（电气工程专业论文）防雷问题研究及应用.pdf

摘要 雷电是一种极为宏伟壮观的自然现象，雷电孕育了生命，促成了人类文明，但雷电 的巨大破坏力，又给人类社会带来惨重灾难。人类与自然的斗争，从来没有停息过，与 雷电斗争是很有成效的。随着科技的进步，科研手段的现代化，人们对雷电机理的研究， 对防雷方法的探索，日新月异，不断取得新的进步。 防雷设计根本目的是为了以预防为主达到向用户提供安全、可靠的防雷保护，从保 护财产和生命安全。 长期以来，建筑防雷工作一直是人们研究的课题，本文绪言部分介绍了防雷的意义 以及国内外发展现状。 第二章介绍雷电知识，雷电主要是由于大气流运动，使得磨擦生电及去块切割磁力 线，把不同电荷分离，由此产生雷电。 从雷电成因入手，对雷电波进行分析，从而得出雷电流主要分布在低频部分，且随 着频率的升高而递减；雷电波波前越陡，它的谐波越丰富，受雷电影响的频率越宽；雷 电的能量大多要布在低频部分。主要包括雷电成因及雷电特点。 第三章首先介绍雷电的破坏作用即雷电流热效应的破坏作用、雷电流冲击波的破坏 作用、雷电流电动力效应的破坏作用、雷电的静电感应及电磁感应的破坏作用。 根据雷电雷电的破坏作用采用引雷的原理进防雷，主要是防直击雷。直击雷的避雷 装置主要由三部分组成，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、架空避雷线的直接接受雷击部分，以及作接闪的金属屋面和金属构件等。 引下线是指连接接闪器与接地装置的金属体。接地装置主要是各种接地体。 第四章从工程实际出发，根据防雷原理、建筑物对防雷的要求及防雷规范对某一工 程进行防雷设计，从工程实践的角度，对两种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；建筑防雷； a b s t r a c t t h u n d e ra n dl i g h t e n i n g ，ak i n do f g r a n dn a t u r a lp h e n o m e n o n , w a sp r e g n a n tw i t hl i f ea n d h e l p e dt ob r i n ga b o u th u m a nc i v i l i z a t i o n h o w e v e r , i t st r e m e n d o u sd e s t r u c t i v es t r e n g t h b r o u g h tg r i e v o u sd i s a s t e rt oh u m a ns o c i e t y t h es t r u g g l eb e t w e e nh u m a na n dn a t u r eh a v e f l e v g rs t o p p e db u tw i t hf r u i t f u le f f e c t s a st e c h n o l o g yi sp r o g r e s s i n ga n ds c i e n t i f i ca p p r o a c hi s b e i n gm o d e r n i z e d , t h er e s e a r c hi n t ot h em e c h a n i s mo ft h u n d e ra n dl i g h t e n i n ga n dp r o b ei n t o t h em e t h o do ft h u n d e r p r o o fa r ec h a n g i n gw i t he v e r yp a s s i n gd a ya n dh a v eb e e na c h i e v i n g n e w p r o g r e s s t h eu l t i m a t ep u r p o s eo f t h et h u n d e r p r o o f d e s i g ni st oo f f e rs a f ea n dr e l i a b l et h u n d e r p r o o f p r o t e c t i o nw i t hp r e v e n t i o na st h ep r i o r i t ys ot h a tt h es a f e t yo f p r o p e r t ya n dl i f ec a l lb ea s s u r e d a r c h i t e c t u r et h u n d e r p r o o fh a sb e e nb e i n gal o n g t e r mr e s e a r c h p r o b l e m i nt h e i n t r o d u c t i o nt h i st h e s i sp r e s e n t st h es i g n i f i c a n c ea sw e l la st h ec u r r e n ts t a t eo f t h u n d e r p r o o f a t h o m ea n da b t o a d c h a p t e rt w oa n dc h a p t e rt h r e ep r e s e n tt h es p e c i a lp r o p e r t i e so ft h u n d e re l e c t r i c i t yf r o m t h ef o r m a t i o no ft h u n d e ra n dl i g h t e n i n g ，a n dm a k ef r e q u e n c ys p e c t r u ma n a l y s i so nt h u n d e r e l e c t r i cw a v e st of i n do u tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h u n d e ra n dl i g h t e n i n g a tt h es a m et i m e ， a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i s mo f t h u n d e ra n dl i g h t e n i n gd e s t r u c t i o n , b a s i cm e t h o da n dt h e o r yo f t h u n d e r p r o o f a r ei n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h et h u n d e r sr o o tc a u s e ，t h em a j o rf r e q u e n c yc o n t a i no ft h u n d e rc u r r e n t m a i n l yi n c l u d el o wf r e q u e n c yp o r t i o n ，s t e e p e ro ft h eb e g i n n i n ge d g eo ft h u n d e rc u r r e n l t h u n d e rw a v ec o n t a i nm o r et h u n d e rf r e q u e n c y l o wf r e q u e n c yp o r t i o no ft h et h u n d e rc o n t a i n m a j o rp o r t i o ne n e r g y i nt h el i g h to fp r o j e c tr e a i t yc h a p t e rf o u rm a k e sa l la s s e s s m e n to fs e v e r a lm e t h o d so f t h t m d e r p m o f , 5 0a st oa p p l yt h e o r i e st ot h ea c t u a lp r a c t i c eo f t h ep r o j e c t a c c o r d i n gt ot h ea f t e r m a t ho ft h u n d e r ，u s i n ga t t r a c t i o nt h u n d e rc a l lp r o t e c tf r o md i r e c t s t r o k et h u n d e r e q u i p m e n tw h i c hi sf o rt h u n d e r p r o o fc o n t a i nt h r e ep a r t s ：t h u n d e rr o b ，e a r t h l e a d i n ga n de a r t h i n g k e yw o r d s ：t h u n d e ra n dl i g h t e n i n g ；t h u n d e r p r o o f ；a r c h i t e c h t u r et h u n d e r p r o o f i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：王堤印 日期：加彳年届月届日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校 有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位 论文被查阅( 除在保密期内的保密论文外) ；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 口保密，在年解密后适用本授权书。 口不保密。 学位论文全文电子版提交后： 口同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏览。 ( 请在以上相应方框内打“”) b 鞭。泖s | 瞩阳 日期：0 6 ，1 第一章绪论 第一章绪论 1 1 防雷工作的重大意义 我国地处温带和亚热带地区，雷暴活动十分频繁，全国有2 1 个省会城市的年最多 雷暴日在5 0 天以上，最多达到了1 3 4 天。从近3 0 年的雷电资料看，我国雷暴日天数变 化不大，但是雷电灾害的危害程度越来越大，具有频次多、范围广、突发性强、社会影 响大的特点。 据初步分析，雷电灾害造成的经济损失主要发生在城市和电力、石化、通信等行业 部门，雷击人身伤亡事故主要发生在农村地区，而防雷装置不完善和防雷意识淡薄是造 成雷电灾害的主要原因。 雷电灾害不仅造成了人员伤亡，也给我国航空航天、国防建设、电力、通讯、电予 工业、石油化工、交通、森林等行业造成了严重的经济损失。 近年来，随着我国社会经济的发展和现代化水平的提高，特别是城市建设高层建筑 物的日益增多和信息技术的快速发展，雷电灾害造成的经济损失和人员伤亡事故日益严 重，是我国最严重的自然灾害之一。 据中国气象局雷电防护管理办公室不完全统计，在1 9 9 7 2 0 0 5 年的9 年间，全国因 雷击造成直接经济损失在百万元以上的雷电灾害事故就有2 0 0 多起，平均每年因雷击造 成人员伤亡近千人，其中8 0 以上是农村人口。2 0 0 6 年l 一7 月，全国就已发生雷电灾 害9 0 0 0 多起，因雷击造成人员伤亡7 9 5 人( 其中，致死4 1 9 人、致伤3 7 6 人) ，雷电灾害 造成的直接经济损失近2 亿元。 雷电灾害已成为危害程度仅次于暴雨洪涝、气象地质灾害的一大气象灾害。因此， 做好防雷减灾工作，不仅是安全生产不可缺少的重要环节，也是建设社会主义新农村、 构建社会主义和谐社会的重要保障。 1 2 防雷技术现状 自富兰克林发明避雷针以后，避雷针( 包括避雷线、避雷带、避雷网) 已经成为规 范化的、普遍采用的常规避雷手段。 常规避雷针的原理是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，使避雷针保护范围内的物体免遭直接雷击。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。 华南理工大学硕士学位论文 随着现代化高新技术产业基础电子技术的迅速发展和广泛运用，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，如消雷器、与构架绝缘的外引接地避 雷针等等。但综合起来，都是利用“雷电拦截”的原理，即将雷电流经引下线及接地装置 疏导到大地从而使受保护物体免遭雷击。 1 3 本文所做的工作 对于建筑防雷，从实践及经济的角度出发，利用建筑物本身的基础及柱钢筋作为雷 电流引下线，只要接地体满足规定要求，一般是可以满足建筑物防雷要求的。 本文从工程实践出发，根据工程对防雷的要求，对一个工程从几个方案出发，按规 范要求计算，进行方案比较，从而确定最优方案。本论文对建筑防雷工作具有一定参考 价值。 本文主要完成了以下几点主要工作： 1 雷电基本知识：雷电的形成、雷电特点、雷电波分析。 2 雷电的破坏作用和避雷原理 3 常规避雷设计原理 4 建筑防雷技术要求。 5 具体工程应用。 2 第二章雷电基本知识 第二章雷电基本知识 2 1 雷电成因 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。 雷电有三种形式：第一种是“直击雷”，即带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛 的放电；第二种是“感应雷”，即带电云层由于静电感应作用，使地面某一范围带上异种 电荷现象。当直击雷发生后，云层迅速消失，而地面某些范围同于散流电阻大，以至出 现局部高电压，或者由于直击放电过程中，强大的脉冲电流对周围导线或金属物产生电 磁感应发生高电压以致发生闪击现象。第三种是“球形雷”。 2 2 雷电形成 雷电成因主要是气流之间摩擦生电及云块切割磁力线，把不同电荷进一步分离，使 得大气中出现雷云。也可以这样说雷电的成因主要是来自于大气运动。 当天空中的雷云带有大量电荷时，由于静电感应作用，雷云下方的地面和地面上物 体都带上了与雷云相反的电荷。这样雷云和其下方的地面就形成了一个已充电的电容 器，当其电压达到一定程度时，地面上的突出物就会产生放电。如果云层带正电荷对地 放电称之为正闪击，反之则为负闪击。根据大量资料表明，雷电流一般平原地区比山地 雷电流大，正闪击比负闪击大，第一闪击随后闪击大。 2 3 雷电波的频谱分析 据世界各地科学工作者对雷电波的实测可知，各种雷电波总体的轮廓相似，只是每 次雷电闪击的电压电流各不相同。一般来说正闪击大于负闪击，带正电荷的雷云向大地 放电称为正闪击，带负电荷的雷云向大地放电称为负闪击。正闪击电流峰值大多数在 1 0 0 k a 以上，负闪击电流峰值以2 0 5 0 k a 为主，雷云向大地放电多数是负闪击。为了 便于分析雷电波，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。 3 华南理工大学硕士学位论文 0 1 o 一一一一厂 一一n 一 f 、j、j 一夕 、 t 一 一十f f n 一 俘一波前时间n l - 半峰值时间 图2 1 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 水埘 ( 2 1 ) 式中：卜雷电流峰值( 从数k a 到数百k a ) a 一波前衰减系数 b _ 般尾衰减系数 i 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。 ( 1 ) 雷电流峰值比率的频率分布 雷电流峰值比率的频率分布是指每一个单一频率的电流峰值对整个雷电流波峰之 比的分布。 把( 2 - 1 ) 式进行富氏变换，得 i o c o ) = f1 0 ( e 4 k 。蛳d t 2 b c 赤。赤， u l t l ，u l t 一( 口a 。- + j 功o y ；。石f l 霜- j a ) 口1 _ 功正，十国。 第二章雷电基本知识 ( 南。南h ( 寿+ 寿) 】 沼2 ， 挈2k 南。南h c 寿+ 南，泣s ， 令m 2 孑詈孑。万等孑 实部 怍寿+ 南觥 式中国为角频率。 令i ( ) 为雷电流峰值比率的频率分布， i ( ) f f i 4 m z + o n 一) i ( 2 - 4 ) 根据( 2 2 ) 可得出雷电流峰值比率的频率分布为从0 到期l k h z 的电流峰值明显大， 并且峰值大致相同，i k h z 以上的电压峰值明显下降，频率越高，电压峰值越低，即说 明：雷电流主要分布在低频部分，且随着频率的升高而递减。在波尾相同情况下，波前 越陡，高次谐波越丰富，在波前相同的情况下，波尾越长，低频部分越丰富。 ( 2 ) 雷电流峰值比率积累的频率分布 雷电波的直接破坏作用主要表现为对设备的过电压击穿和由于冲击能量过大而导 致热击穿。根据同一负载上( 设负载为纯电阻) ，功率p 只与通过它的电流的平方成正 比，当设备确定后，其对大地阻抗就被决定了，因此只需关注雷电流峰值比率积累的频 率分布。下面将探讨雷电流峰值比率积累的频率分布。 雷电流峰值比率积累的频率分布是在雷电流峰值比率的频率分布的基础上，把各频 率的雷电流峰值从零到指定频率的积分。 把( 2 2 ) 式对积分得： 蜘产f 【( 南。南m ( 寿+ 南) 】d 5 r 南“r 上2 + 0 7 2 d 州f 南州r 南d 2 【毗嚣惭t s 筑+ j 三l n ( 酽+ 2 ) 】扣三l n f 砷坛 ( 2 5 ) 当( 2 5 ) 式积分限由0 至0 0 时，即为雷电流i o ，i o ( j ) i o 为雷电流峰值比率积累 的频率分布。 5 华南理工大学硕士学位论文 从上述理论司知波前越陡，雷电流的谐波越丰富，受雷电影响的频率越宽，即峰值 电流积累的频率越高。 ( 3 ) 雷电波能量比率积累的频率分布 令：w ( ) 为雷电流频谱的能量积累分布，则有 i o ( ) - i o ( j e o ) 1 0 ( 2 6 ) 将( 2 - 2 ) 式代入( 2 6 ) 式并积分 w c 加堕舄弓a r c t g 口一1a r c t g 芳 7 t j 国0。l + l ，毡 - r 等石f l + - t ) 。掣 b a r c 垃- - 口m - aa r c t g 詈】国o ( 2 - 7 ) 冗。吨+ l ，) 仅p 1 e 母l 一。 令整个雷电波总能量为w o ，将( 2 7 ) 式从。到。0 积分，得 w 。= 拿f 咿) 2 幽 = 等等r 丢生2 扫2 霭 氆8 c 8 。 m ：一毋 2 ( a + p ) a p 能量比率积累的频率分布为 ( 2 8 ) 等邓萼2 者勃co 蛾詈吨a r c t y ec o t a o ，筹嚣万。( 口+ ) 筇“ 。盯。 一。2 ( 口+ ) 筇 2 志c 。撕詈a a r c t g 署 言 从上述理论可知，雷电波低频部分增值快，频率越高，增值越慢，雷电的能量大多 数布在低频部分。 结论： ( 1 ) 雷电流主要分布在低频部分，且随着频率的升高而递减。 ( 2 ) 雷电波波前越陡，它的谐波越丰富，受雷电影响的频率越宽。 ( 3 ) 雷电的能量大多要布在低频部分。 2 4 本章小结 本章介绍雷电知识，雷电主要是由于大气流运动，使得磨擦生电及去块切割磁力线， 把不同电荷分离，由此产生雷电。 6 第二章雷电基本知识 从雷电成因入手，对雷电波进行分析，从而得出雷电流主要分布在低频部分，且随 着频率的升高而递减；雷电波波前越陡，它的谐波越丰富，受雷电影响的频率越宽；雷 电的能量大多要布在低频部分。主要包括雷电成因及雷电特点。 7 华南理工大学硕士学位论文 第三章雷电的破坏作用和避雷原理 3 1 雷电的破坏作用 雷电流也是电流，它具有电流所具有的一切效应，不同的是它在短时间内以脉冲的 形式通过强大的电流；尤其是直击雷，它的电流峰值有几十k a ，乃至几百k a 。它的峰 值时间( 从雷电流上升到1 2 峰值算起，直至下降到l 2 峰值止的时间间隔) ，通常负闪 击只有几胪到十几肛s ，正闪击较长些。正是这种特殊情况，使雷电流具有它特殊的破 坏作用。 3 1 1 雷电流热效应的破坏作用 强大的雷电流通过被雷击的物体时会发热。根据焦耳定律，一次闪击的雷电流发出 的热量( q ) ： q - r f f 2d t(3-1) 式中：q 一发热量，j ； i 雷电流，a ； r 雷电流通道的电阻，q ； t _ 一雷电流持续的时间，s 。 实际上，雷电流作用的时间很短，散热影响可以忽略，在电流通路上由电流引起的 温升( t ) 为： t ：旦( 3 - 2 ) 肌c 式中：t _ 一温升，k ； m 一通过雷电流的物体的质量，k g ： o _ j 面过雷电流的物体的比热容，j k g k 。 由于雷电流很大，通过的时间很短，如果雷电击在树木或建筑物构件上，被雷击的 物体瞬间将产生大量热，又来不及散发，以致物体内部的水份大量变成蒸汽，并迅速膨 胀，产生巨大的爆炸力，造成破坏；当雷电流通过金属体时，根据公式( 3 一1 ) 和( 3 2 ) 可以算出其温度，如果金属体的截面积不够大时，甚至可使其熔化。 当雷电通道直接接触的金属因高温而熔化的可能性很大，因为通道的温度可高达 6 0 0 0 1 0 0 0 0 c ，甚至更高。因此在雷电流通道上遇到易燃物质，可能引起火灾。 8 第三章雷电的破坏作用和避雷原理 3 1 2 雷电流冲击波的破坏作用 雷电通道的温度高达几千度至几万度，空气受热急剧膨胀，并以超声速度向四周扩 散，其外围附近的冷空气被强烈压缩，形成“激波”。被压缩空气层的外界称为“激波波 前”。“激波波前”到达的地方，该区压力下降，直到低于大气压力。这种“激波”在空气中 传播，会使其附近的建筑物、人、畜受到破坏和伤亡。这种冲击波的破坏作用就跟炸弹 爆炸时附近的物体和人、畜受损害一样。 3 1 3 雷电流电动力效应的破坏作用 由物理学可知，在载流导体周围空间存在磁场，在磁场里的载流导体受到电磁力的 作用。如图3 1 a 所示，如果导线a 、b 都有电流，那么导线a 的电流会在它的周围空 间产生磁场，而导线b 在导线a 所产生的磁场里将受到电磁力的作用。同理，导线b 上的电流也会在它的周围空间形成磁场，导线a 在该磁场里，也会受到电磁力的作用。 这样两根载流导体相互间有作用力存在，我们把这种作用力叫做电动力。 根据安培定律推导，如图3 1 a 的每根平行导体，当a 、b 上分别通以电流i b i 2 ( k a ) ， a b 的距离为d ( m ) 时，每米导线所受的作用力按下式计算： ， f = i 0 2 = 善 如1 0 4( 3 - 。) d 1 式中：1 0 为l m 。 我们假定雷击的瞬间两导线的电流i l 和i 2 都等于1 0 0 k a ，两导线的距离为5 0 c m ， 计算结果表明，这两根导线每米都受到4 0 s k g 的力。由电工学可知，这两根导线受到的 力有迫使它们靠拢的趋势。因此雷击的时候，由于电动力的作用，也有可能使导线折断。 a b _ - u 二一 l - h _ 一 ( a ) 两根平行导线间的电动力( b ) 弯曲导线的电动力 图3 1 雷电流通过导线时，导线上的电动力 9 华南理工大学硕士学位论文 同样，在同一根导线或金属构件的弯曲部分有电流通过的时候，如图3 1 b 所示，其 中流过a o 段的电流产生的磁场可使b o 段金属构件受到电动力；流过b o 段的电流产 生的磁场，可使a o 段构件受到电动力，当电动力足够大的时候也会使构件受到破坏。 由安培定律推导可知，凡拐弯的导体或金属构件，在拐弯部分将受到电动力作用，它们 之间的夹角越小，受到的电动力越大。当拐弯的夹角为锐角时受到作用力较大，钝角较 小。故接闪器及其引下线不应出现锐角的拐弯，尽可能采用钝角拐弯，在不得已采用直 角拐弯时应加强构件强度，尤其是避雷引下线一般应尽可能采用弧形拐弯，俗称“软连 接”；这样可使构件受到的应力较小，而且不集中在一点，雷击赞成的损失就相对小些。 3 1 4 雷电的静电感应和电磁感应的破坏作用 ( 1 ) 静电感应 当空间有带电的雷云出现时，雷云下的地面及建筑物等，都由于静电感应的作用而 带上相反的电荷。由于从雷云的出现到发生雷击( 主放电) 所需要的时间相对于主放电 过程的时间要长得多，因此大地可能有充分的时间积累大量电荷。然而当雷击发生后， 雷云上所带的电荷，通过闪击与地面的异种电荷迅速中和，而某些局部，例如架空导线 上的感应电荷，由于与大地间的电阻比较大，而不能在同样短的时间内相应消失，这样 就会形成局部地区感应高电压，这电压从雷击开始随时间的推移而下降，它符合r c 电 路放电的规律，即： 一l 圪= v x e ”( 3 一) 肛垒( 3 - 5 ) c 式中：v 一雷击发生后，局部高电压地区与大地之间瞬间的电压，v ； v 一发生闪击那一瞬间，即t 等于零那一瞬间，局部高电压地区对大地间 的电压，v ； r 高电压局部地区对大地的散流电阻，0 ： c - 一局部高电压的地区对雷云之间的电容，f ； q 一局部高电压地区积累的电荷量，c ； t 以发生闪击瞬间为零，闪击发生后延续的时间，s o 。 这样形成的局部地区感应高电压在高压架空线路可达3 0 0 - - , 4 0 0 k v , - - 般低压架空线 路可达1 0 0 k v 。电信线路可达4 0 , - , 6 0 k v , 建筑物也可以产生相当高的有危险的电压。这种 l o 第三章雷电的破坏作用和避雷原理 由静电感应产生的过电压对接地不良的电气系统有破坏作用，对于建筑物内部的金属构 架与接地不良的金属器件之间容易发生火花，这对存放易燃物品的建筑物，如汽油、瓦 斯、火药库以及有大量可燃性微粒飞扬的场所，如面粉厂、亚麻厂等有引起爆炸的危险。 ( 2 ) 电磁感应 由于雷电流有极大峰值和陡度，在它周围的空间有强大的变化的电磁场，处在这电 磁场中的导体会感应出较大的电动势。如果在雷电流引下线附近放置一个开口的金属 环，如图3 2 所示，环上的感应电势足以使气隙a 、b 间放电，放电时a 、b 间即产生火 花，这些火花可以引起易燃物品着火，和易燃气体爆炸。如果回路中有导体接触不良， 也会使回路过热，引起易燃物品燃烧，酿成火灾。防止的办法是把互相靠近的金属物品 用金属很好地连接起来。雷电的电磁感应引起火灾的例子也不少。 o b 图3 2 电磁感应原理图 由雷电引起的静电感应和电磁感应统称为感应雷，又叫二次雷，它对人、畜都有一 定的危险。 为了防止感应雷高电压发生，应将建筑物的金属屋顶、建筑物内的大型金属物品等， 给以良好的接地处理，以便感应电荷能迅速地流向大地。对较大的缺口金属环，应用金 属将缺口处连成闭合环，防止在缺口处形成高电压和放电火花。 ( 3 ) 感应雷分析 一般来说，感应雷没有直击雷那么猛烈，但它发生的几率比直击雷高得多。因为直 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( 据观测资料介绍，雷云对雷云闪击比雷云对地闪击几率高得 多) ，都可能发生并造成灾害。此外，直击雷一次只能袭击一两个小范围的目标，而一 次雷闪击可以在比较大范围内多个小局部同时发生感应雷过电压现象，并且这种感应高 电压可以通过电力线、电话线等金属导线传输到很远，致使雷害范围扩大。 弄清雷电闪击时，感应体和电流注( 或避雷针) 的距离，以及雷电流对时间的一次 1 1 华南理工大学硕士学位论文 导数与感应电势的关系，对分析和预防感应雷害有重要意义。为简明起见，以图3 3 为 例作理论分析。 m 图3 3 避雷针附近的开口金属环 设图3 3 避雷针( 电流注) a m 与一个有气隙的正方形金属环处于同一平面上，x 1 为正方形方框与避雷针( 电流注) 的距离；x 2 是方框的另一边与避雷针( 电流注) 的距 离，金属环的边长为。由电磁感应定律可知，开口金属环上最大感应电压： 耻m 等 如果不考虑电压的方向，则 酬等 式中：晶一感应电势，v ； m 互感系数，h ； 粤闪击电流变化率，a s 。 讲 根据电磁场理论： 辱h d l - - 2 h 瓜x = - i h - 上 2 ，日 d c = b d s 2 从h d s 1 2 0 一 一 第三章雷电的破坏作用和避雷原理 因d 2 从硎d ) ( 则妒2 r 从h i d x h n 1 1p d x 2石x 又因 怍生：型r 坚 j2 7 r 如x = i , u o d 【l i l 工e ：垡1 i l 单 ( 3 一) 2 石z 。 式中：昝磁场强度，a m ； 良磁感应强度，t ； 穿过金属环的磁通量，w b ； 杯一互感系数，h ； d 一空气磁介常数，t o = - 4 9 x 1 0 - 7 ( h m ) ； 卜巧题形金属环的长和宽，m ； e 闭环积分线路，m ； 蜀，砭一( 见图3 3 ) ，m ； s 矩形金属环的面积，m 2 。 因x 2 = i + x l ，代入( 3 6 ) 式得 m = 2 1 0 - 7 1 i n 丝 ( 3 一) 五1 由式( 3 7 ) 可知，在避雷针( 电流注) 附近开口金属环上最大感应电势 鼯z 川警等 c s q ， 若避雷针( 闪击电流注) 与金属环之间的夹角为，则( 3 暑) 式后边应乘以c o 蚍。 3 2 防直击雷的接闪装置 直击雷的避雷装置由三部分组成，即接闪器、引下线和接地装置三部分。所谓接闪 器是指避雷针、避雷带、避雷网、架空避雷线的直接接受雷击部分，以及作接闪的金属 1 3 华南理工大学硕士学位论文 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。 根据各国使用避雷装置的实践经验证明，凡设计正确并合理地安装了避雷装置的建 筑物，都很少发生雷害事故。 3 2 1 避雷针 避雷针是接闪器中一种，由大量模拟试验和实际调查统计资料表明，避雷针的外表 形状与其避雷效果并无明显的关系，所以，不必过多考虑采用单针式或多叉式或者其他 形式的造型的避雷针。 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1 m 以下：圆钢为d p l 2 n u n ；钢管为m 2 0 m m 针长1 2 m ：圆钢为d p l 6 m m ；钢管为0 2 5 m m 烟囱顶上的针：圆钢为d p 2 0 m m ：钢管为0 4 0 m m 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 m m 。扁 钢截面不应小于4 8 m m 2 ，其厚度不应小于4 m m 。 当烟囱上采用环形接闪器时，其圆钢直径不应小于1 2 r a m 。扁钢截面不应小于 l o o m m 2 ，其厚度不应小于4 m m 。 架空避雷线和避雷网宜采用截面不小于3 5 m m 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： ( 1 ) 金属板之间采用搭接时，其搭接长度不应小l o o m m ： ( 2 ) 金属板下面有易燃物品时，其厚度，铁板不应小于4 m m ，铜板不应小于5 m m ， 铝板不应小于7 m m ； ( 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 m m ； ( 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。 1 4 第三章雷电的破坏作用和避雷原理 ( 2 ) 钢管、钢罐的壁厚不小于2 5 r a m ，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 m m 。 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。 接闪器每隔不大于2 0 m 必须接引下线与大地连接。 3 2 2 建筑物易受雷击部位及重点保护 建筑物易受雷击的部位有： ( 1 ) 平屋面或坡度不大于1 1 0 的屋面檐角、女儿墙、屋檐。见图3 4 a ，图3 4 b 。 ( 2 ) 坡度大于1 1 0 且小于1 2 的屋面屋角、屋脊、檐角、屋檐( 见图3 4 c ) 。 ( 3 ) 坡度大于1 2 的屋面屋角、屋脊、檐角。见图3 4 d 。对图3 4 c 和图3 4 d ， 在屋脊有避雷带的情况下，当屋檐处于屋脊避雷带的保护范围内时，屋檐上可不设避雷 带。 口日 b ， e | e 三| f r ， f l l 一翳臻嚣灞端僚；一举弘受镶海的燃髓竣滋镳 图3 4 建筑物易受雷击的部位 根据建筑物易受雷击部位的规律，可采取重点保护的方式。 重点保护方式是根据雷击规律而采用相应的雷电保护方式，它比较经济，也比较容 易满足建筑物的艺术要求。根据调查和试验结果，对一般建筑物： 1 5 华南理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 建筑物的屋角与檐角必须加以保护。 ( 2 ) 平顶房屋的屋角和四周女儿墙，无女儿墙的应该是屋顶的四周都有保护范围 内。 ( 3 ) 一般坡顶建筑物高度小于1 6 m ，宽度不大于2 1 m ，屋顶坡度不小于2 7 0 ，在雷 电活动不特别强的地方，可以仅对屋角、檐角、屋脊和屋檐进行保护。 ( 4 ) 对屋顶上的特殊突出结构( 如烟囱等) ，应另采取保护措施。 3 2 3 引下线 关于引下线，“规范”作如下规定： ( 1 ) 引下线一般采用圆钢或扁钢，其尺寸不小于下列数值： 圆钢直径为西8 m m ， 扁钢截面为4 8 m m 2 ， 扁钢厚度为4 m m 。 装在烟囱上的引下线，其尺寸不应小于下列数值： 圆钢直径为q b l 2 m m ， 扁钢厚度为4 m m ，截面积为1 0 0 m m 2 。 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。 c ) 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。 ( 3 ) 从接口到接地体，引下线的敷设越短越直越好。由于建筑物的造型不同，不能 做到直线引下时，应注意弯曲开口处两点间的直线距离不得等于或小于弯曲部分线段的 实际长度的o 1 倍，一般弯曲处不用锐角，并尽量避免用直角。 ( 4 ) 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。 ( 5 ) 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。 ( 6 ) 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垂三1 2 r a m ；若采用扁钢截面积应三l o o m m 2 ，厚 度4 m m 。 ( 7 ) 为了便于检查避雷高州连接导线的导电情况和接地体的散流电阻，应在每根引 1 6 第三章雷电的破坏作用和避雷原理 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 l o m m 2 ，卡接螺丝直径必须大于8 m a n ，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t - j 弓l 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。所以都应该推广使用。最少也应该把专用的避雷引下线与建筑物的柱子 的主钢筋焊接起来，使其成为有良好的电气连接的网，以加强引雷时安全。 3 2 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能可靠地避雷的。 过去讨论接地的时候，总是把讨论的焦点放在要求接地电阻小于多少欧姆上，长期 以来，人们有一个错觉，认为接地电阻越小避雷效果就越好，被保护的对象就越安全。 当然避雷接地电阻值应该有一定要求，因为接地电阻越小散流越快，被雷击物体高电位 保持时间越短，危险越小，其跨步电压、接触电压也越小。但是，近十几年来理论和实 践证明，接地网的结构十分重要。 ( 一) 环形接地和等电位连接 环形接地网就是把接地体沿建筑物周围围成一个闭合环，这样的接地网可以使到界 面以内的电场分布比较均匀，减少跨步电压对人的危害，也减少室内在被雷击时由于地 面电位梯度大而容易产生对设备高压反击的危险。 等电位连接是把建筑物内、附近的的所有金属物，如混凝土内的钢筋、自来水管、 煤气管及其它金属管道、机器基础金属物及其他大型的埋地金属物、电缆金属屏蔽层、 1 7 华南理工大学硕士学位论文 电力系统的零线、建筑物的接地线统统用电气连接的方法连接起来( 焊接或者可靠的导 电连接) ，使整座建筑物成为一个良好的等电位体。当雷电袭击的时候在这建筑物内部 和附近大体上是等电位的，因而不会发生内部的设备被高电位反击和人被雷击的事故。 此外在电力线、电话线、电视信号电缆、电子计算机信号传输线等一切与外界有联系的 金属线都要接上合理的过电压保护装置( 避雷器) ，并且避雷器的接地羰要与建筑物的 避雷接地装置直接进行电气连接，使之成为等电位( 实际上是准等电位，因为接受雷击 时避雷器两端存在雷电残压) 。 等电位连接是避雷和电工技术的新技术，由于采用等电位连接，不但使建筑物和其 内部的设备避雷能力大大提高，由于采用了等电位连接对建筑物接地电阻的要求可以放 宽，使建设投资可以减少，降低施工难度，尤其是对在干旱、沙漠和山地土壤电阻率高 的地区建设更为重要。 关于共用接地的接地电阻值许多文献建议共用的接地电阻要在l q 以下。这是不合 理的，经济上是浪费的。姑且不论这l q 是工频电阻还是冲击接地电阻，就按l q 工频 接地电阻等于l f 2 冲击接地电阻考虑。建筑物内2 2 0 3 8 0 v 的用电设备，其绝缘耐冲击电 压按国际电工委员会的规定为6 k v 。当建筑物的避雷装置遭直接雷击时，雷电流幅值在 积累次数取5 0 时其值为3 5 k a ，它与i t 2 接地电阻的乘积为3 5k a ，这为上述耐冲击电 压6k v 的6 8 倍。在共用接地的条件下，防止用电设备绝缘击穿的最主要措施是采用在 披上绝缘层的导体与共用接地系统之间装设过压保护器。在特殊条件下，某类金属体不 允许与共用接地系统直接连接时，也在它们之间装设过电压保护器以防发生闪击而在大 气中产生火花。过电压保护器是用来限制存在于某两物体之间的冲击过电压的一种设 备，如放电间隙、避雷器或半导体器件等。如果装设了过电压保护器，共用接地装置接 地电阻的大小对本建筑物说来是次要的，因为只要过电压值大于过电压保护器的动作电 压，该过电压均能在瞬间使过电压保护器动作而不管此电压值大出多少，并使其两侧物 体在此瞬间内短接而得到等电位。 ( 二) 基础接地体的应用 基础接地体的应用存在各种不同的看法：有些认为，在基础内的钢筋被混凝土包住， 就不可能与大地导，这样怎能起接地体的作用呢? 事实上千燥的混凝土是很好的绝缘 体。而含有水份的混凝土却又是另一种情况，在制造钢筋混凝土基础的过程中，硅酸盐 水泥和水互相作用，干涸后，混凝土中存在着许多细小的分支毛细管，基础的混凝土与 含水分的土壤接触时，毛细管将水分吸到混凝土里，使混凝土保持较高的含水量，因而 1 8 第三章雷电的破坏作用和避雷原理 降低了混凝土的电阻率。混凝土的实际电阻率实测值见表3 一l 。 表3 一l 混凝土电阻率的实测数据 混