雷电的防护及数值计算.docx
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雷电的防护及数值计算
1.6雷电的防护
GB50057-94中对雷防提出的总则(第1.0.1条)规定:
“为使建筑物(含构筑物,下同)放雷设计因地制宜地采取放雷措施,防止或减少雷击建筑物所发生的人身伤亡和文物、财产损失,做到安全可靠、技术先进、经济合理,制定本规范。
”
————注意,这里提的是“防止或减少”而不是一概要求“防止”,同时也提出考虑安全可靠、技术先进和经济的合理要同时考虑。
在标准的条文说明中指出:
“有人认为,建筑物安装防雷装置后就万无一失了。
从经济的观点出发,要达到这点是太浪费了,因此特指出“或减少”,以示不是万无一失,因为按照本规范设计的防雷装置的安全度不是100%。
1.6.1直击雷的防护
防直击雷的外部装置包括接闪器(避雷针、避雷带、避雷线、避雷网)、引下线、接地装置,另外也包括屏蔽措施,通过这些装置迅速地将把雷电流泄放放入地。
1.6.2电涌的防护
为保护设备安全和抑制各种雷电感应引起的浪涌过电压,必须采取系统有效的保护措施,即在电源线
信号线上加装浪涌抑制器。
1.6.3等电位连接
为防护雷电流引起电磁感应和地电位反击的破坏作用,所有允许连接的设备金属外壳,接地的金属管线和导体间应进行的等电位连接。
是防雷电引起的电磁感应、地电位反击的重要措施(但不允许连接的导体之间防反击是以保持足够的距离实现——防闪络)。
从实质上讲电涌保护也是一种瞬间的等电位连接,是用SPD器件把不能连续与地连接的通电导体(电源线、信号线)与地连接起来。
1.6.4屏蔽
用于防护雷电引起的电磁脉冲辐射的破坏作用。
1.6.5防闪络措施
对于不能采取等电位连接和使用点涌保护器防护时,通过保持距离抑制雷电引起的地点位反击和电磁感应等的破坏作用。
(下图为基站防雷系统图)
1.7雷电流的特性
●每次雷击的电流波形是随机的,差别很大。
●雷电流波形一般都是前沿陡而后沿时间相对较长的波形,一般前沿时间在几个微秒到几十个微秒,后沿的半值值时间一般在几十到几百微秒。
●雷击有正闪击或负闪击,负闪击占多数(约占80~90%)。
正闪击平均的电流强度比负闪击要大(负闪击的电流峰值以20~50KA居多,而正闪击的峰值往往在100KA以上),一次雷击大多数分成3~4次放电(但正闪击通常由一个单闪击构成)。
一般第一次闪击的电流峰值值最大,但首次雷击以后的负闪击的前沿更陡。
雷电流近似于典型曲线是双指数函数曲线
-βt
-αt
i
)
e
双指数函数:
= I0(e
I0——雷电流值峰
α—— 波前衰减系数;
β—— 波尾衰减系数;
另外,还有等值斜角波、等值余弦、幂指数波形等(略)
●雷电流的电荷量
雷电流的电荷量的近似计算公式:
Q=(1/0.7)·I·T2T2:
雷电流半值时间,单位:
秒(S)
式中,Q:
电荷量,单位:
库仑(c)
I:
雷电流幅值,单位:
安培(A)
●雷电流的单位能量(即流过1欧姆电阻消耗的能量),近似计算公式:
W/R=0.5·(1/0.7)·I2·T2
式中,W/R:
单位能量,单位:
焦耳/欧姆(J/Ω)
I:
雷电流幅值,单位:
安培(A)
T2:
雷电流形的半值时间,单位:
秒(S)
1.建筑物防雷工程
2.1名词术语解释见下表
本规范名词
解释
接闪器
直接截受雷击的避雷针、避雷带(线)、避雷网,以及用作接闪器的金属屋面和金属构件等。
引下线
连接接闪器与接地装置的金属导体
接地装置
接地体和接地线的总合
接地体
埋入土壤中和混凝土基础中作散流用的导体
接地线
从引下线断接卡或换线处至接地体的连接导体
防雷装置
接闪器、引下线、接地装置、过电压保护器及其他连接导体的总合
直击雷
雷电直接击在建筑物上,产生电效应、热效应和机械力者
雷电感应
雷电放电时,在附近导体上产生的静电感应和电磁感应,它可能使金属部件之间产生火花。
静电感应
由于雷云先导的作用,使附近导体上感应出与先导通道符号相反的电荷,雷云在主放电时,先导通道中的电荷迅速中和,在导体上的感应电荷得到释放,如不就近泄入地中就会产生很高的电位。
电磁感应
由于雷电流迅速变化在其周围空间产生瞬变的强磁场,使附近导体上感应出很高的电动势。
雷电波侵入
由于雷电对架空线路或金属管道的作用,雷电波可能沿着这些管线侵入屋内,危及人身安全或损坏设备
过电压保护器
用来限制存在于某两物体之间的冲击过电压的一种设备,如放电间隙、
避雷器或半导体器具。
2.2防雷建筑物的分类及要求
分类的根据:
按GB50057-94的规定进行划分
“建筑物应根据其重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果,按防雷要求分为三类”,具体分类见标准,概括为:
第一类是爆炸危险大,后果严重的建筑物
第二类是特别重要建筑物,或爆炸危险但较小、后果不太严重的;或年预计雷击次数较高、较重要和人员密集的建筑;
第三类,相对于第二类各因素次之但也属需加强防雷要求的建筑物。
2.3建筑物的年预计雷击次数
N=kNgAe
式中:
N——建筑物年预计雷击次数(次/a)
k——校正系数,在一般情况下取1,在下列情况取相应数值:
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、山谷风口等处以及特别潮湿的建筑物取为1.5。
Ng——建筑物所处地区雷击大地的年平均密度[次/(km2·a)]。
1.3
d
Ng=0.024T
(式中:
Td——当地年平均雷暴日)
Ae——与建筑物截收相同雷击次数的等效面积。
计算方法如下:
1)当建筑物高度小于100米时,其每边扩大宽度D按下式计算:
D=√H(200—H)
对于长、宽、高为L×W×H长方体形建筑,有:
Ae=[LW+2(L+W)·√H(200—H)
+πH(200—H)]·10-6(km2)
2)当建筑物高度等于或大于100米时,其每边扩大的宽度应按等于建筑物的高度H进行计算。
这时有:
Ae=[LW+2(L+W)·H+πH2]·10-6(km2)
3)当建筑物各部位的高度不同时,应按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。
(参考公式:
国防科工委研究得出的计算公式:
N=0.015TK1K2H2·10–4
式中:
T——年平均雷暴日;N—雷击概率(次/年);
K1—落雷不均匀系数,易受雷击的建筑物K1=1.5~2.0;
K2—建筑材料影响系数,金属材料K2=1.5,非金属材料K2=0.15;
H—避雷针高度(m)]。
)
2.4接闪器的保护范围(滚球法)
2.4.1滚球法:
滚球法是以hr为半径的的一个球体,沿需要防直击雷的部位滚动,当球只触及接闪器(包括被利用做接闪器的金属物),或只触及接闪器和地面(包括与大地接触并能承收雷击的金属物),而不触及需要保护的部位时,则该部位就得到接闪器的保护,滚球法确定的接闪器保护范围应符合本规范(GB50057-94)附录四的规定。
2.4.2单支避雷针的保护范围有关的计算公式:
rx=√h(2hr-h)-√hx(2hr-hx)
r0=√h(2hr-h)
式中:
hr—————滚球半径,按防雷级别确定(见下附表);
h——建筑物的高度(当h≥hr时,取h=hr)
hx———避雷针高度中间的的某个高度;
rx———相对于hx高度的保护范围(圆形)的半径;
r0———相对于地面上保护范围(圆形)的半径。
各类建筑物的滚球半径见附表
级别建筑物防雷
滚球半径hr(m)
避雷网尺寸(m)
第一级防雷建筑
30
10×10
第二级防雷建筑
45
15×15
第三级防雷建筑
60
20×20
附表BIAO表:
2.4.3双支等高避雷针的保护范围(当两针h≤hr,两针距离小于2r0时,r0=√h(2hr-h))
●两针外侧的保护范围按单支避雷针计算。
●两针之间保护范围的上边线是以中心线距局地面hr的的一点O,为圆心,以
√(hr——h)2+(D/2)2为半径所做的圆弧。
●两针之间的保护范围,在任一高度hχ处和C(或E点)所处的垂直平面上以hχ做假想针,按单支避雷针的方法逐点确定的。
●χ—χˊ平面上保护范围(略)
2.4.4参考:
IEC1024-1规定避雷针布置的保护角(我国标准规定用滚球法,不用保护角法,表中规定的防雷级别和滚球半径也与我国规定不同)见下表:
防雷级别
保护
角
避雷针
滚球半径((
高度
20
30
45
60
避雷针网格宽
I
20
25
5
II
30
35
25
10
III
45
45
35
25
10
IV
60
60
45
35
25
20
注:
表中滚球半径、避雷针高度、避雷网格的单位为米,
2.4.5雷电流参量的规定
表首次雷击参量
首次雷击
防雷建筑的类别
第一类
第二类
第三类
幅值I(KA)
200
150
100
波头T1(µs)
10
10
10
半值时间T2(µs)
350
350
350
电荷Q(As)
100
75
50
单位能量W/R(MJ/Ω
10
5.6
2.5
首次雷击以后的负雷击参量
首次雷击以后负雷击
防雷建筑物的类别
第一类
第二类
第三类
幅值I(KA)
50
37.5
25
波头T1(µs)
0.25
0.25
0.25
半值时间T2(µs)
100
100
100
注:
当计算导线的寄生电感引起的电压时应按此表参数计算。
表长时间雷击的雷电流参量
雷电流参数
防雷建筑类别
一类
二类
三类
QL电荷量(C)
200
150
100
T时间(s)
0.5
0.5
0.5
注:
平均电流I=QL/T
2.5接地装置的工频接地电阻与冲击接地电阻
2.5.1冲击接地电阻计算公式:
R~= ARi
式中,R~——在接地装置各支线的长度取值小于或等于接地体有效长度
le ,或者有支线大于le 而取其等于le 时的工频接地电阻。
(注:
用接地电阻测试仪测量出的是工频接地电阻。
对一般形状的接地体有给定的公式可计算工频电阻)R~≥Ri.
(le————有效长度,按公式le=2√ρ计算,ρ为该处的土壤电阻率)
A——换算系数,其数值宜按附图3.1确定(略,见标准),A的数值与比值l/le成反比(l是接地体最长支线的实际长度),还与ρ成反比。
Ri——所要求的接地装置的冲击接地电阻。
2.5.2环绕建筑物的环形接地体应按以下方法确定冲击接地电阻:
a)当环形接地体周长的一半大于或等于接地体的有效长度le时,引下线的冲击接地电阻应为从与该引下线的连接点起沿两侧接地体各取le长度算出的工频接地电阻(换算系数A等于1)。
b)当环形接地体周长的一半小于接地体的有效长度le时,引下线的冲击接地电阻应为以接地体的实际长度算出工频接地电阻再除以A值。
2.5.3与引下线连接的基础接地体,当其钢筋从引下线的连接点量起大于20米时,其冲击接地电阻应为以换算系数A等于1和以连接点为圆心、20米为半径的半球体范围内的钢筋体的工频接地电阻。
2.5.4工频接地电阻的计算公式
a)单根垂直安装的棒形接地体的接地电阻计算公式(引自GBJ79-85,见“汇编”第190页)
Rc=(ρ/2πl)·Ln[4l(l+2h)/d(l+4h)]
注:
近似计算时可用:
R=(ρ/2πl)·Ln(4l/d)
式中,Rc:
工频接地电阻,单位:
欧姆(Ω);
h接地体顶面埋深,单位:
米(m);
ρ:
大地电阻率,单位:
欧姆·米(Ω·m);
l:
接地体长度,单位:
米(m);
d接地体等效直径,单位:
米(m)。
确定如下表:
表d等效直径d值表
接地体形状
等效直径d
钢棒/钢管
直径/外径
扁钢
d=b/2(b为扁纲的宽度)
等边角钢
d=0.84b(b为角纲的宽度)
不等边角钢
d=0.714√b1b2(b12+b22)(b1,b2为不等边角钢的宽度)
圆板
d=d,(d,为圆板直径)
矩形板
d=√ab/√π(a、b为板的边长)
b)n根并联的相同的垂直接地体
Rnc=Rc/nηc
式中,Rc:
单根垂直安装的接地体的接地电阻
n:
相同的垂直接地体个数
ηc:
垂直接地体的利用系数,具体可查阅GBJ79-85《工业企业
通信接地设计规范》中附表2.1、2.2、2.3。
附表见后面
c)单根水平安装的接地体的接地电阻计算公式(引自GBJ79-85,见“汇编”第190页)
RP=(ρ/2πl)·[Ln(l2/hd)+A]
式中,RP:
单根水平安装的接地体的工频电阻,单位:
欧姆(Ω);
h接地体顶面埋深,单位:
米(m)
ρ:
大地电阻率,单位:
欧姆·米(Ω·m);
l:
接地体长度,单位:
米(m);
d:
接地体等效直径,单位:
米(m),确定同上面表d。
A:
水平接地体的形状系数。
见下表A
表A水平接地体的形状系数
形状
A
0
0.378
0.867
2.14
5.27
3.81
1.69
0.48
分析:
上表说明,对水平接地体,在同样的L、h、d的情况下,不同的形状接地电阻不同,而形状越复杂,接地电阻越大(但有时受可用面积限制而不得不采用复杂形状)。
2.5.4.d)n根并联的相同水平接地体的接地电阻
RnP=RP/nηp
式中,RP:
单根水平安装的接地体的接地电阻;
n:
相同的水平接地体个数;
ηp:
水平接地体的利用系数,具体可查阅GBJ79-85《工业企业通信接地设计规范》中附表2.1、2.2,附表附后。
e)单块板式接地体的接地电阻
当h>2d时(h——埋深,d——等效直径,见上表d)
Rb=ρ/4d(1+d/6h)
f)ηc、ηp值附表
具体可查阅GBJ79-85《工业企业通信接地设计规范》中附表2.1、2.2。
附表1直列式接地装置的利用系数表
a/L
垂直接地体数量n
ηc
ηp
1
2
0.85
0.90
3
0.78
0.82
5
0.70
0.75
10
0.60
0.62
20
0.49
0.42
2
2
0.90
0.93
3
0.87
0.90
5
0.80
0.87
10
0.73
0.75
15
0.70
0.67
20
0.69
0.59
3
2
0.94
0.95
3
0.90
0.94
5
0.86
0.93
10
0.80
0.84
20
0.70
0.68
注:
1)表中,a为垂直接地体间的距离,L为垂直接地体的长度.(间距大,并联系数值高)
2)本表适用于管长/管径≥20
附表2双直列式接地装置的利用系数
a/L
每列垂直接地体的数量n
ηc
ηp
1
3
0.50
0.75
4
0.45
0.65
6
0.40
0.60
10
0.35
0.55
20
0.25
0.50
40
0.20
0.40
2
3
0.60
0.80
4
0.55
0.75
6
0.50
0.70
10
0.40
0.66
20
0.30
0.61
3
3
0.75
0.90
4
0.70
0.85
6
0.65
0.80
10
0.56
0.75
注:
1)表中a为垂直接地体之间的距离,L为垂直接地体的长度。
2)本表适用于两列之间的距离为4~8米,管长/管径≥20
附表3并联带状水平接地装置的利用系数
每条带状水平
接地体的长度
带状水平接地体
的数量
带间距离(米)
1
2.5
5
10
15
15
2
0.63
0.75
0.83
0.92
0.96
5
0.37
0.49
0.60
0.73
0.79
10
0.25
0.37
0.49
0.64
0.72
25
5
0.35
0.45
0.55
0.66
0.73
10
0.23
0.31
0.43
0.57
0.66
50
2
0.60
0.69
0.78
0.88
0.93
5
0.33
0.40
0.48
0.58
0.65
10
0.20
0.27
0.35
0.46
0.53
2.6各类防雷建筑物的防雷措施要点
2.6.1第一类防雷建筑物:
a)防直击雷:
(要点:
独立的接闪器和其独立接地,防闪击的距离要求)
i)接闪器:
——应装设独立的避雷针或避雷线(网),(二、三类不要求独立的避雷针、网)。
——使被保护的建筑物及风帽、放射管等突出屋面的物体均处于接闪器的保护范围内(对排放有爆炸危险物的有更严格的要求——有管帽见表3.2.1,无管帽5米半球)。
——架空避雷网的网格规定不应大于5×5(m)或6×4(m)。
(二类建筑应不大于10×10(m)或12×8(m)
ii)引下线:
——独立避雷针杆塔、架空避雷线(网)的各支柱应至少设一根引下线。
iii)接地:
——独立的避雷针、线、网应有独立的接地装置(与电气设备的接地分开并保持距离),
——每一引下线的冲击接地电阻不宜大于10欧姆。
2.6.1.b)防闪击:
——独立避雷针和避雷线(网)的支柱及其接地装置至被保护建筑物及与其有联系的管
道、电缆等金属物之间的距离(地上、地下)有公式规定,但又不得小于3米。
——独立的避雷线和避雷网至屋面的风帽、放散管等物体之间的距离有公式规定,但又
不得小于3米。
2.6.1c)防雷电感应:
i)防雷电感应的接地装置与电气设备的接地装置应共用,工频接地电阻不应大于10欧姆。
防雷电感应接地装置与独立的避雷针、架空避雷线(网)的接地装置之间的距离应符合标准规定。
ii)等电位连接(目的是防止电位差引起的反击发生):
——设备外壳、管道、构架、电缆金属外皮、钢屋架、钢窗和突出屋面的放散管、风管等金属物都要接到防雷电感应的接地装置上。
——金属屋面、钢筋混凝土的屋面的钢筋(必须捆扎闭合好)应每隔18~24米应采用引下线接地一次。
——平行敷设的管道、构架和电缆外皮等长金属物,净间距小于100mm时应跨接,跨接点的间距不大于30米,金属物弯头、阀门、发蓝盘等连接处的过渡电阻大于0.03Ω时,应跨接
——屋内接地干线与防雷电感应的接地不应少于两处。
2.6.1d)防雷电波侵入:
i)低压电缆宜全线采用直接埋地敷设,在入户端将电缆的金属外皮、钢管接到防雷电感应的接地装置上。
ii)当全线采用埋地有困难时,可采用钢筋混凝土杆和铁横担的架空线,并应使用一段金属铠装或护套电缆穿钢管直接埋地引入,埋地长度应符合:
l≥2√ρ(l——埋地长度,ρ——埋地处的土壤电阻率。
)
但又不应小于15米。
并且,在电缆与架空线的连接处还应装避雷器,避雷器、电缆外皮、钢管和绝缘子铁角、金具等应连接一起接地,冲击接地电阻不应大于10Ω。
iii)架空金属管道,进出建筑物处应与防雷电感应地连接,距建筑物100米内,管道应每隔25米接地一次,其冲击接地电阻不应大于20Ω,并利用金属支架或钢筋混凝土内钢筋作引下线,钢筋混凝土基础宜作接地装置。
iv)埋地或地沟内的金属管道,进出建筑物时应与防雷电感应地相连。
2.6.1e)建筑物太高或其他原因不能架设独立避雷针、线、网时,
i)接闪器:
可将避雷针或网格不大于5米×5米或6米×4米的避雷网或由其混合组成的接闪器直接装在建筑物上,避雷网应沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷击的部位敷设。
并必须使所有避雷针用避雷带互连。
排放爆炸危险气体、粉尘的管道的保护空间要求符合标准
ii)引下线:
不少于两根,均布,间距不大于12米。
(前述有独立避雷针时,防雷电感应接地引下线为间距18~24米,而独立的防雷接闪器每支柱至少1根引下线,每引下线冲击电阻小于10Ω)。
iii)等电位:
建筑物应装设均压环,环间垂直距离不应大于12米,所有引下线、建筑物的金属结构均接到环上,均压环可利用电器设备的接地干线环路。
iv)接地装置:
防直击雷接地装置应围绕建筑物敷设成环形接地体,引下线不得少于两根,每根引下线的冲击接地电阻小于10Ω,并应和电器设备接地装置及所有进入建筑物的金属管道相连,此接地装置可兼做防雷电感应之用。
另外,对不同土壤电阻率的情况下,环形包围的面积要求不同(有公式,略),
土壤电阻率越高,面积要求越大,当环形面积达不到要求时必须在每一引下线接地处补
加垂直或水平接地体(补加接地长度要求有公式)。
v)过电压保护:
在电源引入的总配电柜处宜装设过电压保护器
vi)建筑物高于30米(等于一类建筑物的滚球半径)要加防侧击雷措施:
30米以上,每隔6米沿建筑物四周设水平避雷带,并与引下线相连;
30米以上外围墙的栏杆、门窗等等较大的金属物与防雷装置连接。
(此条与上面的均压带要求有交叉,但均压带强调建筑物内部的金属物——注)
vii)附近树高于建筑物且不在接闪器保护范围时:
树与建筑物间距离应不小于5米。
2.6.2第二类防雷建筑物防雷措施要点
a)防直击雷措施
●接闪器:
——不要求使用独立的接闪器,而采用装设在建筑物上的避雷网(带)或避雷针或由其
混合组成的接闪器,避雷网(带)应沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷击的部位敷设,
组成网格不大于10×10(m)或12×8(m),所有避雷针应采用避雷带连接。
——排放爆炸危险气体、蒸汽、粉尘的管道保护空间要求同第一类。
——排放无爆炸危险气体、蒸汽、粉尘的管道:
金属的可不装接闪器,但
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