现代防雷基础(桥梁)PPT课件.ppt

现代防雷基础 张卫 mail 0451zwx 1 一 概述二 雷电灾害回放三 雷电的形成四 雷电的分类五 雷电危害形式 六 雷电的描述七 现代防雷技术的特点八 相关防雷规范介绍九 防止遭受雷击的方法十 防止遭受雷击的方法 主要内容 2 雷电灾害是十种最严重的自然灾害之一 全球每天约发生800万次雷电 每年因雷击造成的人员伤亡 财产损失不计其数 导致火灾 爆炸 信息系统瘫痪等事故频繁发生 从卫星 通信 导航 计算机网络系统 通信指挥系统和有室外天馈设备的系统更是雷电的重灾区 从某种意义上说 科技越发达 雷击对人类的危害就大 一 概述 3 随着我国经济的快速发展 基础设施建设进一个高速发展的时期 桥梁作为跨越江河 以及解决城市交通的基础设施 规模和数量也都得到速发展 然而 桥梁主体结构通常都高于周边建筑遭受雷电破坏的概率较大 破坏的后果也较严重 因此做好桥梁的防雷是整个桥梁设计中不可缺少的重要一环 今天我们分以下几个内容学习有关防雷知识 便于在工作中得到应用 4 我国古籍中 有关雷电理论和避雷实践的记载十分丰富 雷神 信仰起源于中国古代先民对于雷电的自然崇拜 因为远古时代 气候变化异常 晴朗的天空会突然乌云密布 雷声隆隆 电光闪闪 雷电有时会击毁树木 击丧人畜 使人们认为天上有神在发怒 进而产生恐惧之感 对之加以崇拜 神的形象也从单纯的自然神逐渐转变成具有复杂社会职能的神 起初 我们祖先弄不清楚雷电是怎么产生的 相信 雷泽有雷神 龙首人颊 鼓其腹则雷 史记 五帝纪 正义 引 括地志 的神话 误以为雷电毁屋击人是上天发怒 对人们进行罚诫 中国古代防雷的相关记载 5 中国古代防雷的相关记载 雷神到底是什么样呢 明清时代 雷神的形象趋于统一 其标准形象概为 集说诠真 中所述 状若力士 裸胸袒腹 背插两翅 额具三目 脸赤如猴 下颏长而锐 足如鹰颤 而爪更厉 左手执楔 右手执槌 作欲击状 自顶至傍 环悬连鼓五个 左右盘蹑一鼓 称曰雷公江天君 可见雷神此时最明显的特征是猴脸 尖嘴 所以民间有之 雷公脸 雷公嘴 的说法 6 到了汉代 人们开始以阴阳二气相互作用的理论来解释雷电现象 提出 阴阳相薄 感而为雷 激而为霆 淮南子 天文训 的观点 也就是说 阴气和阳气相接触 发生震荡就形成雷 震荡剧烈的时候就形成霹雳 这是关于雷电成因的一种直观的 朴素的猜想 尽管这种猜想还不完全符合现代科学的观点 但它毕竟是唯物的 它比现代雷电学说要早2000多年 它破除了人们对上天雷神的迷信 使人们的思想获得了解放 中国古代防雷的相关记载 7 在古籍中关于建筑工程中避雷的记载也十分丰富 南北朝的孟奥 北征记 中有如下记述 凌云台南角一百步 有白石室 名避雷室 避雷室是最早出现的避雷设施 南朝刘宋时人盛弘之撰写过一部名叫 荆州记 的书 书中记载 湖阳县 春秋寥国 樊重之邑也 重母畏雷 为母玄石室 叫避之 悉以文石为阶砌 至今犹存 从盛弘之的记载看 樊重为母亲建造避雷室所使用的全部材料都是文石 文石很可能就是大理石 大理石具有绝缘作用 大理石建造的屋室在一定的条件下是可以避雷的 中国古代防雷的相关记载 8 砖瓦土木是中国古代建筑的主要材料 宋代以后的建筑师们为了使屋室有人的地方避开雷击 精心构思 巧妙地消除了电学上称为 跨步电压 的危险 留下了不少至今令人拍案叫绝的神奇建筑 如四柱不落地的广西真武阁 四柱不顶天的德庆县文庙等等 宋 元 明 清代的建筑物多用 雷公柱 宋代称枨杆 等措施以避雷 安文思 葡萄牙传教士1640年来华 达37年 1668年 中国的十二大奇迹 1688年译为英 法文 巨兽 皇宫上 的舌头指向空中 其腹内穿过金属条 金属条一端插入地里 这样 当闪电落在屋上或皇宫时 闪电就被龙舌引向金属条通道 并且直奔地下而消散 因而不伤害任何人 中国古代防雷的相关记载 9 湖南岳阳重建于1252年的慈氏塔 高39m 塔顶有一铁杵 从铁杵连下8条铁链垂到地面 可以映证安文思的描述 在古籍中有关雷击的事故的记述就更多了 例如 续晋阳春秋 太元五年 霹雳含殿四柱 杀内侍二人 晋安帝记 义熙三年六月 震太庙鸱 ch 吃 尾 彻壁柱 若有文字 晋中兴书征祥说 元兴三年 永安王皇后至住巴防 将设威仪入宫 天大雷震 人马多死 中国古代防雷的相关记载 10 中世纪国外雷击记载 在国外 在欧州中世纪也有相当多的人把雷电当作神的意志 认为只能靠祈祷或者敲响教堂里的钟 才能避免闪电的袭击 1784年慕尼黑出版的一本书统计 33年内有388个教堂的尖顶遭雷击 共有103个教堂的司钟员在钟楼内敲钟时死于雷击 意大利威尼斯城的圣马可钟楼从1388 1762年9次被毁于雷击 1718年4月14日Brittany 布瑞特妮 城一夜之间24个教堂遭雷击 其中一个被彻底毁了 两名司钟毙命 11 中世纪国外雷击记载 在1750年富兰克林已指出 用尖端导体来保护房屋 但仍免不了神学的阻碍 有人认为在教堂尖顶上装铁棒是亵渎 xi d 上帝 不想装避雷针 而且把上百吨的军用炸药内存在有拱顶的教堂大厅里 以求得上帝的保护 认为这是最安全的 1767年闪电击中了威尼斯一个贮放了几百吨炸药的教堂的拱顶 引起大爆炸 3000人丧生 威尼斯城大半被毁 1856年Rhodes 希腊罗德岛 一个教堂发生类似灾祸 4000人丧生 还有另一种情况 由于科学上的错误认识而拒绝避雷针的 如东印尼的理事会认为避雷针有产生高电位的危险 下令苏门答蜡岛Malaga上 马拉加 要塞拆去避雷针 1782年闪电点燃了要塞放的400桶炸药 造成巨灾 12 近几年国外情况据美国国家雷电安全研究所关于雷电所造成的经济影响的一份调查报告表明 美国每年因雷击造成的损失约50 60亿美元 每年因雷击造成的火灾3万多起 50 野外火灾与雷电有关 30 的电力事故与雷电有关 有4 5石油产品储存和储藏罐事故是由雷击引起的 由于雷电和操作过电压造成物理装置的损失约占80 13 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 德国电子保险公司对8722件案例损坏原因的分析图 14 我国也是雷暴活动十分频繁的国家 全国有20几个省会城市雷暴日都在50天以上 最多可达134天 据不完全统计 每年因雷击造成人员伤亡达3000 4000人 财产损失50 100亿元人民币 近年来 电子信息系统遭受雷电损失急剧增加 因为电子技术正向高频率 高速度 微型化 网络化和智能化方向发展 电磁干扰 特别是雷电电磁脉冲干扰对设备和系统的影响越来越突出 另外 随着城市建筑物的增高 收受雷电的几率也增大 电子信息系统受损后 除直接损失外 间接损失往往很难估量 因此 信息时代的到来 已使雷电电磁脉冲的防护成为当务之急 15 数据线缆 TV 电话 230 400V 移动基站 一个雷电的电磁脉冲可影响几公里范围的电子设备 这也使电子设备受损的几率增大 16 二 雷电灾害回放 17 雷击配电线路 1979年7月13日因雷电击中电线 导致纽约900万人断电25小时 财产损失高达1 5亿美元 18 雷击女儿墙外沿 19 法航客机在加拿大机场遭雷击起火22人轻伤 飞机冒出滚滚浓烟 加拿大多伦多皮尔逊国际机场一架法国航空公司客机在着陆时冲出机场跑道并起火燃烧 在这起事故中有22人轻伤 但没有人在事故中丧生 根据现场调查的结果显示 客机在着陆时很明显遭到雷电袭击 着陆后冲出跑道 并栽进了加拿大401高速公路边的沟里 20 广州市某棉厂遭受雷击起火损失惨重 21 森林旷野植被雷击起火 4 2002年7月28日内蒙古大兴安岭北部原始林区因雷击引发建国以来最为严重的雷击森林火灾 火灾涉及19个货场 过火面积达4万公顷 22 涡轮发电机受到雷击的损 23 过电压产生的后果 24 某化工厂储罐烧毁 25 2010年8月19日东方明珠电视塔 26 几起雷击事故 1 2004年6月26日下午14时左右浙江临海市杜桥镇杜前村30位农民在一块约100m 闲置的宅基地上临时搭建屋内避雨 不幸惨遭雷击 全部被击倒在地 当场击死11人 死者被强大的气流推出3米多远 受伤者被送往附近医院抢救 截至27日傍晚 死亡人数达17人 其他13位已脱离危险在继续治疗 同时在雷击点附近民宅内的家用电器也遭到不同程度的损坏 不完全统计直接经济损失达上百万元 这是台州建国以来最严重的一次雷击伤亡人员事件 27 严重的一次雷击伤亡人员事件 28 2 2001年5月8日16时30分 惠阳市秋长镇元翔制品厂遭雷击 引发化学物品爆炸 造成7死6人重伤11人轻伤 直接损失1000多万元 原因是不符合防雷设计规范 该厂负责人被刑事拘留 镇政府 市工商局消防大队被通报评 29 惠州秋长镇元翔制品厂雷击爆炸现场 30 3 2000年8月26日04时15分 高州根子镇和丰加油站遭雷击发生大火 烧毁油库 油罐 油机及附属设施一大批 经济损失20多万元 原因是不及时整改 31 4 1998年7月13日下午4时10分武汉市黄陂县石油总公司横店石油储库遭直击雷击 造成库区4号储罐起火爆炸 烧毁0号柴油125t及1000m3柴油罐一座 死伤140多人 造成直接经济损失3400多万元 广州吉山化工仓库起火爆炸 广州吉山化工仓库起火爆炸 32 33 黄岛事件图片资料 34 造成雷灾的多样性和复杂性 由于雷电具有随机性 瞬时性和危险性三大特点 因此 雷电灾害的发生同时具有以下三个特点 雷电灾害影响的范围不是百分之百雷电灾害发生的时间不是百分之百雷电灾害的防治措施不是百分之百目前人类是无法制止雷电的 人们力所能及 预防和限制 35 三 雷电的形成 当天空乌云密布 雷雨云迅猛发展时 突然一道夺目的闪光划破长空 接着传来震耳欲聋的巨响 这就是闪电和打雷 亦称为雷电 雷属于大气声学现象 是大气中小区域强烈爆炸产生的冲击波形成的声波 而闪电则是大气中发生的火花放电现象 闪电和雷声是同时发生的 但它们在大气中传播的速度相差很大 因此人们总是先看到闪电然后才听到雷声 光每秒能走30公里 而声音只能走340米 根据这个现象 我们可以从看到闪电起到听到雷声止 这一段时间的长短 来计算闪电发生处离开我们的距离 假如闪电在西北方 隔10秒听到了雷声 说明这块雷雨云距离我们约有3400米远 36 雷电的形成 雷电的形成机理 大气物理学的一个分支 主要研究电离层以下大气中发生的各种电现象和它们的产生与相互作用过程的规律及应用 远古人类对雷电现象充满恐惧 18世纪中叶 1752年6月 美国B 富兰克林的第一次风筝探测雷电试验以后 雷电的本质逐渐被人类认识 20世纪20 30年代以后 人们逐步对云中起电 闪电和雷的物理特性 形成机制等进行研究产生了大气电学 作为电学先驱者 富兰克林在电学史上第一次明确提出了前后一致的电学学说 即有名的 一流论 或称 单流体说 认为电可用正负符号区别 但不能把它们视作两种截然不同的流体 37 在大气电学方面 他第一个发现雷是由电造成的 他发现闪电是一种电荷 这有很大的实际用途 他知道电流可被针尖吸引 但不知道闪电是否也会被吸引 一七五二年 他进行了有名的 但也是危险的实验 实验在费城郊野进行 在一个行雷闪电的日子 他把一只镶有金属在顶部的风筝放入云层去 连接风筝下端的线上则系着钥匙 当行雷闪电之际 他即用手紧握钥匙 当即感觉一种轻微的震动 流经拳头 然后通过身体 进入地面 他这次实验 除了证明天电是一种放电现象 破除了人们对雷电的迷信外 还发明了避雷针 使高楼大厦免被雷轰 图 富兰克林放风筝进行雷电实验 38 雷云形成的物理过程闪电 俗称雷电 是自然大气中的超强 能量 超长 距离 放电现象 一般产自雷雨云 即雷暴 雷暴云或积雨云 其中最重要的就是积雨云 积雨云生成发展的三个基本条件空气中必须有足够的水汽有使潮湿水气强烈上升的气流有使潮湿空气上升凝结成水珠或冰晶的气象条件 雷电的形成 39 雷电是一种大气中放电现象 产生于积雨云中 积雨云在形成过程中 某些云团带正电荷 某些云团带负电荷 它们对大地的静电感应 使地面或建 构 筑物表面产生异性电荷 当电荷积聚到一定程度时 不同电荷云团之间 或云与大地之间的电场强度可以击穿空气 一般为25 30KV cm 开始游离放电 我们称之为 先导放电 云对地的先导放电是云向地面跳跃式逐渐发展的 当到达地面时 地面上的建筑物 架空输电线等 便会产生由地面向云团的逆导主放电 40 雷电发展的先导放电 1先导放电通道 2强游离区 3主放电通道 41 在主放电阶段里 由于异性电荷的剧烈中和 会出现很大的电流 一般为几十kA至百kA 随之发生强烈放电闪光 这就是闪电 强大的电流把闪电通道内的空气急剧加热到一万度以上使空气骤然膨胀而发出巨大响声 这就是雷 这一过程就形成了雷电 42 负极性CG 43 图为一次正性回击过程 44 雷属于大气声学现象 是大气中小区域强烈爆炸产生的冲击波形成的声波 而闪电则是大气中发生的火花放电现象 闪电和雷声是同时发生的 但它们在大气中传播的速度相差很大 因此人们总是先看到闪电然后才听到雷声 光每秒能走30公里 而声音只能走340米 根据这个现象 我们可以从看到闪电起到听到雷声止 这一段时间的长短 来计算闪电发生处离开我们的距离 假如闪电在西北方 隔10秒听到了雷声 说明这块雷雨云距离我们约有3400米远 45 根据闪电出现位置 形状 声音和危害分类 四 雷电的分类 基本分类 46 闪电通常是在有雷雨云时出现 偶尔也在雷暴 雨层云 尘暴 火山爆发时出现 闪电的最常见形式按形状分类是线状闪电 偶尔也可出现带状 球状 串球状 枝状 箭状闪电等等 按空间位置分类线状闪电可在云内闪 云与云间闪 云与地面间产生 其中云内 云与云间闪电占大部分 而云与地面间的闪电仅占六分之一 但其对人类的危害最大 四 雷电的分类 基本分类 47 打雷和闪电 48 线状闪电 49 枝状闪电 50 株状闪电 51 比较罕见 是一条发光的虚线 一条链子一样在云与大地间放电或云与云间放电时均可能出现 似乎是介于线状闪电与球形闪电之间的一种过渡形式 链形闪电 52 片状闪电 53 球状闪电 54 云内放电 在同一块云中 不同云区带有正负不同的电荷 在正负荷电区之间的电场达到可击穿强度时 在同一块云中同样可发生放电现象 此现象称之为云内放电 55 云际闪电 当带有正负不同电荷的两块云之间的电场达到可击穿强度时 在两块云之间发生的放电现象 56 云地放电 57 最常出现的一种无声放电是被称为 爱尔马圣火 由于暴风雨等原因 大气中的电场强度大大地增长起来 在地球面的突出物体附近 电场强度很容易达到30kV cm的强度 导致在突出部分发生静寂放电 这是一种非雷云与大地间放电和没有雷声的闪电现象 实际上就是尖端电晕放电 放电时 突出物周围会呈现出冒烟状或光膜状 当电场强度很强时 就会形成单独束状放电 由物体周围放射出来 这种放电现象对电讯系统有干扰 无声放电 58 五 雷电的危害形式 59 雷电具有电流很大 电压很高 冲击性很强等特点 有很强的破坏作用 其破坏因素有 雷电流的热效应的破坏作用雷电的冲击波的破坏作用雷电流的机械力效应的破坏作用雷电的静电感应的破坏作用雷电流的电磁感应的破坏作用雷电反击和引入高电位球形雷的破坏作用 60 1 直击雷 带电积云与地面目标之间的强烈放电称为直击雷 带电积云接近地面时 在地面凸出物顶部感应出异性电荷 当积云与地面凸出物之间的电场强度达到25 30KV cm时 即发生由带电积云向大地发展的跳跃式先导放电 持续时间约为5 10ms 平均速度100 1000km s 每次跳跃前进约50m 并停顿30 50 s 并发生放电现象 61 地面物体在强电场作用下产生尖端放电 形成向雷云方向的先导并逐渐发展成上行先导放电 两者会合形成雷电通路 引发直击雷 因此 应对处于市区及其附近的建筑物的直击雷防护引起特别重视 62 a 雷电流的热效应在雷云对地放电时 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6000 10000 C 甚至更高的温度 能够使金属熔化 树木 草堆引燃 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 直击雷峰值几十KA 几百KA 峰值时间只有几个 s到十几 s 其能量巨大 可损坏建筑物 中断通信 伤及人畜 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的现象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 63 当温升值过高时 就会造成金属的熔化 由试验和理论计算 可估计出注入单位电荷作用下几种常用金属的熔化体积当量为铝 12mm3 c 铜 5 4mm3 c 钢 4 4mm3 c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 64 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 特别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 65 雷击电流热效应使设备烧损的事例 66 b 雷电流的机械效应与冲击波效应 雷电的直接破坏作用除了热效应外 还有机械效应和冲击波 在雷云对地放电时 这两种效应与热效应一样 均能对地面被击物体造成严重损害 但从危害的方式来看 两者有所不同 前者是产生电动力和内压力 后者则是产生冲击波 下面将讨论机械效应与冲击波效应的产生机理及其破坏作用 67 在发生雷击时 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 是雷电流流过金属物体时产生的电动力 二 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 由于雷电流的峰值很大 作用时间短 产生的电动力有巨大的冲力 机械效应 68 由图可见 在电动力作用下 两根导体之间将相互吸引 有靠拢的趋势 同理 如果i1与i2反向 则两根导体在电动力的作用下就会相互排斥 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 69 对于同一根载有雷电流的弯曲导体或金属个构件 如图所示 其中AP段的电流i所产生的磁场可使PB段受到电动力的作用 同样PB段电流i所产生的磁场也会使AP段受到电动力的作用 当这种电动力足够大时 就可能会使导体或构件受到破坏 成直角时a点受力最大 电动冲力可使a折断 因此安装避雷带角处必须是钝角 70 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直角向下走线 如图所示 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 71 图 载有雷电流的弯曲导体受力示意 图 引下线的走线方式 a 正确 b 不正确 72 飞机被雷击坏 73 在被击物体内部产生内压力是雷电流机械效应破坏作用的另一种表现形式 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地产生大量热量 在短时间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 这类现象很多 下图为两个实例 74 树木被雷击而折断 75 遭到雷电袭击的房屋 76 在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 冲击波效应 77 在雷电频繁的雷雨天 有时会有紫色 殷红色 灰红色 蓝色的 火球 产生 这些火球有时从天空降落 然后在空中或沿地面水平方向移动 有时平移有时滚动 这些 火球 直径一般为十至几十厘米 也有直径超过1米的 生存时间从几秒到几分钟 一般为几秒到十几秒居多 这种 火球 能通过烟囱 开着的窗户 门和其它缝隙进入室内 或者无声地消失 或者发出丝丝的声音 或者发生剧烈的爆炸 这种 火球 碰到人畜会造成严重的烧伤和死亡事故 碰到建筑物会造成严重损坏 球形雷的破坏作用 78 对电子设备的雷电危害有以下三种 分雷电流 雷电直接击中物体并沿导线或电缆流过大量的雷电流 持续时间达若干微秒 电磁感应 通过雷云之间或雷云对地的放电 在附近的架空线路 埋地线路 钢轨或类似传导体上产生的感应过电压 地电位升 雷电流通过接地装置流入大地所引起的大地电位升高 危害设备对地的绝缘 2 雷击电磁脉冲的危害 79 雷击损坏设备的渠道 80 雷电感应示意图 雷电感应示意图 81 雷暴引起感应雷击及过电压示意图 82 雷电的静电感应 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 83 城镇的建筑物区域 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上将出现反极性的感应电荷 如图所示 a 在建筑物顶部金属体上的静电感应 84 在该图中示出的是常见的负雷云对地放电 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 85 86 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 导致设备的损坏和人员伤亡 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 很明显 要减小雷电静电感应的危害程度 就必须设法减少在建筑物顶部金属体上的感应电荷 这就需要将金属体良好地接地 以尽可能快地将感应电荷泄放入地 87 b 在架空线路上的静电感应 图 架空线上感应过电压的形成 a 回击前 b 回击后 a b 88 如图 a 当雷云下行负先导向地面发展时 先导通道携带的负电荷将在最靠近其前端的一段导线上感应出正电荷 在先导尚未到达地面 即回击尚未发生时 这些正电荷将受到先导通道中负电荷的束缚 成为不能自由运动的束缚电荷 而此时导线上与正电荷相应的负电荷则被排斥向两侧运动 经线路的泄漏电导和电网的中性点进入大地 当先导到达地面时 回击就发生 如图 b 原有先导通道中的负电荷被迅速中和 这就消除了对导线上正电荷的束缚 这些失去束缚的正电荷将向两侧运动 形成过电压波 其波速接近于光速 89 由于回击的平均速度很快 导线上正电荷被释放的时间也很短 所以过电压波的幅值是很高的 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微电子设备极具危害性 在防雷设计中需要采取专门的措施加以防护 90 电磁感应 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 根据电磁感应定律 这种快速变化的脉冲磁场交链导体回路时 能在回路中感应出电动势 产生过电压和过电流 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 如图所示 91 雷电流在泄放中其磁场在环路中产生的感应电压 92 六 雷电的描述 在气象学中 常用雷暴日数 年平均雷暴日数 年平均地面落雷密度 来表征某个地方雷电活动的频繁程度和强度 此外 也使用年雷闪频数来评价雷电活动 它是指1000平方公里范围内一年共发生雷闪击的次数 大量观测统计资料表明 一个地区的雷闪频数与雷暴日数成线性关系 通常 建筑行业的防雷 更多的注重雷暴日的多少 航空 航海 气象 通信等行业越来越关心年雷闪频数的多少 93 为了表示不同地区雷电活动的频繁程度 通常利用每年平均雷电日为计算单位 雷电日的定义是 在一天内 只要听到雷声 一次或一次以上 就算一个雷电日 我国各地年平均雷电日的大小与当地所处的纬度以及距海洋的远近有关 其详细分布请查询 电力设备过电压保护设计技术规程 SDJ7 79 为了区分不同地区每个雷电日内雷电活动的持续时间差别 也有的用雷电小时作为计算单位 既在一个小时内只要听到雷声 一次或一次以上 就算一个雷电小时 我国大部分地区一个雷电日大约为3个雷电小时 94 1 雷电强度Ng定义一个地区的雷电强度 是以雷暴日Td来计算的 雷暴日 在一个地区 在一天内只要听到一个雷声 就算一个雷暴日 雷电强度的划分 Td 15天 少雷区 Td 40天 多雷区 Td 90天 强雷区 如 哈尔滨地区约为32天 海南为130天 雷电强度 经验公式Ng 0 024 Td 2 雷电强度概率P我国对Td 40天的地区统计 lgP I 108 如果I 100kA 则P 12 表明我国是一个多雷击灾害的地区 雷击强度的定义和统计 1 3 95 按雷暴日等级划分 我国各地的雷电活动情况根据雷暴日的不同大致可划分为四个区域 西北地区一般在15天以下 长江以北大部分地区 包括东北 年平均雷暴日在15 20天之间 长江以南地区年平均雷暴日达40天以上 北纬23 以南地区年平均雷暴日超过80天 海南省和广东的雷州半岛是我国雷电活动最为频繁的地区 年平均雷暴日高达120 130天 总体来看我们国家还是算雷电活动比较强的国家 96 3 1 1地区雷暴日等级应根据年平均雷暴日数划分 3 1 2地区雷暴日等级宜划分为少雷区 多雷区 高雷区 强雷区 并符合下列规定 1少雷区 年平均雷暴日在20天及以下的地区2多雷区 年平均雷暴日大于20天 不超过40天的地区 3高雷区 年平均雷暴日大于40天 不超过60天的地区 4强雷区 年平均雷暴日超过60天以上的地区 3 1 3地区雷暴日数按国家公布的当地年平均雷暴日数为准 见附录D 97 雷电防护区划分3 2 1雷电防护区的划分是将需要保护和控制雷电电磁脉冲环境的建筑物 从外部到内部划分为不同的雷电防护区 LPZ 98 3 2 2雷电防护区应划分为 直击雷非防护区 直击雷防护区 第一防护区 第二防护区 后续防护区 图3 2 2 并符合下列规定 1直击雷非防护区 LPZOA 电磁场没有衰减 各类物体都可能遭到直接雷击 属完全暴露的不设防区 2直击雷防护区 LPZOB 电磁场没有衰减 各类物体很少遭受直接雷击 属充分暴露的直击雷防护区 99 3第一防护区 LPZ1 由于建筑物的屏蔽措施 流经各类导体的雷电流比直击雷防护区 LPZOB 减小 电磁场得到了初步的衰减 各类物体不可能遭受直接雷击 4第二防护区 LPZ2 进一步减小所导引的雷电流或电磁场而引入的后续防护区 5后续防护区 LPZn 需要进一步减小雷电电磁脉冲 以保护敏感度水平高的设备的后续防护区 100 101 从EMC 电磁兼容 的观点来看 由外到内可分为几级保护区 最外层是0级 危险性最高 我国大多数情况下的机房 就与0区仅一墙之隔 即只有一层屏蔽 则该机房内空间定为1区 各电子设备的外壳为一层屏蔽层 可视机壳内的空间为2区等 越往内部 危险程度越低 过压主要是沿线穿过的 保护区的界面通过外部防雷系统 钢筋混凝土及金属管道等构成的屏蔽层面形成 穿过各级雷电保护区的金属构件 一般应在保护区的分界面做等电位连接 102 划分防雷区的意义 可以确定等电位连接的位置 一般在防雷区交界面上 可以确定不同防雷区界面上选用的电涌保护器的具体指标 可以选定敏感设备的安全放置位置 根据雷击电磁环境的特性 可以将建筑物需要保护的空间由表及里划分为不同的防雷区 在各个防雷区的交界面上 电磁环境有明显改变 根据雷电电磁脉冲在不同防雷区内衰减特性 有助于分层次地进行室内信息系统的雷电防护设计 103 七 现代防雷技术的特点 现代防雷技术的理论基础在于 闪电是电流源 防雷的基本途径就是要提供一条雷电流 包括雷电电磁脉冲辐射 对地泄放的合理的阻抗路径 而不能让其随机性选择放电通道 简言之就是要控制雷电能量的泄放与转换 现代防雷保护的三道防线 1 外部保护 将绝大部分雷电流直接引入地下泄散 2 内部保护 阻塞沿电源线或数据线 信号线引入的侵入波危害设备 3 过电压保护 限制被保护设备上雷电过电压幅值 这三道防线相互配合 各尽其职 缺一不可 104 A B C D E S Avoiding躲 避Bonding等电位连接Conducting疏导Dividing分流Earthing接地Shielding屏蔽 a 系统 综合防雷的六点原则 以上几种技术措施是互相联系的 形成了一个全方位的防御体系 缺一不可 A B C D E S 105 1 拦截闪电 防雷的第一道防线是拦截闪电 而后把闪电传导入地 避雷针 避雷带和笼式避雷网就是拦截闪电的主要方法 2 均压 亦称 均衡连接 或 等电位连接 它用导体把闪电可能流通的部分与周围的有关部分连接起来 保证闪电通过时 不会产生旁侧闪路放电 3 分流 所谓分流就是在一切从室外来的导线 包括电力线 电话线 网络信号线等 与接地线之间并联的一种避雷器 这是现代防雷技术迅猛发展的重点 是防御各种电气 电子设备的关键措施 近年频繁出现的雷灾几乎都靠采用这种措施才降低了损失 106 4 屏蔽 就是用金属网或管子等导体把需要保护的对象包围起来 把闪电的电磁脉冲从空间入侵的通道全部阻断 使得闪电无缝可钻 5 接地 它是防雷中最基础 最重要的一环 是排泄直接雷击和雷电电磁干扰能量的最有效手段之一 防雷接地的目的就是把雷电流通过接地体向大地泄放 从而保护建筑物 人员和设备的安全 6 躲避在建筑物基建选址时 就应该躲开多雷区或易遭雷击的地点 以免日后增大防雷工程的开支和费用 当雷电发生时 关闭设备 拔掉电源插头 107 b 综合防雷技术及解决方案 技术框架 108 我们知道外部防雷措施中避雷设施的引下线在接闪以后 会有很大的瞬变电流通过 也就是说在周围会产生很大的瞬变电磁场 LEMP 因此 安装了外部避雷措施不能代替内部防雷措施 再者 我们都知道 避雷针的工作原理是引雷 所以在概率上来说 安装了避雷针以后 建筑物的避雷系统遭受雷击的可能性会增大 也就是说LEMP发生的几率会变大 过电压产生点的距离会缩短 引下线处 所以安装了外部避雷措施的含有电脑网络等系统的大厦更加需要内部防雷措施 109 电子信息系统的雷电防护是一个系统工程 在进行防雷设计时 应根据电子信息系统的特点 做到外部防雷和内部防雷统一协调 综合防护 须按工程整体要求 进行全面规划 采取各种有效措施 做到安全可靠 技术先进 经济合理 c 防雷工程设计要点 110 雷电破坏电子信息系统的途径 包括以下几个方面 一是雷电波从电源线侵入 第二从信号线 天馈线路侵入 第三是雷击放电时的放电流泄线周围的电磁地场感应 第四是通过空中传播的雷电电磁脉冲 第五是附近落雷的地电位反击 针对以上不同的情况采取相应的防护措施 将高电压 大电流的雷电和雷电电磁脉冲波置于电子信息设备之外 将其疏导入大地 以保障电子信息系统的安全 111 A 直击雷的防护 直击雷的防护包括三部分 接闪器 引下线和接地体 接闪器 传统的接闪器可用直径为10 12mm的圆钢作为避雷针 根据滚球法确定避雷针的保护范围 避雷针是靠它对雷云电场引起的畸变来吸引雷电的 因此也称为引雷针 引下线 引下线一般用直径为8mm的圆钢 沿建筑物的四角引下到接地网上 引下线不应少于两根 并应沿建筑物四周均匀或对称布置 当仅利用建筑物四周的钢柱或柱子钢筋作为引下线时 可按规范要求跨度设引下线 112 接地装置 传统的方法是 互距5m采用长2 5m的规格为40 40 4mm三根镀锌角钢打入地中并联 并与引下线连接 当基础采用硅酸盐水泥和周围土壤的含水量不低于4 及基础的外表面无防腐层或有沥青质的防腐层时 宜利用基础内的钢筋作为接地装置 另外 采用非金属接地模块 长效离子接地棒 铜包钢接地棒等新材料 新工艺可以保证在土壤电阻率高的地方 使接地电阻达到要求 113 114 B 等电位连接与共用接地系统 等电位连接与共用接地系统是内部防雷措施中两种不同而又密切相关的重要措施 其目的是为了达到等电位以减小防雷空间内各种金属部件和各种系统之间的电位差 115 均压原理 雷击建筑物防雷装置时 有部分雷电流经引下线ABC流入大地 在此过程中 由于BC段引下线电感和接地电阻的存在 使得B点的暂态电位升高 而此时远处接地的电子设备金属外壳尚处于近似零电位 当B C之间的暂态电位超过此处空气间隙的绝缘耐受强度时 引下线与设备间就会放电击穿 即设备受到雷电反击 116 如果预先在引下线与设备的金属外壳间用导体连接起来 则在雷击时引下线B点将与设备外壳间保持等电位 两者间就不会出现放电击穿 均压等电位环 由于低压用电系统的面积不大 因此可以采用4 40mm扁铜带沿机房墙壁0 5m处布放成环状作为工作地接地环 每根扁铜带需要用膨胀螺钉架空5 10cm铺设在地面上 室内的设备的接地线以最短的方式 直接连接到均压环上 防静电地板的金属支架和静电地板下的线桥都应直接连接到均压环上 117 建筑物的自然屏蔽建筑物的结构中含有很多金属构件 如金属屋面 金属网格 混凝土钢筋 金属门窗和护拦等 在建造建筑物时 将这些自然金属构件在电气上连接在一起 就可以对建筑物形成一个立体屏蔽网 建筑物的自然屏蔽电源线和信号线的屏蔽仪器和设备的屏蔽 C 基本屏蔽措施 118 电源线和信号线的屏蔽从防雷的角度来看 在建筑物内的所有低压电源线和信号线都应采用有金属屏蔽层的电缆 没有屏蔽的导线应穿钢管 即用钢管屏蔽起来 在分开的建筑物之间的无屏蔽线路应敷设在金属管道内 119 仪器和设备的屏蔽含有对电磁脉冲干扰敏感的微电子设备和仪器 特别是那些高精尖的信息处理设备 都应采用连续的金属层加以闭封 进入仪器和设备的电源线和信号线以及它们之间的传输线均应采用屏蔽电缆或穿金属钢管进行屏蔽 起关键性作用的仪器设备群应考虑放在屏蔽室内 120 大桥的直接雷击的防护属于建筑物外部防雷的范畴 根据国际电工委员会的雷电防护技术标准 IEC623OS一3 主要应该采取使雷电流接闪 引下和接地等防护措施 这样的规定和作法在GB5057 94中也得到了体现 大桥防雷类别的确定和防直接雷击设计的接闪器 引下线 接地体 有关大桥防雷 121 防雷类别的确定大桥有多种形态 其中斜拉索桥 悬索桥因大桥整体中有特别高耸的索塔 一般达到100m以上 甚至200m以上 根据现代雷电理论 建筑物年预计雷击次数与其高度是正相关的 索塔越高则可能遭受雷击的次数越多 索塔部分预计年发生雷击次数可采用近似公式计算 通过计算结果 根据G5B057 94关于建筑物的防雷分类判断标准 可以将大型桥梁确定为国家二类建筑物 122 接闪器的布置可以采用直接在桥梁的某些部位 安装避雷针 避雷带 避雷网格或组合 采用滚球设计方法 即假想利用半径45m的滚球 根据二类防雷标准的要求 确定滚球半径为45m 沿着需要防直接雷击的部位滚动 当球体只接触接闪器或地面或与地面相连的能承受雷击的桥体结构时 而不接触需要保护的何部位 则认为所布置的接闪器已经能满足防直接雷击的需要 需要注意的是防侧击保护措施 由于滚球半径仅为45m 当从地面沿着索塔表面滚球时 45m以上部位就无法通过滚球的方式得到保护 理论上而言 若采取在侧面伸出水平布置的避雷针 当然能对索塔起到对直接雷击的立体防护作用 123 根据侧击雷闪具有击距远小于滚球半径且雷电流较小的特点 而桥梁上钢筋结构密集 规格较粗 具有一定的耐雷击能力 故对于索塔侧面的保护 利用混凝土钢筋体是适宜的 不需要在索塔的侧面专门安装水平敷设的避雷针或避雷带作为接闪器 至于避雷针 避雷带 避雷网格或组合的优劣比较 从引雷的角度和目的考虑 为能使雷闪回击集中在若干指定部位的概率提高 这些部位显然其耐雷击能力较强 往往是用做接闪器 鉴于避雷针的尖端放电效应突出 引雷效率更高 故建议优先采用避雷针 124 另外 因斜拉索或者悬索桥所用的拉索规格较大 远大于20mm的直径 且其两端通过锚具 锚垫板等金属器具并最后与钢筋焊接连通接地 故这些拉索能被用作辅助接闪器 但也存在一个问题需要考虑 就是拉索长期被雷击后由于雷电的破坏做用 热效应 机械力 冲击波 会对拉索的强度造成损伤 使用寿命受到影响 125 利用索塔内的钢筋 体 依据GB50057 94 即利用混凝土内钢筋作为自然引下线 只要钢筋体偶尔采用焊接连接 即确保了电气贯通 然而 在交叉点采用钢丝绑扎在一起 不管金属连接的偶然性 由于索塔内钢筋有许多连接点且上下段主钢筋连接采用套桶式压接连接 从而能保证全部雷电流经过许多次再分流流人大量的并联式放电通道 引下线的布置 126 接地体的布置宜采用基础内的钢筋作为自然接地体 考虑到大桥的基础接地往往同时兼作其他信息接地 或工作接地 故对电阻的要求可达到1 以下 一般的 由于索塔基础桩数量较多 且深度在20m以上 在土壤电阻率较低的土壤或江边 一般来说所测得的接地电阻都能在1 以下 已经能够满足要求 127 由于雷击引起的强电磁脉冲干扰对电气 电子设备带来较大的危害 通过对电源系统 通信系统 监控系统 传感系统等强 弱电设施的过电压 电流人侵导致其发生故障或损坏 如何预防雷击电磁脉冲对现代化 智能 大桥的危害显得越来越重要 所以除了采取本文主要阐述的防直接雷击措施以外 还必须作好防雷击电磁脉冲的设计 从而使大桥综合防雷系统更加完善 弱电系统雷电防护主要有以下几项 128 电源防雷配电控制箱除有合格的防直击雷装置外 根据有关防雷设计规范要求 安装电涌保护器 电源线路埋地穿金属管敷设 金属管接地 各种需要接地的部件均应可靠接地 路灯防雷主桥路灯的金属杆与桥面避雷带可靠焊接 引桥路灯灯杆与路面钢筋 镀锌扁钢 焊接进行防直击雷 路灯电源线穿金属管敷设 金属管每各30m左右接地一次 管与管连接处不能直接焊接时应用跨接连接 保证电气通路 129 监控系统除具备良好的防直击雷装置外 应考虑雷电感应及沿各传输线路侵入的雷电过电压波 应有良好的等电位连接和接地 数据传输线等通信线缆应采用屏蔽电缆或全程穿金属管埋地敷设 金属管应接地 并安装与其性能参数要求相匹配的过电压保护器 重要的信息传输线应两端安装过电压保护器 保证线路上可能形成的过电压被限制到信息设备所允许的安全范围值以内 监控系统电源线路应埋地穿金属管敷设 金属管应接地 应至少安装两级电涌保护器 监控系统的防雷 130 还有通信系统防雷 电子警示及电子广告板防雷 亮化工程 收费站的收费系统等等 131 八 相关防雷规范介绍 1 GB50057 94 2000年版 版 建筑物防雷设计规范 是强制性执行标准 建筑物防雷设施应包括接地体 引下线 避雷网络 避雷带 避雷针 均压环 等电位 避雷器共八个技术环节 GB50057 94 建筑物防雷设计规范 第1 0 1条有人认为 建筑物安装了防雷装置后就万无一失了 从经济观点出发 要达到这点是太浪费了 因此 特指出 或减少 以示不是万无一失 因为按照本规范设计的防雷装置的安全度不是100 132 2 建筑物电子信息系统防雷技术规范 GB50343 2004 本规范共分8章和4个附录 主要技术内容是 1 总则 2 术语 3 雷电防护分区 4 雷电防护分级 5 防雷设计 6 防雷施工 7 施工质量验收 8 维护与管理 对电子信息系统综合防雷工程的设计 施工 验收 维护与管理作出规定和要求 133 3 低压配电设计规范 GB50054 95 第1 0 1条为使低压配电设计执行国家的技术经济政策 做到保障人身安全 配电可靠 电能质量合格 节约电能 技术先进 经济合理和安装维护方便 制订本规范 第1 0 2条本规范适用于新建和扩建工程的交流 工频500V以下的低压配电设计 第1 0 3条低压配电设计应节约有色金属 合理地选用铜铝材质的导体 第1 0 4条低压配电设计除应执行本规范外 尚应符合现行的国家有关标准 规范的规定 134 固定顶金属容器附件 如呼吸阀 安全阀 必须装设阻火器 石油容器及其附属装置 如阻火器 呼吸阀 量油孔等 均应保持良好的工作状态 石油设备应采用防雷接地 防雷接地 防静电接地和电气设备接地宜共用同一接地装置 参见GB13348第4 1条 4 爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范 GB50058 92 第 条为了使爆炸和火灾危险环境电力装置设计贯彻预防为主的方针 保障人身和财产的安全 因地制宜地采取防范措施 做到技术先进 经济合理 安全适用 制定本规范 135 第 条本规范适用于在生产 加工 处理 转运或贮存过程中出现或可能出现爆炸和火灾危险环境的新建 扩建和改建工程的电力设计 本规范不适用于下列环境 一 矿井井下 二 制造 使用或贮存火药 炸药和起爆药等的环境 三 利用电能进行生产并与生产工艺过程直接关联的电解 电镀等电气装置区域 四 蓄电池室 五 使用强氧化剂以及不用外来点火源就能自行起火的物质的环境 六 水 陆 空交通运输工具及海上油井平台 136 其它相关规范 目前正在修编的标准GB50343 20 xx建筑物电子信息系统防雷技术规范GB50058 20 xx爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范 137 施工图集D501 1 4防雷与接地安装03D501 1建筑物防雷设施安装02D501 2等电位联接安装03D501 3利用建筑物金属体做防雷及接地装置安装03D501 4接地装置安装92DQ13 1建筑电气通用图集 建筑物防雷安装 2005 138 139 十 防止遭受雷击的方法 发生雷雨天气时 如果在室外 应该立即进入室内 具有完整金属车厢的车辆也可以成为避雷场所 总的原则 一是人体的位置尽量降低 以减少直接雷击的危险 二是人体与地面的接触部分如双脚要尽量靠近 与地面接触越小愈好 以减少 跨步电压 在室外突遇强雷雨 不要许多人挤在一起 雷雨时禁用家用电器 最好将插头拔掉 140 防止遭受雷击的方法 当雷电发生时您如果还在户外 要注意下面几点 1 不宜在山顶 山脊或建筑物顶部停留 2 不宜在铁栅栏 金属晒衣绳 架空金属体以及铁路轨道附近停留 3 不宜在室外游泳池 湖泊海滨游泳 141 4 不宜在孤立的大树或烟囱下停留 5 不宜开摩托车 骑自行车 6 在空旷场地不宜打伞 不宜把金属工具 羽毛球拍