：1.1直接雷击 它是雷电直接击中

5、电气设备、线路或建筑物，其过电压引起强大的雷电流通过这些物体放电入流，从而产生破坏性极大的热效应和机械效应，相伴的还有电磁效应和闪络放电，这种雷电过电压又称“直击雷”。1.2间接雷击 它是由雷电对设备、线路或其他物体产生静电感应或电磁感应而引起的过电压。这种雷击过电压又称“感应过电压”或“感应雷”。雷击放电于具有避雷设施的建筑物时，雷电波沿着建筑物顶部接闪器（避雷带、避雷线、避雷网或避雷针）、引下线泄放到大地的过程中，会在引下线周围形成强大的瞬变磁场，轻则造成电子设备受到干扰，数据丢失，产生误动作或暂时瘫痪，重则可引起元器件击穿及电路板烧毁，使整个系统陷于瘫痪。雷电除了上述两种形式外，还以另外

6、两种方式对建筑进行破坏：1.3雷电波侵入 由于架空线路遭受直接雷击或间接雷击而引起的过电压波，沿线路侵入变配电所或其他建筑物，这称为“雷电波侵入”或“高电位侵入”。线缆上的雷电波或过电压几乎以光速沿着电缆线路扩散，侵入并危及室内电子设备和自动化控制等各个系统。因此，往往在听到雷声之前，我们的电子设备、控制系统等可能已经损坏。据统计，电力系统中由于雷电波侵入而造成的雷害事故，占整个雷害事故的50%至70%，比例很大，因此对雷电波侵入的防护应予以足够的重视。1.4地电位反击 如果雷电直接击中具有避雷装置的建筑物或设施，接地网的地电位会在数微秒之内被抬高数万或数十万伏。高度破坏性的雷电流将从各种装置

7、的接地部分，流向供电系统或各种网络信号系统，或者击穿大地绝缘而流向另一设施的供电系统或各种网络信号系统，从而反击破坏或损害电子设备。同时，在未实行等电位连接的导线回路中，可能诱发高电位而产生火花放电的危险。以上四方面中雷电对建筑物的危害主要以雷电波侵入、感应过电压与地电位反击三者居多，这三者统称为雷电电磁脉冲。据有关统计资料，直击雷的损坏仅占15%，而雷电电磁脉冲的损坏占85%。因此，现代建筑的防雷设计已不同以往，对雷电电磁脉冲的防护必须要加以重视。2、防雷等级的确定 我们在着手建筑物防雷设计的第一步时，首先是要确定建筑物的防雷等级。建筑物防雷设计规范(GB500572010)中，对建筑物防雷

8、等级的划分，除了由建筑物的功能定性外，第二、三类防雷建筑，还取决于建筑物的年预计雷击次数N。年预计雷击次数，这是表征建筑物可能遭受雷击的一个频率参数。按GB 50057-2010建筑物防雷设计规范规定，年预计雷击次数按下式计算 N=0.024KTa1.3Ae式中，Ae为与建筑物截收雷击次数相同的等效面积（km2)； Ta为年平均雷暴日数，按当地气象台站资料确定； K为校正系数，在一般情况下取1，在下列情况下取相应数值，如位于旷野孤立的建筑物取2，金属屋面的砖木结构建筑物取1.7，位于河边、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取1

9、.5。 Ae计算方法分以下三个方面：2.1当建筑物的高H小于100m 等效面积按以下公式计算： 式中： L、W、H分别为建筑物的长、宽、高（m）。2.2当建筑物的高H等于或大于100m 建筑物的等效面积按下式计算：Ae LW2 H（LW）H2 ·10-6 2.3当建筑物各部位的高不同时 沿建筑物周边逐点算出最大扩大宽度，其等效面积Ae应按每点最大扩大宽度外端的连接线所包围的面积计算。 按以上公式计算得到N后就可以确定防雷等级了。一般先把建筑物按其重要性和使用性质分为部、省级办公建筑物及其它重要或人员密集的公共建筑物和住宅、办公楼等一般性民用建筑物两类。部、省级办公建筑物及其它重要或人

10、员密集的公共建筑物其年预计雷击次数N大于0.06次/a时，该建筑就划为第二类防雷建筑物；若N大于等于0.012次/a，且小于或等于0.06次/a，则该建筑就划为第三类防雷建筑物。住宅、办公楼等一般性民用建筑物其年预计雷击次数N大于0.3次/a时，该建筑就划为第二类防雷建筑物；若N大于等于0.06次/a，且小于或等于0.3次/a，则该建筑就划为第三类防雷建筑物。那么，如果N小于0.012次/ a该怎么办呢？按照规范的要求，如果N小于0.012次/ a，同时该建筑物又不属于国家机关、政府大楼等重要建筑的话，可以不做防雷设计，但是年预计雷击次数小于0.012次/ a的建筑物的防雷设计还要根据各个地方

11、的地方规定。3、综合防雷系统设计 防雷设计是一个很复杂的问题，不可能依靠一、二种先进的防雷设备和防雷措施就能完全消除雷击过电压和感应过电压的影响，必须针对雷害入侵途径，对各类可能产生雷击危害的因素进行综合防护，才能将雷害减少到最低限度。这种综合防护主要包括接闪、分流（保护）、均压、屏蔽、接地、合理布线，统称为综合防雷六大要素。传统的防雷方法主要就是直击雷的防护，其技术措施可分为接闪器、引下线、接地体等。其中接闪器可以根据建筑物的地理位置、现有结构、重要程度等，决定是否采用避雷针、避雷带、避雷网或其联合接闪方式。但随着微电子技术高度发展及广泛应用，传统的防雷设计方法已难以满足现代建筑防雷的需要。

12、根据以上综合防雷六要素可以把现代防雷保护分为外部防雷保护(建筑物或设施的直击雷防护)和内部防雷保护(雷电电磁脉冲的防护)两部份，外部防雷系统主要是为了保护建筑物免受直接雷击引起火灾事故及人身安全事故，而内部防雷系统则是防止雷电波侵入、雷击感应过电压以及地电位反击电压侵入设备造成的毁坏，这是外部防雷系统无法保证的。3.1外部防雷系统及其设计外部防雷主要是指防止建筑物或设施（含室外独立电子设备）免遭直击雷的危害，其技术措施有接闪器、引下线、接地体等几种。3.1.1接闪器接闪器，是指专门用来接受直接雷击（雷电闪击）的金属物体。接闪的金属杆，称为避雷针。接闪的金属线，称为避雷线，又称架空地线。接闪的金

13、属带，称为避雷带。接闪的金属网，称为避雷网。避雷针一般采用镀锌圆钢（针长1m以下时直径不小于12mm，针长12m时直径不小于16mm)或镀锌钢管（针长1m以下时内径不小于20mm,针长12m时内径不小于25mm)制成。它通常安装在电杆（支柱）或构架、建筑物上。它的下端要经金属引下线与接地装置连接。避雷针的功能实质上是引雷作用，它能对雷电场产生一个附加电场（这附加电场是由于雷云对避雷针产生静电感应引起的），使雷电场畸变，从而将雷云放电的通道，由原来可能向被保护物体发展的方向，吸引到避雷针本身，然后经引下线和接地装置将雷电流引入地下，从而保护了线路、设备及建筑物等。避雷针的保护范围，以它能防护直接

14、雷击的空间来表示。我国过去的防雷设计规范（如GBJ57-1983）和过电压保护设计规范（如GBJ64-1983)，对接闪器包括避雷针和避雷线的保护范围都是按“折线法”来确定的。而现行国家标准GB 50057-1994建筑物防雷设计规范则规定采用IEC推荐的“滚球法”来确定。所谓“滚球法”，就是选择一个半径为hr（滚球半径）的球体，沿需要防护直击雷的部位滚动。如果球体只接触到避雷针（线）或避雷针（线）与地面，而不触及需要保护的部位，则该部位就在避雷针（线）的保护范围之内。单支避雷针的保护范围，按GB50057-1994规定，应按下列方法确定(参看下图1-1）： 图1-13.1.2 当避雷针高度h

15、hr时距地面hr处画一平行于地面的平行线。以避雷针的针尖为圆心，hr为半径，作弧线交于平行线的A、B两点。以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该弧线与针尖相交，并与地面相切。从该弧线起到地面上的整个锥形空间，就是避雷针的保护范围。避雷针在被保护物高度hx的xx'平面上的保护半径，按下式计算: rx= 式中，hr为滚球半径，按下表确定：/ 按建筑物的防雷类别布置接闪器及其滚球半径（据GB50057-1994）建筑物的防雷类别避雷网尺寸（不大于）/m滚球半径hr /m第一类防雷建筑 5×5或6×4 30第二类防雷建筑 10×10或12×8 45第三类防

16、雷建筑 20×20或24×16 603.1.3当避雷针高度h>hr时 在避雷针上取高度为hr的一点代替上诉单支避雷针的针尖作圆心，其余的作法与上述h<hr时的作法相同。避雷线一般采用截面不小于35mm2的镀锌钢绞线，架设在架空线路的上边，以保护架空线路或建筑物等免遭直接雷击。由于避雷线既是架空又是接地，因此又称架空地线。避雷线的功能与避雷针基本相同，本质上也是引雷作用。单根避雷线的保护范围，按GB 50057-1994规定，当避雷线的高度h2hr时，无保护范围；当h<2hr时，应按下列方法确定（参看下图1-2）： 图1-2距地面hr处面一平行于地面的平行线

17、。以避雷线为圆心，hr为半径，作弧线交于平行线的A、B两点。以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该两弧线相交或相切，并与地面相切。从该弧线起到地面止的空间就是其保护范围。 当2hr>h>hr时，保护范围最高点的高度h0按下式计算： h0=2hr-h避雷线在被保护物高度hx的xx'平面上的保护宽度bx按下式计算： bx=避雷带和避雷网主要用来保护高层建筑物免遭直击雷和感应雷。避雷带和避雷网宜采用圆钢和扁钢，优先采用圆钢。圆钢直径应不小于8mm；扁钢截面应不小于48mm2，其厚度应不小于4mm。当烟囱上采用避雷环时，其圆钢直径应不小于12mm；扁钢截面应不小于100mm2，其厚度

18、应不小于4mm。避雷带一般沿屋顶屋脊或屋檐装设，用预埋角钢作支柱，高出屋脊或屋檐100150mm，支柱间距10001500mm。 3.1.4引下线 以上各接闪器包括避雷针、避雷线和避雷带（网），均应经引下线与接地装置连接。现代建筑多利用建筑物的柱筋作避雷引下线。因为雷击时引下线上有很大的雷电流流过，会对附近接地的设备、金属管道、电源线等产生反击或旁侧闪击，而实践证明这种方法可以减少和避免这种反击。它还比专门引下线有更多的优点，因为柱钢筋与梁、楼板的钢筋都是连接在一起的，和接地网络形成了一个整体的"法拉第"笼，它们处于等电位状态，雷电流会很快被分散掉，可以避免反击和旁侧闪击的

19、现象发生。 引下线宜采用圆钢或扁钢，优先采用圆钢，其尺寸要求与避雷带（网）采用相同。引下线应沿建筑物外墙明敷，并经最短路径接地。建筑艺术要求较高的引下线可暗敷，但其圆钢直径应不小于10mm，扁钢截面应不小于80mm2。3.1.5接地体 接地装置应优先利用建筑物钢筋混凝土基础内的钢筋。有钢筋混凝土地梁时，应将地梁内钢筋连成环形接地装置；没有钢筋混凝土地梁时，也可在建筑物周边无钢筋的闭合条形混凝土基础内，用40x4mm镀锌扁钢直接敷设在槽坑外沿，形成环形接地。 当将变压器和柴油发电机的中性点工作接地、电气保护接地和弱电系统工作接地等共用接地装置时，接地电阻值应不大于1。 采用共用接地装置时，弱电系

20、统应将各自设备机房内与建筑物绝缘的接地端子，用25mm2以上的铜芯电缆或导线穿焊接钢管做单独的引下线，在建筑物基础处与接地板相连。弱电系统一般要求接地电阻不大于4，如若设独立的接地系统，其与防雷接地系统的距离要大于20m。3.2内部防雷系统及设计 构筑和作用于建筑物内部的防雷工程称为内部防雷工程，其系统就是内部防雷系统。建筑物内部防雷工程涉及面较宽，面对的是包括感应雷、传导雷和因线路上浪涌高电压所造成电网波动在内的众多损害，归纳起来危害最大的主要方面是高电压的引入。高电压引入是指雷电高电压通过金属线引导到室内或其他地方造成破坏的雷害现象。高电压引入的电源有三种：其一是直击雷直接击中金属导线，让

21、高压雷电以波的形式沿着导线两边传播而引入室内，即雷电波侵入；第二种是来自感应雷的高电压脉冲，即感应过电压；第三是地电位反击，这种反击会沿着电力系统的零线，保护接地线和各种形式的接地线，以波的形式传入室内或传播到更大的室内范围，造成大面积的危害。针对以上三种雷害内部防雷系统主要有屏蔽、安装防雷器SPD和等电位连接等三种措施。屏蔽措施已经在防雷设计六大要素中有所阐述，下面主要阐述防雷器SPD设计安装和等电位连接。3.2.1防雷器SPD设计安装 为避免高电压经过避雷器对地泄放后的残压过大，或因更大的雷电流在击毁避雷器后继续毁坏后续设备，以及防止线缆遭受二次感应，依照建筑物防雷设计规范（GB50057

22、-2010）和建筑物电子信息系统防雷技术规范GB50343-2004，应采取分级保护、逐级泄流的原则。其具体设计做法：是在大楼电源的总进线处安装放电电流较大的一级电源避雷器，这里一般要用三相电压开关型SPD；在重要楼层或重要设备电源的进线处加装二或三级电源避雷器，一般用限压型SPD；在末端配电处安装四级或称为末端电源避雷器，一般用限压型SPD。究竟要使用几级SPD，可以有建筑防雷等级确定。一般一类防雷建筑需要四级；二类需要三级；三类需要二级。为了确保遭受雷击时，高电压首先经过一级电源避雷器，然后再经过二、三级或末级电源避雷器，一级电源避雷器和二级电源避雷器之间的距离要大于10米，如果两者间距不

23、够，可采用带线圈的防雷箱，这样可以避免二级或三级电源避雷器首先遭受雷击而损坏。3.2.2等电位连接建筑物的等电位连接设计主要有以下几种：3.2.2.1总等电位连接和局部等电位连接总等电位连接MEB的作用在于降低建筑物内间接接触电压和不同金属部件间的电位差，并消除自建筑物外经电气线路和各种金属管道引入的危险故障电压的危害，它主要通过进线配电箱近旁的总等电位联结端子板(接地母排)将下列导电部分互相连通：进线配电箱的PE(PEN)母排；公用设施的金属管道，如上、下水、煤气等管道；建筑物金属结构；如果做了人工接地，也包括其接地极引线。 建筑物每一电源进线都应做总等电位连接，各个总等电位连接端子板应互相

24、连通。局部等电位连接LEB是指当电气装置或电气装置的某一部分的接地故障保护不能满足切断故障回路的时间要求时，应在局部范围内做的等电位连接。它包括PE母线或PE干线；公用设施的金属管道；如果可能，也包括建筑物金属结构。3.2.2.2建筑物内部导电部件的等电位连接等电位连接不仅仅是针对雷电暂态过电压的，还包括其它如工作过电压、操作过电压等暂态过电压的防护，特别是在有过电压的瞬间对人身和设备的安全防护。因此，有必要将建筑物内的设备外壳、水管、暖气片、金属梯、金属构架和其他金属外露部分与共用接地系统做等电位连接。而且需要注意的是，绝不能因检修等原因切断这些连接。但是，对于燃气管道，只在进入建筑物处与接

25、地系统相连，但在每个接头处要有辅助跨接线。因为燃气管道本身不容许有多个接地连接，使其成为接地系统的一部分。3.2.2.3信息系统的等电位连接对信息系统的各个外露可导电部件也要建立等电位连接网络，并与共用接地系统相连。接至共用接地系统的等电位连接网络有两种结构：S型（星型）结构和M型（网格型）结构。对于工作频率小于0.1MHZ的电子设备，一般采用S型（星型）结构；对于频率大于10MHZ的电路，一般采用M型（网格型）结构。3.2.2.4各楼层的等电位连接将每个楼层的等电位连接与建筑物内的主钢筋相连，并在每个房间或区域设置接地端子，由于每层的所有接地端子彼此相连，而且又与建筑物主钢筋相连，这就使每个

26、楼层成了等电位面。再将建筑物所有接地极、接地端子连接形成等电位空间。最后，将屋顶上的设备和避雷针等与避雷带连接形成屋面上的等电位。3.2.2.5接地网的等电位连接在某中意义上说，建筑物的共用接地系统在大范围内即为等电位连接，比如我们常见的计算机房的工作接地、屏蔽接地和防雷接地等采用同一接地系统的原理就是避免各接地间产生的瞬态过电压差对设备造成影响。因此，钢筋混凝土结构建筑物利用基础钢筋网做接地体，一般要围绕建筑物四周增设环形接地体，并与建筑物被柱内用作引下线的柱筋焊接，这样就大大降低了接地网由于雷电流造成地电位不均衡的概率。4、工程举例 假如一建筑物的年预计雷击次数N =0.148 ，由此确定

27、此建筑属于二类防雷建筑。因此此建筑的所有防雷设计都应按照防雷设计规范上“二类防雷建筑物的防雷措施”进行设计。4.1、外部防雷系统设计4.1.1、接闪器本工程采用避雷带作为主要的的接闪器。另外，根据上下部建筑单体长度和高度，决定在其最高点分别装设避雷针。避雷带采用40X4热镀锌扁钢，考虑到美观，对热镀锌扁钢进行贴零敷设。避雷带过伸缩缝和沉降缝时应留有10cm的余量。避雷针型号为PDC6.3，其针对二类建筑的保护半径为93m，满足要求。避雷针应与避雷带相互连接。4.1.2、引下线利用结构柱内两根不小于Ø16的主筋做为防雷引下线, 上端与避雷带焊接，下端与接地体焊接，并在建筑物四处外角处的

28、引下线上距地0.6m做暗装测试点。二类防雷建筑的引下线间距为不大于18m，因此，在此建筑每搁16m设一引下线。根据规定二类防雷建筑避雷带应在整个屋面组成不大于10m×10m或12m×8m的网格。4.1.3、接地体本工程利用基础梁内的主筋作为接地体，图示基础梁内的上下两层钢筋均焊成一个回路。接地体四周与引下线焊接处要引出2米镀锌扁钢供补打接地极用。在MEB、LEB端子板处用两根40*4热镀锌扁钢与基础接地体两条主钢筋相焊接引上至各等电位端子箱。用两根40*4热镀锌扁钢与基础接地体两条主钢筋相焊接沿竖井引上至电梯机房作工作接地体。4.2、内部防雷系统设计4.2.1、根据建筑物的需求设计安装SPD防雷器； 在大楼电源的总进线处安装放电电流较大的一级电源避雷器，这里一般要用三相电压开关型SPD；在重要楼层或重要设备电源的进线处加装二或三级电源避雷器，一般用限压型SPD；在末端配电处安装四级或称为末端电源避雷器，一般用限压型SPD。究竟要使用几级SPD，可以有建筑防雷等级确定。一般一类防雷建筑需要四级；二类需要三级；三类需要二级。为了确