（电气工程专业论文）爆炸危险场所防雷工程研究及应用.pdf

摘要 雷电灾害自古以来一直存在，据有关研究统计，在地球上任一时刻平均有2 0 0 0 多个雷暴在进行着，平均每秒有1 0 0 次闪电闪电强度可高达1 0 亿伏，一个中等 尺寸的雷暴的功率有1 0 5 千瓦，相当于一个小型核电站输出的功率，足见其能量 之大，产生的危害可想而知 雷电灾害是“联合国国际减灾十年”公布的最严重的十种自然灾害之一。最 新统计资料表明，雷电造成的损失已经上升到自然灾害的第三位。全球每年因雷 击造成人员伤亡、财产损失不计其数。据不完全统计，我国每年因雷击以及雷击 负效应造成的人员伤亡达3 0 0 0 4 0 0 0 人，财产损失在5 0 亿元到l o o 亿元人民币 而具有爆炸危险场所的化工装置、车间、油库一旦遭受雷击，产生爆炸或者火灾， 其后果不堪设想。因此对于的雷电的产生机理、分类、雷电流的特性及其防护措 施的研究一直是国内外专家学者和工程技术人员研究的课题。 本课题从工程实践出发，首先从分析雷电事故入手，从整体上介绍有关雷电 的基本概念，包括雷电的产生机理及分类、雷击的方式，雷电流的特性并对自然 界的各种类型雷电进行了介绍和分析，并在此基础上结合现有的防雷设计规范对 各种建筑物特别是具有爆炸危险的装置、车间进行分析，提出各种有效的雷电防 护措施。 在以上研究的基础上，根据防雷原理，建筑物对防雷的要求及防雷规范对某 一具有爆炸危险的化工厂房进行防雷设计，并提供几个设计方案，从工程实践的 角度，对几个方案进行技术经济比较，从而确定设计方案，而后进行设计。此项 工作对同类工程具有一定的参考价值。 关键词：雷电，防雷，防爆，化工厂房防雷，防雷设计 n a b s t r a c t 1 1 1 u i l d e r 锄dl i g h t i n gi sak i n do f 笋m dn a t u r a lp h e n o m e n o n 舶mo fo l d a c c o r d i i l gt o 鳓a t i s t i c s ，m o r et h a n2 0 0 0m l m d e rs t 0 珊st a ：k ep l a c ee v e r ) rm o m e n t ，a n d m o r et l l a l l1 0 0l i g h t i i l g st a k ep l a c ee v e 巧c o n d l i g h t i l i i l gi n t e l l s 时c a i lb ea sh i 曲a s o n eb i l l i o nv o l t s a n dam e d i u m s i z e l u n d e rs t 0 肌sh 嬲10 5k i l o w 砒so fp o w e r ， w h o s ep o w e ri se q u i v a l e mt ot l l eo u t p u tp o 、e ro fas m 甜ln u c l e a rp o w e rp l a m s ot h e p o w e ra i l dh a m lo fm 眦d e r 锄dl i 曲t i n gi s 黜 1 1 l ed i s a s t e ro ft h u i l d e ra n dl i g h t i i 培i so n eo fd o z e 璐o fn l cm o s ts e r i o u sn a t u r a l l d i s a s t e r s a c c o r d i n gt 0t h en e w e s ts t a t i s t i c s ，t h ei o s s e sc a u s e db yt h u l 试e ta n dl i g h t i n g h a sf i s e nt ot h em i r do fn a n l r a ld i s a s t e r s ，锄di i lt l l ew o r l d ，c o u n t l e s sc 勰u a l t i e s 觚d p r q 岫ra r ed 乏呱i a g e da r ec a u s e db yt h l l i l d e ra n dl i 蛳n g a c c o r d i n gt oi n c o m p l 如 s t a t i s t i c s ，t l l u n d e ra r l dl i 曲t n i n g ，硒w e l l 邪m ei l e g a t i v ee 仃- e c t so fm m l d e r 孤l d l i 曲t n i n gc a u s e3 0 0 0 4 0 0 0c a s u a i t i e s 锄1 d 也ep r o p e r t yd a l ：r l a g e i sa t5 0m i l l i o nt 0 l o b i l l i o n ”a l l i i l o u r c o 咖e a c hy e a r m ss u b j e c t 蛐舶m 恤e n g i i l e e r i l l gp r a c t i c e f 戤l y ，t i l i ss u b j e c ta n a l y s e so f 也m d e ra i l dl i 曲t n i n gi n c i d e n t s ，a n d 砷d u c e st h eb a s i cc o n c e p t sf e l a c e dt ot l l u n d e r 龇dl i 出n i n g ，砌c hi n c l u d e 妇m e c h 越s ma r i dc l a s s i f i c a t i o no ft h 咖d e rl i 咖i n g ，此 w a yo fl i 咖i n gs 仃越n g ，a n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec u 玎e n to ft h l m d e ra n dl i 曲t i n g s e c o n d l y ，t l l i ss u 巧e c ta i l a l y s e sm eb u i l d i n g s ，s p e c i a l ，m eo n e sh a v et h ed a l l g e ro f e x p l o s i o nc o m b i l l i i 培i l lt l l e c u r r e n tc o d ef o rd e s i g no fl i g h “n gp r o t e c t i o no f b 伍l d i n g s ，a n dp u tf o r w a r dav a r i e t ) ，o fe 丘e c t i v el i 蛳i n gp m t e c t i o nm e a s u r e s a tt l l eb a s i so ft h ea _ b o v e ，“ss u 场e c tt a k e so u tt h 眦d e rp r o t e c t i o nd e s i g no fap l 觚t 、析t he x p l o s i o nh 跏da c c o r d i n gt 0t l l e 皿n c i p l eo fl i g h 恤i n gp r o t e c t i o n ，l i g h 臼：l i n g p r o t e c t i o no f b u i l d i i l 笋o fm er e q l l i r c m e n t s ，锄dp r o v i d e ss e v e r a ld e s i 朗o p t i o n s t h a n t a ：k et e c h n 0 一e c o n o l l l i cc o m p 撕s o no ft l l e o p t i o n s ，a n dd e t e n n i n em ed e s i 印o p t i o n s t i l i sj o bk 珞ac e 触r e f e f e n c e 砌u et 0t i l es i i l l i l a rt ) ，p eo fp r o j e c t s k e y w o r i l s ：t h u n d e ra n d h 驴t i n g l i g h t i n gp m t e c t i o n e x p i o s i o n p m t e c t i o n l i g h 恤gp m t e c t i o no f c h e m i c a lp l a n t l i g h t n 咄p m t e c t i o nd e s 咖 i n 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝婆叁鲎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名铡n 签字吼1 1 年、，月、 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎望盘堂 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 导师 辩聃。丁舶日 致谢 在浙江大学的在职研究生学习期间，我得到了许多老师、同学和朋友的热心 帮助和支持，在此向他们表达我衷心的感激! 我由衷地感谢我的导师吴国忠教授，在吴老师的悉心指导下，使我顺利地完 成了毕业论文的写作。吴老师渊博的知识，严谨的治学态度，深厚的理论基础， 平易近人的长者风范给我留下了深刻的印象，使我受益匪浅。 再次我要感谢我的企业导师金瑞民高工，他博学多识、平易近人，在工程领 域上有很深的造诣，对我的硕士论文给予了极大的关心和帮助。 此外，我还要感谢我的家人，感谢他们一直以来无微不下的关怀和默默无闻 的支持离开了他们的支持与鼓励，我将一事无成。 最后，我还要特别感谢答辩委员会的各位专家，感谢你们在繁忙的工作中抽 出时间来给予我指导和帮助。谢谢! 盛江 2 0 0 9 1 于浙江大学 浙江大学硕士学位论文 绪论 1 绪论 十八世纪下半叶，富兰克林用科学的方法研究了雷电，并发明避雷发生雷电 灾害的行业和部门也频频受害，这些雷害是人们意料不到的。 1 1 防雷工作的重大意义 雷电灾害是“联合国国际减灾十年”公布的最严重的十种自然灾害之一。现 今全球平均每年因雷电灾害造成的直接经济损失就超过1 0 亿美元，死亡人数在三 千人以上，这个统计没有包括中国。我国根据气象部门和劳动部门的估算，每年 雷击伤亡人数均超过1 万，其中死亡3 0 0 0 多人。椐初步分析，雷电造成的经济损 失主要发生在电力、石化、通讯等行业，人身伤亡事故主要发生在农村，而防雷 意识淡薄是造成雷电灾害的主要原因。 雷电灾害不仅造成人身上网，而且也给我国石化、通讯、电力、航天等行业 造成了重大经济损失。倒如1 9 8 9 年，我国青岛市黄岛油库于8 月l2 日遭雷击失 火，燃烧1 0 4 小时才勉强扑灭。伤亡人员近百名，烧毁原油3 6 万吨，整个油库毁 坏殆尽，变成一片废墟。如某数据中心，集全体技术人员历时三年的研究成果和 宝贵数据也因一次雷灾而化为乌有。造成的间接损失无法估算。类似的案例不胜 枚举。8 0 年代以后，雷灾出现新的特点，这主要是因为一些高大建筑的兴起，如高 层智能大厦，微波站、天线塔等都会吸引落雷，从而使本身所在建筑及附近建筑 遭到破坏增设的各种架空长导线反倒引雷入室，使避雷装置失去作用。另外， 随着微电子技术高度发展及广泛应用到各个领域，使雷害对象也发生了转移，从 对建筑物本身的损害转移到对室内的电器、电子设备的损害，以至发生人身伤亡 事故。 因此，防雷工作在当今是十分必要而迫切的，各行各业有关部门均应给予高 度重视，各省市、地区都成立了专门的防雷办公室对所辖区域内的防雷设施进行 监督改造，以保证生产生活安全另外，要对雷电进行有效的防治，我们应了解 雷电的成因及它是如何造成危害的。 雷击的危害主要有三方面： 第一是直击雷是指雷云对大地某点发生的强烈放电 浙江大学硕士学位论文绪论 第二是感应雷。它可以分为静电感应及电磁感应。 第三是球形雷 据统计：直击雷的损坏仅占1 5 ，感应雷与球形雷的损坏占8 5 。 1 2 防雷技术现状 常规防直击雷的原理是利用避雷装置吸引下行的雷电通道，并将雷电流经引 下线及接地装置疏导到大地，使避雷装置保护范围内的物体免遭直接雷击，防雷 电感应的原理是阻塞沿电源线、信号线入侵的雷电波，限制被保护设备上的过电 压长期运行经验表明，常规的避雷方法是有科学根据的，是有效的。只要按照 正确的方法实施，可以把雷击造成的损失控制到可以接受的程度 随着现代电子技术的快速发展和广泛运用，国内外对防雷研究越来越多了起 来，有许多新的防雷技术手段，如提前放电避雷针( e t p 避雷针) 、消雷器、浪涌 保护器等等。各种新技术的产生极大的降低了雷击的风险，提高了电子产品防雷 电感应的能力。 1 3 本文所做的工作 本文从工程实践出发，根据工程对防雷的要求，按规范要求计算，进行方案 比较，从而确定最优方案。本论文对具有爆炸危险的装置、车间的防雷具有一定 参考价值。 2 浙江大学硕士学位论文雷电基本知识 2 雷电基本知识 2 1 雷电的成因 雷击是指一部分带电的云层与另一部分带电异种电荷的云层，或者是带电的 云层对大地之间的迅猛放电。这种放电过程会产生强烈的光并伴随巨大的声音。 2 2 雷电的产生 地球本身就是一个带电导体，通常稳定地带负电荷5 0 万库仑左右。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己充电的电容器，它们之间 的电压为3 0 0 k v 左右，并且场强为上正下负当地面含水蒸汽的空气，受到炽热 的地面烘烤受热而上升，或者较温暖的潮湿空气与冷空气相遇时，产生向上的气 流。这些含水蒸汽的上升气流上升时，温度逐渐下降形成雨滴、冰雹( 称为水成 物) 。这些水成物在地球静电场的作用下被极化，负电荷在上，正电荷在下。它 们在重力作用下，落下的速度比云滴和冰晶( 这二者称为云粒子) 落下的速度要 大。因此极化水成物在下落过程中，要与云粒子发生碰撞，碰撞的结果，使其中 一部分云粒子被水成物所捕获，增大了水成物的体积。另一部分未被捕获的被反 弹回去，而反弹回去的云粒子带走水成物前端的部分正电荷使水成物带上负电 荷。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) ，如果遇到上升气流，云粒子不断上升，分 离的作用更加明显。最后形成带正电的云粒子在云的上部，而带负电的水成物在 云的下部，或者带负电的水成物以雨或雹的形式下降到地面带电云层一经形成， 就形成雷云空间电场。雷云空间电场的方向和地面与电离层之间的电场方向是一 致的，都是上正下负。因而加强了大气的电场强度，使大气中水成物的极化更厉 害，在上升气流存在的情况下，更加剧重力分离作用，使上下云层的电荷量急剧 增加，因而雷云发展得更快。雷云发展过程中，上下云层间的距离是在缓慢的变 大，而上下云层的电荷量是急剧增加因此上下云层问的电压逐渐升高，最终击 穿上下云层间的空气，形成云间放电若带负电的水成物，以雨或雹的形式下降 浙江大学硕士学位论文雷电基本知识 到地面，随着上升气流的减弱或消失，带正电的云粒子在重力的作用下逐渐下落。 使得带正电的云粒子，与带负电的大地或大地上的突出物间的电压不断升高，最 终击穿它们之问的空气，形成云对大地或大地上的突出物间的放电 下面以云地放电为例来分析雷电放电的三个阶段 先导放电阶段：雷云对大地有静电感应，在雷云电场下，大地感应出异号电荷， 随着雷云中电荷的逐步积累，空间的电场强度不断增大当雷云中电荷密集处的 电场强度达到空气击穿场强( 2 5 3 0 k v m ) 时，就产生强烈的碰撞游离，形成指向 大地的一段导电通道，成为雷电先导 主放电阶段：当下行先导接近地面时，会从地面较突出的部分发出向上的迎面 先导。当迎面先导与下行先导相遇时，便会产生强烈的中和过程，产生极大的电 流，这就是雷电的主放电阶段。主放电阶段的特点是，存在的时间极短，电流极 大，可达数十乃至数百千安。 余光放电阶段：主放电到达云端就结束了。然后云中残余电荷经主放电通道流 下来，称为余光放电阶段由于雷云中的电阻较大，余光放电阶段对应的电流不 大( 约数百安) ，持续时间则较长( o 0 3 一o 0 5 s ) 雷云中电荷分布是不均匀的，往往形成多个电荷密集中心，所以第一个电荷 中心完成上述放电后，可能引起第二个、第三个甚至更多个的中心向第一个中心 放电，并沿原先的通道到达大地，因此雷电可能是多重性的。第二次以后的主放 电电流一般比较小，一般不超过3 0 k a 。 大量观测统计表明：闪电对地的闪击大多为负性的多重雷击，只有约1 0 的闪 击是正极性的雷击。在平原地区和击向较低建筑物的闪击大多数为向下的闪击， 而对于凸出的较高建筑物的闪击则较多为向上闪击 2 3 雷电的电流波形及频谱 尽管雷电电流的波形没有相同的，但科技工作者通过对大量观测波形的统计 分析，总结出了向下负雷电电流波形的几个共同特征：第一回击的电流具有相似 的拱形上升前沿，许多波形图在峰值附近出现明显的双峰，电流尾部具有不太高 的隆起。与第一回击相比，随后回击的前沿时间较短，电流的上升陡度远大于第 一回击，随后回击的波尾略短于第一回击。在某些随后回击中，冲击电流之后还 4 浙江大学硕士学位论文 雷电基本知识 可能出现后续电流，第一回击和随后回击的速度均随高度增加而减小，随后回击 的速度高于第一回击雷电波频谱中主要频谱分量大体上集中在o 一2 0 k h z ，而雷 电能量主要集中在1 0 0 h z 一1 0 0 0 k h z 附近，雷电电磁辐射的平均能量谱在2 5 1 0 0 姗z 之间，辐射的频谱峰值主要集中在6 0 一7 0 m h z 。 根据世界各地科学工作者对于雷电波的实测结果，利用逼近法对电流波形进 行整理得出理想化的雷电流波形，如图2 1 所示。 正坡盯时同协半峰值时同 图1 2 理想化的雷电流波形 图2 1 表明雷电流为双指数函数曲线，可以用代数式( 2 1 ) 表示 i _ i ( e 哪一f p ) ( 2 1 ) 式中： i 。一一雷电流峰值( 从数k a 到数百k a ) a 一一波前衰减系数 b 一一波尾衰减系数 i 一一雷电波瞬时值 双指数函数曲线峰值的左边部分称为波前，从峰值至电流下降到峰值的一半 的e 点这部分称为波尾雷电流波形的波前很陡，只有零点几微秒到十几微秒，并 包含丰富的谐波电流。 2 4 雷击的形式 雷击通常有三种主要形式，分别是直击雷、感应雷和球形雷。 直击雷是带电云层( 雷云) 与建筑物、其它物体、大地或防雷装置之问发生 的迅猛放电现象，并由此伴随而产生的电效应、热效应或机械力等一系列的破坏 浙江大学硕士学位论文雷电基本知识 作用。直击雷的电压峰值通常可达几万伏甚至几百万伏，电流峰值可达几十k a 乃至几百k a ，其之所以破坏性很强，主要原因是雷云所蕴藏的能量在极短的时间 ( 其持续时间通常只有几u s 到几百u s ) 就释放出来，从瞬间功率来讲，是巨大的。 防避直击雷通常都是采用避雷针、避雷带、避雷线，避雷网或金属物件作为接闪 器，将雷电流接收下来，并通过作引下线的金属导体导引至埋于大地起散流作用 的接地装置再泄散入地。 感应雷是直击雷放电过程中，强大的脉冲电流对周围的导线或金属物产生电 磁感应发生高电压以及发生闪击的现象，主要危害建筑物内电子设备。在闪电放 电瞬间，在附近导体产生的静电感应和电磁感应静电感应指由于雷云的作用， 使附近导体感应并积聚大量与雷云相反极性的束缚电荷，当雷云主放电时，雷电 先导通道中的电荷迅速中和，原来处于雷云附近导体中与雷云相反极性的束缚电 荷被释放出来，形成自由电荷，如不就近泄散入地就会产生很高的电位电磁感 应指由于雷电流迅速变化( 瞬态脉冲) 在其周围空问产生瞬变的强电磁场，使附 近导体上感应出很高的电动势。 感应雷虽然没有直击雷猛烈，但其发生的几率比直击雷高得多。直击雷只发 生在雷云对地闪击时才会对地面造成灾害，而感应雷则不论雷云对地闪击或者雷 云对雷云之间闪击，都可能发生并造成灾害此外，直击雷一次只能袭击一个小 范围的目标，而一次闪击可以在较大的范围内多个小局部同时产生感应雷过电压 现象，并且这种感应高压可以通过电力线、电话线等传输到很远，致使雷害范围 扩大。 球形雷指在雷电频繁的雷雨季节，偶然会发现殷红色、灰红色、紫色、蓝色 的“火球”，直径一般十到几十厘米，甚至超过1 米；有时从天而降，然后又在空 中或沿地面水平移动，有时平移有时滚动，通过烟囱、开着的门窗和其他缝隙 进入室内，或无声地消失，或发出丝丝的声音，或发生剧烈的爆炸，因而人们习 惯称之为“球形雷”，较为罕见。但是这种“火球”到底是什么东西，怎样形成 的，众说纷纭其中一些学者认为它是一团等离子体；一些学者认为它是小范围 的急促气旋造成的：一些学者则认为它是自然的核反应：甚至一些学者还认为它 只不过是一种光幻视现象，然而，没有一种学说能够完满地解释这种现象，或通 过实验完满地重现这种现象避球形雷最好在雷雨天不要打开门窗，并在烟囱、 6 浙江大学硕士学位论文雷电基本知识 通风管道等空气流动处装上网眼不大于4 平方厘米，粗约2 2 5 舢的金属保护网， 然后作良好接地 2 5 本章小节 本章介绍了雷电的基本知识，雷电的产生机理及分类，对自然界的各种类型 雷电进行了介绍和分析。 7 浙江大学硕士学位论文雷电的危险机理和避雷原理 3 雷电的危害机理和避雷原理 3 1 雷电危害分类 雷电是一种大气中放电的现象，虽然放电作用时间短，但放电时产生数万伏 至数十万伏冲击电压，放电电流可达几十到几十万安培，电弧温度也可达几千度 以上，对建筑群中高耸的建筑物及尖形物、空旷区内孤立物体以及特别潮湿的建 筑物、屋顶内金属结构的建筑物及露天放置的金属设备等有很大威胁，可能引起 倒塌、起火、爆炸等事故。特别是在华东、华南地区，年雷暴日常会达到8 0 天甚 至更多，频繁的雷击会造成生命和财产的巨大损失。而随着现代化进程的加快， 特别是信息产业的迅猛发展，自动控制、通信和计算机网络等微电子设备和电子 系统的广泛应用，雷击事故带来的损失和影响也越来越大 归纳起来，雷电的危害如图3 1 所示，它包括直接雷击的危害和雷击电磁脉冲 的危害。 3 1 1 直击雷电的危害 图3 1 雷电的危害 1 ) 雷电流的热效应及其危害 在雷云对地放电时，强大的雷电流从雷击点注入被击物体，由于雷电流幅值 s 浙江大学硕士学位论文雷电的危险机理和避雷原理 高达数十至数百千安，其热效应可以在雷击点局部范围内产生高达 6 0 0 0 1 0 0 0 0 0 c ，甚至更高的温度，能够使金属熔化，树木、革堆引燃；当雷电波 侵入建筑物内低压供配电线路时，可以将线路熔断。现代建筑的金属结构，兼作 防雷装置，引导雷电流，雷击金属物时，雷电放电通道直接与金属物接触，这些 由雷电流的巨大能量使被击物体燃烧或金属材料熔化，都属于典型的雷电流的热 效应破坏作用，如果防护不当，就会造成灾害 在通常情况下，雷电流幅值虽然很高，但其作用时间却很短，只能产生局部 瞬时的高温，使雷击点处局部小面积的金属发生熔化，对于大面积的金属物体， 雷电流热效应的熔化能力是相当有限的。如果金属屋面和金属罐等大型物体的钢 板壁厚超过4 衄时，则可直接承受雷击，即可用于接受直击雷电流。 实际上，当雷电流流过建筑体内的金属物体( 如各种结构钢筋或铝合金导条等) 时，所产生的热效应温升常不足以使这些导体熔化，这是因为从雷击点经过分流 后，流过各导体通路的雷电流将减小，而导体通路的尺寸又较大但如果雷电流 侵入建筑物内电气或电子线路时，往往会使它们熔断，因为这些线路的导体截面 较小，难以耐受雷电流的热效应另外，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，特另4 是那些引流导体之间的接触不良处，在这些地方常可能 出现金属熔化，有时甚至出现熔体飞溅。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。 2 ) 雷电流的电效应及其危害 雷电的直接破坏作用除了热效应外，还有电效应和冲击波但从危害的方式来 与前者有所不同，在雷云对地放电时，雷电流通过载流导体产生电动力的破坏作 用。 由电磁学可知，在载流导体周围的空间存在着磁场，而在磁场中的载流导体 又会受到电磁力的作用，在电动力作用下，两根导体之间将相互吸引，有靠拢的 趋势，或者相互排斥，有分离的趋势因此，在雷电流的作用下，载流导体就有 可能会变形，甚至会被折断。对于同一根载有雷电流的弯曲导体或金属个构件， 当这种电动力足够大时，就可能会使导体或构件受到破坏。凡合有拐弯部分的载 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 9 浙江大学硕士学位论文雷电的危险机理和避雷原理 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。 3 ) 雷击的机械力及其危害 雷电的机械效应所产生的破坏作用主要表现为两种形式：一是雷电流注入树 木或建筑构件时在它们内部产生的内压力；二是雷电流的冲击波效应。在雷云对 地放电时，这两种效应对地面被击物体造成严重损害。 由于雷电流幅值很高，且作用时间又很短，当雷击于树木或建筑构件时，在 它们的内部将瞬时产生大量热量，在短时问内热量来不及散发出去，以致使这些 内部的水分被大量蒸发成水蒸气，并迅速膨胀，产生巨大的内压力这种内压力 是一种爆炸力，能够使被击树木劈裂和使建筑构件崩塌 雷云对地放电过程中的回击阶段，放电通道中既有强烈的空气游离又有强烈 的异性电荷中和，通道中瞬时温度非常高，这使得通道周围的空气急剧膨胀，以 超声波速度向四周扩散，从而形成冲击波。同时，通道外围附近的冷空气被严重 压缩，在冲击波波前到达的地方，空气的密度、气压和温度都会突然增大，产生 剧烈振动，这种冲击波与爆炸时产生的冲击波是类似的，可以使其附近的建筑物、 人、畜受到破坏或伤害 3 1 2 雷击电磁脉冲的危害 雷击电磁脉冲是一种干扰源，指闪电直接击在建筑物防雷装置和建筑物附近 所引起的效应。绝大多数是通过连接导体的干扰，如雷电流或部分雷电流、被雷 电击中的装置的电位迅速升高以及电磁辐射千扰雷击电磁脉冲指包括雷电感 应、雷电波侵入和雷电反击等主要的形式。雷电感应包括静电感应和电磁感应 1 ) 雷电的静电感应及其危害 雷电的静电感应与电磁感应作用属于雷电的间接破坏作用。由雷电的静电感 应与电磁感应所产生的暂态过电压比以上所述的直接破坏作用具有更大的危害 范围，它能够损坏建筑物内的信息系统和电气设备，甚至造成人员伤亡 通常可以见到一些顶部大面积金属体的建筑物，例如半球形铜壳装饰成的圆 顶楼，用铜材或铁皮包装屋顶的建筑物。当这种建筑物上空有雷云生成并向下发 展下行先导时，由于雷云和先导通道中电荷的感应作用，在建筑物顶部的金属体 1 0 浙江大学硕士学位论文雷电的危险机理和避雷原理 上将出现反极性的感应电荷，雷云及下行先导通道中的电荷为负，而在建筑物金 属屋顶上感应出的电荷为正如果建筑物金属屋顶或顶部金属对地绝缘，则在静 电感应所引起的高电压作用下，金属体对其下方的某些接地物体将会造成火花放 电，导致设备和人员的损坏和伤亡，还可能会引发火灾如果顶部金属体的接地 引下线在某个部位断开或电阻过大，则在这些部位也将出现高电压，造成局部火 花放电，危及建筑物内设备与人员的安全 同样，在各种架空线路上也会因雷云对地放电而产生静电感应电荷。在回击 过程中，伴随着回击电流的出现，该电流所产生的暂态脉冲磁场将部分地交链于 由导线、杆塔和大地构成的回路，在回路中产生感应电压，感应过电压波向导线 两侧传播，当它沿线路进入建筑物内时，将会对建筑物内的信息系统和电气设备 造成损坏。这种沿线路进入建筑物内的感应过电压波常称为雷电侵入波，它是一 种典型的雷电暂态过电压，对信息系统中的电子和徼电子设备极具危害性。 2 ) 雷电的电磁感应及其危害 雷电通道和防雷保护系统的导线上的雷电流，在接地系统的冲击接地电阻上 产生电压降，同时也会在建筑物内部导线形成的环路感应出浪涌电压和电流特 别是由于雷击的磁干扰辐射，周围区域的雷击在设备环路上感应出浪涌电压和电 流。如果雷击架空电线时，在电源进线上就有传导的出浪涌电压和电流。由于电 磁干扰的辐射，云间闪电在电力线和其他大范围的导线系统上也会产生传导的浪 涌电压和电流。 雷击防雷系统虽然有分流，在每一分支导体或导线上雷电流减小了，但雷电 流具有很大的幅值和波头上升陡度，能在所流过的路径周围产生很强的暂态脉冲 磁场。在现代建筑物内，通常布置和铺设着各种电源线，信号线和金属管道( 如 供水管、供热管和供气管等) ，这些线路和管道常常会在建筑物内的不同空间构 成导体回路或回环，当建筑物遭受雷击时，雷电流将沿建筑物防雷装置( 钢筋或 其他金属结构) 中各分支导体流入大地。沿分支导体流动的雷电流将在建筑物内 部空间产生暂态脉冲磁场，脉冲磁场交链不同空间位置上的导体回路，就会在这 些回路中感应出过电压和过电流，如果回路中某个部位的接触不良，则可能在此 处产生严重的局部发热，有可能引发易燃易爆品的燃烧或爆炸等事故。 3 ) 雷电电磁脉冲及其危害 浙江大学硕士学位论文雷电的危险机理和避雷原理 近些年来，随着信息处理技术的广泛应用，大量电子设备正普遍地进入各种 建筑物内，建筑物之间的信息交换与传递也日趋增强，这就使得雷电脉冲磁场的 危害性交得越来越严重雷电流不仅能产生脉冲磁场，而且也能产生脉冲电场， 并能以电磁波的形式直接辐射到电子设备中去，使电子设备受到干扰或被损坏。 雷电流产生的暂态脉冲磁场在建筑物内的导体回路中感应出过电压和过电流 是通过阻性祸合、感性祸合和容性祸合感应出过电压和过电流来影响设备。 4 ) 暂态电位升高与雷电反击及其危害 在建筑物遭受雷击时，雷电流沿防雷装置中各分支导体流动，经接地体汇入 大地从工程近似的角度，可以把分支导体看成是具有分布电感和电阻的电路， 把接地体等值地看做是集中电阻，即接地电阻，雷电流流过防雷装置中各分支导 体和接地体时，将会在分支导体的电感、电阻和接地电阻上产生压降，使防雷装 置中各个部位的对地电位都有不同程度的升高由于雷电流持续时间很短，这种 电位升高现象所持续的时间也很短，所以称为暂态电位升高 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。防雷装置 暂态电位升高使得它的各个部位与周围不共地的金属体之间出现暂态电位差。像 这样由暂态电位升高使防雷装置中的某些部位与周围金属体之间发生空气问隙 击穿的现象称为雷电反击在发生反击后，被反击的金属体带上高电位，它又有 可能继续对其周围的其他金属体反击，从而可能引发多个金属体之间的一系列反 击，导致严重的设备损坏和人员伤亡 在许多情况下，暂态高电位还可以从雷击处通过一定的渠道传递到较远的地 方去，在那里再引起反击，损坏设备。两座建筑物的接地通过金属管道相连，当 其中一座建筑物遭受雷击后，雷电流在该建筑物的接地体接地电阻上将产生暂态 压降，并使该建筑物内接地母线的暂态电位升高。由于金属管道与该接地母线相 连，它也将带上高电位，于是它将作为传递渠道将高电位传递到另一座建筑物内， 使得该处的接地母线( 与金属管道相连) 也带上高电位，导致与接地母线相连的线 路很容易对其邻近的电源线或通信线发生反击，造成用电设备和通信设备的损 坏 另外，暂态电位升高不仅会通过跨步电压来威胁人身安全，而且还会通过人 1 2 浙江大学硕士学位论文雷电的危险机理和避雷原理 体接触防雷装置或与其相连的金属体而对人身构成危害在发生雷击时，雷电流 经接地体散入大地，将在周围土壤中产生电压降，使附近地面上不同地点之间出 现电位差如果人站在这块具有不均匀电位分布的地面上，则在人的两脚之间就 存在着一定的电压，跨步电压的大小直接关系到地面上行走人员的安全。雷电流 在防雷装置中传输会在接地体周围形成不均匀的电位分布当人触摸与防雷装置 相连的金属体时，从触摸的最高点到人站立点之间存在着一个暂态电位差，使人 体承受电压，这一电位差称为接触电压，它可以达到几万伏甚至更高的数值，可 能造成严重的触电事故。 3 2 影响雷击的因数 为了经济合理地采用避雷措施，必须了解当地落雷的相关因素及雷击的选择 性规律 3 2 1 地面落雷的相关因数 1 ) 地理条件。一般雷电活动随地理纬度的增加而减弱，且湿热地区的雷电活 动多于干冷地区。在我国，大致按华南、西南、长江流域、华北、东北、西北依 次递减从地域看是山区多于平原，陆地多于湖海。 2 ) 地质条件。有利于很快聚集在雷电相反电荷的地面，如地下埋有导电矿藏 的地区，地下水位高的地方，矿泉、小河沟、地下水出口处，土壤电阻率突变的 地方，土山的山顶或岩石山的山脚等处容易落雷 3 ) 地形条件。某些地形往往可以引起局部气候的变化，造成有利于雷云形成 和相遇的条件，如某些山区，山的南坡落雷多于北坡，靠海的一面山坡落雷多于 背海的一面山坡，山中的局部平地落雷多于峡谷，风暴走廊与风向一致的地方的 风口或顺风的河谷容易落雷。 4 ) 地质条件。由于地物的影响，有利于雷云与大地之间建立良好的放电通道， 如孤立高耸的地物、排出尘埃的厂房及排出废气的管道、屋旁大树，山区和旷野 地区输电线等易受雷击 浙江大学硕上学位论文雷电的危险机理和避雷原理 3 2 2 建筑物落雷的相关因数 1 ) 建筑物的孤立程度。旷野中孤立的建筑物和建筑群中高耸建筑物，易受雷 击 2 ) 建筑物的结构。屋面屋顶、金属构架、钢筋混凝土结构的建筑物易受雷击。 3 ) 建筑物的性质常年积水的冰库，非常潮湿的牲畜棚，建筑群中个别特别 潮湿的建筑物，容易积聚大量电荷；生产贮存易挥发物的建筑物，容易形成游离 物质，因而易受雷击。 4 ) 建筑物的位置和外框尺寸一般认为建筑物位于地面落雷较多的地区和外 框尺寸较大的建筑物易受雷击 3 2 3 建筑物易受雷击的部位 1 ) 平屋面或坡度不大于l 1 0 的屋面为檐角、女儿墙、屋檐 2 ) 坡度不大于l 1 0 ，不小于1 2 的屋面为屋角、屋脊、檐角、屋檐。 3 ) 坡度等于或大于1 2 的屋面为屋角、屋脊、檐角。 3 3 雷灾的新特点 不同的社会发展时期，雷电灾害的特点也不相同。当人类社会进入电子信息 时代后，雷灾出现的特点与以往有极大的不同，可以概括为： 1 ) 受灾面严重扩大从电力、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极为密切的领域，如航天航空、国防、邮电通信、计算机、 电子工业、石油化工、金融证券等。 2 ) 雷电灾害的空间范围扩大从二维空间入侵变为三维空间入侵，从闪电直 击和过电压波沿线传输变为空间闪电的脉冲电磁场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 冲例如二o o o 年七月二十五日1 4 点4 0 分左右，一次闪电造成广州市酒宝路桂昔 路附近二家单位同时受到雷灾，而不是以往的一次闪电只使一个建筑物受损。 3 ) 雷灾的经济损失和危害程度大大增加。它袭击的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 1 4 浙江大学硕士学位论文雷电的危险机理和避雷原理 4 ) 雷灾的对象发生变化产生上述特点的根本原因，也即关键性的特点是雷 灾的对象主要集中在微电子器件、设备上雷电的本身并没有变，而是科学技术 的发展，使得徼电子技术的应用渗透到各生产和生活领域，徼电子器件极端灵敏 这一特点很容易受到无孔不入的l e m p 的作用，造成微电子设备的失控或者损坏。 因此，防雷工作的追切性和复杂性不断增加，建筑物防雷的内容不断变化发 展。 3 4 防直击雷的措施 直击雷的避雷装置一般主要由三部分组成，即接闪器、引下线和接地装置三 部分接闪器是指避雷针、避雷带、避雷网、架空避雷线( 网) 以及作接闪的金 属屋面和金属构件等。而引下线是指连接接闪器与接地装置的金属体。接闪器和 引下线的结构设计最根本的目的是为了保证接闪器与大地之间有良好的连接；保 证连接线有足够大的截面积，避免雷电流通过时引起熔断，或温度过高而引起火 灾；保证连接线路有合理的结构，防止电动力的破坏，防止避雷装置的高电位对 建筑物的反击。 3 4 1 接闪器 避雷针宜采用圆钢或钢管制成，其直径不应小于下列数值： 针长l m 以下：圆钢为中1 2 咖；钢管为中2 0 衄。 针长卜2 m ：圆钢为中1 6 衄；钢管为中2 5 咖。 烟囱顶上的针：圆钢为中2 0 姗；钢管为中4 0 伽 避雷网和避雷带宜采用圆钢或扁钢，优先采用圆钢。圆钢直径不应小于8 咖 扁钢截面不应小于4 8 触2 ，其厚度不应小于4 衄。 当烟囱上采用环形接闪器时，其圆钢直径不应小于1 2 哪。扁钢截面不应小于 1 0 0 衄2 ，其厚度不应小于4 衄。 架空避雷线和避雷网宜采用截面不小于3 5 栅2 的镀锌钢纹线。 除第一类防雷建筑物外( 第一类防雷建筑物要采用独立避雷针) ，金属屋面的 建筑物宜利用其屋面作为接闪器，并应符合下列要求： 浙江大学硕士学位论文雷电的危险机理和避雷原理 1 ) 金属板之间采用搭接时，其搭接长度不应小1 0 0 衄； 2 ) 金属板下面有易燃物品时，其厚度，铁板不应小于4 咖，铜板不应小于5 咖， 铝板不应小于7 衄； 3 ) 金属2 板下面无易燃物品时，其厚度可薄些，但也不应小于o 5 衄； 4 ) 金属板不得有绝缘被覆层。 除第一类防雷建筑物和规范另有规定外，屋顶上永久性金属物宜作为接闪器， 但其各部件之间均应有良好的电气联接，并应符合下列规定： 1 ) 旗杆、栏杆装饰物等，其截面尺寸应不小于避雷针、避雷带的最小截面 尺寸。 2 ) 钢管、钢罐的壁厚不小于2 5 舳，但钢管、钢罐一旦被雷击穿，其介质对 周围环境会造成危险时，其壁厚不得小于4 衄 除利用混凝土构件内钢筋作接闪器外，接闪器表面应热镀锌或涂漆。在腐蚀 性较强的场所，尚应采取加大其截面或其他防腐措施 不得在接收无线电视广播的公用天线的杆顶上安装接闪器作保护建筑物用。 因为共用天线有可能改变位置、改型或撤销，而建筑物的接闪器是不允许随便改 变的。 接闪器应由下列的一种或多种组成： 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。 3 4 2 引下线 1 ) 引下线一般采用圆钢或扁钢，宜优先采用圆钢圆钢直径不小于8 舢，扁 钢截面不应小于4 8 衄2 ，其厚度不应小于4 衄。 当烟囱上的引下线采用圆钢时，其直径不应小于1 2 咖；采用扁钢时，其截面 不应小于1 0 0 m m 2 ，厚度不应小于4 衄。 所有引下线要镀锌或涂漆，在腐蚀性较强的场所，还应该加大截面积或采取 其他防腐措施。 当利用建筑物内钢筋作为引下线时，混凝土中作为防雷装置的钢筋或圆钢当 1 6 浙江大学硕士学位论文雷电的危险机理和避雷原理 仅一根时，其直径不应小于1 0 舢。被利用作为防雷装置的混凝土构件内的箍筋连 接的钢筋，其截面总和不应小于一根直径为1 0 哪钢筋的截面积 2 ) 引下线应沿建筑物外墙明敷，并经最短路径接地；建筑艺术要求较高者可 暗敷，但其圆钢直径不应小于1 0 咖，扁钢截面不应小于8 0 m m 2 。 3 ) 引下线的固定支撑点，间隔不得大于1 5 2 m ，引下线的敷设应保持一定的 松紧度，不得拉得太紧，以免由于热胀冷缩而损坏。 4 ) 建筑物的消防剃、钢柱等金属构件宜作为引下线，但其各部件之间应连成 电气通路。 5 ) 引下线应装在人不易碰到的隐蔽地点，例如装在建筑物的山墙背后，以 防止接触电压的危害。 6 ) 距离地面2 m 以内的引下线，应有良好的保护覆盖物，用瓷管或塑料管等物 把它套住，避免与人触及。 7 ) 墙壁较厚的建筑物，可把引下线抹在墙里。也可以把引下线放在伸缩缝中， 做成暗装引下线，但这时引下线若采用圆钢忙1 2 衄；若采用扁钢截面积处l o o 衄2 ， 厚度4 哪。 8 ) 为了便于检查避雷连接导线的导电情况和接地体的散流电阻，应在每根引 下线上做断接卡子。断接卡子最好装在距地面2 m 高处，暗装引下线也应在相应的 地方做断接卡子接线盒( 利用钢筋混凝土柱的竖向钢筋做引下线时不必做断接卡 子，但必须引出测量线端子外露墙面) 。断接卡子必须镀锌，并保护接触面严密， 接触面不得小于1 0 嘲? ，卡接螺丝直径必须大于8 咖，卡接螺丝上应套有弹簧垫圈。 如果在接触面上垫以硬铅垫将会有更好的接触效果。 利用建筑物的柱筋作避雷引下线，在我国6 0 年代开始就有使用，实践证明， 这种方法不但可行，而且比设专门引下线有更多优点，因为电流流入柱筋后将与 通过梁、楼板等钢筋网连接( 尽管多数或绝大多数为绑扎，也无关系) ，电流分散 到各部分，成为一个良好的法拉第网，有利于使整座建筑物处于等电位状态，避 免建筑物各部分之间的反击，只要建筑物内部的大型金属物与它附近的钢筋网连 接起来即可以避免反击，这样就增加了安全。使用钢筋作为引下线令人们不放心 的往往是怕雷电流流入钢筋网后，很快被分散，各部分流过的电流是很少的( 尤 其是多柱的大楼) ，至于与接闪器连接处的柱子的主钢筋也由于通过或焊接达到 1 7 浙江大学硕士学位论文雷电的危险机理和避雷原理 多条钢筋并联而不至因温度升高而影响钢筋的强度。加上利用柱筋作避雷引下线 可使成本降低，施工方便，又避免避雷引下线意外脱落，增加了可靠性 3 4 3 接地装置 接地是避雷技术最重要的环节，不管是直击雷、感应雷或其他形式的雷，最 终都是把雷电流送入大地，因此，没有合理而良好地接地装置是不