第二章 接闪器与建筑物外部防雷保护课件.ppt

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1、,第二章 接闪器保护原理与建筑物外部防雷,南京信息工程大学 大气物理学院 肖稳安Tel：13605180353 E-mail：,1751年富兰克林出版了著作电的实验与观察，指出：“关于尖端的功能的知识，可以为人们利用来保护房屋、教堂、船等避免闪电袭击，其方法是在这些物体的最高顶上固定一支更高的镀金的磨尖铁棒，在其下端接一导线挂在建筑物外通到地下，对于船则是通到水中” 。该书出版后，在欧洲大陆迅速流传，产生很大影响，不少人照他的见解进行实验。,我国建筑物防雷规范GB5005794规定建筑物外部防雷主要方法是在建筑物顶部安装接闪器（避雷针、线、带、网），通过引下线与埋在地下的接地体连接，将雷电流泄

2、流入地，避免被保护物体遭受雷击，从而达到保护的目的；除此而外，还可用等电位连接来均衡电压、合理布设引导雷电流等方法。,第一节 接闪器 避雷针防雷，亦称富兰克林法，一种最古老、最传统的防雷方法。这种避雷装置包括安装在建筑物最高点（也可以独立设置）的接闪器（即金属杆避雷针）、引下线及接地装置。 中国大百科全书定义避雷针 ：“将雷电引向自身并泄入大地使被保护物免遭直接雷击的针形防雷装置”。避雷针实际上是“雷电拦截” 。 IEC定义：装在建筑物上，将雷电流释放到大地中去的金属棒或金属条。 在GB5005794中说明：避雷针、避雷带(线)、避雷网是直接接受雷击的，统称为接闪器。,第二节 避雷针的防雷保护

3、一. 避雷针接闪 避雷针的针状是直接承受雷电的部分，当带电的雷云出现在地面上空时，由于静电感应作用，大地及避雷针上将出现与雷云电荷极性相反的电荷。先导向下的发展是随机取向的，当阶梯式先导向下发展到邻近地面，在接闪器的顶端处电场将发生畸变，出现局部集中的高电场区，如图中曲线示出的等电位线。接闪器的顶端处的电场强度明显高于其它地方，这就为先导向接闪器发展创造了十分有利的件，容易地将先导吸引到接闪器上，使雷击点出现在接闪器的顶端，而不致出现在其下面的被保护物体上。,避雷针接闪器顶端处的电场畸变, 雷击点处热量 现代建筑、高层、金属结构，兼作防雷装置，引导雷电流。雷电流作用，对金属物体的破坏作用必须考

4、虑，雷击金属物时，雷电放电通道直接与金属物接触，在雷击点产生的热量可通过在雷电流持续时间内的积分来计算，即,式中 W 热量，J； UAR金属物体上雷击点处电弧压降，其经验值取为2030V； i从雷击点注入金属物体的雷电流，A。,二. 避雷针做接闪器的要求, 雷击点处的温度升高 由于雷电流的作用时间很短，在计算雷击点处的温度升高以及雷电流通过金属物体所产生的温度升高时，均可忽略散热的影响，于是温升可表示为：式中T温升，； m 金属物体质量，； 比热，J/）。,雷击点的热量与避雷针接闪器最小直径要求： 当温升值过高时，就会造成金属的熔化，用避雷针做接闪器，不能被熔化毁坏。由试验和理论计算，可估计出

5、注入单位电荷作用下几种常用金属的熔化体积当量为： 铝：12mm3/c； 铜：5.4mm3/c； 钢：4.4mm3/c。,避雷针接闪器宜采用圆钢或焊接钢管制成，为了保证足够的雷电流通流量，其直径应不小于下表给出的数值。接闪器顶端的针尖应做成圆锥状，具有较大的尖度，且应光滑。,避雷针接闪器最小直径,进入建筑物的各种设施的雷电流分配,金属屋顶或金属罐体做接闪器时的厚度要求： 金属的熔化深度： 雷击点加热面积的直径取50100mm，相应的面积为19637854mm2。若已知电荷Q值，可估算金属的熔化深度。 按正闪击的全部电荷的平均值（50%的概率）为80C负闪击的相应值仅为8C），则熔化深度： 铁：

6、0.0450.179mm； 铜： 0.0550.22mm ； 铝： 0.1220.489mm ； 已证实，铁板遭雷击时其与雷击通道接触处由于熔化而烧穿仅当其厚度小于4mm时才可能。,在建筑物遭受雷击后，雷电流会沿建筑体内各种金属导体通路流入大地，由于金属体自身存在着电阻，雷电流流过它们时也会产生热量，这种热量可表示为,式中 R金属导体电阻，； i雷电流，A。,从上式还可以看出，严重的热效应还会出现在雷电流通路上有较高电阻的地方，特别是那些引流导体之间的接触不良处，在这些地方常可能产生很高的温升，使金属熔化，甚至出现熔体飞溅。这种飞溅熔体产生的火花对存储易燃易爆物品的建筑物来说，是极具危害性的。

7、,避雷针的形状示意,避雷针保护的疑问？ 中国某油库采用有十余根避雷针联合保护油罐区，结果因雷击而引起爆炸； 广东某变电站内装有5根避雷针联合保护，仍遭受雷击； 莫斯科537m高的电视塔，雷曾绕击塔顶下200m和300m的塔身，甚至打到离塔水平150m的地面。据报道，其附近1.5km内雷击率比莫斯科市平均雷击率高2.54倍。其周围不可能起到保护作用，相反起到了负作用。 这表明避雷针没有保护到其下面部分，这就一根垂直避雷针保护范围有十分清楚的了解。,三.滚球法的保护范围 我国GBJ5783标准，使用了30、45、60的圆锥体，按此方法，避雷针越高，则其覆盖的保护范围就越大。事实上却不是这样，许多高

8、耸的铁塔或建筑物上的避雷针不但无法按圆锥体实现保护，往往自身的中部和下部遭遇雷击。在巴黎的爱菲尔铁塔的中部还架设了向外水平伸出的避雷针，以防备侧面袭来或绕过铁塔顶部避雷针的“绕击雷”。 从80年代起，经过讨论和研究，世界上大多数国家均已采用滚球法计算避雷针的保护范围。,避雷针对其周围物体的保护范围，常以它们可能防护直接雷击的空间区域来表示，在此空间区域内被保护物体遭受直接雷击的概率非常小。确定接闪器的保护范围，对于经济可靠地进行建筑物的防雷设计至关重要。,（1）滚球法的原理 在雷云对地放电过程中，下行先导在到达由雷击距所限界定的定向高度范围之前，其发展路径是随机的，直到下行先导头部达到地面上某

9、物体可被雷击的范围时，他才会定向的击向该物体，如图2.1， 当先导头部进入建筑物顶上避雷针的雷击范围时，它就定向地向避雷针顶端发展，这样避雷针的顶端即为雷击点。从下行先导头部达到地面上被击物体的距离就称为雷击距。,图2.1 雷击距范围（雷击距）,从雷云对地放电过程来看，下行先导在到达由雷击距所界定的定向范围之前，其发展路径是随机的，这就意味着滚球可能会从各个方向随机下落去接触地面和建筑物。因此，为了确定建筑物上各个可能的雷击点，需要从其上空沿各个方向反复多次地抛投滚球，统计出大量被滚球接触过的点，这一做法可以等值地转变为将滚球沿建筑物屋面连续地滚越建筑物的整体。滚球所能接触到的屋面就是建筑物上

10、可能遭受雷击的区域；滚球不能接触到的地方，则可认为是由建筑物的接闪器能够保护的区域，这一区域称为保护区，如下页图中弧AC和DE以下的空间区域就是保护区。,图2.2 滚球法在建筑物面上的连续 滚动确定雷击点和保护范围,以这种雷击过程为基础，根据下行先导发展的随机性和定向性来确定建筑物上以及地面上可能出现的雷击点，这就是滚球法的基本思想。,在运用滚球法确定雷击点时，应先选定一个对应于一定雷电流幅值的滚球半径ds，然后将半径为ds的滚球从天空随机地抛向地面建筑物，滚球与地面和建筑物屋面接闪器相接触的点，即为可能的雷击点，如图2.3中所示的 A点和C点，,图2.3 用滚球法确定雷击点,滚球半径ds，它

11、是基于以下的雷闪数学模型(电气-几何模型)：,或简化为：,式中 dr 为滚球半径， I为与dr相对应的得到保护的最小雷电流幅值(kA)。,在电气几何模型中，雷闪先导的发展起初是不确定的，直到先导头部电压足以击穿它与地面目标间的间隙时，也即先导与地面目标的距离等于击距时，才受到地面影响而开始定向。 与dr相对应的雷电流按上式整理后为：,在建筑物的防雷设计中，滚球半径的选择应采用建筑防雷设计规范推荐的数值，计算得到第一类防雷建筑物I=5.4kA，二类为I=10.1kA，三类为I=15.8kA。,滚球半径的大小取决于回击时雷电流幅值的大小，由于雷电流幅值是个随机量，则雷电流幅值变化时，滚球半径也随之

12、变化。 对于强雷来说，其雷电流幅值大，相应的滚球半径就大，保护区就较大；对于弱雷来讲，其雷电流幅值小。例如图2.4，当滚球半径由ds2减小到ds1时，保护区将缩小，原先受到保护的B点将会与减小半径后的滚球相接触，从而由被保护点转变为雷击点。应用滚球法可以确定建筑物的空间受雷曲面。,图2.4 保护区随滚球半径的变化,如图2.5表示在给定雷电流幅值所对应半径的球在给定外形尺寸的建筑物屋面接闪器（避雷网）上连续地滚动，遍滚球体所能触及到的地方，即为建筑物上易受雷击的部位，如图2.6阴影区。 用滚球法，还可以方便地确定复杂形状建筑物上易受雷击部位，这也是滚球法一个显著优点。,图2.5建筑物的空间受雷曲

13、面,图2.6复杂形状建筑物上易受雷击的部位的确定,划分建筑物防雷分类的基本原则 按照国家质量技术监督局、中华人民共和国建设部联合发布的建筑物防雷设计规范GB5005794 2010的3.0.1条，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，将建筑物分为三类。,（2）建筑物防雷规范GB5005794 2000规定的建筑物防雷分类,建筑物的防雷分类的目的：减少建筑物获被保护空间遭受直接雷击的损害风险，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。,防雷建筑物分类 第一类防雷建筑物 1、凡制造、使用或贮存火炸药及其制品的危险建筑物，因电火花

14、而引起爆炸、爆轰，会造成巨大破坏和人身伤亡者。 2、具有0区或10区爆炸危险场所的建筑物。 3、具有1区或21区爆炸危险场所的建筑物，因电火花而引起爆炸，会造成巨大破坏和人身伤亡者。 注意：重点考虑雷击后可能造成的巨大破坏和人身伤亡的严重后果。,0区：正常情况下能形成爆炸性混合物（气体或蒸汽爆炸性）的爆炸危险场所。 1区：在不正常情况下能形成爆炸性混合物（气体或蒸汽爆炸性）的爆炸危险场所。 10区：正常情况下能形成粉尘或纤维爆炸性混合物的爆炸危险场所。 注:正常情况指连续出现或长期出现爆炸性粉尘环境。 21区：在生产过程中，产生、使用、加工贮存或转运闪点高于场所环境温度的燃液体，在数量和配置上

15、能引起火灾危险的场所。,第二类防雷建筑物： 1、国家级重点文物保护的建筑物。 2、国家级的会堂、办公建筑物、大型展览和博览建筑物、大型火车站和飞机场、国宾馆，国家级档案馆、大型城市的重要给水水泵房等特别重要的建筑物。 注：飞机场不含停放飞机的露天场所和跑道 。 3、国家级计算中心、国际通讯枢纽等对国民经济有重要意义的建筑物 。 4、国家特级和甲级大型体育馆。 1-4重点考虑建筑物的重要性和雷击后可能造成的后果。,5、制造、使用或贮存火炸药及其制品的危险建筑物，且电火花不易引起爆炸或不致造成巨大破坏和人身伤亡者。 6、具有1区或21区爆炸危险场所的建筑物，且电火花不易引起爆炸或不致造成巨大破坏和

16、人身伤亡者。 7、具有2区或22区爆炸危险场所的建筑物。 8、有爆炸危险的露天钢质封闭气罐。 2区：在不正常情况下形成爆炸性混合物可能性较小的爆炸危险的场所。 22区：在生产过程中，悬浮状、堆积状的可燃粉尘或可燃纤维不可能形成爆炸性混合物，但在数量和配置上能引起火灾危险的场所。,在这里也提到了制造、使用或贮存爆炸物质的建筑物；具有爆炸危险场所(环境)的建筑物，但电火花不易引起爆炸或不致造成巨大破坏和人身伤亡者。 如：易燃液体泵房，当布置在地面以上时，属爆炸危险场所(环境) ，划为第二类防雷建筑物；但当置在地下或半地下时，其泵房又是大型石油化工联合企业的原油泵房，划为第一类防雷建筑物。,9、预计

17、雷击次数大于0.05次/a的部、省级办公建筑物和其他重要或人员密集的公共建筑物以及火灾危险场所。 10、预计雷击次数大于0.25次/a的住宅、办公楼等一般性民用建筑物或一般性工业建筑物。 注：预计雷击次数应按本规范附录A计算。 9-10重点考虑发生雷电事故的可能性和后果，即雷击发生越多，产生的后果越严重。,第三类防雷建筑物： 1、省级重点文物保护的建筑物及省级档案馆。 2、预计雷击次数大于或等于0.01次/a且小于或等于0. 05次/a的部、省级办公建筑物和其他重要或人员密集的公共建筑物以及火灾危险场所。 3、预计雷击次数大于或等于0.05次/a且小于或等于0.25次/a的住宅、办公楼等一般性

18、民用建筑物或一般性工业建筑物。 4、在平均雷暴日大于15d/a 的地区，高度在15m及以上的烟囱、水塔等孤立的高耸建筑物；在平均雷暴日小于或等于15d/a 的地区，高度在20m及以上的烟囱、水塔等孤立的高耸建筑物。,防雷建筑物分类条件分析 第二类和第三类防雷建筑物都涉及到依据预计雷击次数划分防雷建筑物的类别，那么预计雷击次数又是如何得到的？ 要作好防雷，就要选择防雷装置，选择防雷装置的目的在于将需要防直击雷的建筑物的年损坏危险度R值（需要防雷的建筑物每年可能遭雷击而损坏的概率）减小到小于或等于最大损坏危险度RT值（即R RT）。,取每年RT=10-5，即每年十万分之一的损坏概率。 基于建筑物年

19、预计雷击次数（N）和防雷装置或建筑物遭雷击一次发生损坏的综合概率（P），对于时间周期t=1年，有： R=NP （1） P=PiPid+PfPfd （2）式中Pi 防雷装置截收雷击的概率，或防雷装置的截收效率（也用Ei表 示），其值与接闪器的布置有关； Pf 闪电穿过防雷装置击到需要保护的建筑物的概率，也即防雷装 置截收雷击失败的概率，等于（1-Pi）或（1-Ei）； Pid 防雷装置截收雷击后所选用的各种尺寸和规格，保护失败而发 生损坏的概率； Pfd 防雷装置没有截收而发生损坏的概率。,一次雷击后可能同时在不同地点发生n处损坏，每处损坏的分概率为Pk，这些分概率是并联组成，因此，一次雷击的总

20、损坏概率为： Pd=1 分损坏概率包含这样一些事件，如爆炸、火灾、生命触电、机械性损坏、敏感电子或电气设备损坏或受到干扰等等。在确定分损坏概率时，应考虑到同时发生两类事件，即引发损坏的事件（如金属熔化、导体炽热、侧向跳击、不容许的接触电压或跨步电压，等等）和被损坏物体的出现（即人、可燃物、爆炸性混合物等等的存在）这两类事件同时发生。 出现引发损坏的事件的概率直接或间接与闪击参量的分布概率有关，在设计防雷装置和选用其规格尺寸时是依据闪击参量的。,在引发事件的地方出现可能被损坏的周围物体的概率取决于建筑物的特点、存放和用途。 为简化起见，假定： 在引发事件的地方出现可能被损坏的周围物体的概率对每一

21、类损坏采用相同的值，用共同概率Pr代替； 没有截到的雷击（直击雷）所引发的损坏是肯定的，损坏的出现与可能被损坏的周围物体的出现是同时发生的，因此，Pfd= Pr ； 被截到的雷击引发的损坏的总概率只与防雷装置的尺寸效率Es有关，并假定（1- Es）。 Es 规定为这样一个综合概率，即被截收的雷击在此概率下不应对被保护空间造成损害， Es与用来确定接闪器、引下线、接地装置的尺寸和规格的闪击参量值有关。,将Pi用Ei，Pf用（1-Ei），Pfd用Pr，Pid用Pr（1-Es）代入，此外，引入一个附加系数Wr，它是考虑雷击后果的一个系数，后果越严重，Wr值越大。因此（2）式转化为：（ P=PiPid

22、+PfPfd ） P=PrWr（1-EiEs） （3） 概率Pr应看成一个系数，它表示建筑物自身保护程度，它取决于建筑物的结构、用途、存放物或设备。 =EiEs （4） 或Ei Es为防雷装置的效率。 从（1），（3），（4）式得：,（5）,如果R值采用可接受的最大损坏危险度RT=10-5，并使,式中 NT建筑物可接受的年允许遭雷击次数。 因此，防雷装置所需要的效率应符合下式：,（6）,（7）,（8）,Ei 和Es值,根据IEC 62305-1:2006-01的有关资料，第三类防雷建筑物所装设的防雷装置的有关值如下表,注：1、Ei为防雷装置截收雷击的概率，或防雷装置的截收效率，其 值与接闪器的

23、布置有关，第三类防雷建筑物采用60m的滚球 半径，其对应的最小雷电流幅值为16 kA，雷电流大于16kA 的概率为0.84。 2、Es与用来定接闪器、引下线、接地装置的尺寸和规格的闪击 参量值有关，小于第三类防雷建筑物所规定的各雷电流参 量最大值的概率为0.97。,根据验算和对比，一般建筑物和公共建筑物所采用的PW值如下表：,PrWr值,由上面可以看到防雷装置所需要的效率与建筑物可接受的年允许遭雷击次数NT及建筑物年预计雷击次数（N）有关，根据上表中给出的数值看看规范中划分第二和第三类建筑物的预计年雷击次数是如何得到的？ 对保护第三类防雷建筑物的防雷装置的效率值为： =0.81 NT=110-

24、2（重大危害） 代入（8）式 0.811-（110-2）/ N N110-2/0.190.0530.05。 N0.05（次/a） 只有N0.05（次/a）才能保护R值不大于10-5，从而才能保证防护的效率。 若N0.05， R大于10-5，再采用第三类建筑物的防护就达不到应有的效率，因此应升级采用第二类建筑物的防雷措施。,对保护第三类防雷建筑物的防雷装置的效率值为： =0.81 NT=510-2（正常危害）代入（3.8）式 0.811-（110-2）/ N N110-2/0.190.260.25。 N0.25（次/a） 只有N0.25（次/a）才能保护R值不大于10-5，从而才能保证防护的效率

25、。 若N0.25， R大于10-5，再采用第三类建筑物的防护就达不到应有的效率，因此应升级采用第二类建筑物的防雷措施。,建筑物年预计雷击次数 在雷击灾害风险评估、防雷分级保护以及防雷工程设计等工作中都设计到建筑物年预计雷击次数的计算好使用，它是防雷业务中常用的重要参数。1、建筑物年预计雷击次数按下式计算 N=kNgAe式中N 建筑物预计雷击次数（次/a）； k 雷击次数校正系数； Ng 建筑物所处地区雷击大地的年平均密度次/ （km2a）； Ae 与建筑物截收相同雷击次数的等效面积（km2）。,(1) 雷击次数校正系数k的取值： 在一般情况下取1； 位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小

26、处、地下水露头处、土山顶部、山谷风口等处的建筑物，以及特别潮湿的建筑物取1.5; 金属屋面的砖木结构建筑物取1.7； 位于旷野孤立的建筑物取2。 (2)雷击大地的年平均密度，首先应按当地气象台、站资料确定；若无此资料，可按下式计算。 Ng =0.1Td式中 Td 年平均雷暴日，根据当地气象台、站资料确定 （d/a）。,(3) 建筑物等效面积Ae的计算： 建筑物等效截收面积定义为与建筑物具有相同的年直接雷击次数的大地表面积，其面积应为其实际平面向外扩大后的面积。其计算方法应符合下列规定： 、当建筑物的高当H100m时， 每边的扩大宽度： 式中 D 是建筑物每边的扩大宽度（m）； Ae是等效截收面

27、积。,L、W、H分别为建筑物的长、宽、高（m）。,注：建筑物平面积扩大后的面积Ae如图中周边虚线所 包围的面积。, 当建筑物的高H小于100m，同时其周边在2D范围内有等高或比它低的其他建筑物，这些建筑物不在所考虑建筑物以hr=100(m)的保护范围内时，按式算出的Ae可减去(D/2)(这些建筑物与所考虑建筑物边长平行以m计的长度总和)10-6(km2)。 当四周在 2D 范围内都有等高或比它低的其他建筑物时，其等效面积可按下式计算。其等效面积为：, 当建筑物的高H小于100m，同时其周边在2D范围内有比它高的其他建筑物时，按式算出的Ae可减去D(这些建筑物与所考虑建筑物边长平行的以m计的长度

28、总和)10-6(km2)。 当四周在2D范围内都有比它高的其他建筑物时，其等效面积可按下式计算。 其等效面积为： Ae=LW10-6（km2）, 当H100m时 每边的扩大宽度应按等于建筑物的高度H，即D=H计算。 建筑物的等效面积应按下式计算：,Ae=LW+2H(L+W)+H210-6, 当建筑物的高H等于或大于100m，同时其周边在2H范围内有等高或比它低的其他建筑物，这些建筑物不在所考虑建筑物以hr=H(m)的保护范围内时，按式算出的Ae可减去(H/2)(这些建筑物与所考虑建筑物边长平行的以m计的长度总和)10-6(km2)。 其等效面积为：, 当建筑物的高H等于或大于100m，同时其周

29、边在2H范围内有比它高的其他建筑物时，按式算出的Ae可减去H(这些建筑物与所考虑建筑物边长平行以 m 计的长度总和)10-6(km2)。 注：当四周在2H范围内都有比它高的其他建筑物时，其等效面积为： Ae=LW10-6(km2), 当建筑物各部位的高不同时，应沿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。,注：建筑物平面积扩大后的面积Ae如图中周边虚线所包围的面积。,建筑物的等效面积（H等于或大于100米）,建筑物的等效面积示意,平坦地带建筑物的等效截收面积,在复杂地形中建筑物的等效截收面积,首次及雷击的雷电流参量,（3） 建筑物防雷雷电参

30、数取值,后续雷击的雷电流波形参数,关于雷电流波形参数幅值、波头和波长时间，已经累积了各种实测数据，虽然基本规律大致接近，但具体数值却有差别，存在一定的分散性。其原因主要来自两个方面：一是雷电放电本身的随机性受到各地气象、地形和地质等自然条件的诸多因素影响；二是测量手段和测量技术水平不同。,长时间雷击的雷电流参量,大气中雷击强度概率分布（符合IEC61024-1）,正闪击和负闪击的概率分布,（4）避雷针保护范围的计算 单支避雷针的保护范围 单支避雷针的高度不大于滚球半径hr（这里hr=hs） a、距地面hr处作一平行于地面的平行线； b、以避雷针的针尖为圆心，ds为半径画圆弧，该圆弧线交于平行线

31、的A、B两点； c、分别以A、B为圆心，hr为半径画圆弧，这两条圆弧线上与避雷针尖相交，下与地面相切。再将圆弧与地面所围面以避雷针为轴旋转180，所得圆弧曲面圆锥体即为避雷针的保护范围。,图2.8单支避雷针的保护范围,图2.7 单支避雷针的保护范围计算简图,避雷针在地面上的保护半径r0，可确定为： d、避雷针在hx高度的xx平面上和地面上的保护半径：,式中，hs为滚球半径，h为避雷针的高度，hx为距平面x处的高度，rx在高度为hx处的保护半径，各量的单位均为m。,单支避雷针的保护范围立体图,单支避雷针在hx高度的保护范围,例一：有一第二类防雷建筑物，避雷针的高度为8m，求其保护范 围？解：第二

32、类防雷建筑物，滚球半径为45m。,图2.9 单支8.0m避雷针的保护范围计算,例二：某公司在地面上有两台高2.35m的天线，相距3.6m，为了保护这两台 天线，在其中间装一支避雷针，问此避雷针的高度应为多高? 解：判断为第二类建筑物，滚球半径取45m，两台天线相距3.6m，避雷针设 在中间，在2.35m的高度上避雷针的保护范围要大于3.62=1.8m才能 保护这两台天线。,答：安装大于4高的避雷针就能保护这两台天线。,例三：有一二类防雷建筑物高28m，长50m，宽10m，女儿墙高1m，屋顶中 央架设了一根高8m的避雷针，求避雷针在建筑物顶部的保护范围？解：避雷针的实际高度为36m(28+8=3

33、6m)，小于滚球半径45m)，屋顶离地 高度为28m，计算避雷针在离地28m处的保护半径：,单支8.0m避雷针安装在屋面的保护范围,=44.141.7 =2.4(m),在屋顶上敷设避雷网及在女儿墙上装避雷带，此时建筑物的顶部用避雷网、避雷带托住滚球，因此建筑物的顶部也成了“地”。,单支避雷针的高度hhs的保护范围hs 在避雷针上取高度为hs的一点代替避雷针针尖为圆心，其余的作图步骤同hhs的情况。当hhs时，避雷针的保护范围不再增大，并在其高出滚球半径的部分， 即hds部分，将会出现侧向暴露区，在避雷针的该部分上将会遭到侧面雷击，CD和EF以外的部分就不在保护取。,图2.10 hhs单支避雷针

34、的保护范围, 双支等高避雷针的保护范围 双支避雷针之间的保护范围是按照两个滚球在地面从两侧滚向避雷针，并与其接触后两球体的相交线而得出的。 在避雷针高度h小于或等于滚球半径hr时： 当两支避雷针的距离 D 时，滚球则可以在地面上从两针中间自由滚动，双支避雷针之间的保护范围应按单支避雷针的方法确定。,图2.11 双支等高避雷针的保护范围立体图（D ）,图2.12 双支等高避雷针的保护范围,当D小于 时，两针之间有共同的保护范围，应按下列方法确定。,ABCD外侧的保护范围，按照单支避雷针的方法确定； 在两针之间rx垂直平分线上（即C、E点的平分点），在地面每侧的最小保护宽度bo按下式计算：,该保护

35、范围上边线是以中心线距地面hr的一点O为圆心，以 为半径所作的圆弧AB。,图2.13 双支等高避雷针保护范围的计算简图,o,两针间AEBC内的保护范围，ACO部分的保护范围按以下方法确定：在任一保护高度hx和C点所处的垂直平面上，以hx作为假想避雷针，按单支避雷针的方法逐点确定 （图2.14剖面图）。确定BCO、AEO、BEO部分的保护范围的方法与ACO部分的相同。关键是hx的计算。,图2.14 双支等高避雷针的保护范围中的1-1剖面图,在AOB轴线上，距中心线任一距离x处，其在保护范围上边线上的保护高度hx按下式确定：半径为R的圆弧曲线AOB上任意一点F，假想在该点有一支避雷针，其高度为hx

36、，F点就是避雷针针尖。由图2.13可知，圆弧曲线AOB的半径为：,即在圆弧曲线AOB上任意点F的高hx。,图2.15 在D小于 时， 双支等高避雷针在hx高度的保护范围,建筑物顶部突出屋面上避雷针长度的确定 建筑物顶部突出屋面的部分是易受直接雷击的部位，常常要装避雷针加以保护，利用滚球法，可以确定所设避雷针的长度，以下将分两种典型情况加以说明。 建筑物顶部周边设有避雷带,图2.16 建筑物顶部设避雷,例一：图2.17一座建筑物为坡屋顶，屋长40m，宽8m，脊高5.5m， 檐高3.5m，采用在屋脊上安装双支避雷针保护，两支避雷针 相距D=30m，针高5m，经测量接地电阻为30欧姆。用作桶装 贮漆

37、间或用作非桶装贮漆间，这一设计能否对该建筑物做防 雷保护？,图 2.17 双 支 避 雷 针 保 护,解：1、用作桶装贮漆间时，为2区爆炸危险环境，该建筑为第二 类防雷建筑物，原避雷两针之间的间距为 D=30m，针高度为 5+5.5=10.5m。,在两避雷针间的垂直平分线上，其上边线的保护高度：,5.5m（满足要求）,在山墙的屋脊部位hx=5.5m时，,在避雷针的垂直平分线位置，屋檐的hx=3.5m，虚拟避雷针的高度为7.38m时，,结论一：用作桶装贮漆间时，原有避雷针可满足要求。解2、用作非桶装贮漆间时，为1区爆炸危险环境，该建筑为第一类防 雷建筑物。 在两避雷针间的垂直平分线上，其上边线的

38、保护高度计算,5.5m（不满足要求）,rx =,解：认定该建筑物为第三类防雷建筑物，hr= 60m，避雷针距建筑物山墙端 部5m，房屋的脊、檐是最 突出的部位，只要避雷针能够保护脊、檐， 就对整个房屋起保护作用。计算地面保护半径：,例二：如图所示，在一屋长60m，宽10m，脊高5.9m，檐高3.4m的混合结构 房屋安装如图所示位置高12.3m的双支避雷针，审定该避雷针能否保 护这一房屋？并画出平面保护图。,作图画出r1=16.48m保护范围； 在h2=5.9m高度的保护半径：,在高度h1=3.4m时的保护半径：,结论：A、5.9m高度上的中段屋脊27.5710.44m，不在保护范围内； B、3

39、.4m高度上的中段屋檐28.6516.48不在保护范围内； C、修改方案是：、加高避雷针；、改用避雷线。,作图画出两针在该高度r2=10.44m的保护范围。,28.65m,图2.18 双支不等高避雷针保护范围的立体图, 双支不等高避雷针的保护范围, 确定四支等高避雷针,图2.19 四支等高避雷针方形布置时的保护范围,、感应过电压问题？ 避雷针吸引雷电，所以雷击次数就会提高，强大的雷电流沿针而下过程中，其周围产生的交变磁场会在附近没有屏蔽或屏蔽效果差的保护物上形成感应过电压而造成事故。 、反击问题？ 当雷电被吸引到针上，将有数十或数百千安的高频雷电流通过避雷针及其接地引下线和接地装置，此时针和引

40、下线的电位很高，若其对被保护物之间的距离小于安全距离时，会由针及其引下线向被保护物发生反击，损坏被保护物。,x,第三节 避雷线的保护 避雷线是由悬挂在空中的水平导线，接地引下线和接地体组成。水平悬挂的导线用于直接承受雷击，起接闪器作用。避雷线设置在被保护物体的上方，能提供与自身线长相等的保护长度，其工作原理与避雷针类似，也是由于避雷线周围的电场畸变吸引下行先导，将雷击引向自身。但避雷线对周围电场的畸变效果不如避雷针，因此其引雷效果也不如避雷针。,避雷线广泛用于高压架空输电线路的防雷保护，架设在架空高压输电线路的上方，保护输电线路免受直接雷击，如图所示。 高压架空输电线路跨越长距离范围，绵延分布

41、在广阔的地面上，很容易遭受雷击，引起停电事故。在架空输电线路上方设置避雷线，就能利用避雷线的引雷作用将雷云的下行先导引向其自身，从而使输电线路免受雷击。用于保护架空输电线路的避雷线通过引下线和接地体连接泄放雷电流，固也通常称为架空地线。,架空线路上方的避雷线,第四节 避雷带与避雷网（法拉第笼式）保护 1876年英国防雷协会会议上 JCMaxwell为避免在建筑物上安装避雷针而可能吸引更多的雷云放电，提倡使用避雷带和法拉第笼。这一发展曾为富兰克林所预见，他曾建议在建筑物上装设在“沿屋脊的中间线”。 从另一角度考虑，当受建筑物造型或施工限制而不便直接使用避雷针或避雷线时，也需要在建筑物上设置避雷带

42、或避雷网来防直接雷击。避雷带和避雷网的工作原理与避雷针和避雷线类似。在许多情况下，采用避雷带或避雷网来保护建筑物既可以收到良好的效果，又能降低工程投资，因此在现代建筑物的防雷设计中得到了十分广泛的应用。,一.避雷带保护 避雷带是用圆钢或扁钢作成的长条带状体，常装设在建筑物易受直接雷击的部位，如屋脊，屋檐（有坡面屋顶），屋顶边缘及女儿墙或平屋面上，如图所示。避雷带应保持大地良好的电器连接，当雷云的下行先导向建筑物上的这些易受雷击部位发展时，避雷带率先接闪，承受直接雷击，将强大雷电流引入大地，从而使建筑物得到保护。这是一种对建筑物上易受雷击部位进行重点保护的措施，目前已广泛应用于普通民用建筑物和古

43、建筑物的防蕾保护。 （a）屋顶突出物加设避雷针 （b）平屋面上设避雷带 （c）女儿墙上设避雷带,避雷带的设置,避雷带保护应注意的问题： 由安培定律可知，凡含有拐弯部分的载流导体或金属构件，其拐弯部分都将受到电动力的作用，拐弯处的夹角越小，受到的电动力就越大。所以当拐弯夹角为锐角时，所受到的电动力相对较大；而当拐弯处的夹角为钝角时，所受到的电动力相对较小。 因此，在防雷设计与施工中，避雷引下线的走线方式应尽可能走直线路径，在必须拐弯的情况下，应采取钝角并带圆弧向下走线，而应避免采用锐角或绕直角向下走线。当避雷引下线非要走锐角路径不可时，应在线路的锐角拐弯处采取牢固的机械固定措施，以防被电动力拉动

44、。,二. 避雷网（法拉第笼）保护 避雷网实际上相当于纵横交错的避雷带叠加在一起，在建筑物上设置避雷网可以实施对建筑物的全面防雷保护。,避雷网（法拉第笼式）保护法示意,明装避雷网,避雷网的设置有明装和暗装两种形式： 明装防雷网是在建筑物的屋顶上或层顶屋面上以可见金属网格作为接闪器，沿其四周或沿外墙做引下线接地。 明装避雷网不甚美观，在施工方面也会带来困难，同时还会增加额外的工程投资，现在较少使用。,暗装避雷网目前则使用得十分广泛。暗装避雷网一般是利用现代建筑物钢筋混凝土结构中的钢筋来构成的，在没有浇筑混凝土前就象一个大铁笼子。它是将建筑物屋面的钢筋网格作接闪器使用，或将楼面的钢筋引到女儿墙以上明

45、装避雷带，利用多根垂直钢筋为引下线，利用基础结构钢筋为接地装置，再将楼面、梁、柱、楼板、基础结构钢筋按防雷设计规范要求进行电气上的相互连接，这样就将整个建筑物构件中的所有钢筋连接成一个统一的导电系统，纵横交错、密密麻麻构成一个大的立体避笼式雷网（法拉第笼），将整个建筑物罩住。,立体金属笼网,建筑物的笼式避雷网,注意： 采用暗装避雷网也存在着一个缺点，即在每次承受雷击后，雷击点处的屋面表层要被击出小洞并会有一些碎片脱落，使得这一小块的防水和保温层受到破坏。实际上，建筑物防水和保温隔离层中的钢筋距层面的厚度很小。但有些建筑物的防水和保温层较厚，当其中的钢筋距层面的厚度大于20cm时，应另设辅助避雷

46、网。 有些特高层建筑的基础防水层使用了橡胶或其它合成物，有绝缘作用，此时宜在地面将主钢筋多条与水泥护坡桩内钢筋连接，最好是用一扁钢将护坡桩的钢筋连成一圈。,笼式避雷网的作用： 笼式避雷网可以全方位地接闪、保护被其罩住的建筑物，它既可以防建筑物顶部遭受雷击；又可以防建筑物侧面遭雷击。 笼式避雷网能够对雷电流产生的暂态脉冲电磁场起屏蔽作用，使进入建筑物内部的电磁干扰受到削弱； 另一方面，笼式避雷网也能够对雷击时产生的暂态电位升高起到电位均衡作用，将笼网各部位的暂态对地悬浮电位均衡到大致相等的水平。当然，笼式避雷网的这些防护雷电损害作用的效果与笼体的大小及其网格尺寸有关，笼体越小且其网格尺寸越小，则

47、其防雷效果就越好。网格尺寸的大小取决于被保护建筑物的重要性。,在建筑物顶部常有一些金属突出物，如金属旗杆、透气管、钢爬梯、金属天沟和金属烟囱等，这些金属突出物必须与避雷网焊接，以形成统一的接闪系统。对于建筑物顶部突出的非钢筋混凝土物体，可以另设避雷网或避雷针加以保护，如图所示。,建筑物顶部突出物体的保护,第五节 接闪器的设置,一.建筑物外部防雷装置 建筑物外防直击雷是指建筑物外部防雷。包括防直击雷、侧击雷和雷电反击等内容。 直击雷：雷云与大地之间直接通过建(构)筑物、电气设备或树木等放电称为直击雷。 防直击雷的基本原则：引导雷云对避雷装置放电，使雷电流通过低阻抗通路迅速流入大地，从而保护建(构

48、)筑物免受雷击。,建筑物外部防雷组成： 接闪器：外部防雷装置中用于拦截雷电闪击的那一部分。 引下线：外部防雷装置中用于将雷电流从接闪器传导至接地装置的那一部分。 接地装置：外部防雷装置中用于将雷电流传导及散流入地的那一部分。接地体是接地装置的一部分，它直接与大地有电气接触并将雷电流散流入大地。环形接地体是在地下或地面以环绕建筑物构成一闭合环路的接地体。,二. 接闪器的设置1、防雷建筑物的接闪器采用避雷针或架空避雷线（网） 避雷针是安装在建筑物突出部位或独立装设的针形导体。通常采用镀锌圆钢或镀锌钢管制成。 避雷线是通常用于装设在架空输电线路上的导线，一般采用截面不小于35mm2的镀锌钢绞线。 架

49、空避雷网是架设在屋面上空纵横敷设的避雷带组成的网格。,安装独立避雷针或架空避雷线（网）使被保护的建筑物及风帽、放散管等突出屋面的物体均处于接闪器保护范围内； 架空避雷网的网格尺寸不应大于5.0m5.0m或6.0m4.0m（第一类防雷建筑物）；1010m或128m（第二类防雷建筑物）；20m20m或24m16m（第三类防雷建筑物）； 独立避雷针及其接地装置与道路或建筑物的出入口等的距离应大于3m。当小于3m时，应采取均压措施或铺设卵石或沥青地面。独立避雷针的接地装置与建筑物接地网的地中距离不应小于3m。,图2.20 架空避雷线网与被保护建筑物的距离示意,排放有爆炸危险的气体、蒸汽或粉尘的放散管、

50、呼吸阀、排风管等的管口外的以下空间应处于接闪器的保护范围内：当有管帽时应按表2.2确定；当无管帽时，应为管口上方半径5m的半球体，接闪器与雷闪的接触点应设在上述空间之外。 排放排风管等，当其排放物达不到爆炸浓度、长期点火燃烧、一点火就燃烧时，以及发生事故时排放物才达到爆炸浓度的通风管、安全阀，接闪器的保护范围可仅保护到管帽，无管帽时可仅保护到管口。,表2.2 有管帽的管口外处于接闪器保护范围内的空间,注：相对密度小于或等于0.75的爆炸性气体规定为轻于空气的 气体；相对密度大于0.75的爆炸性气体规定为重于空气的 气体。,对于第三类防雷建筑物避雷网（带）应沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷击的部