防雷工程设计和施工(三版)

1 防雷工程的设计和施工 2 第一章概述 夏季 在大气中常常发生伴有巨大隆隆爆炸声的强烈闪光现象 即雷电现象 它是雷电防护工作者的主要研究和御护的对象 大气中的雷电是如何产生的 雷电现象有那些表现形式 雷电流的特征是什么 它是怎样危害人的生命和财产的 怎样防护 这是从事雷电防护工作者研究的基本问题 3 4 5 第一节 雷电的成因 1 雷击的形成雷击是指一部分带电的云层与另一部分带异种电荷的云层 或者是带电的云层对大地之间迅猛放电的一种自然现象 2 雷击的形式直击雷雷电波入侵 雷电感应 雷电电磁脉冲 6 第二节雷击的危害 雷电灾害是最严重的十种自然灾害之一 全世界每年因雷电灾害造成的人员伤亡 财产损失不计其数 特别是进入信息时代以来 雷电灾害造成的经济损失和社会影响更为严重 防御雷电灾害已成为全人类的共同任务 7 1997年对超过8722多件案例损坏原因的分析 过电压31 68 雷击及操作过电压 盗窃7 01 火灾4 88 水灾6 22 不小心 误操作22 67 其它26 76 风暴0 78 8 配电柜被损坏 9 建筑物被烧毁 10 电路板及元器件损坏 11 广东惠阳市元祥制品厂遭雷击现场图 12 13 14 15 16 17 第三节防雷技术的发展 一 我国防雷理论在世界上处于领先地位 我们提倡雷电灾害综合防治 采取综合治理措施 提出综合防雷理论 将雷击损害降低到最低限度 达到防雷减灾 保护建筑物 电子 微电子设备之目的 二 国内外防雷产品主要分为两大类 1 防直击雷产品 避雷针系列产品 2 防雷电感应产品 电源 天馈 信号线系列电涌保护器 SPD 3 原理 国内外产品基本原理相同 三 国内防雷市场上主要销售的产品有 1 国外 美国 德国 英国 法国等主要国家的产品 2 国内 中光 雷安 爱劳 DK等公司生产的避雷针 SPD系列产品 18 第二章雷电的防护原则 19 天线遭受直接雷击或接收感应雷击 电源供电线路在远端遭受直接或感应雷击 沿供电线路进入设备 有线通信线路在远端遭受直接或感应雷击 沿通信线路进入设备 网络数据线路在远端遭受直接或感应雷击 沿网络线路进入设备 雷击发生在1000米范围内时 包括临近建筑物避雷针接闪或云中放电 产生电磁辐射a 建筑物内的电源回路感应雷击电磁脉冲辐射 进入设备 b 建筑物内的通信线路感应雷击电磁脉冲辐射 进入设备 c 建筑物内的网络线路感应雷击电磁脉冲辐射 进入设备 建筑物 附近的避雷针遭受雷击或雷电直接击中附近树或地面时 由地线引入设备 第一节雷电引入的途径 20 感应雷击示意图 21 雷电引入途径示意图 22 雷暴引起感应雷击及过电压 直击雷或邻近雷击 击在外部防雷系统 如保护框架 工业装置上 电缆上等 浪涌电流在接地电阻Rst上引起电压降 闭合环路感应产生过电压 信息系统 电源系统 L1L2L3PEN 20kV Rst 2c 1a 1b 1 2a 2b 1 1a 1b 远处雷击 击在远处架空输送线缆上雷云之间的放电通过架空线缆引起感应雷电波及过电压 在野外 雷电击中通信线缆 2a 2b 2c 23 邻近建筑物之间危险的浪涌雷击 几100kA 几10kV 几100kV 几kA 几10kA 几10kV 通信线缆 OV 230V 几10kA 几kA Water Gas 几kA 几 几kA 几 几kA 几 230V 24 第二节雷电防护原则 电子信息系统雷电的防护必须坚持预防为主 安全第一的指导方针 电子信息系统的防雷应认真调查地理 地质 土壤 气象 环境条件 雷电活动规律 雷击事故受损原因 系统设备的重要性 发生雷灾后果的严重程度以及被保护物的特点等的基础上分别采取相应的防护措施 应根据设备所在地区雷暴等级 设备放置在不同的雷电防护区 系统对雷电电磁脉冲的抗扰度等因素采取不同的综合防治措施 防雷设计应坚持全面规划 综合治理 技术先进 经济合理 的原则进行设计 坚持定期检测 随机维护的原则进行维护 25 第三章雷电的防护措施 26 LEMP Intermediatefloor LPZ2 LPZ3 LPZ1 LPZ0A LPZ1 第一节防雷分区概念 电源系统 信息网络系统 电源系统 局部汇流排 设备再次层屏蔽 室内次层屏蔽 基础接地极 加强筋 防雷等电位连接雷电流SPD 局部等电位过压保护器SPD 空调装置 接闪系统 LPZ0B 摄像机 灯光 插座 滚球半径 20m LPZ0B LPZ 防雷保护区 27 第二节雷暴等级的划分 计算机信息系统雷暴等级的划分根据年平均雷暴日数将雷暴发生的地区划分为 少雷区 中雷区 多雷区 强雷区 年雷暴日平均值 15天以下的地区定为 少雷区 15天以上40天以下的地区定为 中雷区 40天以上90天以下的地区定为 多雷区 90天以上的地区定为 强雷区 28 第三节雷电防护的主要措施 雷电保护系统 建筑物外部雷电保护 建筑物内部雷电保护 接闪器 引下线 地网 外部屏蔽 内部屏蔽 防雷器 等电位连接 29 建筑物内部保护 浪涌过压保护 主要针对感应雷电 操作过电压的防护 低压电源防护数据通讯防护等电位连接完备的接地系统 30 230 400V 50Hz避器器 配电箱 屏蔽室里的钢筋 接地系统 金属结构作为建筑物屏蔽 建筑物用钢筋网屏蔽 建筑物屋顶的外部接闪装置 接闪装置到钢筋的接点 钢筋墙作为建筑的屏蔽和引下线 数据线避雷器 等电位连接 EBB LPZ1 LPZ2 通信和数据的电源过压保护 LPZ0 LPZ0到LPZ1到LPZ2的界面 地下的钢筋用作建筑物屏蔽和接地系统 基础接地装置 通信线避雷器 雷电防护系统 31 电源线路 信号线路 天馈线的防护方法 SPD 电涌保护器浪涌保护器过电压保护器避雷器防雷器 电源线路的防护信号线路的防护天馈线的防护 32 第四章直击雷防护 第一节一般防护原理 33 GB50057 1994防雷装置定义是 接闪器 引下线 接地装置 过电压保护器及其连接导体的总合 国际电工委员会IEC标准中对防雷装置 LPZ 定义是 用于对某一空间进行雷电效应防护的整套装置 外部防雷装置由接闪器 引下线和接地装置组成 内部防雷装置是除外部防雷装置外的所有能减少需防雷空间内雷电流电磁效应的措施 所谓建筑物外部防雷就是防直击雷 雷电侧击 雷电反击等内容 34 防雷保护是一个系统工程 其第一道防线便是受雷 或称接闪 引流 或称引下 接地 散流系统 也就是外部防雷装置 在GB50057 94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 35 第二节建筑物防直击雷措施 一 第一类防雷建筑物防直击雷措施 二 第二类防雷建筑物防直击雷措施 三 第三类防雷建筑物防直击雷措施 四 建筑物防雷电侧击措施 五 建筑物防雷电反击 六 防雷建筑物其它的外部防雷措施 36 建筑物的防雷分类 一 第一类防雷建筑物 重要的易燃易爆建筑物1 凡制造 使用或储存炸药 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 如炸药库 大型油气站 大型油库 炼油厂等 二 第二类防雷建筑物 1 国家级建筑物 如重点文物保护的建筑物 会堂 办公楼 国宾馆 档案馆 展 博 览馆 计算中心 通讯枢纽 大型火车站 大型城市的重要给水泵房等 1 省级重点文物保护的建筑物 档案馆 三 第三类防雷建筑物 1 省级重点文物保护的建筑物 档案馆 2 具有21区 22区 23区火灾危险环境的建筑物 3 0 012 N 0 06次的省部级及人员密集的建筑物 如省委 车间 电影院 体育馆 商场 展 博 览馆 学校 医院等 37 第五章供电线路的防护 38 供电系统的接地形式 TN系统 包括TN S TN C TN C S TT系统 IT系统共三种第一个字母表示电源系统接地状况 T表示直接接地 I表示不接地 第二个字母表示电气装置外壳接地状况 T表示与电源系统接地点无关 直接接地 N表示与电源系统接地点连接 二个字母后面的字母 S表示中性线 N 和保护地线 PE 分别接地 C表示中性线和保护地线共同接地 PEN 39 40 2 SPD的主要元器件 气体放电管 GDT 金属氧化物压敏电阻 MOV 瞬态抑制二极管 TVS 41 什么是气体放电管 GDT 采用金属化陶瓷管与两个或两个以上电极封结成一个或多个放电间隙 内部充入惰性气体 并在电极的有效电子发射表面涂有激活电子粉 低于1mm的极间距离可以保证放电管击穿电压的稳定性 42 放电原理 工作原理 一般来说 当浪涌电压超过系统绝缘耐电强度时 GDT被击穿放电 从而在瞬间限制浪涌电压的侵入 GDT放电后迅速由辉光放电进入弧光放电 由于弧光电压很低 几十伏 从而限制了浪涌电压的上升 工作过程 将GDT简单理解为一个低电容开关 常态时阻抗为兆欧级 击穿放电后迅速跌落至1欧姆以下 浪涌消失后自动恢复到高阻抗状态 特点 漏流小 有续流问题 43 主要参数 过保持电压 holdovervoltage 规定的电路条件下 放电管经过一次冲击放电后 可望清除并且恢复高阻抗绝缘状态放电管两端子上的最大直流电压 续流 followcurrent 在放电管电流流过期间及后续时间内 由供电电源出来的经过放电管的电流 续流遮断时间 currentturn offtime 规定的电路条件下 放电管经过冲击放电后 从低阻导通状态恢复到高阻抗绝缘状态所需要的时间 绝缘电阻 Insulatingresistance 规定直流测试电压下放电管具有的阻抗 冲击放电电流 impulsedischargecurrent 流经放电管放电间隙的冲击电流峰值 脉冲放电电流 浪涌放电电流 44 气体放电管的主要应用 气体放电管传统上主要是用于对交换机总配线架以及用户终端设备的过压保护 随着传真机 Modem等使用数量的增加 GDT已在保护高精密度电子设备中得到进一步应用 即 与MOV配合使用来防护承受的电压脉冲尖峰主要部分和防护通过电话网络及控制网络的瞬态过电压 此外 由于移动通信基站一旦破坏将影响巨大数量用户 为此建议使用GDT来进行防护 具有外延电缆和放大器的高精度的CATV 门禁 摄像监控系统也可以采用GDT来防护感应电压所产生的危害 45 金属氧化物压敏电阻 MOV 46 金属氧化物压敏电阻 MOV 的特点 主要特点是响应时间较快 放电电流大 容易老化 漏流大 47 瞬态抑制二极管TVS 瞬态抑制二极管主要有两大效应 其中包括 雪崩 效应和 其纳 效应 48 瞬态抑制二极管TVS的特点 响应时间快 但放电电流小 49 电源系统的多级保护 50 多级保护SPD的选择 51 电源SPD的分类 1 电压开关型SPD当没有浪涌出现时 SPD呈高阻状态 当冲击电压达到一定值时 SPD电阻突然下降变为低值 通常的元器件有气体放电管等 2 电压限制型SPD当没有浪涌出现时 SPD呈高阻状态 随着冲击电流及电压的逐步提高 SPD的电阻持续下降 常用的元器件有压敏电阻 瞬态抑制二极管 3 混合型SPD开关型元件和限压型元件混合使用 随着施加的冲击电压特性不同 SPD有时会呈现开关型SPD特性 有时呈现限压型SPD特性 有时同时呈现两种特性 52 电源系统安装SPD线距的要求 53 开关型避雷器与过压保护器配合的最小距离 L1L2L3N 高能量避雷器B级 过压保护器C级 线缆长度 5m 如果PE线与主线在同一线缆中 则线缆长度要要求 15m 54 SPD在配电柜中接线要求 1 保护出线直接接在分断开关和SPD的端子上 减少L1和L2的距离 2 相线 中性线和PE线必须贴近机箱框架 减少环路面积 3 SPD的进线远离开关配出线 不能混在一起 4 电缆应紧贴箱体框架 减少耦合回路 金属框架应采用短接地线 55 第六章信号系统的防护 56 第一节信号避雷器的一般原理 a b d c 57 第二节信号传输线的类型 光纤双绞线细缆 粗缆拨号线专线 中继线 DDN ADSL 视频线 58 第三节信号防雷器的选择 启动电压 防护电平 传输速率接口连接方式接入方式响应时间工作电压放电电流 59 第七章天馈系统的防护 60 第一节天线馈线防雷器的基本原理1 输入 输出 61 第二节无线传输的类型 卫星短波中长波微波甚高频 62 第三节天馈防雷器的选择 启动电压 防护电平 传输频带特性阻抗传输功率连接方式 响应时间工作电压放电电流插损驻波系数馈电方式 63 第八章等电位连接 等电位连接的重要性等电位连接的目的 在于减少需要防雷的空间内各金属部件和系统之间的电位差等电位连接的要求 等电位的应用 机房的电源和信号线路都是由外部引入的 因而存在遭受雷击的可能性 然而仅仅安装防雷保护装置是不能够彻底地杜绝雷击的破坏影响 防雷器的作用 就是在最短时间 纳秒级 内将被保护系统连入等电位系统中 使设备各端口等电位 同时将电路上因雷击而产生的大量脉冲能量经短路泄放到大地 降低设备各接口端的电位差 从而起到保护的作用 为了彻底消除雷电引起的毁坏性的电位差 就特别需要实行等电位连接 电源线 信号线 金属管道等都要通过过压保护器进行等电位连接 使整个系统及其内部设备形成一个良好的等电位体 从而避免了当雷电流泄放不及时电源地 信号地 外壳地之间的电位差 使设备免于遭受高电位反击和雷击伤人事故 并且 避雷器地需与建筑物地相连 使之成为等电位 从一定意义上说 接地系统等电位连接比地网的地阻更为重要 66 进出线缆端口的防雷等电位连接 阴极保护输送管 基础接地极 等电位汇流排 EBB 水管 燃气管 外部防雷系统 通信线路 一般来说 等电位的工程实施如下 沿机房的四面墙角铺设一条4 40mm的铜带 汇集排 把铜带与建筑物的主钢筋相连 把机房设备的电源PE线 设备地线 等电位接地线等与汇集排连接 68 第九章联合地网 69 防雷器应用解决方案 70 综合大楼解决方案 71 第十章雷电防护所涉及的领域 一 金融行业二 电力行业三 通信 移动行业四 石化 交通 民航行业五 教育 水利行业六 军队 大型企事业单位等行业 72 防雷产品的划分 国际防雷市场上的防雷产品主要有并联式与串联式两类 由于串联式防雷产品的价格较高 而且是由于串联在供电线路上 所以产品质量较不稳定 容易产生故障 在国际防雷市场上 并联