雷电过电压的产生及弱电系统防雷技术课件

雷电过电压的产生

及弱电系统防雷技术主讲：曹晓斌西南交通大学电气工程学院雷电过电压的产生

及弱电系统防雷技术主讲：曹晓斌主要内容雷电的起源雷电的主要参数雷电过电压的类型雷电过电压的防护浪涌的防护主要内容雷电的起源1、雷电的起源1、雷电的起源

在全球范围内雷电发生的频率很高大厦，任何时刻大约有2000个地点遇上雷暴，每秒钟就有上百次雷电，每天约有800多万次雷电，一年中平均发生30多亿次雷电，每次闪电在微秒级的瞬间释放出约55kW.h的能量。森林火灾有50％以上因雷电引发；人们居住生活的建筑物屡遭雷击破坏；电力、石化等工业设施常因雷击而发生灾难性事故。在全球范围内雷电发生的频率很高大厦，任何时刻大约有2000雷电过电压的产生及弱电系统防雷技术课件1.1雷云的产生感应起电说冻结起电说电离起电说温差起电说破碎起电说摩擦起电说1.1雷云的产生感应起电说温差起电说感应起电说地球是一个带电的大电容，电离层带正电，地壳表面带负电，带电量约为50万库仑。水滴（也可能是冰晶、雹粒）在垂直大气电场中感应电荷，下端为正、上端为负，与大气中上升的负离子的电荷中和，使水滴带负电，形成雷（雨）云起电后的电荷分布。感应起电说地球是一个带电的大电容，电离层带正电，地壳表面带温差起电说冰块中同时存在氢离子（H+

）和氢氧根离子（OH

），由于冰块两端温度不同，会产生发生离子扩散现象。氢离子质量轻，扩散快，冷端呈现带正电。在对流气流和重力的作用下，形成雷（雨）云起电后的电荷分布温差起电说冰块中同时存在氢离子（H+）和氢氧根离子冻结起电说在云层重有许多过冷水滴，当过冷水滴与霰粒碰撞时，会立即冻结，这叫撞冻。当发生撞冻时，过冷水滴外部立即冻成冰壳，但它的内部仍暂时保持着液态，并且由于外部冻结放的潜热传到内部，其内部液态过冷水的温度比外面的冰壳高。温度的差异使得冻结的过冷水滴外部带上正电，内部带上负电。冻结起电说在云层重有许多过冷水滴，当过冷水滴与霰粒碰撞时，会1.2雷电的种类闪电的类型：从闪电的形状分类，则可分为：线状闪电片状闪电带状闪电联珠状闪电球状闪电线状闪电

片状闪电

带状闪电

1.2雷电的种类闪电的类型：线状闪电片状闪电链珠状闪电

球状闪电

链珠状闪电球状闪电从闪电的空间位置分类云空闪云际闪云内闪云地闪从闪电的空间位置分类云空闪云际闪云内闪

云与大地之间的闪电简称地闪，对人类的关系最密切，是防雷研究的主要对象大地被雷击时，多数是负电荷从雷雨云向大地放电，称之为负地闪；少数是正电荷从雷雨云向大地放电，称之正地闪。空间位置（性质）晴天放电雷云闪电云内闪电云际闪电云地闪电空间位置（性质）晴天放电雷云闪电云内闪电云际闪电云地闪电1.3地闪的发展过程流光放电梯级下行先导上行先导回击后续闪击1.3地闪的发展过程流光放电梯级下行先导上行先导回击后续雷电通道的参数每级通道变化范围约3~200m平均速度约1.5

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cm/s间隙时间约30~125us每一级的推进速度约5

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cm/s通道直径约1~10m每一级的击穿方向是不确定的折线雷电通道的参数每级通道变化范围约3~200m2、雷电的主要参数2、雷电的主要参数雷电流波形2.1雷电的波形雷电流波形2.1雷电的波形-40-20002004006008001000μskA100300500700900两次雷击时间相差几百微秒首次雷击后续雷击i10/350μs-40-20002004006008001000μskA10

波头时间及波长

雷电流是一个非周期的瞬态电流，通常是很快上升到峰值，然后较为缓慢的下降。雷电流的波头时间【T1】是指雷电流从零上升到峰值的时间，又称为波前时间；波长时间【T2】是指从零上升到峰值，然后下降到峰值的一半的时间，又称为半峰值时间。由于在雷电流波的起始和峰值处常常叠加有振荡，很难确定其真实零点和到达峰值的时间，因此，我们常用视在波头时间T1和视在波长时间T2来表示雷电流的上升时间和半峰值宽度，一般记为T1/T2，如下图所示：波头时间及波长正极性雷电流波形负极性雷电流波形正极性雷电流波形负极性雷电流波形标准波形

[英]R.H.Golde《雷电》一书的记载和近年来大量的观测表明：雷电流具有单极性的脉冲波形，大约有80-90%的雷电流是负极性的，常见的负电流波形前沿呈拱形。国外在圣萨尔瓦托山、纽约州府大厦、意大利和其它高建筑物等观测点观测获得的电流波记录都显示出有相似的拱形前沿，到达峰值雷电流的中值时间有的是5.5μs，有的是7μs。在IEC标准、国标中规定的雷击测试波形主要有：8/20us、10/350us（电流波）、10/700us以及1.2/50us（电压波）等。标准波形在IEC标准、国标中规定的雷击测试波形主要有：8/2标称放电电流In

标称放电电流In2.2雷电流的分布概率IEC61024-105101520250-1010-2020-3030-4040-5050-6060-7070-8080-9090-100100-110110-120120-130130-140140-150150-160160-170170-180180-190190-200雷击幅度[kA],正闪击和负闪击雷击概率,%2.2雷电流的分布概率IEC61024-10510152雷暴日与雷暴小时

雷电放电涉及到气象、地形、地质等许多自然因素，有一定的随机性，因而表征雷电特性的参数也带有一定的统计性质。在防雷设计中，雷暴日、雷电流波形、幅值等参数是我们比较关心的几个参数。1）雷暴日为了表征雷电活动的频率，采用年平均雷暴日【Td】作为计算单位。无论一天内听到几次雷声，只要有一次，该天就记为一个雷暴日，一天有多次，仍记为一个雷暴日。

2）雷暴小时一年中发生雷电放电的小时数，在一个小时内只要有一次雷电，即计为一个雷电小时（Th）2.3雷电活动区域的划分雷暴日与雷暴小时2.3雷电活动区域的划分雷电活动区域的划分根据雷电活动的频度和雷害的严重程度，我国根据年平均雷暴日数分类：

T~>90的地区叫做强雷区

T≥40的地区为多雷区

15≤T≤40的地区为中雷区

T≤15的地区为少雷区海口市平均年雷暴日105天，属强雷区。雷电活动区域的划分雷电过电压的产生及弱电系统防雷技术课件我国一些重要城市的年平均雷暴日

地名雷暴日数（d/a）地名雷暴日数（d/a）地名雷暴日数（d/a）地名雷暴日数（d/a）北京市36.3苏州市28.1郑州市21.4自贡市37.6天津市29.3南通市35.6洛阳市24.8贵阳市49.4上海市28.4徐州市29.4三门峡市24.3遵义市53.3重庆市36.0杭州市37.6武汉市34.2昆明市63.4石家庄市31.2宁波市40.0宜昌市44.6拉萨市68.9太原市34.5温州市51.0长沙市46.6西安市15.6呼和浩特市36.1合肥市30.1衡阳市55.1兰州市23.6包头市34.7蚌阜市31.4广州市76.1汉中市31.4沈阳市26.9安庆市44.3深圳市73.9西宁市31.7大连市19.2福州市53.0湛江市94.6银川市18.3长春市35.2厦门市47.4南宁市84.6乌鲁木齐市9.3吉林市40.5南昌市56.4柳州市67.3海口市104.3哈尔滨市27.7济南市25.4桂林市78.2琼中115.5南京市32.6青岛市20.8北海市83.1香港34.0常州市35.7烟台市23.2成都市34.0台北市27.9我国一些重要城市的年平均雷暴日地名雷暴日数（d/a）地3、雷电过电压的类型3、雷电过电压的类型3.1雷击对电气设备的危害3.1雷击对电气设备的危害雷电过电压的产生及弱电系统防雷技术课件直击雷3.2雷击过电压的类型感应雷传输雷地电位反击电磁脉冲直击雷3.2雷击过电压的类型感应雷传输雷地电位反击电磁脉●天线遭受直接雷击或接收感应雷击；●电源供电线路在远端遭受直接或感应雷击，沿供电线路进入设备；●有线通信线路在远端遭受直接或感应雷击，沿通信线路进入设备；●网络数据线路在远端遭受直接或感应雷击，沿网络线路进入设备；●雷击发生在1000米范围内时（包括临近建筑物避雷针接闪或云中放电）产生电磁辐射a.建筑物内的电源回路感应雷击电磁脉冲辐射，进入设备；b.建筑物内的通信线路感应雷击电磁脉冲辐射，进入设备；c.建筑物内的网络线路感应雷击电磁脉冲辐射，进入设备；●建筑物、附近的避雷针遭受雷击或雷电直接击中附近树或地面时，由地线引入设备；●天线遭受直接雷击或接收感应雷击；直击雷雷击建筑物直击雷雷击建筑物雷击建筑物雷击建筑物地电位反击地电位反击传输雷雷击架空电力线传输雷雷击架空电力线雷击架空电力线雷击架空电力线感应雷电磁感应与耦合感应雷电磁感应与耦合雷电电磁感应雷电电磁感应电磁脉冲对信号及通信系统造成干扰，并损坏敏感电子元件电磁脉冲（LEMP）电磁脉冲对信号及通信系统造成干扰，并损坏敏感电子元件电磁脉冲操作过电压操作过电压操作过电压操作过电压4、雷电过电压的防护4、雷电过电压的防护高空防雷区4.1防雷体系的划分高空防雷区4.1防雷体系的划分低

空

防

雷

区低

空

防

雷

区地下防雷区地下防雷区定义：避雷针是人为设立的最突出的良导体。在雷云的感应下，针的顶端形成的电场强度最大，所以最容易把雷电流吸引过来，完成避雷针的接闪作用。结构避雷针一般用镀锌圆钢或焊接钢管制成，圆钢截面不得小于100mm2，钢管厚度不得小于3mm。问题：避雷针越高，保护范围越大？

避雷针4.2直击雷的防护定义：避雷针是人为设立的最突出的良导体。避雷针4.2直雷电过电压的产生及弱电系统防雷技术课件雷电过电压的产生及弱电系统防雷技术课件避雷带通过试验发现，不论屋顶坡度多大，都是屋角和檐角的雷击率最高。屋顶坡度愈大。则屋脊的雷击率也大。通过对不同屋顶坡度建筑物的雷击分布情况调查发现，对于那些屋顶平整，又没有突出结构（如烟囱等）的建筑物，雷击部位是有一定规律性的。避雷带就是对建筑物雷击率高的部位，进行重点保护的一种接闪装置。避雷带雷电过电压的产生及弱电系统防雷技术课件避雷针（线）的原理引雷：定向作用当雷云的先导向下发展到离地面一定高度(定向高度)时，避雷针(线)顶端有可能产生局部游离而形成向上的迎面先导，影响下行先导的发展方向，使其仅对避雷针(线)放电，从而使得避雷针(线)附近的物体受到保护，免遭雷击。泄放：将雷电流导入大地为了使雷电流顺利地泄入大地，避雷针(线)应有良好的接地装置。避雷针(线)上或接地装置上产生幅值很高的过电压。要防止避雷针(线)与被保护物之间的间隙击穿（也称为反击）。避雷针的结构避雷针（线）的原理接闪器（避雷针、避雷带、避雷线）是防直击雷的主要方法，传统建筑屋防雷采用滚球法确定接闪器的防护范围，防护等级不同，采用的滚球半径不同。接闪器（避雷针、避雷带、避雷线）是防直击雷的主雷电过电压的产生及弱电系统防雷技术课件4.3感应雷与电磁脉冲的防护感应雷与电磁脉冲的防护主要通过法拉第笼的原理进行屏蔽，空旷地区通过建立避雷网来构成法拉第笼，建筑物通过结构钢筋构成法拉第笼。4.3感应雷与电磁脉冲的防护感应雷与电磁脉冲的防护主要雷电过电压的产生及弱电系统防雷技术课件雷电过电压的产生及弱电系统防雷技术课件4.4地电位反击的防护接地电阻过高是造成地电位反击的主要因素，因此防止地电位反击的主要措施是降低接地电阻，如增加垂直接地极，用建筑物的地基部分钢筋作为接地体等。4.4地电位反击的防护接地电阻过高是造成地电位反击的主在有可能的情况下，强弱电分开接地可以避免地电位反击在有可能的情况下，强弱电分开5、浪涌的防护5、浪涌的防护5.1浪涌的类型过电压雷击线路浪涌电磁感应静电感应直击雷雷电感应传输雷操作过电压雷电电磁干扰/无线电干扰雷电静电/摩擦静电等5.1浪涌的类型过电压雷击线路浪涌电磁感应静电感应直击5.2避雷器的发展历史5.2避雷器的发展历史金属陶瓷放电管（1）金属陶瓷二极放电管正常情况下不导电，出现过电压时电极间很快被击穿，过电压消失后立即恢复，但其在两线间容易产生横向冲击电压。（2）金属陶瓷三极放电管良好的对称性能，冲击放电电压低、通流容量大、遮光性能好、极间电容小、绝缘电阻高。金属陶瓷放电管（1）金属陶瓷二极放电管气体放电管的内部结构气体放电管的内部结构氧化锌压敏电阻器（1）氧化锌压敏电阻器在低电场强度下，其电阻率为1010---1011，当电场强度达到106---107时，其电阻骤然下降进入低阻状态，即压敏电阻的阻值随所加电压而改变。具有通流量大，非线性特性好、残压低、响应时间快抑制过电压能力强；但可能出现短路故障。（2）劣化指示氧化锌压敏电阻器通流量更大，并具有热熔断器和报警装置，使其在失效时能自动脱离使用线路，给出明显标志，并进行报警。免测试。（3）压敏电阻器的型号命名。如：MYL47/3（4）主要电器参数起始动作电压、标称电压、泄露电流、残压、冲击通流容量（5）压敏电阻器的选用.U1mA标称值≈2.2U氧化锌压敏电阻器（1）氧化锌压敏电阻器雷电过电压的产生及弱电系统防雷技术课件雷电过电压的产生及弱电系统防雷技术课件压敏电阻的工作原理压敏电阻的工作原理氧化锌压敏电阻的失效机理氧化锌压敏电阻的失效机理抑制二极管抑制二极管又称瞬变电压抑制器是一种齐纳二极管。它与普通稳压二极管相比，功率更大，影响速度快，保护性能好，但通流容量小。抑制二极管抑制二极管又称瞬变电压抑制器是一种齐纳二极管。它与1．标称电压Un与被保护系统的额定电压相符，在信息技术系统中此参数表明了应该选用的保护器的类型，它标出交流或直流电压的有效值。

2．额定电压Uc能长久施加在保护器的指定端，而不引起保护器特性变化和激活保护元件的最大电压有效值。

3．额定放电电流Isn给保护器施加波形为8/20μs的标准雷电波冲击10次时，保护器所耐受的最大冲