接闪器与建筑物外部防雷保护.pptVIP

,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 TelE-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 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/）。,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： 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。,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： 在认真调查地理、地质、土壤、气象、 环境等条件和雷电活动规律以及被保护物的特点等的基础上， 根据建筑物的 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。 建筑物防雷分类的目的： 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。,（2）建筑物防雷规范GB5005794 2000规定的建筑物防雷分类,第一类防雷建筑物： 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以及具有炸危险环境、因电火花而引起爆炸，造成巨大破坏和人身伤亡的建筑物。 注意：重点考虑雷击后可能造成的巨大坏 和人身伤亡的严重后果。,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、国家级挡案馆、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 、国家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。, 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。 具有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。 工业企业内有爆炸危险的的露天钢质封闭气罐。 -重点考虑建筑物的重要性和雷击后可能造成的后果。,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。, 预计雷击次数大于0.05次/a (0.06次/a)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。 预计雷击次数大于0.25次/a (0.3次/a)的住宅/办公楼等一般性民用建筑物。 -重点考虑发生雷电事故的可能性,第三类防雷建筑物： 省级重点文物保护的建筑物、省级挡案馆。 预计雷击次数大于或等于0.01次/a (0.012次/a)且小于或等于0.05次/a(0.06次/a)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。 预计雷击次数大于或等于0.05次/a(0.06次/a)，且小于或等于0.25次/a(0.3次/a)的住宅/办公楼等一般性民用建筑物。, 预计雷击次数大于或等于0.05次/a(0.06次/a)的一般性工业建筑物。 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，确定需要防雷的火灾危险环境。 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15d/a的地区，高度在20m以上的烟囱、水塔等孤立的高建筑。,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+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=110-2（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。 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。,首次及雷击的雷电流参量,（3） 建筑物防雷雷电参数取值,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=36m)，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，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、3.4m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。,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)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、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位敷设。应在整个屋面组成不大于20m20m或24m16m的网格。平屋面的建筑物，当其宽度不大于20m时，可仅沿周边辐射一圈避雷带。,图2.21 建筑物易受雷击的部位,第六节 引下线及其设置 引下线是连接防雷接闪装置和接地装置的一段导线。其作用 是将雷电流引入接地装置。引下线可以是有若干条并联的电流通 路，其电流通路的长度应是最短的。独立避雷针的杆塔、架空避 雷线的端部和架空避雷网的各支柱处应至少设一根引下线。对金 属制成或有焊接、绑扎连接钢筋网的杆塔（或支柱），宜利用其 作引下线。 引下线不应少于两根，并应沿建筑物四周均匀或对称布置， 其间距不应大于12m（第一类防雷建筑物），18m（第二类防雷建筑物） 25m（第三类防雷建筑物） 。,独立避雷针支柱（引下线）和架空避雷线（网）的设置原则： 第一类防雷建筑物： 独立避雷针支柱及其接地装置至被保护建筑物及与其联系的管道、电缆等金属物之间的水平距离，应符合下列表达式的要求，但不得小于3m。,图2.22 防雷装置至被保护物的距离,为什么要保护独立避雷针和架空避雷线(网)的支柱及其接地装置至被保护建筑物及与其有联系的管道、电缆等金属物之间的距离？ 其目的是为了防止雷电流流过防雷装置时所产生的高电位对被保护的建筑物或与有联系的金属物发生反击。应使防雷装置与这些物体之间保持一定的安全距离。,防雷装置中任意一点A处的暂态电位可表示为：,式中 uAA点对真实地的暂态电位，kV； di/dt雷电流波头时间变化率，kA/s ； i雷电流，kA； Rg接地体的冲击接地电阻，； L0引下线单位长度电感，H/m hA点到接地体的长度，m。,图2.23 防雷装置中的暂态电位抬高,防雷装置中任意一点暂态电位的幅值取决于由雷电流幅值与冲击接地电阻所决定的电阻压降和由雷电流波头陡度与引下线电感所决定的电感压降。研究表明，电阻压降和电感压降使空气击穿的电场强度是有差异的，电阻压降的空气击穿场强可近似取为500kv/m。而电感压降的空气击穿场强E则与雷电流的波头时间有关，它们之间的关系为：,式中 EL电感压降的空气击穿场强，kv/m； f雷电流波头时间，s。,防雷装置暂态电位升高使得它与周围不共地的金属体之间出现暂态电位差。例如在图2-26中，引下线附近有一条金属管道，该管道不与防雷装置的接地体连接，当建筑物遭受雷击时，引下线上A点与管道上的 B 点之间将出现暂态电位差uAB。在uAB 作用下，如果A、B两点之间的间隙距离满足下式：,则引下线与金属管道之间的空气间隙将被击穿，使管道也带上高电位。,从法拉弟笼的观点看，网格尺寸和引下线间距越小，对雷电感应的屏蔽越好，局部区域的电位分布较均匀。雷电流通过引下线入地，当引下线数量较多且间距较小时，雷电流在局部区域分布也较均匀，引下线上的电压降减小，反击危险也相应减小。 对引下线间距，根据IEC 62305 标准，第一类、第二类、第三类防雷建筑物的引下线间距相应应为10、15、25m。 但考虑到我国工业建筑物的柱距，一般均为6m，因此，按6m的倍数考虑，故我国对引下线间距相应定为12、18、25m。,对于较高的建筑物，引下线很长，雷电流的电感压降将达到很大的数值，需要在每隔不大于12m之处，用均压环将各条引下线在同一高度处连接起来，并接到同一高度的屋内金属物体上，以减小其间的电位差，避免发生火花放电。 由于要求将直接安装在建筑物上的防雷装置与各种金属物互相连接，并采取了若干等电位措施，故不必考虑防止反击的间隔距离。,当接闪器受雷接闪时 ，雷电流将沿接闪器注入防雷装置，并经引下线和接地体汇入大地。在此雷电流的传输过程中，在防雷装置中距地面为hx的点A处的暂态电位为UA取决于由雷电流幅值与冲击接地电阻所决定的电阻压降和由雷电流波头陡度与引下线电感所决定的电感压降：,式中 uAA点对真实地的暂态电位，（kV）； uR雷电流流过防雷装置时接地装置上的电阻压降， （kV） ； uL雷电流流过防雷装置时引下线上的电感电阻压降，（kV） ； di/dt雷电流波头陡度，（kA/s） ； I雷电流幅值，（kA）； Ri接地体的冲击接地电阻，（）； L0引下线单位长度电感，（H/m ），取其等于1.5 H/m； hAA点到接地体的长度，（m）； ER电阻压降的空气击穿强度（kV/m），取其等于500kV/m； EL电感压降的空气击穿强度（kV/m），取其等于500kV/m。,根据IEC 62305 提供的电感电压降的空气击穿强度为 EL=600(1+1/ t1)（kv/m） 当t1=10s时， EL=600(1+1/ 10)=660（kv/m） 当t1=0.25s时， EL=600(1+1/ 0.25)=3000（kv/m） 知道电阻电压降的空气击穿强度和电感电压降的空气击穿强度。 独立避雷针和架空线（网）的支柱与被保护物体及其有联系的管道、电缆等金属物之间的安全距离就可以求出：,在地上部分： 对第一类防雷建筑物首次雷击： i=200kA， T1=10 s， ER=500（kV/m）， EL=660（kV/m）， L0=1.5 H/m。,考虑计算简单取Sal0.4Ri+0.04hx 因此 Sa10.4（Ri+0.1hx） （9）,Sa10.1（Ri+hx） （10）,对第一类防雷建筑物后续雷击： I=50kA， T1=0.25 s，ER=500（kV/m） EL=3000（kV/m） L0=1.5 H/m,0.4（Ri0.1hx）=0.1（Rihx）相等的条件是即hx=5Ri。因此，当hx5Ri时，（3.1）式的计算值大于（3.2）式的计算值；当hx5Ri时，（3.2）式的计算式的计算值大于（3.1）式的计算值。因此,当hx5Ri时， Sa10.4（Ri+0.1hx） （9） 当hx5Ri时， Sa10.1（Ri+hx） （10）,根据R.H.Golde 雷电一书（1977年版)，土壤的冲击击穿场强为2001000kV/m，其平均值为600kV/m， 取与空气击穿强度一样的数值，即500kV/m。根据第一类防雷建筑物取I=200kA。因此，地中的间隔距离为 Se1IRi/500=200Ri/500=0.4Ri 即 Se10.4Ri 根据计算，在接闪线立杆高度为20m、接闪线长度为50150m、冲击接地电阻为310的条件下，当接闪线立杆顶点受雷击时，流经该立杆的雷电流为全部雷电流的63%90%，照理Sa1和Se1可相应减小，但计算起来很繁杂，为了简化计算，故规定Sa1和Se1仍按照独立接闪杆的方法进行计算。,按雷击于避雷线挡距中央考虑sa2，由于两端分流，对任意一端可近似地将雷电流幅值和陡度减半计算，因此避雷线中央的电位为： U=UR+UL1+UL2 于是得到距防雷装置引下线和避雷线的安全距离sa2,架空避雷线至各种突出屋面的风帽、放散管等物体之间的安全距离：,式中 uL1雷电流流过防雷装置时引下线上的电感压降（kv）； uL2雷电流流过防雷装置时避雷线上的电感压降（kv）； L01垂直敷设的引下线的单位长度电感（H/m）。按引下线直径 8mm2、高20m时的平均值L01=1.69 H/m计算。 L02水平敷设的引下线的单位长度电感（H/m）。按避雷线直径 35mm2、高20m时的平均值L01=1.93 H/m计算。 h引下线的长度（m）， 其它参数与前面相同。,式中 从避雷网中间最低点沿导线至最近支柱的距离（m） n 从避雷网中间最低点沿导线至最近不同支柱并有同一距离 的 个数。,对后续雷击（当 ）时：,用同样的方法可求出架空避雷网至和各种突出屋面的风帽、放散管等物体之间的安全距离：,对首次雷击，当 时：,当树木高于建筑物且不在接闪器保护范围内时，树木与建筑物之间净距不应小于5m。,、当金属物或电气线路与防雷的接地装置之间不相连时，其与引下线之间的距离应按下列表达式确定：,式中：Sa3 空气中距离（m） Ri 引下线冲击接地电阻（）； 引下线计算点到地面的长度（m）。,第二类防雷建筑物的引下线： 专设引下线不应少于两根，并应沿建筑物四周均匀对称布置，其间 距不应大于18m。当仅利用建筑物四周的钢柱或柱子钢筋作为引下线时， 可按跨距设引下线，但引下线的平均间距不应大于18m。,式中：Sa4 空气中距离（m） 引下线计算点到连接点的长度（m）见图2.24。 当利用建筑物结构内的钢筋或钢结构作为引下线，同时建筑物结构内的大部分钢筋、钢结构等金属物与被利用的部分连成整体时，金属物或线路与引下线之间的距离可不受限制。,、当金属物或电气线路与防雷的接地装置之间相连或通过电涌保护器（SPD）相连时，其与引下线之间的距离应按下列表达式确定：,图2.24 确定各种装置至防雷装置距离用的一维、二维、三维结构,、当金属物或线路与引下线之间有自然接地或人工接地的钢筋混凝土构件、金属板、金属网等静电屏蔽物隔开时，金属物或线路与引下线之间的距离可不受限制。 、当金属物或线路与引下线之间有混凝土墙、砖墙隔开时，混凝土墙的击穿强度应与空气击穿强度相同；砖墙的击穿强度应为空气击穿强度的1/2。当距离不能满足、条的要求时，金属物或线路应与引下线直接相连或通过过电压保护器相连。, 建筑物的以下部件可用作自然引下线： A、建筑物内的金属设施。 B、建筑物的金属框架； C、建筑物的互连钢筋； D、建筑物外部金属立面结构、外廊围栏及附属结构。 如果钢结构建筑物的金属框架或建筑物的互连钢筋用作引下线时，不需要装设水平环形连接导体。,断接卡安装 设置断接卡子的目的是为了便于运行、维护和检测接地电阻。 采用多根专设引下线时，为了便于测量接地电阻以及检查引下线、接地线的连接状况，宜在各引下线上于距地面0.3m至1.8 m之间设置断接卡。断接卡应有保护措施。 断接卡子有明装和暗装两种，断接卡子可利用4040或254的镀锌扁钢制作，断接卡子应用两根镀锌螺栓拧紧，见图2.25和图2.26。,图2.25 暗装引下线断接卡子安装 (a)专用暗装引下线；(b)利用柱筋作引下线；(c)连接板；(d)垫板 1-专用引下线；2-至柱筋引下线；3-断接卡子； 4-M1030镀锌螺栓；5-断接卡子箱；6-接地线,图2.26 明装引下线断接卡子安装 (a)用于圆钢连接线；(b)用于扁钢连接线。D圆钢直径；B扁钢宽度 1圆钢引下线；2254，L=906D连接板；3 M830镀锌螺栓； 4圆钢接地线；5扁钢接地线,第三类防雷建筑物的引下线： 第三类防雷建筑物防直击雷的引下线不应少于两根，但周长不超过25m且高度不超过40m的建筑物可只设一根引下线。引下线应沿建筑物四周均匀或对称布置，其间距不应大于25m。当仅利用建筑物四周的钢柱或混凝土柱中的钢筋作为引下线时，可按跨度设引