电气安全第4章

1、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。 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

2、筑物顶部尖端放电时负雷云对建筑物顶部尖端放电时 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。 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。长时间雷击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_ + itti+ _itti_

3、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0000向下闪击可能的雷击组合向下闪击可能的雷击组合c）d）b）a）_itti_ +itti+ _ +ite）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短单一长时间雷击00000向上闪击可能的雷击组合向上闪击可能的雷击组合 （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

4、相关。 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/kA200150100T1波头时间/s101010T2波头时间/s350350350Qs电荷量/C1007550W/R单位能量/(MJ/)105.62.5首次短时雷击的雷电流参数首次短时雷击的雷电流参数t90%10%1T2TI50%I峰值电流（幅值）波头时间T半峰时间12Ti+ _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/kA5037.525T1波头时间/s0.250.250.25T2波头时间/s100100100I/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

5、电流参数t90%10%1T2TI50%I峰值电流（幅值）波头时间T半峰时间12Ti+ _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Q1电荷量/C5037.525T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_ +i10%10%T1Q1Q长时间雷击的电荷量从波头10峰值至波尾10T （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。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

6、电路 关键：电路尺寸与电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？600mLNNL5MHZBAuaf =b)50HZuuf =uaa)ZL线路段上的电压波线路缩小6000km600mxxZL 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） 因此，分布参数电路中没有节点、支路等概念，KCL、KVL不再成立。

7、 （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。 （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，说明传输线上可以有净电荷的集聚。xxdx+i (x, t )xxxxxu(x, t )r0dddddr0L0g0C0 xxxxxxx,

8、t ), t )ddu(x+i (x+L0d0drLCd0g0d0d传输线的集中参数等效电路 无限分割级联组合 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/（00 ） （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

9、。 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。 A1fi1biAuu1b1fu1fA1f1bi1buiu1f1fu末端短路末端开路 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。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

10、。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技术委员会。 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 二、建筑物防雷类别 1、建筑防雷类别划分的目

11、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。 （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。 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。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

12、害最小的方式泄放。 一、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。 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。 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，自然引下线。 人工引下线：镀锌圆

13、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。 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。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 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

14、，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。rhrhrhrhrhrhrh （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。 2、网格尺寸法 控制避雷网网格尺寸大小，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

15、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。 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。 三、典型接闪器保护范围计算 （一）避雷针保护范围计算 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。rhhrhxhxxxrxrrh平面上保护范围的截面xxAB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

16、避雷针保护范围计算 2、两只等高避雷针保护范围计算AhrxxxhxhrhhrFBODAOB竖直平面上保护范围EBAC11O0b地面上保护范围平面上保护范围x-xF （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。 3、单根避雷线保护范围BArhxhxxxbrhh避雷线rh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hrbxxxhxhrhhrAB避雷线线高小于滚球半径线高小于滚球半径 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，

17、该压降使接地体和引下线上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。 （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。 xRiLSxLxx，工作接地防直击雷接地dSxRS1 . 02 . 0 xxshd3 . 0 RS 2、雷电电磁感应防护 （1）产生原理（图见下页） （2）危害：缺

18、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。 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 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。第五节 建筑物内部防雷系统及雷击电磁脉冲防护 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

19、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。 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。 二、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。

20、 目的：避免感应电压击穿空气产生电火花。 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）。 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 impulse） 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

21、防护。 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。 （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

22、区一般都处于建筑物外。 （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。滚球半径hMLPZOBLPZOLPZOLPZOBBALPZ1LPZ2LPZ3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 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。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外来导电物多点进入建筑物的等电位联结屏蔽作法示例屏蔽作法示例r屋顶避雷带屋顶避雷针建筑钢筋信息线路电力线路架空楼板设备外壳设备间LPZ3LPZ2LPZ1ABBLPZ0LPZ0LPZ0BLPZ0M滚球半径h屏蔽层环状等电位联结排金属风管等电位联结与屏蔽示例等电位联结与屏蔽示例第六节 工程接地装置 接地装置是接地得以实施的前提条