第七章建筑防雷

第七章建筑防雷绪言:雷电是十分常见的自然现象，地球上任何时候都有雷电活动。据统计，地球上每天发生800余万次的电闪雷鸣，几乎每秒有100次，每年因为雷击导致直接经济损失约10亿美元，3000以上的人员死亡。雷电以其巨大的破坏力给人类和社会带来了灾难。有效的防止雷电对建筑或设备的灾害是建筑设计的基本内容，也是学习建筑供配电的重要内容。本章主要讨论建筑防雷的基本内容和基本措施。第一节雷电现象一雷电的形成图1雷云放电过程示意图雷电的类型：（1）直击雷有时雷云较低，周围又没有带异性电荷的云层，而在地面上突出的树木或建筑物等，感应出异性电荷，雷云就会通过这些物体与大地之间直接放电，这种直接击在建筑物或其他物体的雷击，称为直击雷。由于受直接雷击，被击物体产生很高的电位，而引起过电压，流过的雷电流可达几十千安甚至几百千安，对设备、架空线及建筑物产生极大的破坏作用，如架空线上产生几千千伏的高压后，会引起线路的感应放电，发生短路事故，而且会波及变电所、发电厂，引起严重的后果。雷击放电大多数具有“重复放电”的特性，产生极大的雷电流，引起地面建筑物和其他物体的损坏，甚至发生爆炸和引起火灾。（2）第二类是感应雷感应雷又称雷电感应，它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引起的。它能造成金属部件之间产生电火花放电。静电感应的特点是，当雷云出现在导体的上空时，由于感应作用，使导体上感应带有与雷云的异性电荷，雷云放电时，在导体上的感应电荷得不到释放，致使导体与地面之间形成很高的电位差。电磁感应的特点是，由于雷电流的幅值和陡度迅速变化，在它周围的空间里，会产生强大的变化的电磁场，在其中的导体感应产生极大的电动热，若有回路，则产生很大的感应电流，而产生危害。（3高位引入高位引入又叫雷电波侵入，由于雷电对架空线路或金属导体的作用，所产生的雷电波就可能沿着这些导体侵入建筑物内，危及人身安全或损坏设备，雷电波侵入的事故时有发生，在雷害事故中占相当大的比例。（4）第四类是球雷通常认为球雷是一个炽热的等离子体，温度极高，并发生紫色或红色的发光球体，直径在10～20cm以上。球雷常沿地面滚动或在空气中飘动，能通过烟囱、门、窗或其他缝隙进入建筑物内部，或无声消失，或伤害人身和破坏物体，甚至发生剧烈的爆炸，引起严重的后果。图2直击雷和感应雷示意图接收天线SPD电源防雷通信信号防雷Receiver网络数据防雷SPDSPDSPD通信信号防雷FIREWALLFIREWALLSwitch/HubServerMODEM/DTU/MUXPABX数据网络线路电源供电回路通信线路综合接地网SPD避雷器浪涌电压直接雷击或感应雷击，电磁辐射图3雷电引入途径示意图二雷云放电过程图4雷电波形示意图图2是雷电波形示意图。空气被击穿的初始阶段——放电电流较小。随着雷先导的延续——雷电流迅速上升。当雷电先导和与迎雷先导相互接近——雷电流最大。波头时间—雷电流由%90%10半波时间—衰减到峰值%50%10—雷电波的陡度dtdi108ImlgP—雷电流幅值概率三雷电效应1、雷电的热效应和机械效应遭受直接雷击的树木、电杆、房屋等，因通过强大的雷电流会产生很大的热量，但在极短的时间内又不易散发出来，所以会使金属熔化，使树木烧焦。同时由于物体的水分受高热而汽化膨胀，将产生强大的机械力而爆炸，使建筑物等遭受严重的破坏。2、雷电的电效应（1）雷电反击反击—避雷装置和被保护设备之间发生放电叫反击（逆闪烁）地上电位—地下——chLdtdikRiLuLchLdRiu一般情况下地上部分大于等于5m，地下部分大于等于3m。（4）雷电的磁效应在雷电流通过的周围，将有强大的电磁场产生，使附近的导体或金属结构以及电力装置中产生很高的感应电压，可达几十万伏，足以破坏一般电气设备的绝缘；在金属结构回路中，接触不良或有空隙的地方，将产生火花放电，引起爆炸或火灾。（2）高电位引入雷电过电压或大气过电压—主要以行波的形式传输。（3）接触电压和跨步电压雷电流—接闪器—引下线—接地体—在接地体上产生较大的电位—产生接触和跨步电压。第二节建筑物的防雷分类雷电是一种自然现象，雷电发生具有许多不可预知性，对于雷电的防范，应根据建筑物的重要性和后果进行分类，不同防雷分类的建筑物，对雷击的防范措施要求不同。一雷暴日（1）年平均雷暴日数——凡是有雷电活动的日子，听到雷声或者看到闪电，都称为雷暴日。多年雷暴日的平均值称为年平均雷暴日数（单位为天/年）。多雷区—中雷区—少雷区—天平均雷暴日90~4140~1515图5平均雷暴日分布图二建筑物的年预计雷击次数建筑物的年预计雷击次数—是描述建筑物可能遭受雷击频率的次数（根据建筑物防雷设计规范）e1.3ddA024KT.0NK—修正系数（一般情况下取1；下列情况下取相应的数值：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；河边、山口等取1.5）Td—年平均雷暴日Ae—与建筑物接受雷电的次数相同的等效面积，按（GBJ57）所规定的方法计算等效面积的计算：（1）高度H100m建筑物的等效面积计算其每边的扩大宽度（D）和等效面积（Ae）应按下列公式计算确定：其每边的扩大宽度（D）和等效面积（Ae）应按下列公式计算确定：mH200HD6e10H200HH200HWL2LWA式中L、W、H—建筑物的实际长、宽、高（m）（2）高度H=100m的计算62e10HWL2HLWA（3）各个部位高度不同的建筑物等效面积计算沿着建筑物的周边逐点计算出最大扩大宽度，其等效面积A，应按每点最大扩大宽度的外端的连接线所包围的面积计算。三建筑物的防雷分类建筑物的防雷等级分为三类：1一类防雷建筑物（1）凡制造、使用或贮存炸药、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者。（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。0区：连续出现或长期出现爆炸气体混合物的环境，或者说存在着连续级释放源的区域。10区：连续出现或长期出现爆炸粉尘混合物的环境。2二类防雷建筑（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、国际通讯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、使用或贮存爆炸物质的建筑物，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。（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破坏和人身伤亡者。（6）具有2区或11区爆炸危险环境的建筑物。（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/年的部、省级办公建筑物及其它重要或人员密集的公共建筑物。（9）预计雷击次数大于0.3次/年的住宅、办公楼等一般性民用建筑物。3三类防雷建筑物（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0.012次/年，且小于或等于0.06次/年的部、省级办公建筑物及其它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/年，且小于或等于0.3次/年的住宅、办公楼等一般性民用建筑物。（4）预计雷击次数大于或等于0.06次/年的一般性工业建筑物。（5）根据雷击后对工业生产的影响及产生的后果，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）在平均雷暴日大于15天/年的地区，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15天/年的地区，高度在20m及以上的烟囱、水塔等孤立的高耸建筑物。四雷电参数（见表7-2）图6可能出现的雷击示意图图7建筑物的等效面积图8建筑物的防雷装置第三节防直击雷装置建筑物的防雷装置——由接闪器、引下线和接地装置三部分组成。一接闪器避雷针、避雷线、避雷带（避雷网）1避雷针一般使用镀锌圆钢（针长1~2m，直径不小于16mm）制成，安装在建筑物和构建上，他的下端经引下线与接地装置焊接。图9建筑物避雷针的保护范围示意图（1）避雷针的保护范围单只避雷器（折线法）图10单只避雷器的保护范围()2(1.52)2xxxxxxhhrhhphhrhhp当时，当时，3015.530120hmphmph时，时，按下式计算：P计算如下：双支等高避雷针（折线法）图11双只等高避雷器的保护范围两针外侧的保护范围可按单针计算方法确定，两针间的保护范围应按通过两针顶点及保护范围上部边缘最低点O的圆弧来确定，O点的高度按下式计算07Dhhp截面中高度为hx的水平面上保护范围的一侧宽度可按下式计算：01.5()xxbhh30mh1;P30mhPhD，高度影响系数：当—避雷针的高度—两避雷针间的距离—h5/.5p滚球法单只避雷针的保护范围滚球法是以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（包括被利用作为接闪器的金属物），或只触及接闪器和地面（包括与大地接触并能承受雷击的金属物）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。建筑物防雷类别滚球半径hr（m）避雷网网格尺寸（m）第一类防雷建筑物30≤hr5×5或≤6×4第二类防雷建筑物45≤hr10×10或≤12×8第三类防雷建筑物60≤hr20×20或≤24×16图13单只避雷针的保护范围)2()2(xrxrxhhhhhhr)2(0hhhrr以针尖为圆心，hr为半径，作弧线交于平等线的A.B两点。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。保护范围是一个对称的锥体。避雷针在hx高度的XX平面上的保护半径，按下式计算：式中：rx—避雷针在hx高度的XX平面上的保护半径(m);hr—滚球半径(m)，对石油类防雷建筑物取30m；hx—被保护物的高度(m)。避雷针在地面上的保护半径为当单支避雷针高度(h)大于滚球半径(hx)时，其保护范围的确定在避雷针上取高度hr的一点代替单支避雷针针尖作为圆心，其余的作法同上。2避雷线（主要用于保护线路）3避雷带通过试验发现，不论屋顶坡度多大，都是屋角和檐角的雷击率最高。屋顶坡度愈大。则屋脊的雷击率也大。通过对不同屋顶坡度建筑物的雷击分布情况调查发现，对于那些屋顶平整，又没有突出结构（如烟囱等）的建筑物，雷击部位是有一定规律性的。避雷带就是对建筑物雷击率高的部位，进行重点保护的一种接闪装置。图12避雷带保护示意图图14避雷带实图4避雷网图15避雷网示意图当建筑物较高。屋顶面积较大但坡度不大时，可采用避雷网作为屋面保护的接闪装置。避雷网（带）分明装和暗装两种。明装避雷网（带）一般可用直径8mm的圆钢或截面12x4mm2的扁钢做成。为避免接闪部位的振动力，宜将网（带）支起10～20cm，支持点间距取1~1.5m，应注意美观和伸缩问题。暗装时可利用建筑内不小于3mm的钢筋。二引下线引下线是专门用于引导雷电流的金属物体，引下线的一端与接闪器的金属物体相连接，另一端与接地体相连接，雷电由接闪器经引下线引向接地体。引下线可以单独设置，也可以采用建筑物内的钢筋、建筑物的消防梯、钢柱等金属构件作为引下线，但其各部件之间均应连接成电气通路。引下线的设置与被保护对象和建筑物的防雷类别有关。三接地体接地体是用来将雷电流散射到大地的金属导体，有工频接地电阻和冲击电阻之分，工频接地电阻指工频电流流过接地装置时的接地电阻;冲击接地电阻指雷电流经过接地装置泻放到大地时的接地电阻，由于雷电流很大、接地装置的土壤会被击穿，故一般的冲击电阻要小于工频接地电阻。被保护物I避雷器高压冲击波正常时，避雷器的间隙保持绝缘状态，不影响运行；当高压冲击波来临时避雷器间隙被击穿而接地，从而强行截断冲击波，此时能够