1、电气安全 第四章雷电建筑物防雷及工程接地第三章 雷电、建筑物防雷及工程接地装置雷电是雷云之间或雷云对地面放电的一种自然现象，而雷电流通过地表的被击物时，具有极大的破坏性。为了计算研究雷电过电压和采取有效的防雷措施，人们对雷电进行了长期的观测，积累了不少的有关雷电参数的资料，并研究雷电产生的过程和规律，为防止雷电的危害，采取有效措施奠定了理论基础。第一节 雷电与雷电参数一、雷电的形成及危害1、雷电的形成大气中带有电荷的云团称为雷云，雷云是产生雷电的先决条件，雷电包括雷云对大地放电和云团放电，但研究重点是雷云对大地间的放电形式。按雷电发展方向，雷电可分为下行雷和上行雷，而雷电的极性是按照雷云完成大
2、地的电荷符号决定的，实例表明，90%左右的雷电为负极性，下行的负极性雷对地放电可分为三个阶段：先导放电、主放电、余辉放电。（1）、雷电的先导放电过程：雷云带有电荷后，往往电荷集中在几个带电中心，当某一点的电荷较多，且在他附近的电场强度达到足以使空气游离击穿时（ 25-30kv/cm），空气开始游离形成先导放电通道（通道导电性好，温度高）云中电荷沿先导通道向下运动强度达到一定值会又引起空气游离先导放电逐级发展（一般每发展50m左右就会有一个30-90us的间歇），故先导放电平均速度较慢。先导通道发展初期，其方向不固定，当它距地面高度达到一定值时（定向高度），在地面上的突出物可能产生向上的迎面先导
3、，且迎面先导面向下行先导发展形成主放电并决定雷击点。当先导通道的头部与迎面先导上的异号感应电荷或与大地之间距离较小，在下行先导极高电位下，可把剩余空气间隙击穿，便形成放电第二阶段主放电（2）、雷电的主放电阶段：当先导通道头部与大地短接时，主放电阶段开始。主放电阶段先导通道成为更高电导的通道，且发展速度较快，（0.07-0.5倍光速），主放电是从地面向云中发展，当主放电通道达到云端时，主放电结束。主放电持续时间不超过100us，电流幅值可达几十KA甚至几百KA，电流的瞬间值是随主放电向高空发展而逐渐减小，形成雷电流冲击波形，主放电时通道中会发生声、光、热现象且电流突变产生的较大磁场变化具有很大破
4、坏作用。（3）、余辉放电阶段：主放电结束后，云中剩余电荷沿雷电流通道迅速流入大地，形成余辉放电，其电流是逐渐较弱的，持续时间几毫秒。由于云中存在几个电荷电 ，极雷电往往是重复的，有时重复2-3次，通常第一次放电后经过几十毫秒间隔沿第一次放电通道又开始第一次放电，不同之处在于先导放电不再分级，雷电流较第一次小。经统计每次放电对地泄放电荷总量在很大范围变化（不足1库至几百库），平均35C。其中30%-50%是余辉放电沿主放电通道接入大地。2、雷电的危害：（1）、破坏作用的四种基本形式：1）直击雷：雷直接击在建筑物或其他物体上。特点：过电压高(可高达几百万甚至上千万伏)、电流大（可达几十KA甚至几百
5、KA）、危害大。2）感应雷：由于雷电流强大电场和磁场变化产生的静电感应、电磁感应过电压。特点：过电压较低（一般不超过500kv），电流小，危害相对较弱。3）雷电波侵入：雷电过电压沿输电线路侵入变电所或用户而造成较大伤害。4）球形雷：一个温度较高，并发出红色光亮的球体。（一般直径约10-20cm以上）（2）、雷电的危害：1）热效应：雷击点发热量约为5000-20000MJ，易造成燃烧及金属熔化。2）机械力效应：雷电流通过温度很高，一般为6000-20000度。被击物内部水分变热急剧汽化，因膨胀会产生机械力，破坏被击物。3）雷电流的电磁效应：强烈的电磁场变化会感应出较大电磁场，危及设备安全。二、雷
6、电参数1、雷击时计算雷电流的等值电路和雷电流的幅值：（1）、等值电路： 雷电放电过程如下图所示若大地为一理想导体，雷云放电所至之处电阻为零，设先导通道电荷感应为负，主放电速度极快（实则为光速的0.1-0.5倍），实践表明：雷电通道具有分布参数的特征，其波阻抗为Z，等值电路略。若雷击于具有分布参数特性的避雷针，线路塔杆、地线或导线，则雷电流运动流过被击物体的电流波幅值可以计算。结论：流经被击物体的雷电流与被击物波阻抗Z有关，Z越大雷电流越小。雷电流幅值：当Z=0时，流经被击物体的电流叫做雷电流。实际上雷击于小于30接地电阻的物体时，就可以为流过该物体电流等于雷电流。（2）、雷电流幅值： 雷电通道
7、波阻抗Z是沿雷击通道运动的电压波与电流波的比值。有关规程中波阻抗Z取300-400。雷电流应为一非周期冲击波，其幅值与被击物及自然条件有关，是个随即变量，只有通过大量实例，才能正确估计其概率分布规律。2、雷电流的波形： 雷电流的波头和波尾都是随即变量，其平均波尾为40us左右，中等强度以上雷电流其波头大致在1-4us，幅值增加，速度递增。一般计算用波头取2.6us ，即认为雷电流平均上升速度为I/2.6us，雷电流波形对防雷设计是有意义的，在一般线路防雷设计中，波头可取斜角波，但在设计特殊高塔时，可取半余弦波头。3、雷暴日与雷暴小时： 在进行防雷设计时须掌握当地的雷电活动规律，从实际出发，采用
8、适当的防雷措施实施雷电防护，雷暴日（每年中有雷暴的日数），雷暴小时（两者关系近1:3）是重要数据。按雷暴日分：以40为中等强度雷电流活动区（如长江流域及淮北某地区）；强雷区：超过 90（如华南某些地区）；多雷区：超过40（长江以南至北回归线的大部分地区40-80）； 少雷区：少于15（如西北地区）4、地面落雷密度和输电线沿路雷次数 地面落雷密度 ：每一雷暴日，每平方公里地面遭受雷击的次数。5、雷电冲击过电压： 由雷云放电过程可知，雷电流幅值大，变化快，故会产生作用时间短暂幅值高的过电压雷电冲击过电压。第2节 雷电能量在导体上的传输雷云放电会在供配电系统产生的过电压，其幅值取决于雷电参数和防雷措
9、施，雷害的产生和防护中都存在能量的传递过程，本节介绍雷电能量在导体上的传输。一、传输线1、集中参数电路与分布参数电路：（1）集中参数电路：电路的几何尺寸远小于工作于其上的电磁波波长，经典电工理论均适用于此类电路。（2）分布参数电路：电路的几何尺寸与工作于其上的电磁波波长可以比拟时，经典电工理论不适用于此电路。2、传输线：（1）“长线”与“短线”区别：工频正弧50HZ XV/f3108/50=6000km，若线路长600m仅占波长万分之一，可视为短线，若f=5MHZ时，X3108/5106=60m，在600m长线路有10T完整电压正弦波，可视为长线此时，电流电压是时间和位置的函数，即=(x,t)
10、 i=i(x,t)。（2）传输线的波阻抗：波阻抗Z：在传输线上注意一点，在外界条件不变的情况下，该点上同一方向传输电压波与电流波比值即Zc（x）=(x,t)/i(x,t)。若Zc（x）与电压大小无关，线性且各点均相等，则称为均匀传输线！（3）传输线的等效电路：（以单根导线为例）如图为单导线等值电路：见PPT式中L0、r0、C0、g0分别为线路单位长度的电感、电阻、电容、电导，一般情况下，输电线路对地电导很小可略去，为局化分析，以单根无损单导线为例分析，略去r0、g0，从而简化波动方程！二、传输线上的波过程：1、波动方程：（单根无损导线） 用拉化变换求解而进行反拉化变换则得：(x,t) f(x,
11、t)+ b(x,t) f(tx/v)+ b(t+x/v)i(x,t) if(x,t)+ ib(x,t) i if(tx/v)+ ib(t+x/v)f(x,t)L0/Co*if(x,t) v=1/ （L0*Co）1/2b(x,t)-L0/Co*ib(x,t)式中：f(x,t)f(tx/v)电压前行波b(x,t)b(t+x/v)电压反行波if(x,t)if(tx/v)电流初行波ib(x,t)ib(t+x/v)电流反行波 v=1/ （L0*Co）1/2理解示例：以f(tx/v)为例，假定当Z1t时线路上位置为x1，此点电压互数值为Ua，与时间由电压前行波f(tx/v)流动示意图，t1等于t2时，具有
12、相同电压值Ua的点必须满足：t1x1/vt2x2/vtx/v常数，微分得：x/tv，v是波速，对固定电压值Ua而言，它在导线上的坐标是以速度v向x正方向移动的，因此，f(tx/v)代表一个以速度v向x正方向行进的电压波，同样可以说明b(t+x/v)代表一个以速度v向x负方向行进的波，我们称之为反行电压波，同理解，ib为电流前行波，电流反行波！结论：传输线上电压和电流都是由一个前行波和一个反行波迭加而成，其波速相同均为v=1/ (L0*Co)1/2，根据波阻抗的定义：Zc( L0/Co)1/2可见：架空线上波速为光速，若为绝缘导线如电缆，一般为光速的1/2-1/3，架空线波阻抗Zc一般为500左
13、右，电缆Zc的为十几至几十。波阻抗与集中参数中电阻的异同点：单位相同均为，但R消耗能量而Zc( L0/Co)1/2不消耗能量，同时R与导线长度有关而Zc无关！综上所述：无损单导线波过程基本规律由下面四个方程揭述：UUf+Ub i=if+ib Uf=Z*if Ub=-Z*ib含义：导线上任何一点的电压或电流等于通过该点的前行波与反行波之和，前行电压波与电流波之比为Zc，反行电压波与电流波之比为Zc，注意：电压波、电流波的极性！另Zuf+ub/if+ib！2、行波的折射与反射：（1）现象：在电力系统中经常遇到线路末端与另一不同波阻抗的线路相连，如一架空线路与一电缆相连，线路末端接有集中参数阻抗等，
14、当行波运动到波阻抗发生变化的位置时，根据能量守恒原理，节点两侧电能与磁场能不变，则必须引起电流、电压的变化，这种现象就是行波在节点发生折射与反射。（2）行波的折射与反射规律： 表达式见P122式4-6 4-7 4-8 4-9 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。 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。（3）举例：例41：见P122图410结论：1）线路末端开路Z2 Z 1，末端电压升高一倍，电流为零，全部磁场能转变为电场能！ 2）末端短路时，Z2 0 1，末端电流全反射，电流升高一倍
15、而电压为零，即全部电场能转变为磁场能！ 3）、彼得逊法则：（又称波过程的戴准南定理）特点：用集中参数电路来等效求解两根波阻抗不同的传输线连接处折射波大小的一种特殊方法。使用条件：传输线Z2中没有反射波或反行波到达节点A！例42：某变电站母线上有一路电源进线和n路馈线，若计算从电源进线入侵的过电压波在母线上及各馈线上产生的过电压，可用彼得逊等值电路。结论：Z/n-折射系数，可见连在母线上的线路愈多，则母线上的电压和其上升的速度就愈低！例43、直角行波通过串联电感或并联电容：在电力系统中常会遇到线路和电感与电容的各种方式联结，当行波通过串联电感或并联电容时，将在波形和幅值上影响入侵波。1）无穷长直
16、角波通过串联电感：可见：无论折射波还是反射波均由强制分量和自由分量组成，自由分量随时间t逐渐长或最终至零，快慢由时间常数T决定！当t0时，fb，这是由于电感中电流不能突变，此时相当于开路，全部磁场能转变为电场能，使电压升高一倍（全反射），随后按指数规律变化，当t，2f1f，波形发生变化，直角波变成指数波头，使陡度降低。结论：最大陡度与Z1无关，反由Z2和L1决定，L1越大，陡度降低越多！ 2）无穷长直角波通过并联电容：结论：最大陡度与Z2无关，反由Z1和C决定，C越大，陡度降低越多！第3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
17、技术委员会。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。 2、工程防雷体系结构（见P124关系图） 二、建筑物防雷类别1、建筑防雷类别划分的目的与结果（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
18、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 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。主要防直击雷（含顶击和侧击），也包括反击。基本思路：控制雷电能量走向，使其以对建筑物危害最小的方式泄放。 一、建筑物外部防雷系统构成（由接闪器、引下线和接地装置构成） 1、接闪器 （1）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。 （2）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
19、，控制雷电先导的发展方向。 （3）类型：人工接闪器，自然接闪器。人工接闪器：避雷针、线、带、网等。自然接闪器：金属屋面、杆塔等。 2、引下线： （1）作用：将接闪器接受的雷电能量由高处引向大地。 （2）常见类型：人工引下线，自然引下线。人工引下线：镀锌圆钢、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 （1）作用：使雷电能量更有效率地向大地泄放。 （2）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。二、接闪器保护范围常用保护范围计算方法：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
20、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， （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。
21、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1、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。（2） 两只等高避雷针保护范围计算2、避雷线的保护范围 只考虑等高杆
22、塔的情况。分避雷线高小于和大于滚球半径两种情况。 （1）单根避雷线保护范围 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，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
23、联通，强制等电位，避免反击发生。 2、雷电电磁感应防护 （1）产生原理（图见下页） （2）危害：缺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。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
24、建筑物内引起火花放电和出现电位差。 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
25、线之间跨接等。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联接（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）。3、雷击电磁脉冲防护的防雷区及划分1、问题的提出： 随着计算机技术、自动控制技术、信息技术的发展，各种形式的电子信息系统应用日益广泛，目前，无论是商业、工业自动控制还是智能化建筑，其主要核心均使用微电子系统设备，而雷电流强的电磁场会通过辐射耦合及传导耦合将电磁场能量传递至灵敏的微电子设备电路中，影响系统的正常运行，对于这些高资金投入又高度复杂的控制系统，无论从经济还是从安
26、全方面考虑，均不希望由于雷电的影响而导致运行中断，可见该系统防雷安全保护的重要性。2、相关概念：（1）雷击电磁脉冲（LEMPLightning Electromagnetic impulse）：是指与雷电放电相联系的电磁辐射。主要指作为干扰源的闪电电流和闪电磁场。（2）雷电防护系统（LPS）：是指针对某一空间进行雷电效应防护的整套装置。它由外部雷电防护系统和内部雷电防护系统两部分组成。外部防直击雷，内部防感应雷、反击、侵入过电压。（3）干扰源：雷电流。作为干扰源的雷电流是一个能量极高的自然现象，雷电可以释放出几百兆焦耳的能量，与灵敏电子设备仅为毫焦耳量级承受能力相差悬殊，传统的防雷方式对微电子
27、设备无法起到保护作用。（4）LEMP的干扰主要是指以下三种情况：1）自然界雷电波电磁辐射对建筑物内部电器电子设备的电磁干扰。2）流经防雷设置的雷电流对建筑物内部电子电器设备的电磁干扰。3）沿各种外部管线传导引入的雷电电磁波对建筑物内部电器电子设备的干扰。 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防护。2、防雷区及划分 是指闪电电磁脉冲需要限定和控制的那些区域。根据被保护空间可能遭受LEMP的严重程度及被保护系统（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），以确定各部分空间LEMP的严重程度，并明
28、确各区交界处的传导电流连结点的位置。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。各防雷区以其边界处电磁条件有明显变化为特征，各防雷区定义如下：（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
29、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。 一般，防雷区序号越高，其电磁环境参数就越低，在各个区界面处，所有穿越的金属物体应等电位联结，并尽可能采取屏蔽措施。注意：建筑物内部的电磁场会受到开孔（如窗口）、金属导体（如等电位联结带、电缆屏蔽层和金属管道）等的影响，见P134图4-184-20。 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（1）等电位联结的目的：目的在于减小防雷空间内各金属部件及各系统之间的电位差。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）等电位联结的
30、要求：1）对防雷区（LPZ）内部的金属部件及系统应做等电位联结。2）对穿越各界面的金属部件及系统均应在各LPZ区界面处做等电位联结。3）应采用连接导线和线夹在等电位联结处做等电位联结。4）在需要的地方采用浪涌保护器（SPD）的等电位联结。 浪涌保护器也称电泳保护器，是用于限制暂时过电压和分流浪涌电流的装置（后面将做详细论述）。（3）等电位联结具体做法：1）、在LPZ0A或LPZ0B与LPZ1区界面处的等电位联结： *所有进入建筑物的外来导电物均应在界面处等电位联结 *当外来导电物、电力线、通信线在不同地点进入时，宜设若干等电位连接带。并就近接至环形接地体内部环形导体的钢筋上。 *环形接地体和内
31、部环形导体应连到钢筋或其他屏蔽构建上，且每隔5m联结一次。 2）、在各后续防雷区的界面上等电位联结： 与1）相同，均应在区界面处等电位联结，只是采用局部等电位联结，即设在LPZ0区以后各反雷区交界处的等电位连接带。3）、金属物体的等电位联结： 所有大尺寸建筑物内部（如电梯、吊车、金属门柜等等），其等电位联结应以最短路径接到最近的等电位连接带上。4）、信息系统的等电位联结： 信息系统的所有外露可导电物应建立等电位联结网络，信息系统的金属部件如箱体、外壳、机架等，建筑物的共用接地系统的等电位联结有两种主要结构：S型（星型）结构、M型（网络型）结构。2、屏蔽（1）屏蔽的目的：建筑物屏蔽是衰减电磁干扰的基本措施，其目的是对微电子设备系统进行保护，其原理是对两个空间区域之间进行金属隔离，控制电场、磁场及电磁波从一个区域向另一个区域感应和辐射。影响屏蔽效果的因素很多，其有效性不仅与房间设备的屏蔽体本身有关，还与有效电子设备
