8--雷电和静电

第八章雷电和静电张村峰Email：[e-mail]2012年5月电气安全概述雷电和静电有许多相似之处。雷电和静电都是相对于观察者静止的电荷聚积的结果；雷电放电与静电放电都有一些相同之处；雷电和静电的主要危害都是引起火灾和爆炸等。雷电与静电电荷产生和聚积的方式不同、存在的空间不同、放电能量相差甚远，其防护措施也有很多不同之处。主要内容雷电安全静电防护技术雷电安全雷电的形成地球本身就是一个电容器。通常大地稳定地带负电荷50万C左右，而地球上空存在一个带正电的电离层，这两者之间便形成一个已充电的电容器，它们之间的电压为300KV左右，并且场强为上正下负。地球雷电的形成当地面含水蒸汽的空气受到炽热的地面烘烤受热而上升，上升气流上升时温度逐渐下降形成雨滴、冰雹（称为水成物)。水成物在地球静电场的作用下被极化（如右图）负电荷在上，正电荷在下。雷电的形成由于水成物下降的速度快。而云粒子下降的速度慢，因此带正、负两种电荷的微粒逐渐分离（这叫重力分离作用）。并且部分水成物落到地上，逐渐形成上部正电，下部负电雷云。由于云的运动复杂，云再次分离，形成带不同电荷的雷云。雷电的形成带电积云是构成雷电的基本条件。当带不同电荷的积云互相接近到一定程度，或带电积云与大地凸出物接近到一定程度时，发生强烈的放电，发出耀眼的闪光。由于放电时温度高达20000℃，空气受热急剧膨胀，发出爆炸的轰鸣声。这就是闪电和雷鸣。雷电的形成雷电的形成雷电的形成雷电的形成雷电的形成雷电的形成雷电的形成雷电的分类直击雷：带电积云与地面目标之间的强烈放电称为直击雷。雷电的分类雷电的分类直击雷：带电积云与地面目标之间的强烈放电称为直击雷。雷电直接击在手害物上，产生电效应、热效应和机械力，从而对设施或设备造成破坏和人畜造成伤害。地球上每年若发生31亿次闪电，直击雷占1/5--1/6。直击雷放电电流可达200KA以上，并有1MV以上的高电压。雷云放电大多具有重复放电的性质，一次雷电的全部时间一般不超过500ms，大约50%的直击雷每次雷击有三四个冲击，最多能出现几十个冲击。雷电的分类感应雷也称为雷电感应或感应过电压。它分为静电感应雷和电磁感应雷。静电感应雷：是由于带电积云接近地面，在架空线路导线或其他导电凸出物顶部感应出大量电荷引起的。在带电积云与其他客体放电后，架空线路导线或导电凸出物顶部的电荷失去束缚，以大电流、高电压冲击波的形式，沿线路导线或导电凸出物极快地传播。雷电的分类感应雷也称为雷电感应或感应过电压。它分为静电感应雷和电磁感应雷。电磁感应雷：是由于雷电放电时，巨大的冲击雷电流在周围空间产生迅速变化的强磁场引起的。这种迅速变化的磁场能在邻近的导体上感应出很高的电动势。雷击发生在供电线路附近，或击在避雷针上会产生强大的交变电磁场，此交变电磁场的能量将感应于线路并最终作用到设备上（由于避雷针的存在，建筑物上落雷机会反倒增加，内部设备遭感应雷危害的机会和程度一般来说是增加了），对用电设备造成极大危害。雷电的分类球雷：雷电放电时形成的发红光、橙光、自光或其他颜色光的火球。球雷是一团处在特殊状态下的带电气体。球雷出现的概率约为雷电放电次数的2%，其直径多为20cm左右，运动速度约为2m/s或更高一些，存在时间为数秒钟到数分钟。球雷通常沿地面滚动或在空中飘行，能从门、窗、烟囱等通道侵入室内，造成火灾和爆炸事故。雷电的分类雷电侵入波：当雷击在架空线路或金属管道时，产生的冲击电压形成雷电波沿管、线侵入室内或电气设备，危害人身及设备安全。雷电波侵入造成的事故相当严重，约占雷害总数的70%。雷电侵入波的传播速度在架空线路中约为300m/μs,在电缆中约为150m/μs。雷电参数雷暴日：只要一天之内能听到雷声的就算一个雷暴日。通常说的雷暴日都是指一年内的平均雷暴日数，单位d/a。我国把年平均雷暴日不超过15d/a的地区划为少雷区，超过40d/a划为多雷区。雷电参数雷电流幅值：是指主放电时冲击电流的最大值。雷电流幅值可达数十至数百千安。我国年平均雷暴日为20d/a以上地区的雷电流幅值的概率：年平均雷暴日为20d/a以下的地区，雷电流幅值的概率：108lgSMIP54lgSMIP式中：P—雷电流幅值的概率，%；ISM—雷电流幅值，Ka。雷电参数雷电流陡度：是指雷电流随时间上升的速度。雷电流陡度越大，对电气设备造成的危害也越大。雷电流冲击波波头陡度可达到50kA/μs，平均陡度约为30kA/μs。做防雷设计时，一般取波头形状为斜角波，时间按2.6μs考虑。在防雷要求较高的场合，波头形状宜取半余弦波。雷电参数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：前一部分决定于雷流的大小和雷电流通道的电阻；后一部分决定于雷电流通道的电感。dtdiLiRUIED雷电的危害由于雷电具有电流很大、电压很高、冲击性很强等特点，有多方面的破坏作用，且破坏力很大。就其破坏因素来看，雷电具有电性质、热性质和机械性质等三方面的破坏作用。雷电的危害电性质的破坏作用可能毁坏发电机、电力变压、断路器、绝缘子等电气设备的绝缘，烧断电线或劈裂电杆，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入地下，可能直导致接触电压电击和跨步电压的触电事故。雷电的危害热性质的破坏作用热性质的破坏作用表现在直击雷放电的高温电弧能直接引燃邻近的可燃物，从而造成火灾。机械性质的破坏作用机械性质的破坏作用表现为被击物遭到破坏，甚至爆裂成碎片。这是由于巨大的雷电通过被击物时，在被击物缝隙中的气体剧烈膨胀，缝隙中的水分也急剧蒸发为大量气体，致使被击物破坏和爆炸。雷电的危害雷电的危害防雷的分类建筑物按其重要性、生产性质、遭受雷击的可能性和后果的严重性分为三类。建筑物年预计雷击次数：63.110024.0EDAKTNK-------校正系数一般情况下K=1；位于旷野孤立的建筑物K=2；金属屋面砖木结构的建筑物K=1.7；位于河边、湖边、山坡下等K=1.5。防雷的分类建筑物等效面积是实际面积向外扩大后的面积。防雷的分类建筑物等效面积是实际面积向外扩大后的面积。当建筑物高度H100m时，建筑物每边扩大尺寸D为HHD200HHHHWLLWAE2002002防雷的分类建筑物等效面积是实际面积向外扩大后的面积。当建筑物高度H≤100m时，建筑物每边扩大尺寸按建筑物高度H计算。其等效面积为当建筑物各部高度不等时，应先算出各点的扩大尺寸，再参照图8-4取扩大尺寸外端连线内的面积为等效面积。22HWLHLWAE防雷的分类第一类防雷建筑物凡制造、使用或储存炸药、火药、起爆药、火工品等大量危险物质的建筑物，遇电火花会引起爆炸，从而造成巨大破坏或人身伤亡的建筑物，应划为第一类防雷建筑物。具有0区或10区爆炸危险环境的建筑物。具有1区爆炸危险环境的建筑物，因电火花而引起爆炸，会造成巨大破坏和人身伤亡者。防雷的分类第二类防雷建筑物：国家级重点文物保护的建筑物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。国家级计算中心、国际通讯枢纽等对国民经济有重要意义且装有大量电子没备的建筑物。制造、使用和储存爆炸危险物质，但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，如油漆制造车间、氧气站、易燃品库等。2区、11区及某些1区属于此。防雷的分类第二类防雷建筑物：有爆炸危险的露天气罐和油罐。年预计雷击次数大于0.06次的部、省级办公楼及其他重要的或人员密集的公共建筑物。年预计雷击次数大于0.3次的住宅、办公楼等一般民用建筑物。防雷的分类第三类防雷建筑物省级重点文物保护的建筑物和省级档案馆。年预计雷击次数等于和大于0.012次，小于和等于0.06次的部、省级办公楼及其他重要的或人员秘密的公共建筑物。年预计雷击次数大于和等于0.06次，小于和等于0.3次的住宅、办公楼等一般性民用建筑物。防雷的分类第三类防雷建筑物年预计雷击次数大于和等于0.06次的一般性工业建筑物。考虑到雷击后果和周围等条件因素，确定需要放雷的21区、22区、23区火灾危险环境的建筑物。年平均雷暴日15d/a以上地区，高度为15m及其以上的烟囱、水塔等孤立高耸的建筑物。年平均雷暴日15d/a及15d/a以下地区，高度为20m及其以上的烟囱、水塔等孤立高耸的建筑物。防雷装置避雷针、避雷线、避雷网、避雷带、避雷器都是经常采用的防雷装置。一套完整的防雷装置包括接闪器、引下线和接地装置。上述的针、线、网、带都只是接闪器，而避雷器是一种专门的防雷装置。接闪器避雷针、避雷线、避雷网、和避雷带都可作为接闪器，建筑物的金属屋面可作为第一类工业建筑物以外其他各类建筑物的接闪器。这些接闪器都是利用其高出被保护物的突出地位，把雷电引向自身，然后通过引下线和接地装置，把雷电流泄入大地，以此保护被保护物免受雷击。接闪器接闪器保护范围：接闪器的保护范围现有两种计算方法：对于建筑物闪器的保护范围按滚球法计算；对于电力装置，接闪器的保护范围按折线法计算。滚球法是以hr为半径的一个球体，沿需要防直击雷的部位滚动，当球体只触及接闪器或只触及接闪器和地面而不触及需要保护的部位时，则该部分就得到接闪器的保护。接闪器滚球半径的选取建筑物防雷类别滚球半径/m避雷网网格/m×m第一类防雷建筑物30≤5×5或≤6×4第二类防雷建筑物45≤10×10或≤12×8第三类防雷建筑物60≤20×20或≤24×16接闪器单支避雷针的保护范围1）距地面hr处作一平行于地面的平行线；2）以针尖为圆心，hr为半径，作弧线交于平行线的A、B两点；3）以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该弧线与针尖相交并与地面相切。从此弧线起到地面止就是保护范围，它是一个锥体。接闪器单支避雷针的保护范围)hh(2h)h(hhBDBEEDxrx2xr2r22h)hh(2rr0)hh(2hh)hh(2rxrxrx因为r0=OC,rx=r0-ED，所以接闪器例：某一类防雷建筑物，如图示，在距其一边5米处有一30米高的独立避雷针，问此针能否保护该建筑物？解：已知h=30,hx=4,因为该建筑物为一类防雷建筑物，故hr=30m由该避雷针在hx高度上的保护半径得建筑物最远点所需保护的距离显然rxr,故该建筑物能得到保护。)hh(2hh)hh(2rxrxrx154)304(230)3030(2rx9.435)(32)/(10r22接闪器接闪器材料：接闪器所用材料应能满足机械强度和耐腐蚀的要求，还应有足够的热稳定性，以能承受雷电流的热破坏作用。避雷针一般用直径为20mm左右的镀锌圆钢或钢管制成，长2500mm左右，端部呈尖状，也可分叉设置，经引下线与接地装置连接。避雷针主要用于保护高耸孤立的建筑物或构筑物及其周围的设施，也常用来保护室外的变配电装置。避雷网用镀锌圆钢或扁钢沿屋顶边檐设置避雷线，再用同样钢管制成6×6m或6×10m或10×10m的方格。避雷网主要用于平顶或斜顶屋面且屋顶面积较大的建筑物。接闪器接闪器材料：接闪器所用材料应能满足机械强度和耐腐蚀的要求，还应有足够的热稳定性，以能承受雷电流的热破坏作用。避雷带用镀锌圆钢或扁钢沿建筑物的四周设置。避雷带主要用于保护高层建筑的立侧面免遭雷击，它和屋顶的避雷针或避雷网一起组成完整的避雷系统。避雷线一般采用截面积不小于35mm2的镀锌钢绞线与架空线路同杆同塔架设，架设方法与垂度要求与架空线路相同，并且在首尾几中间各部位与接地装置相连。避雷线主要用于保护与其同杆架设的架空线路及其周围的设施。接闪器