雷电防护基础知识

第5章建筑防雷及安全用电1第5章建筑物防雷及安全用电内容提要及学习要求:建筑物防雷及安全用电是一个电气安全问题，电气安全关系用户的人身安全和环境安全，涉及千家万户。本章介绍一些常见的电气安全知识，具体来说，包括雷电的基本知识、三类防雷建筑物的防雷保护措施、安全用电基本知识和电击防护措施。通过学习要求掌握常用的雷电防护和电击防护措施及特点，并了解其基本原理。5.1建筑物防雷雷电是一种雷云对带不同电荷的物体进行放电的一种自然现象。雷电对电气线路、电气设备和建筑物进行放电,其电压幅值可高达几亿伏，电流幅值可高达几十万安，因此具有极大的破坏性，必须采取相应的防雷措施。5.1.1雷电的形成及作用形式1.雷电的形成雷电是一门古老的学科。人类对雷电的研究已经有了数百年的历史，然而有关雷电的一些问题至今尚未能得到完整的解释。雷电的形成过程可以分为气流上升、电荷分离和放电三个阶段。在雷雨季节，地面上的水分受热变蒸气上升，与冷空气相遇之后凝成水滴，形成积云。云中水滴受强气流摩擦产生电荷，小水滴容易被气流带走，形成带负电的云；较大水滴形成带正电的云。由于静电感应，大地表面与云层之间、云层与云层之间会感应出异性电荷，当电场强度达到一定的值时，即发生雷云与大地或雷云与雷云之间的放电。典型的雷击发展过程如图5.1所示。据测试,对地放电的雷云大多为带负电荷。随着负雷云中负电荷的积累，其电场强度逐渐增加，当达到25～30kV/cm时，使附近的空气绝缘破坏,便产生雷云放电。雷云对地的放电是以下行先导放电形式进行。当这个下行先导逐渐接近地面，大约100～300m距离时，地面受感应而聚集异号电荷更加集中，尤其是突出物体在强电场作用下产生尖端放电,形成上行先导，并快速向雷云的下行先导方向发展，两者会合即形成雷电通道，并随之开始主放电，接着是多次余辉放电，（由于雷云中存在几个电荷聚集中心）。一般认为，当雷电先导从雷云向下发展时，它的梯级式跳跃只受到周围大气的影响，没图5.1雷云对地放电示意第5章建筑防雷及安全用电2有一定的方向和袭击目标。但其最后一个梯级式跳跃则不同，它必须在这个最后阶段选定被击对象。此时地面上可能有不止一个物体在雷云电场的作用下产生上行先导，并趋向与下行先导会合。在被保护建筑物上安装避雷针，就是让它产生最强的上行先导去与下行先导会合。最后一次梯级式跳跃的距离，其端部与被击点之间的距离，称为雷击距离。也就是说，雷电先导的发展起初是不确定的，直到先导头部电场强度足以击穿它与地面目标间的间隙时,才受到地面影响而开始定位。因此，雷击距离是一个变化的数值，它与雷电流幅值、地面物体的电荷密度有关。雷击距概念对于分析地面建筑物受雷状况是十分有用的，常用于估算避雷装置的保护范围。2.雷电特点及作用形式(1)雷电特点雷电流是一种冲击波，雷电流幅值Im的变化范围很大，一般为数十至数kA。电流幅值一般在第一次闪击时出现，也称主放电。典型的雷电流波形如图5.2。雷电流一般在1～4μs内增长到幅值Im，雷电流在幅值以前的一段波形称为波头；从幅值起到雷电流衰减至Im／2的一段波形称为波尾。雷电流的陡度α，用雷电流波头部分增长的速率来表示，即α=di／dt。据测定α可达50kA/μs。雷电流是一个幅值很大，陡度很高的电流，具有很强的冲击性，其破坏性极大。(2)雷击的选择性建筑物遭受雷击的部分是有一定规律的,建筑物雷击部位如下:(ⅰ)平屋面或坡度不大于1/10的屋面——檐角、女儿墙、屋檐。(ⅱ)坡度大于1/10且小于1/2的屋面——屋角、屋脊、檐角、屋檐。(ⅲ)坡度不小于1/2的屋面——屋角、屋脊、檐角。(3)雷电击的基本形式雷云对地放电时，其破坏作用表现有以下四种基本形式。(ⅰ)直击雷。当天气炎热时，天空中往往存在大量雷云。当雷云较低飘近地面时，就在附近地面特别突出的树木或建筑物上感应出异性电荷。电场强度达到一定值时，雷云就会通过这些物体与大地之间放电，这就是通常所说的雷击。这种直接击在建筑物或其他物体上的雷电叫直击雷。直接雷击使被击物体产生很高的电位，从而引起过电压和过电流，不仅击毙人畜、烧毁或劈倒树木，破坏建筑物，甚至因而引起火灾和爆炸。(ⅱ)感应雷。当建筑上空有雷云时，在建筑物上便会感应出相反电荷。在雷云放电后，云与大地电场消失了，但聚集在屋顶上的电荷不能立即释放，因而屋顶对地面便有相当高的感应电压，造成屋内电线、金属管道和大型金属设备放电，引起建筑物内的易爆危险品爆炸或易燃物品燃烧。这里的感应电荷主要是由于雷电流的强大电场和磁场变化产生的静电感应和电磁感应造成的，所以称为感应雷或感应过电压。(ⅲ)雷电波侵入。当输电线路或金属管路遭受直接雷击或发生感应雷，雷电波便沿着这些线路侵入室内，造成人员、电气设备和建筑物的伤害和破坏。雷电波侵人造成的事故在雷害事故中占相当大的比重，应引起足够重视。(ⅳ)球形雷。球形雷的形成研究，还没有完整的理论。通常认为它是一个温度极高的特I/kA24.816.58.305101520t/μs图5.2雷电流波形第5章建筑防雷及安全用电3别明亮的眩目发光球体，直径约在10～20cm以上。球形雷通常在电闪后发生，以每秒几米的速度在空气中漂行，它能从烟囱、门、窗或孔洞进入建筑物内部造成破坏。3.雷暴日雷电的大小与多少和气象条件有关，评价某地区雷电的活动频繁程度，一般以雷暴日为单位。在一天内只要听到雷声或者看到雷闪就算一个雷暴日。由当地气象台站统计的多年雷暴日的年平均值，称为年平均雷暴日数。年平均雷暴日不超过15天的地区称为少雷区，超过40天的地区称为多雷区。5.1.2雷电的危害雷电有多方面的破坏作用，雷电的危害一般分成两种类型，一是直接破坏作用，主要表现为雷电的热效应和机械效应；二是间接破坏作用主要表现为雷电产生的静电感应和电磁感应。1.热效应。雷电流通过导体时，在极短时间内转换成大量热能，可造成物体燃烧，金属熔化，极易引起火灾爆炸等事故。2.机械效应。雷电的机械效应所产生的破坏作用主要表现为两种形式:一是雷电流流入树木或建筑构件时在它们内部产生的内压力；二是雷电流流过金属物体时产生的电动力。雷电流的温度很高，一般在6000～200000C，甚至高达数万度，当它通过树木或建筑物墙壁时，被击物体内部水分受热急剧汽化，或缝隙中分解出的气体剧烈膨胀，因而在被击物体内部出现了强大的机械力，使树木或建筑物遭受破坏，甚至爆裂成碎片。另外，我们知道载流导体之间存在着电磁力的相互作用，这种作用力称电动力。当强大的雷电流通过电气线路，电气设备时也会产生巨大的电动力使他们遭受破坏。3.电气效应。雷电引起的过电压，会击毁电气设备和线路的绝缘，产生闪络放电，以致开关掉闸，造成线路停电；会干扰电子设备，使系统数据丢失，造成通信、计算机、控制调节等等电子系统瘫痪。绝缘损坏还可能引起短路，导致火灾或爆炸事故；防雷装置泄放巨大的雷电流时，使得其本身的电位升高，发生雷电反击；同时雷电流流入地下,可能产生跨步电压,导致电击。4.电磁效应。由于雷电流量值大且变化迅速，在它的周围空间就会产生强大且变化剧烈的磁场，处于这个变化磁场中的金属物体就会感应出很高的电动势,使构成闭合回路的金属物体产生感应电流，产生发热现象。此热效应可能会使设备损坏，甚至引起火灾。特别存放易燃易爆物品的建筑物将更危险。5.1.3防雷装置及接地防雷装置一般由接闪器、引下线和接地装置等三个部分组成。接地装置又由接地体和接地线组成。1．接闪器接闪器就是专门用来接受雷云放电的金属物体。接闪器的类型有避雷针、避雷线、避雷带、避雷网、避雷环等，都是经常用来防止直接雷击的防雷设备。所有接闪器都必须经过引下线与接地装置相连。接闪器利用其金属特性，当雷云先导接近时，它与雷云之间的电场强度最大，因而可将雷云“诱导”到接闪器本身，并经引下线和接地装置将雷电流安全地泄放到大地中去，从而起到了保护物体免受雷击。(1)避雷针及保护范围避雷针主要用来保护露天发电、配电装置、建筑物和构筑物。避雷针通常采用圆钢或焊接钢管制成，将其顶端磨尖，以利于尖端放电。为保证足够的雷电流流通量，其直径应不小于表5.1给出的数值。表5.1避雷针接闪器最小直径第5章建筑防雷及安全用电4直径针型圆钢(mm)钢管(mm)针长1m以下1220针长1～2m1625烟囱顶上的针2040避雷针对周围物体保护的有效性，常用保护范围来表示。在安装有一定高度的接闪器下面，有一个一定范围的安全区域，处在这个安全区域内的被保护的物体遭受直接雷击的概率非常小，这个安全区域叫做避雷针的保护范围。确定避雷针的保护范围至关重要。避雷针对建筑物保护范围一般用滚球法确定。滚球法是将一个以雷击距为半径的滚球，沿需要防直接雷击的区域滚动，利用这一滚球与避雷针及地面的接触位来限定保护范围的一种方法。避雷针保护范围的确定方法见图5.3，具体步骤如下：1)当避雷针高度h≤滚球半径ds。①距地面ds处作一平行于地面的平行线。②以避雷针针尖为圆心，以ds为半径，作弧线交平行线于A、B两点。③以A或B为圆心，ds为半径作弧线，该两条弧线上与避雷针尖相交，下与地面相切，再将此弧线以避雷针为轴旋转1800，形成的圆弧曲面体空间就是避雷针保护范围。④避雷针在hx高度XX′平面上的保护半径rx按下列计算式确定：（单位为m）)2()2(xsxsxhdhhdhr(5.1)避雷针在地面上的保护半径r0可确定为：)2(0hdhrs(5.2)式中:rx——避雷针在hx高度的XX′平面上的保护半径（m）；ds——滚球半径，按表5.2确定（m）；h——避雷针的高度（m）；hx——被保护物的高度（m）；r0——避雷针在地面上的保护半径（m）。表5.2按建筑物防雷类别布置接闪器及其滚球半径2)当避雷针高度＞滚球半径ds。在避雷针上取高度为ds的一点，代替避雷针针尖作为圆心，其余的作图步骤与h≤滚球半径ds时的情况同。用上述计算公式时，h用ds代替。据此可知，当hds时，避雷针的保建筑物防雷类别滚球半径hr(m)避雷网网格尺寸(m)第一类防雷建筑30≦5×5或≦6×4第二类防雷建筑45≦10×10或≦12×8第三类防雷建筑60≦20×20或≦24×16图5..3避雷针的保护范围第5章建筑防雷及安全用电5护范围不再增大，并在其高出滚球半径h-ds部分，将会遭受侧面雷击。（2）避雷线避雷线是由悬挂在架空线上的水平导线、接地引下线和接地体组成的。水平导线起接闪器的作用。它对电力线路等较长的保护物最为适用。避雷线一般采用截面积不小于35mm2的镀锌钢绞线，架设在长距离高压供电线路或变电站构筑物上，以保护架空电力线路免受直接雷击。由于避雷线是架空敷设的而且接地，所以避雷线又叫架空地线。避雷线的作用原理与避雷针相同。（3）避雷带和避雷网避雷带和避雷网主要适用于建筑物。避雷带通常是沿着建筑物易受雷击的部位，如屋脊、屋檐、屋角等处装设的带形导体。避雷网是将建筑物屋面上纵横敷设的避雷带组成网格，其网格尺寸大小按有关规范确定，对于防雷等级不同的建筑物，其要求也不同，见表5.2。避雷带和避雷网可以采用圆钢或扁钢，但应优先采用圆钢。圆钢直径不得小于8mm，扁钢厚度不小于4mm，截面积不得小于48mm2。避雷带和避雷网的安装方法有明装和暗装。避雷带和避雷网一般无须计算保护范围。（4）避雷环避雷环用圆钢或扁钢制作。防雷设计规范规定高度超过一定范围的钢筋混凝土结构、钢结构建筑物，应设均压环防侧击雷。当建筑物全部为钢筋混凝土结构,可利用结构圈梁钢筋与柱内引下线钢筋焊接做为均压环。没有结合柱和圈梁的建筑物，应每三层在建筑物外墙内敷一圈φ12mm镀锌钢做为均压环，并与防雷装置所有的引下线连接。2．引下线引下线是连接接闪器与接地装置的金属导体。其作用是构成雷电能量向大地泄放的通道。引下线一般采用圆钢或扁钢，要求镀锌处理。引下线应满足机械强度、耐腐蚀和热稳定性的要求。(1)一般要求引下线可以专门敷设，也可利用建筑物内的金属构件。引下线应沿建筑物外墙敷设，并经最短路径接地。采用圆钢时，直径应不小于8mm，采用扁钢时，其截面不应小于48mm2，厚度不小于4mm。