防雷建筑防雷第四章

1、梅卫群江燕如 编著20222022年年2 2月月6 6日星期日日星期日电子工程系 雷电防护教研室第 四 章 接闪器保护范围 建筑防雷教程确定保护范围的方法r保护角度法网格法滚球法保护范围保护范围: 避雷针的保护范围是以它对直击雷的保护空间来表避雷针的保护范围是以它对直击雷的保护空间来表示的。避雷针保护范围的概念是与一定的绕击率相对应的。示的。避雷针保护范围的概念是与一定的绕击率相对应的。 所谓绕击率就是某一物体处在避雷针的保护范围内所谓绕击率就是某一物体处在避雷针的保护范围内 ，由于雷电的路径受很多偶然因素的影响，仍不能保证绝，由于雷电的路径受很多偶然因素的影响，仍不能保证绝对不遭受直接雷击，

2、该物体在此情况下受雷击的概率就是对不遭受直接雷击，该物体在此情况下受雷击的概率就是绕击率。绕击率。 绕击率为绕击率为1的避雷针的保护范围就比绕击率为的避雷针的保护范围就比绕击率为0.1的保护范围大得多。绕击率与雷电流本身的参数有关。雷的保护范围大得多。绕击率与雷电流本身的参数有关。雷电流愈大，绕击率就愈小。电流愈大，绕击率就愈小。 在山区地形，气象不利条件下，也不排除发生大雷电在山区地形，气象不利条件下，也不排除发生大雷电流绕击的例外情况。在讨论避雷针的保护范围时，规定具流绕击的例外情况。在讨论避雷针的保护范围时，规定具有有0.1左右的绕击率。左右的绕击率。 滚球法：滚球法的物理图象是，滚球法

3、的物理图象是，是以是以h hr r为半径的为半径的一个球体，沿需要防直击雷的部位滚动，当球体只触及接一个球体，沿需要防直击雷的部位滚动，当球体只触及接闪器（包括被利用作为接闪器的金属物），或只触及接闪闪器（包括被利用作为接闪器的金属物），或只触及接闪器和地面（包括与大地接触并能承受雷击的金属物），而器和地面（包括与大地接触并能承受雷击的金属物），而不触及需要保护的部位时，则该部分就得到接闪器的保护。不触及需要保护的部位时，则该部分就得到接闪器的保护。滚球在建筑物上的移动轨迹滚球在建筑物上的移动轨迹 滚球法系几何模拟法，它以放电路径几何距离的长短滚球法系几何模拟法，它以放电路径几何距离的长短作为

4、避雷针保护范围的判据。作为避雷针保护范围的判据。10,1 100kA97% pot*99% pot*91% pot*保护水平保护水平 III保护水平保护水平 IV2,9 200kA5,4 150kA保护水平保护水平 I保护水平保护水平 II105010015020015,7 100kA84% pot*0/kA 假设雷电先导是一个从雷云出发，不受地面任何特假设雷电先导是一个从雷云出发，不受地面任何特征影响的，自由发展的放电。只有当该雷电先导到达大地征影响的，自由发展的放电。只有当该雷电先导到达大地附近一定高度时，先导才开始向地面突出物偏转。附近一定高度时，先导才开始向地面突出物偏转。 从某一雷击

5、偏转点从某一雷击偏转点P P到避雷针和大地画弧。圆弧下的到避雷针和大地画弧。圆弧下的面积则为避雷针的保护范围。面积则为避雷针的保护范围。 1992 1992年颁布的英国标准年颁布的英国标准构筑物避雷的实用规构筑物避雷的实用规程程BS6651BS6651中明确指出中明确指出: : 对高度超过对高度超过2020米的构筑物而言米的构筑物而言，高度在高度在2020米米以下的任何避雷针的保护角均会是与较低的构筑以下的任何避雷针的保护角均会是与较低的构筑物相同的物相同的。然而对于然而对于2020米以上的构筑物而言米以上的构筑物而言，有有这样建筑物在侧面上遭闪击的可能性这样建筑物在侧面上遭闪击的可能性，可推

6、荐的可推荐的是是，被保护的空间应采用滚球方法予以测定被保护的空间应采用滚球方法予以测定。 国际公认滚球理论的基础是国际公认滚球理论的基础是Whitehead 提出提出的，学术上称为电气几何法的，学术上称为电气几何法( (EGM) )。 EGM理论认为：理论认为： 雷电先导首先进入哪一物体的雷击距离，就雷电先导首先进入哪一物体的雷击距离，就对哪一物体放电，雷击距离是雷电流的函数。对哪一物体放电，雷击距离是雷电流的函数。 EGM理论可简略地归纳以下三点理论可简略地归纳以下三点: : (1) (1)滚球法是基于以下的雷闪数学模型滚球法是基于以下的雷闪数学模型( (电电气气几何模型几何模型) )：简化

7、为：简化为： (2)(2)雷电先导对大地、导线及针形物体的雷击雷电先导对大地、导线及针形物体的雷击距离是一致的。距离是一致的。 (3)(3)雷电先导是斜向入射的，其入射角呈概率雷电先导是斜向入射的，其入射角呈概率分布分布。8 . 61302IreIh65. 010Ihr 与与h hr r相对应的雷电流按公式整理后相对应的雷电流按公式整理后，为为： I I 以以h hr r值代入，由于第一类防雷建筑物确立值代入，由于第一类防雷建筑物确立I=5.4kAI=5.4kA，二类为，二类为I=10.1kAI=10.1kA，三类为，三类为I=15.8kAI=15.8kA，由，由此计算出第一类防雷建筑物的此计

8、算出第一类防雷建筑物的h hr r=30m=30m；第二类；第二类h hr r=45m=45m；第三类；第三类h hr r=60m=60m。 在使用滚球半径的尺度上，我国标准与国际在使用滚球半径的尺度上，我国标准与国际标准是有差别的。标准是有差别的。IECIEC标准将防雷级别分为标准将防雷级别分为类，其该球半径分别为类，其该球半径分别为20m20m、30m30m、45m45m和和60m60m。 54. 110rh一、单支避雷针的保护范围一、单支避雷针的保护范围 单支避雷针的保护范围计算简图单支避雷针的保护范围计算简图 由计算推导，单支避雷针的保护范围的计算式确定如由计算推导，单支避雷针的保护范

9、围的计算式确定如下：下： （4-24-2）式中：式中：rx 避雷针在避雷针在hx高度高度x-x平面的保护半径；平面的保护半径； hr 为滚球半径；为滚球半径； hx 被保护物的高度（被保护物的高度（m）；）； r0 避雷针在地面上的保护半径避雷针在地面上的保护半径 。hhhrr20 由计算推导，单支避雷针的保护范围的计算式确定如由计算推导，单支避雷针的保护范围的计算式确定如下：下： （4-14-1） 式中：式中：rx 避雷针在避雷针在hx高度高度x-x平面的保护半径；平面的保护半径； hr 为滚球半径；为滚球半径； hx 被保护物的高度（被保护物的高度（m）；）； r0 避雷针在地面上的保护半

10、径避雷针在地面上的保护半径 。xrxrxhhhhhhr22单支避雷针在单支避雷针在hx高高度的保护范围度的保护范围单支避雷针地面单支避雷针地面的保护范围立体图的保护范围立体图单支避雷针的保护范围剖面立体图 第二类防雷建筑物，计算第二类防雷建筑物，计算单支避雷针的保护范围时，滚单支避雷针的保护范围时，滚球半径为球半径为45m45m，若避雷针离地，若避雷针离地高度为高度为45m45m，代入公式得避雷，代入公式得避雷针在地面上的保护半径为针在地面上的保护半径为45m45m； 若避雷针的高度为若避雷针的高度为8m8m，代，代入公式得：入公式得： = 25.6(m) = 25.6(m) 8452820h

11、hhrr 若单支避雷针的高度大于滚球半径，则避雷针在地面若单支避雷针的高度大于滚球半径，则避雷针在地面上的保护半径等于滚球半径，即：上的保护半径等于滚球半径，即：r0 = hr 问题讨论问题讨论1 :避雷针的利与弊 人们普遍认为，人们普遍认为，“避雷针避雷针”可以避雷、防雷，获得安可以避雷、防雷，获得安全。全。 其实，打雷时其实，打雷时“避雷针避雷针”引下线周围恰恰是危险区，引下线周围恰恰是危险区，“避雷针避雷针”接闪引雷落地的瞬间，足以使靠近的人、畜致接闪引雷落地的瞬间，足以使靠近的人、畜致命，在引下线四周的闭合线路也会因很强的电磁感应引起命，在引下线四周的闭合线路也会因很强的电磁感应引起极

12、高的过电压，导致附近电子设备受到损坏。极高的过电压，导致附近电子设备受到损坏。 很多人不知道避雷针的危险性，在雷暴发生时向很多人不知道避雷针的危险性，在雷暴发生时向“避雷针避雷针”靠拢，在施工时把靠拢，在施工时把“避雷针避雷针”安装在欲保护的安装在欲保护的油罐近处，以求得到安全、可靠的保护，结果适得其反！油罐近处，以求得到安全、可靠的保护，结果适得其反！ 防感应雷击方面，防感应雷击方面，“避雷针避雷针”更是无能为力。更是无能为力。 落雷点的高地电位反击亦是导致电子设备破坏的重要落雷点的高地电位反击亦是导致电子设备破坏的重要原因。原因。 “避雷针避雷针”的作用是接闪雷电引雷入地，保护其附近的作用

13、是接闪雷电引雷入地，保护其附近的建筑物及设备免遭直接雷击的破坏。从这个意义上讲，的建筑物及设备免遭直接雷击的破坏。从这个意义上讲，对建筑物及某些设备的确起到了避雷的作用。这也是对建筑物及某些设备的确起到了避雷的作用。这也是“避避雷针雷针”之大名一直响亮地沿用至今的根本原因。之大名一直响亮地沿用至今的根本原因。 避雷针的英文为避雷针的英文为Lightning Mast或或Lightning Rod。 Lightning Mast，按中文的意思是，按中文的意思是“雷电杆雷电杆”，毫无防，毫无防避雷电之意。避雷电之意。 国际标准国际标准IEEE STD 998-1996 1.3.1（变电站直击雷（变

14、电站直击雷防导则）对防导则）对Lightning Mast作了解释，其中文译文为：作了解释，其中文译文为： Lightning Mast(雷电杆雷电杆)：一个柱子或基础结构，由：一个柱子或基础结构，由它的顶到地有一垂直导体或它本身就是一到地的导体，其它的顶到地有一垂直导体或它本身就是一到地的导体，其目的是栏截雷击使不落在其保护范围内的物体上。目的是栏截雷击使不落在其保护范围内的物体上。 屋面避雷针高度的确定 问题讨论问题讨论2 : 单独采用滚球法，屋顶的某一剖面（以最大剖面为准，单独采用滚球法，屋顶的某一剖面（以最大剖面为准，左右对称），左右对称），A A为屋顶处的避雷带或可被利用作接闪器的为

15、屋顶处的避雷带或可被利用作接闪器的金属物，金属物，B B为需要保护的突出屋面的物体上最外的一点。为需要保护的突出屋面的物体上最外的一点。先以先以A A、B B为圆心，相应的滚球半径为圆心，相应的滚球半径hrhr为半径，作圆弧交于为半径，作圆弧交于C C点，再以点，再以C C点，为圆心，点，为圆心，hrhr为半径，作圆弧交于垂直平分为半径，作圆弧交于垂直平分线的线的O O点。点。 然后，然后，用比例尺直用比例尺直接量出接量出OO的长度、在的长度、在O点上立一点上立一支避雷针，支避雷针，其长度大于其长度大于OO就可以就可以了。了。 滚球法和避雷网组合。该例与图滚球法和避雷网组合。该例与图3类同，但

16、屋面比较类同，但屋面比较大，低屋面按避雷网布置。先在避雷网上方作一平行于避大，低屋面按避雷网布置。先在避雷网上方作一平行于避雷网的水平线，其间距为滚球半径雷网的水平线，其间距为滚球半径hr，以，以B点为圆心，点为圆心，hr为半径，作弧线交于平行线上为半径，作弧线交于平行线上C点，再以点，再以C点为圆心，点为圆心，hr为半径作弧线交于垂直平分线的为半径作弧线交于垂直平分线的O点。然后，用比例尺直点。然后，用比例尺直接量出接量出OO的长度，在的长度，在O点上立一支避雷针，其长度大于点上立一支避雷针，其长度大于OO就可以了。就可以了。 避 雷 针 的 改 进问题讨论问题讨论3 : 美国科学家用一种新

17、技术把雷电吸引到了安全地带。美国科学家用一种新技术把雷电吸引到了安全地带。 其方法是其方法是: 用高压水炮向暴风云中喷射含有特殊盐用高压水炮向暴风云中喷射含有特殊盐和聚合物的超细水流，由于水流中含盐，因此增加了水的和聚合物的超细水流，由于水流中含盐，因此增加了水的导电性，这样超细水流就像避雷针一样，将雷电引入地下。导电性，这样超细水流就像避雷针一样，将雷电引入地下。 水中溶解的聚合物可以防止喷射的水流分裂成液滴水中溶解的聚合物可以防止喷射的水流分裂成液滴或雾状，以使水流的直径保持在厘米左右，并能射入或雾状，以使水流的直径保持在厘米左右，并能射入米以上的高空暴风云中。米以上的高空暴风云中。 当雷

18、电触发时，水流可以通过当雷电触发时，水流可以通过10,000安培安培(10kA)的电的电流。由于水流是和喷嘴的巨大铜圆锥体相连的，因此，它流。由于水流是和喷嘴的巨大铜圆锥体相连的，因此，它就成为一根有效的避雷针。就成为一根有效的避雷针。 有趣的是，世纪年代，美国海军曾在偶然引有趣的是，世纪年代，美国海军曾在偶然引爆一颗实验性深水炸弹时，爆炸掀起的巨大含盐海水柱冲爆一颗实验性深水炸弹时，爆炸掀起的巨大含盐海水柱冲向天空，正好进入附近的暴风云中，结果引起一次雷鸣电向天空，正好进入附近的暴风云中，结果引起一次雷鸣电闪。闪。 研究人员建议研究人员建议:为了防止大型露天运动场或音乐会遭为了防止大型露天运

19、动场或音乐会遭受雷电袭击，可在运动场周围安装能够移动的水炮，水炮受雷电袭击，可在运动场周围安装能够移动的水炮，水炮上安上雷电检测器，当周围出现的电场强大到足以可能发上安上雷电检测器，当周围出现的电场强大到足以可能发生雷电袭击时，检测器就可以通过计算机操纵水炮，向空生雷电袭击时，检测器就可以通过计算机操纵水炮，向空中喷射水流，起临时避雷针的作用。中喷射水流，起临时避雷针的作用。易燃易爆场所防 雷 保 护 要 点问题讨论问题讨论4 : 加油站、液化气站、天然气站、输油管道、储油罐加油站、液化气站、天然气站、输油管道、储油罐（池）、油井、弹药库等易燃易爆场所，如果缺少必要的（池）、油井、弹药库等易燃

20、易爆场所，如果缺少必要的防雷电设施，将会因雷电灾害造成重大的损失。防雷电设施，将会因雷电灾害造成重大的损失。 这类场所除安装防直击雷的设施外，对储气（油）罐这类场所除安装防直击雷的设施外，对储气（油）罐（池）及管道、设备等还必须安装防静电感应雷、防电磁（池）及管道、设备等还必须安装防静电感应雷、防电磁感应雷的装置。感应雷的装置。 采用避雷针保护时，必须高出有爆炸性气体的放气管采用避雷针保护时，必须高出有爆炸性气体的放气管管顶管顶 3 米，其保护范围也要高出管顶米，其保护范围也要高出管顶 12米。米。 如建筑物附近有高大的树木时，若不在保护范围内树如建筑物附近有高大的树木时，若不在保护范围内树木

21、应和建筑物保持木应和建筑物保持 35 米的净距，以防止接闪时产生反米的净距，以防止接闪时产生反击。击。 1、石油化工金属储罐的防雷、石油化工金属储罐的防雷 、石油化工方面的金属储罐，它包括石油及其各种、石油化工方面的金属储罐，它包括石油及其各种由它制成的油品和液化烃、可燃液体以及可燃气体等方面由它制成的油品和液化烃、可燃液体以及可燃气体等方面的金属贮罐。的金属贮罐。 、石油化工方面的金属储罐防直击雷措施，应符合、石油化工方面的金属储罐防直击雷措施，应符合下列要求：下列要求： A、金属储罐必须作环型防雷接地，其接地点不应少、金属储罐必须作环型防雷接地，其接地点不应少于两处，其间弧形距离不应大于于

22、两处，其间弧形距离不应大于30m，接地体距罐壁的距，接地体距罐壁的距离应大于离应大于3m。每一接地的冲击接地电阻不应大于。每一接地的冲击接地电阻不应大于10。 B、金属贮罐的壁厚、金属贮罐的壁厚4mm时应装设防直击雷设施，时应装设防直击雷设施，如设独立针或在罐体上设避雷针，当壁厚如设独立针或在罐体上设避雷针，当壁厚4mm时，可不时，可不装设防直击雷设施，但在多雷区装设防直击雷设施，但在多雷区(年平均雷暴日数大于年平均雷暴日数大于40天地区天地区)，也可装防直击雷设施。，也可装防直击雷设施。 C、固定顶金属油罐、固定顶金属油罐(容器容器)附件附件(如呼吸阀、安全阀如呼吸阀、安全阀)必必须装设阻火

23、器。须装设阻火器。 D、金属储罐的阻火器、呼吸阀、量油孔、人孔、透、金属储罐的阻火器、呼吸阀、量油孔、人孔、透光孔等金属附件必须保持等电位连接。光孔等金属附件必须保持等电位连接。 2、有火灾危险的建筑物防雷：、有火灾危险的建筑物防雷： 农村的草房、木板房屋、谷物堆场，以及贮存有易燃农村的草房、木板房屋、谷物堆场，以及贮存有易燃烧材料的建筑物，如亚麻、棉花、稻草、干草的仓库等，烧材料的建筑物，如亚麻、棉花、稻草、干草的仓库等，都属于有火灾危险的房屋。都属于有火灾危险的房屋。 这些房屋最好用独立避雷针保护。如果采用屋顶避雷这些房屋最好用独立避雷针保护。如果采用屋顶避雷针或避雷带保护时，在屋脊上的避

24、雷带应支起针或避雷带保护时，在屋脊上的避雷带应支起0.6米，斜米，斜脊屋檐部分连接条应支起脊屋檐部分连接条应支起0.4米，所有防雷引下线应支起米，所有防雷引下线应支起0.10.15米。米。 防雷装置的金属部件不应穿入屋内或贴近草棚上，以防雷装置的金属部件不应穿入屋内或贴近草棚上，以防止由于反击而引起火灾。防止由于反击而引起火灾。 电源进户线及屋内电线都要与防雷系统有足够的绝缘电源进户线及屋内电线都要与防雷系统有足够的绝缘距离，否则应采取保护措施。距离，否则应采取保护措施。如何运用滚球法的问题讨论问题讨论5: 由于使用避雷针做为接闪器时得到的保护范围，一由于使用避雷针做为接闪器时得到的保护范围，

25、一般具有较好的轴对称性。般具有较好的轴对称性。 首先规定以下几个条件：首先规定以下几个条件： 1、 滚球半径为滚球半径为hr（ 根据根据 GB50057-94 可选可选30、45、60m）。）。 2、 地面无论坡度多大均为绝对平面。地面无论坡度多大均为绝对平面。 3、 避雷针高度避雷针高度 h 指针尖竖直至地面的距离，针尖指针尖竖直至地面的距离，针尖以下部分均视为接闪器。针杆均为竖直安装，即避雷针与以下部分均视为接闪器。针杆均为竖直安装，即避雷针与竖直轴重合。竖直轴重合。 一个半径为一个半径为 hr 的球沿水平地面滚动，当它遇到高度的球沿水平地面滚动，当它遇到高度h=hr的避雷针时被阻碍，让它

26、翻过针尖继续向前滚。的避雷针时被阻碍，让它翻过针尖继续向前滚。 滚球离开避雷针后我们即可看到滚球无法触及的范围滚球离开避雷针后我们即可看到滚球无法触及的范围就是滚球外圆运动轨迹的内包络线与地面间的范围。就是滚球外圆运动轨迹的内包络线与地面间的范围。 这就是该剖面上的保护范围。这就是该剖面上的保护范围。 由于保护范围沿竖直轴具有完全轴对称性，令该包络由于保护范围沿竖直轴具有完全轴对称性，令该包络线沿竖直轴旋转得到的实体就是实际空间的保护范围。线沿竖直轴旋转得到的实体就是实际空间的保护范围。 如果被保护的建筑物完全在该实体的范围内，则我们如果被保护的建筑物完全在该实体的范围内，则我们认为这样的保护是有效的。认为这样的保护是有效的。 避雷针的保护