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1、,雷电及防护,云南希普防雷工程有限公司2006年4月,雷电,雷电是一种大气中的放电现象。雷击是指：一部分带电云层与另一部分带异种电荷的云层，或者是带电云层对大地之间的迅猛放电过程。这种迅猛放电过程产生强烈的闪光和巨响。,雷电的产生,在大气层中，云层间或云和地之间的电位差增大达到一定程度时，即发生猛烈放电现象（闪电）。雷电的产生首先与大气层中的云有关，如层积云、雨层云、积云、积雨云等，最重要的则是积雨云，气象专业书中讲的积雨云就是指雷雨云。,雷电的产生,在积雨云的生成与发展的同时，云体会带有大量电荷，一般云体上部带正电荷，中部和下部带负电荷，底部又有一部分带正电荷。有的区域电位梯度大到每厘米几千
2、伏特，甚至上万伏特时，才会有闪电发生。每次放电时的电流强度平均有2万安培左右，放电时间很短，总的持续时间一般为0.2秒；个别的可达1.5秒。闪电有枝状、球状、片状、条状等多种形状，但经常见到的是枝状闪电，其平均长度是2-3公里，也有可达20-30公里的。在闪电的同时，放电的路径上空气的温度瞬息间可以增高几万度，空气因急剧增热而膨胀就会引起空气的剧烈振动、冲击、爆炸，产生强烈的雷鸣（打雷），亦称雷暴。由于光速比声速快，故先见闪电，后闻雷声。雷暴在气象学里，分锋面雷暴、气团雷暴、对流性雷暴、平流性雷暴。,2、雷（雨）云中电荷分布结构受地理位置影响,（1）电荷分布状况不相同；,（2）集中区高度不相同
3、；,（3）温度分布不相同；,（4）云体尺寸大小不相同。,1、感应起电学说：,雷（雨）云的起电机制,1、感应起电学说：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。,2、温差起电学说：,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。,雷（雨）云的起电机制,破碎起电学说,由于大气电场的感应极化，大水滴下降时，受到气流作用发生破碎形成许多小水滴和几个较大
4、水滴。小水滴带负电，较大水滴带正电。由于云中的电荷增多，大气电场又增大，如此循环，形成雷（雨）云起电后的电荷分布。,冻结起电学说,云中冷水滴与雹粒接触时，过冷水滴有了凝结核，发生相变，迅速变成冰。释放的潜热又使冰的外壳破裂成冰屑，冰屑带正电随气流上升，较大的水滴带负电留在原地或约下降，形成雷（雨）云起电后的电荷分布。雷（雨）云中部温度在 0-10 0 C，是过冷水滴最多的区域，所以中部负电荷较多。,闪电及分类,1、闪电：指雷（雨）云中不同部分之间聚集的电荷形成的电场（可达几百万伏/米），把云内或云外的大气层击穿，产生的强火花放电。,按闪电方式分类,（1）云内闪电：带电云层内部击穿放电。（2）云
5、际闪电：一部分带电的云层与另一部分带异种电荷的云层之间的击穿放电。（3）云地闪电：带电的云层对大地之间的击穿放电。,按闪电形状分类,（1）线状闪电：常发生在云地之间。（2）带状闪电：线状闪电的特殊情形。（3）片状闪电：发生在云际之间的线状闪电的特殊情形。（4）联珠闪电：强线状闪电中偶尔出现的一种特殊现象。（5）球状闪电：具有强烈的电磁效应和穿透金属能力，形如火球，也称球闪或滚地雷。,线状闪电,云内闪电,联珠状闪电,球状闪电,雷电入侵途径直击雷雷电感应 雷电反击 雷电波侵入雷击电磁脉冲,直击雷及危害 雷电直接击在建筑物上，雷电放电的极高能量产生的电效应、热效应和机械力将对建筑物及其实施造成极大的
6、损害。,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。,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。,雷击电磁脉冲 直接雷击和附近雷击所产生的强大的空间电磁脉冲。如果建筑物和金属管线无防护，空间电磁脉冲将在连接的金属管线上感应产生雷电流，进入建筑内部，使建筑内的某些部位电位升高，达到有害的数值，干扰甚至损坏电气设备特别是信息设备。,雷灾新特点,受灾面大大扩大 从电力、建筑这两个传统领域扩展到几乎所有行业，特别是与高新技术关系最密切的领域，如航天航空、国防、邮电通信、计算机、电子工业、石油化工
7、、金融证券等,空间范围扩大，从二维空间入侵变为三维空间入侵 除闪电直击和过电压波沿线传输外，空间闪电的脉冲电磁场可从三维空间入侵到任何角落，无孔不入地造成灾害，因而防雷工程已从防直击雷、感应雷进入防雷电电磁脉冲（LEMP）,灾害的经济损失和危害程度大大增加 雷电袭击对象本身的直接经济损失有时并不太大，而由此产生的间接经济损失和影响就难以估计。,产生上述特点的根本原因雷灾的主要对象已集中在微电子器件设备上。雷电的本身并没有变，而是科学技术的发展，使得人类社会的生产生活状况变了。微电子技术的应用渗透到各种生产和生活领域，微电子器件极端灵敏这一特点很容易受到无孔不入的雷电电磁脉冲（LEMP）的作用,
8、造成微电子设备的失控或者损坏。为此，当今时代的防雷工作的重要性、迫切性、复杂性大大增加了，雷电的防御已从直击雷防护到系统防护。现代防雷，必须采用综合防雷措施，在完善直击雷防护的同时，还应加强感应雷的防护。,雷电参数,雷电的主要参数包括雷暴日、雷电流幅值、雷电流陡度、冲击过电压等。雷电参数是防雷设计的重要依据。,雷暴日,雷暴日是表征雷电活动的频繁程度的参数,经常采用年雷暴日数来衡量。只要一天之内能听到雷声的就记为一个雷暴日。雷暴日数越大,说明雷电活动越频繁。由于各年雷暴日数变化较大,所以采用多年的平均值。通常说的雷暴日都是指一年内的平均雷暴日数,即年平均雷暴日,单位d/a,影响雷暴日数的因素,纬
9、度赤道多，两极少海拔。山地雷电活动较平原频繁,其雷暴日约为平原的3倍。季节。夏季多于其他季节,是全年雷电活动的高峰期在一日之内。则是下午和上半夜多于上午和下半夜,我国的雷暴分布,广东省的雷州半岛和海南省一带雷暴日在80d/a 以上长江流域以南地区雷暴日为4080d/a长江以北大部分地区雷暴日为20 40d/a西北地区雷暴日多在20d/a以下。西藏地区因印度洋暖流沿雅鲁藏布江上溯,很多地方雷暴日高达5080d/a,雷区划分,我国把年平均雷暴日不超过15d/a的地区划为少雷区超过90d/a划为强雷区。因电子信息系统承受雷电电磁脉冲的能力比较低,其地区雷暴日等级划分比较严格。将地区雷暴日等级划分为少
10、雷区、多雷区、高雷区、强雷区。其中,少雷区的雷暴日在20d/a 及以下;多雷区的雷暴日大于20d/a,不超过旬40d/a高雷区的雷暴日大于40d/a,不超过60d/a强雷区的雷暴日超过60 d/a以上,雷电流幅值,雷电流幅值是指主放电时冲击电流的最大值。雷电流幅值与气象、自然条件等因素有关，可达数十至数百千安我国大部分地区(平均雷暴日大于20d/a的地区)的雷电流幅值的概率可用下式表达：,P雷电流幅值超过I的概率I雷电流幅值,雷电流陡度,雷电流陡度是指雷电流随时间上升的速度。雷电流陡度决定于雷电流幅值和雷电流波头时间。雷电流冲击波波头陡度可达到50kA/us,平均陡度约为30 kA/us。雷电
11、流陡度越大,对电气设备造成的危害也越大,雷击冲击过电压,雷击时的冲击过电压很高,直击雷冲击过电压可用下式表达：u-直击雷冲击过电压,ki 雷电流,kA;R-防雷接地装置的冲击接地电阻,L 雷电流通路的电感,H。,直击雷冲击过电压的组成,前一部分决定于雷电流的大小和雷电流通道的电阻后一部分决定于雷电流陡度和雷电流通道的电感。直击雷冲击过电压可高达数千千伏。,雷电的危害,雷电具有电流大、电压高、冲击性强等特点。雷电所产生的高电压及闪电的静电感应效应、电磁感应效应、热效应、机械效应、冲击波效应和电动力效应等可产生各种破坏作用。雷电可造成设备和设施的损坏,引起大规模停电,造成人身事故。就其破坏因素来看
12、,雷电具有电性质、热性质和机械性质三方面的破坏作用。,电性质的破坏作用,百万伏乃至更高的冲击电压，可能毁坏电力系统电气设备的绝缘，烧断电线，造成大规模停电；绝缘损坏可引起短路,导致火灾或爆炸事故二次放电的电火花也可能引起火灾或爆炸,二次放电也能造成电击绝缘损坏后,可能导致高压窜入低压,在大范围内带来触电的危险数十至百千安的雷电流流人地下,会在雷击点及其连接的金属部分产生极高的对地电压,可能直接导致接触电压电击和跨步电压触电事故。雷电的电磁效应对弱电系统的电子装置会形成永久性损坏或形成电磁干扰,造成系统的误动作乃至酿成事故。输电线路遭雷击时,足以破坏计算机系统的运行机能。,热性质的破坏作用,闪电
13、击中地面的物体,雷电流产生的热效应具有很强的破坏作用。直击雷放电的高温电弧能直接引燃可燃物,造成火灾。强大的雷电流通过导体,瞬间转换出大量的热能,可导致金属熔化、飞溅,从而引起火灾或爆炸,机械性质的破坏作用,强大的雷电通过被击物时,被击物体中的水分急剧蒸发而产生气体，因气体剧烈膨胀的机械作用致使被击物毁坏和爆炸。闪电的回击通道其瞬时功率很高，能够形成爆炸式的冲击波。在强闪电通道附近几厘米至几米范围,初始时的冲击波波阵面的超压可达到106Pa数量级。此外雷电的电动力效应等也有一定的破坏作用。,建筑物防雷分类,建筑物根据其重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果分为三类第一类防雷建筑物(1)凡
14、制造、使用或储存炸药、火药、起爆药、火工品等大量爆炸物质的建筑物,因电火花而引起爆炸,会造成巨大破坏和人身伤亡的建筑物。(2)具有0区或10区爆炸危险环境的建筑物。(3)具有1区爆炸危险环境,因电火花而引起爆炸会造成巨大破坏和人身伤亡的建筑物:例如,火药制造车间、乙炔站、电石库、汽油提炼车间等。,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、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。(3)国家级计算中心、国际通信枢纽等对国民经济有重要意义且装有大量电子设备的建筑物。(4)制造、使用和储存爆炸物质的建
15、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的建筑物。(5)具有1区爆炸危险环境的建筑物,且电火花不易引起爆炸或不致造成巨大大破坏和人身伤亡的建筑物。如油漆制造车间(6)具有2区、11区爆炸危险环境的建筑物。,第二类防雷建筑物,(7)工业企业内有爆炸危险的露天钢质封闭气罐。(8)预计雷击次数大于0.06 次/a的部、省级办公建筑物及其他重要的或人员密集的公共建筑物。(9)预计雷击次数大于0.3次/a的住宅、办公楼等一般性民用建筑物。,第三类防雷建筑物,(l)省级重点文物保护的建筑物和省级档案馆。(2)预计雷击次数大于或等于0.012次/a,且小于或等于0.06次/a的部、省级办公建筑
16、物及其他重要或人员密集的公共建筑物。(3)预计雷击次数大于或等于0.06次/a,且小于或等于0.3次/a的住宅、办公楼等一般性民用建筑物。(4)预计雷击次数大于和等于0.06次/a的一般性工业建筑物。(5)根据雷击后对工业生产影响及产生后果,并结合当地气象、地形、地质及周围环境等因素,确定需要防雷的21区、22区、23区火灾危险环境。(6)平均雷暴日大于15d/a的地区,高度在15m及其以上的烟囱、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。,建筑物预计雷击次数的计算,N-建筑物预计雷击次数,次/ak校正系数；一般取1，孤立
17、2，金属屋面1.7，小电阻率地区1.5Ng-建筑物所处地区雷击大地的年平均密度,次/(km2 a);Ae-与建筑物截收相同雷击次数的等效面积,km2。,雷击大地的年平均密度计算,Td年平均雷暴日，根据当地气象台资料确定,建筑物等效面积计算,建筑物等效面积应为实际平面面积向外扩大后的面积（平方公里）建筑物高度小于100米，L、W、H为建筑物长宽高，扩大距离为D,建筑物等效面积计算,建筑物高度大于等于100米时，每边扩大距离等于建筑物高度，等效面积：,现代防雷,现 代 防 雷 现代防雷是一项系统工程，由于雷电的危害无孔不入，在整个空间范围内侵袭电子设备，因此现代防雷强调全方位的防护，综合治理，层层
18、设防。,直击雷及危害雷电直接击在建筑物上及地面高大物体上 雷电放电的极高能量产生的电效应可造成 人身伤害。产生的热效应和引发火灾。产生的机械力将对建筑物及其设施造成极 大的损害。,防雷装置,防雷装置是指接闪器、引下线、接地装置、电涌保护器及其他连接导体的总合。避雷器是一种专门的防雷装置。,接闪器的保护原理,利用其高出被保护物的突出地位,把雷电引向自身,然后经引下线、接地装置到大地,形成一条安全的雷电流通路,使被保护物免受雷击之害。(1)接闪器的形式接闪器由下列一种或多种组成:1)独立避雷针。2)架空避雷线或架空避雷网。3)直接装设在建筑物上的避雷针、避雷带或避雷网。,接闪器的组成,接闪器,除第
19、一类防雷建筑物和第二类防雷建筑物中的国家级重点文物倮护单位和具有爆炸危险的建筑物之外，建筑物宜利用钢筋混凝土屋面、梁、柱等的钢筋作为建筑物的接闪器。,避雷器,避雷器是电力系统中普遍使用的防雷保护装置。在发电厂、变电所、高压输电线路上,装设有各种型式的避雷器,用来保护电力系统中的电气设备和电气线路,也作为防止高电压侵入室内的安全措施。避雷器并联在被保护设备或设施上,正常时处在不导通的状态。出现雷击过电压时,击穿放电,切断过电压,发挥保护作用。过电压终止后,避雷器迅速恢复不通状态,恢复正常工作。按其工作原理,避雷器分为保护间隙、管型避雷器、阀型避雷器和氧化锌避雷器,前三种避雷器使用越来越少,已日趋
20、淘汰,氧化锌避雷器已占主导地位。,引下线,防雷装置的引下线应满足机械强度、耐腐蚀和热稳定的要求。引下线一般采用圆钢或扁钢,宜优先采用圆钢。圆钢直径不应小于8mm;扁钢截面不应小于48mm2。引下线应沿建筑物外墙敷设,并经最短途径接地。建筑艺术要求较高者可暗敷,但圆钢直径不应小于10mm;扁钢截面不应小于80mm2。建筑物的消防梯、钢柱等金属构件宜作为引下线，但其各部件之间均应连成电气通路。,防雷接地装置,接地装置是防雷装置的重要组成部分。接地装置向大地泄放雷电流,限制防雷装置及与其连接的金属物体对地电压不致过高。（1）人工垂直接地体角钢、钢管或圆钢（2）长度宜为2.5m，间距5m。（3）埋深大
21、于0.5m；（4）土壤电阻率不宜过高；（5）接地装置距离人行道距离应大于3m（6）接头连接方式应采焊接；（7）接地电阻不大于10欧姆（8）可与其他接地装置共用（独立避雷针除外）,等电位连接 等电位连接是指，将建筑物内各种带电或不带电的金属物体、金属管道、用电设备的金属外壳、电缆的金属外屏蔽层或金属护套，用连接导体或电涌保护器连接起来，并与接地系统连接，形成等电位，以减小雷电流在它们之间产生的电位差。在防雷等电位连接中，环型接地母排，能有效防止雷电流、雷击电磁脉冲的入侵。等电位接地系统实际上是接地系统的一部分。,屏蔽及重复接地 屏蔽是减少雷电感应的重要措施，对信息系统尤为重要。钢筋混凝土结构的建筑物，其墙体内的钢筋网就形成防雷屏蔽。屏蔽效率与建筑钢筋密度有关。信号线上的雷电感应强度与电缆线是否穿金属管、是否有屏蔽层、屏蔽层是否接地有关。电缆线屏蔽层两端接地才能达到最佳屏蔽效果,限压 对侵入的雷电浪涌电压及其它原因产生的过电压，在电源线路的关键部位，敏感设备的端口设置电涌防护器，泄放雷电流，可有效限制出现的过电压。由于雷电过电压可达数千伏，应采用层层设防、多级配置方案。配电系统电源防雷应采用三级防护，使过电压降低至设备能允许的水平。,
