防雷基础知识

第一部分 基本理论第一部分 基本理论 雷电的形成 雷电的形成 1 1 大气电离特性 大气电离特性 根据大气的电离特性 大气圈可分为中性层中性层 电离层电离层和磁层磁层 A A 中性层 中性层 中性层是指从地面至 6060 公里左右的气层 在一般情况下 此层中带电质粒较少 主要由中 性气体组成 B B 电离层 电离层 一般指 6060 公里以上至 500500 公里左右的气层 在太阳紫外线辐射的作用下 较 多空气发生电离 产生大量的电子和正离子 反射无线电波 使远距离无线电通讯成为可能 电离层随 昼夜 季节 太阳活动等的变化而变化 总的来说 电离层中的正离子数要大于电子 且正离子主要分 布在下方 C C 磁 磁 层 层 是指 500500 公里以上的大气层 该层内也存在电子 正离子 但分布极不均匀 且 极度稀薄 在这样高度上带电质点的运动主要受地球磁力线的控制 故称磁层 2 2 温度的垂直分布特点 温度的垂直分布特点 根据这个特点 可把大气分成对流层 平流层 中间层 热成层 外层对流层 平流层 中间层 热成层 外层五个层 次 A A 对流层 对流层 从地面到空中 1212 公里 中纬度地区 左右 极地为 8 公里左右 赤道为 17 18 公里 主要 的大气现象都发生在这一层 如云 雨 雾 虹霓 风 冰雹 雷暴 沙尘暴等等 B B 平流层 平流层 从对流 层顶到 5050 公里之间 10 5010 50 公里之间为臭氧层 其中 20 3020 30 公里浓度最大 这一层大气的运动以平流为 主 飞机在这一层飞行比较安全 一般没有颠簸 C C 中间层 中间层 平流层顶到 8585 公里左右之间的气层 D D 热成层 热成层 从中间层顶到 250250 公里的距离 太阳宁静时 或 500500 公里左右 太阳活动强烈时 之间的气层 该层的空气受到太阳强烈的紫外线辐射作用而处于高度的电离状态 南 北极附近的极光现象就出现在 该层 E E 外 外 层 层 一般指 500500 公里以外的大气范围 3 3 威尔逊假说 威尔逊假说 WilsonWilson 至今尚未有一种被公认为无懈可击的完整学说 威尔逊假说威尔逊假说被认为比较完善 并经常被推荐的假说 以下是这种假说的概述 根据大量科学测试可知 地球本身就是一个电容器 通常带了稳定地带负电荷 50 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已充电的电容器 它们之间的电压为 300KV 左右 并且场强为上正下负 场强为上正下负 当地面含水蒸气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而被垫高 都会产生向上的气流 这些含水蒸气的上升时温度逐渐下降形成雨滴 冰雹 称为水成物水成物 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 这二者称为云粒子云粒子 要大 因此极化水成物在下落过程中要与云粒子发生碰撞 碰撞的结果是其中 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 这叫重力重力 分离作用分离作用 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 当下面所 讲的带电云层一经形成 就形成雷云空间电场 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 在上升气流存在在情 况下更加剧重力分离作用 使雷云发展得更快 从上面的分析 好像雷云总是上层带正电荷 下层带负电荷 实际上气流并不单是只有上下移动 而比 这种运动更为复杂 因此雷云电荷的分布也比上面讲的要复杂得多 科学工作者的测试结果表明 大地 被雷击时 多数是负电荷从雷云向大地放电 少数是雷云上的正电荷向大地放电 在一块雷云发生的多在一块雷云发生的多 次雷击中 最后一次雷击往往是雷云上的正电荷向大地放电 次雷击中 最后一次雷击往往是雷云上的正电荷向大地放电 从观测证明 发生正电荷向大地放电的雷 击显得特别猛烈 静电及电磁感应 静电及电磁感应 1 1 静电感应 静电感应 由于雷云的作用 使附近的导体上感应出与雷云符号相反的电荷 雷云主放电时 先导通 道中的电荷迅速中和 其它导体上的感应电荷由于失去了电场的约束得到释放 如没有被中和或不就近 泄入地中就会产生很高的电位 主放电通道主放电通道 图图 雷云下的静电感应雷云下的静电感应 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静电感应的作用带上异性的电荷 由于从 雷云的出现到发生雷击 主发电 所需要得时间相对于主放电过程的时间要长的多 因此大地可以有充 分的时间积累大量电荷 同样 与雷雨云先导通道下端靠近的电力线 信号线路的长导体受到很强的电 场力作用 积聚起大量异性电荷 如图 a 所示 这些异性电荷与先导通道内的电荷之间有电力线相连 是被束缚被束缚住的 当下行的梯式先导接近地面时 产生回击放电 主放电通道的电荷与地面积累的大量电 荷迅速中和而消失 这时长导线上积聚的电荷就可以自由运动 其产生的高电压沿导线以近似于光速向 导线两端传播 这就称为感应过电压波 是一种脉冲波形式 如图 b 所示 根据 19941994 年水利电力出版社的原苏联的学者 B P B P 拉里昂诺夫著 高电压技术 一书介绍 这高压脉 冲波的峰值 U U ke hcp b I ke hcp b I 对于电力线 keke 3030 式中 hcphcp 长导线的平均悬挂高度 b b 雷击点到长导线的最短距离 I I 闪电电流 这只是一个经验估计公式 但可以大概估计闪电电流对架空长导线上产生的感应过电压的强度 例如 在高压架空线路可达300 400KV300 400KV 一般低压架空线路可达100KV100KV 电信线路可达40 60KV40 60KV 建筑物也可以产 生相当高的有危险的电压 2 2 电磁感应 电磁感应 由于雷电流的迅速变化 在它的周围有强大的瞬变的电磁场 处在这个电磁场中的导体 就会感应出较大的电动势 如果在附近存在闭合的电路 电路上的感生电动势会使开口处放电 产生火 花 1989年8月12日的黄岛油库大火就是这个原因引起的 1985年7月26日 上海北蔡仓库 因棉花包捆扎的铁丝断开 打雷时产生火花引起一场大火 由于雷电流有极大峰值和陡度 在它周围的空间出现瞬变电磁场 处在这瞬变电磁场之中的导体会感应 出较大的电动势 例如在避雷针引下线附近放置电子设备内有开口金属环 如图 1 1 所示 当有突发雷电 流下引时 环上的感应电势足以使间隙 a a b b 放电 损坏微电子设备内部结构或引起火灾 100200 方环至避雷针的距离方环至避雷针的距离 D m 图图 1 1 电磁感应原理图电磁感应原理图 图图 2 2 5m 5m5m 5m 金属环上的开口感应电势金属环上的开口感应电势 根据分析得知 在避雷针引下线附近开口金属环上最大感应电势 EmEm 2 102 10 7 7l l ln ln l l X X X d X d l l dt dt 如果金属环边长l l 5m5m 则金属环开口处的电压与金属环避雷针距离之间的关系如图3 3所示 图中闪击电流 峰值分别选50KA50KA 100KA100KA 这是较常见的闪击电流峰值 通常雷电闪击电流波形前沿为2 2 5 s5 s 这里 取2 5 s2 5 s 从图中可以看出 一个5m 5m5m 5m的开口金属框 在雷电流峰值为100KA100KA时 距离雷击点200m200m处也 可以感应到1KV1KV左右的电压 机房微电子设备内一个很小的开口金属环 在紧靠避雷针引下线处放置 当 有雷闪电流通过引下线入地时 在小金属环开口处可感应出高达几千伏的高电压 这高电压足以击坏附 近的电子元器件 从而使这台微电子设备损坏 所以在机房内布置设备时 千万注意 设备应远离柱子 更应远离引下线放置 一些大件的具有金属柜体的电器设备 如主机 精密空调 UPSUPS 电池等 以及 通信信号柜架 甚至铝合金窗柜等必须接地良好 以策安全 雷电的选择性雷电的选择性 A A 易遭雷击的地点 易遭雷击的地点 1 土壤电阻率较小的地方 如有金属矿床的地区 河岸 地下水出口处 湖沼 低洼地区和地下水位高 的地方 2 山坡与稻田接壤处 3 具有不同电阻率土壤的交界地段 B B 易遭受雷击的建 构 筑物 易遭受雷击的建 构 筑物 1 高耸突出的建筑物 如水塔 电视塔 高楼等 2 排出导电尘埃 废气热气柱的厂房 管道等 3 内部有大量金属设备的厂房 4 地下水位高或有金属矿床等地区的建 构 筑物 5 孤立 突出在旷野的建 构 筑物 C C 同一建 构 筑物易遭受雷击的部位 同一建 构 筑物易遭受雷击的部位 1 平屋面和坡度 1 10 的屋面 檐角 女儿墙和屋檐 2 坡屋度 1 10 且 1 2 的屋面 屋角 屋脊 檐角和屋檐 3 坡度 1 2 的屋面 屋角 屋脊和檐角 4 建 构 筑物屋面突出部位 如烟囱 管道 广告牌等 雷击侵入设备的途径雷击侵入设备的途径 1 1 直击雷 直击雷 所谓直击雷 是指雷电直接击在建筑物 构架 树木 动植物上 因电效应 热效应和机械所谓直击雷 是指雷电直接击在建筑物 构架 树木 动植物上 因电效应 热效应和机械 力效应等造成建筑物等损坏以及人员伤亡 力效应等造成建筑物等损坏以及人员伤亡 一般防直击雷是通过外部避雷装置即 接闪器接闪器 避雷针 避 雷带 避雷网 避雷线 引下线 接地装置引下线 接地装置构成完整的电气通路 将雷电流泄入大地 然而接闪器 引下线和接地装置的导通只能保护建筑物本身免受直击雷的损毁 但雷电仍然会透过多种形式及途径破 坏电子设备 2 2 感应雷 感应雷 所谓感应雷 是指雷云放电时 在附近导体上产生的静电感应和电磁感应等现象称之为感应所谓感应雷 是指雷云放电时 在附近导体上产生的静电感应和电磁感应等现象称之为感应 雷击 雷击 雷电在雷云之间或雷云对地的放电时 会在附近的电源线路 信号线路 埋地管道 设备间连接 线和铁路钢轨等等导体上产生静电和电磁感应过电压 使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害 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 而一次雷闪击都可以在较大的范围内多个小局部同时产生感应雷过 电压 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 装有避雷针的建筑物 可以避免雷击损坏建筑物 但是在雷电从建筑物顶端泻放入大地或者附近发生雷 击的时候 雷电电磁脉冲可以通过避雷针的引下线和接地系统地线产生很强的电场 建筑物内的所有金 属物品均会产生感应电压 这些感应电压的高低随着金属形状 距地线的距离和雷击大小而变 根据 IEC 61312 标准 当雷击击中建筑物时 即使装有避雷针 直击雷电流 50 50 的通过引下线和接地系统入地 仍然会有大约 50 50 的雷击能量仍会分配到各线路系统 一旦您的电源输入线 电话线 网络线或其它电 子设备的金属引出 引入线感应到瞬间高压 避雷针就无能为力了 感应雷击破坏的主要对象是电子电 气设备 3 3 球形雷 球形雷 球形雷是一种特殊的雷电现象 简称球雷 一般是以橙或红色 或似红色火焰地发光球体 也有带黄色 绿色 蓝色或紫色的 直径一般约为 10 20 厘米 最大的直径可达一米 存在的时间 大约为百分之几秒至几分钟 一般是 3 至 5 秒 其下降时有的无声 有的发出嘶嘶声 一旦遇到物体或 电气设备时会产生燃烧或爆炸 其主要是沿建筑物的孔洞或开着的门窗进入室内 有的由烟囱或通气管 道滚进楼房 多数沿带电体消失 4 4 电磁脉冲 电磁脉冲 由于雷电电流有极大峰值和陡度 因此在它的通道周围会出现很强的瞬变电磁场 处在这 个瞬变电磁场中的导体就会感应出较大的电动势 而此瞬变电磁场 都会在空间一定的范围内产生电磁 作用 也可以是脉冲电磁波辐射 而这种空间雷电电磁脉冲波 LEMPLEMP 是在三维空间范围里对一切电子 设备发生作用 因瞬变时间极短或感应的电压很高 以致产生电火花 其电磁脉冲往往超过 2 42 4 高斯 现代银行 邮电 证券机房或营业柜台通常应用计算机进行货币存取 信息传递与交换等业务 依据 GB T 2887 2000 电子计算机场地通用规范 标准这些场合对磁脉冲承受限度应小于 800A m800A m 故在新机 房建设或旧机房改造时应对防雷与磁屏蔽措施必须充分注意 5 5 地电位反击 地电位反击 建筑物的外部防雷系统 如避雷针 避雷网等 遭受直接雷击 在接地电阻的两端就会 产生危险的过电压 由设备的接地线 建筑物或附近的其他建筑物的外部防雷系统或其他自然接闪物 各种管道 电缆屏蔽管等 引入设备 造成设备的损坏 6 6 操作瞬间过电压 操作瞬间过电压 众所周知 当电流在导体上流动时 会产生磁场 储存能量 电流越大 导线越长 储能越大 所以当大型负载 特别是电感性负载 电气设备开关时 便会产生瞬时操作过电压 第二部分 外部防雷装置第二部分 外部防雷装置 IECIEC LPZLPZ 防雷分区防雷分区 GB GB 5005750057 建筑物防雷设计规范 第六章第六章 防雷击电磁脉冲第二节第二节 防雷区 LPZ 按电磁兼容的原理按电磁兼容的原理把信息系统所在建筑物或构筑物按需要保护的空间由外到内分为不同的雷电防护区 LPZ 以确定各 LPZ 空间的雷击电磁脉冲的强度及应采取的防护措施 雷电防护区可分为 直击雷非防护区 直击雷非防护区 LPZ OA 本区内的各物体都可能遭到直接雷击和导走全部雷电流 本区内的电磁 场强度没有衰减 本区内的各类物体完全暴露在外部防雷装置的保护范围之外 都可能遭到直接雷击 本区内的电磁场未得到任何屏蔽衰减 属完全暴露的不设防区 LPZ0A 天空 没有避雷针保护的大楼外部 面没有顶棚等覆盖物的地面 等等雷电可能会直接击中 的的空间 如大楼顶部避雷针保护范围之外的空间 直击雷防护区 直击雷防护区 LPZLPZ 0B0B 本区内的各物体不可能遭到大于所选滚球半径对应的雷电流直接雷击 但本 区内的电磁场强度没有衰减 本区内的各类物体处在外部防雷装置保护范围之内 应不可能遭到大于所 选滚球半径雷电流直接雷击 但本区内的电磁场未得到任何屏蔽衰减 属充分暴露的直击雷防护区 LPZ0BLPZ0B 没有避雷针保护的非屏蔽大楼内部 有避雷针保护的大楼天台受保护部分 避雷线下的电缆等 等雷电不易直接击中的 LEMP 没有衰减空间 如大楼顶部避雷针保护范围之内的空间和没有屏蔽的大楼内 LPZOA LPZOB LPZ1 LPZ2 设备设备 天线天线 旗杆 栅栏旗杆 栅栏 电力电缆电力电缆 金属管道 如水管 金属管道 如水管 洞 如门窗 洞 如门窗 通信电缆通信电缆 等电位连接点等电位连接点 LPZOA和和 LPZ1的边界的边界 LPZ2和和 LPZ1的边界的边界 部或有屏蔽大楼内部的窗口附近 第一屏蔽防护区 第一屏蔽防护区 LPZ1LPZ1 本区内的各物体不可能遭到直接雷击 流经各类导体的电流比 LPZ 0B 区进 一步减小 且由于建筑物的屏蔽措施 本区内的电磁场强度也已得到了初步的衰减 LPZ1LPZ1 雷电不易 直接击中 但 LEMP 因屏蔽而衰减的空间 如上述屏蔽大楼内部 不包含窗口附近 第二屏蔽防护区 第二屏蔽防护区 LPZLPZ 2 2 为进一步减小所导引的电流或电磁场而增设的后续防护区 LPZ2LPZ2 在 LPZ1 区内 再次屏蔽的空间 如上述屏蔽大楼的另外设立的屏蔽网络中心 第三屏蔽防护区 第三屏蔽防护区 LPZLPZ 3 3 需要进一步减小雷击电磁脉冲 以保护敏感设备的后续防护区 LPZ3LPZ3 在 LPZ2 区内 再次屏蔽的空间 如上述屏蔽网络中心内的机器金属外壳内部 或接地的机柜内部 GB 50057 建筑物防雷设计规范建筑物防雷设计规范 第六章第六章防雷击电磁脉冲第二节第二节防雷区 LPZ 第第 6 2 16 2 1 条条条文说明如下 将需要保护的空间划分为不同的防雷区 以规定各部分空间不同的雷击电磁脉冲的严重程度和指明各区 交界处的等电位连接点的位置 各区以在其交界处的电磁环境有明显改变作为划分不同防雷区的特征 通常 防雷区的数越高电磁场强度越小 一建筑物内电磁场受到如窗户这样的洞的影响和金属导体 如等电位连接带 电缆屏蔽层 管子 上电 流的影响以及电缆路径的影响 第第 6 2 26 2 2 条条 在两个防雷区的界面上应将所有通过界面的金属物做等电位连接 并宜采取屏蔽措施 如图 所有电力线和信号线从同一处进入被保护空间 LPZ1 区 并在设于 LPZ0A 或 LPZ0B 与 LPZ1 区界面 处的等电位连接带 1 上做等电位连接 这些线路在设于 LPZ1 与 LPZ 2 区界面处的内部等电位连接带 2 上再做等电位连接 将建筑物的外屏蔽 1 连接到等电位连接带 1 内屏蔽 2 连接到等电位连接 2 LPZ2 是这样构成 使雷电流不能导入此空间 也不能穿过此空间 接闪器 引下线 接地装置接闪器 引下线 接地装置 GB 50057 建筑物防雷设计规范 第四章第四章 防雷装置 外部防雷系统由接闪器 避雷针 引下线 接地地网等组成 缺一不可 下面分别对以上三个主要因 素的相关技术及安装进行描述 本部分主要讲的内容是对建筑物外部空气如何拦截雷电 把雷电流泄放 入大地的问题 1 1 接闪器 接闪器 指直接拦截雷击 以及用作接闪的器具 金属构件和金属屋面等 其功能是把接引来的雷电 流 通过引下线和接地装置因如大地中泄放 保护建筑物免受雷害 从公元 1753 年 富兰克林发明了避雷针以来 避雷针作为接闪器唯一的形式 延续了上百年的历史 从 十九世纪以后 逐渐有出现了避雷线 避雷带和避雷网 其分类如下 避雷针 避雷线 避雷带 避 雷网 下面逐一介绍 A A 避雷针 避雷针 避雷针的制作规格避雷针的制作规格 避雷针宜采用圆钢或钢管制成 其直径不应小于下列数值 GB50057 94 GB50057 94 第四章第四章 第一节第一节 针长针长 1m1m 以下以下圆钢为圆钢为 12mm12mm钢管为钢管为 20mm20mm 针长 1 2m圆钢为 16mm钢管为 25mm 烟囱顶上的针圆钢为 20mm钢管为 40mm 设计依据 设计依据 自 Franklin 发明避雷针以来 它的形状一直是尖的 并一直沿用到现在 但迄今尚没有大家一致接受的 形状结构标准 避雷针的安装减少了建筑物被雷电的破坏 但它邻近的物体有时会遭到雷击 众所周知 避雷针实际是引雷针 但在什么样的条件下 下行雷电先导能被吸引到避雷针上进而产生回击 尚缺乏 量化的研究 最近 美国佛罗里达州的国际雷电研究和试验中心 ICLRT 的理论研究专家 从理论分析计 算 尖端放电过程的实验室测量 研究以及不同形状避雷针的现场测量和运行结果比较等方面 全面系 统地研究了这一问题 得出结论认为 顶端钝的避雷针要优于传统上一直沿用的尖的避雷针 并进而提 出了避雷针结构形状的具体设计 在当顶云携带负极性电荷的情况下 空气中存在的自由电子 会被地面接地尖端的强电场吸引向尖端加 速运动 因碰撞中性分子释放更多自由电子 从而产生雪崩现象 并在其后留下一个正离子形成的电荷 柱 当环境电场足够强时 雪崩持续发生 其后的正离子电荷柱 即正先导 可以在环境电场的作用下 持续向上传播 并和下行负先导连接而形成回击 虽然在常压下 产生电子雪崩的电场超过 6MV m 但 正先导在约 440kV m 的环境电场中即可持续传播 避雷针必须在其顶端一定距离范围内产生这种电场才 能吸引下行雷 另外下行先导接近避雷针时 它所产生的电场增强率必须使正离子柱的累积伸展超过它 因在电场作用下的迁移而被清除的速率 而头部钝的避雷针要比尖的更能满足这些条件 将避雷针等效为接地的垂直细长半椭球体 可以计算其顶端电场增强因子随距离的变化 结果表明 形 状尖的顶端 其曲率半径远小于椭球体半长轴高度 其电场随离开顶端的距离迅速减小 当距离等于 一个曲率半径时 电场减弱为顶端的 1 3 而钝的顶端 电场随距离的减弱要小得多 当距离超过 6mm 时 10mm 半径的椭球体顶端附近的电场增强要远大于 0 1mm 半径的椭球体 计算还表明 曲率半径小于 0 5mm 的椭球体 在距离顶端超过 0 25mm 时 电场将小到不可能产生电子雪崩的程度 计算也表明 当 下行负先导逼近时 在钝的椭球体顶端因电子雪崩的产生而形成的累积正电荷柱 其正离子因迁移和相 互排斥而被清除 因而使正先导不能向上持续传播 的时间要远大于尖的椭球体 根据以上分析 还进行了不同尖端形状避雷针的野外现场实验 在 1994 2000 连续 7 年的野外现场实验 中 有 12 次雷电击中钝的避雷针 其直径在 12 7 25 4mm 之间 大多为 19mm 但没有一次击中传统 Franklin 型避雷针及 ESE 型避雷针 报告还指出 在直径 8 80mm 的避雷针中 20 25mm 的避 雷针更容易吸引雷电 且雷电击中部位约为距顶端 3 倍直径处 附录附录 主动式避雷针 主动式避雷针 近来国内市场经销一种叫主动式避雷针的产品 主要有来自法国和澳大利亚的产 品 据厂家称 这此产品能够随大气电场变化而吸收能量 当存储的能量达到某一程度时 便会在避雷 针尖放电 尖端周围空气离子化 使避雷针上方形成一条人工的向上的雷电先导 它比自然的向上的雷 电通道能更早的于雷雨云向下的雷电先导接触 形成主放电通道 这样 一方面可以使雷雨云靠该避雷 针放电的几率增加 相当于避雷针的保护范围加大 或者相当于将避雷针加高 B B 避雷线 避雷线 接闪器最初的形式只是富兰克林所设计的磨尖的铁棒 20 世纪初 在电力系统 为了使输电 线路少受雷击 采用了在输电线路上方架设平行的钢线避雷的方法 在实用中 由于它简单有效 逐步 得到了推广 这种架设在输电线路上方的钢线 称之为避雷线 后来在房屋建筑上也推广了这种形式 开始布设在方脊 屋角 房檐等处作雷电保护 以后这种方式又有所改进 C C 避雷带 避雷带 在房屋建筑雷电保护上 用扁平的金属带代替钢线接闪的方法称之为避雷带 它是由避雷线 改进而来 在城市高大楼房上 使用避雷带比避雷针有较多的优点 它可以与楼房顶的装饰结合起来 可以与房屋的外形较好的配合 即美观防雷效果又好 特别是大面积的建筑 它的保护范围大而有效 这是避雷针所无法比的 避雷带的制作 采用扁钢 截面积不小于 48mm2 其厚度不应小于 4mm D D 避雷网 避雷网 避雷网是指利用钢筋混凝土结构中的钢筋网作为雷电保护的方法 必要时还可以辅助避雷网 也叫做暗装避雷网 它是根据古典电学中法拉第笼的原理达到雷电保护的金属导电体网络 暗装避雷网是把最上层屋顶作为接闪设备 根据一般建筑物的结构 钢筋距面层只有 6 7cm 面层愈薄 雷击点的洞愈小 但有些建筑物的防水层和隔热层较厚 入彀钢筋距面层厚度大于 20cm 最好另装辅助 避雷网 辅助避雷网一般可用直径为 6mm 或以上的镀锌圆钢 网格大小可根据建筑物重要性 分别采用 5m 5m 或 10m 10m 的圆钢制成 避雷网又分明网和暗网 其网格越密可靠性越好 建筑物顶上往往有许多突出物 如金属旗杆 透气管 钢爬梯 金属烟囱 风窗 金属天沟等 都必须 与避雷网焊成一体做接闪装置 在非混凝土结构的建筑物上 可采用明装避雷网 做法是首先在屋脊 屋檐等到顶的突出边缘部分装设 避雷带主网 再在主网上加搭辅助网 避雷带和避雷网的结构设计避雷带和避雷网的结构设计 避雷带和避雷网一般采用圆钢或扁钢 其尺寸不应小于下列数值 圆钢直径为 8mm 扁钢截面积为 48mm2 扁钢厚度为 4mm 避雷线一般采用截面积不小于 35mm2的镀锌钢绞线架设 安装避雷带和避雷网要注意下面事项 安装避雷带和避雷网要注意下面事项 a 避雷带及其连接线经过沉降沟 沉降沟 一座较长的多层建筑物 往往在横向上把建筑物分成几段 段与段之间留有一段空隙 防止各段下沉不一致 引起建筑物损坏 时 应备有 10 20cm 以上的伸缩余 裕的跨越线 b 有女儿墙的平顶房屋 其宽度小于 24m 时 只须沿女儿墙上部敷设避雷带 宽度大于 24m 时 须在房 面上两条避雷带之间加装明装连接条 连接条的间距不大于 20m 时 只在屋檐上装避雷带 宽度大于 20m 时 需在屋面上加装明装连接条 连接条间距不大于 20m c 瓦顶房屋面坡度为 27 35 长度不超过 75m 时 只沿屋脊敷设避雷带 四坡顶房屋 应在各坡脊 上装上避雷带 为使檐角得到保护 应在屋角上装短避雷针或将避雷带的引下线从檐角上绕下来 如果 屋檐高度高于 12m 且长度大于 75m 时 要在屋脊和房檐上都敷设避雷带 D 当屋顶面积非常大时 应敷设金属网格 即避雷网 避雷网分明网和暗网 网格越密 可靠性越好 网格的密度视建筑物重要程度而定 重要建筑物采用 5 5m 的密网格 一般建筑物用 20 20m 的网格即 可 在非混凝土结构的建筑物上 可采用明装避雷网 做法是首先在屋脊 房檐等到顶的突出边缘部分装设 避雷带主网 再在主网上加搭辅助网 避雷网格大小按上述要求 采用避雷带和避雷网保护时 屋顶上 的烟囱 混凝土女儿墙 排气楼 天窗及建筑装饰等突出于屋顶上部的结构物和其他突出部分 都要装 设短避雷针或避雷带保护 或暗装防护线 并连接到就近避雷带或避雷网上 对金属旗杆 金属烟囱 钢爬梯 风帽 透气管等必须与就近的避雷带 避雷网焊接 采用避雷带和避雷网保护时 每一座房屋至少有两根引下线 投影面积小于 50m2的建筑物可只用一根 避雷引下线最好对称布置 例如两根引下线成 一 字或 Z 字形 四根引下线要做成 工 字形 引下 线间距离不应大于 20m 当大于 20m 时 应在中间多引一根引下线 见 雷电与避雷工程的避雷带和避 雷网的结构设计 接闪器布置接闪器布置 建筑物防雷类别建筑物防雷类别滚球半径滚球半径 h hr r m m 避雷网网格尺寸避雷网网格尺寸 第一类防雷建筑物 30 5 5 或 6 4 第二类防雷建筑物 45 10 10 或 12 8 第三类防雷建筑物 60 20 20 或 24 16 接闪器的选择和布置接闪器的选择和布置 合理设计的接闪器将显著地减少雷电击中需要防雷空间的可能性 只有将防雷装置的设计与建筑结构设计同时进行时 才能在技术和经济上得到最优化的组合 特别是在 设计建筑物时 就应充分利用建筑物的金属物作为防雷装置的诸部分之用 IEC1024 1 1990 当符合下表的要求时 接闪器的布置就是合适的 按照保护级别布置接闪器 保护角法 保护角法 接闪导体 避雷针 避雷杆塔和避雷线的位置 应使被保护建筑物的各个部分都处于由接闪 装置导体上的各点以 角朝四面八方向地面投影 所形成的轨迹面之内 保护角法有几何局限 滚球法 滚球法 对具有复杂几何形状的建筑物 或当 IEC1024 1 的表 1 排除采用保护角法时 应采用滚球法来 确定建筑物的面积和各部分的保护空间 滚球 半径应符合所选择的防雷系统保护等级 滚球法是在建筑物上才利用半径为 R 的球 绕建筑物滚动 直到碰到地平面 或碰到与地平面接触且 能用作雷电导体的任何永久性建筑物或物体为止 在滚动接触建筑物的地方便有可能受到雷击 在这样 的点和地段处 就需要由接闪导体来提供防雷保护 防雷系统的保护空间就是 滚球 接触该导体并作用于建筑物时并未穿过的那块空间的体积 保护等级 和防雷系统的安装成本随所选滚球的尺寸的缩小而增加 网格法 网格法 接闪导体或屋顶导体应形成一个闭合多边形 其周边应靠近屋顶的边缘布设 这种多边形接闪 装置应通过增设相互连接的横向接闪导线来完善 以形成符合 IEC1024 1 表 1 要求的网格 安装注意事项 安装注意事项 砖木结构的房屋 可把避雷针敷设在山墙顶部或屋脊上 用抱箍或对锁坶丝固定于梁上 固定部分的长 度为针高的 1 3 也可以将避雷针嵌于砖墙或水泥中 为了结构的坚固 插在砖墙中的部分为针高的 1 3 插在水泥中部分约为针高的 1 4 1 5 对于平顶屋上的避雷针应安上底座与屋顶层连接 并用螺丝 紧固好 2 2 引下线 引下线 连接接闪器与接地装置的金属导体称为引下线 雷击时引下线上有很大的雷电流流过 会对附近接地的设备 金属管道 电源线等产生反击或旁侧闪击 为了减少和避免这种反击 现代建筑利用建筑物的柱筋作避雷引下线 经过实践证明这种方法不但可行 而且比专门引下线有更多的优点 因为柱钢筋与木梁 楼板的钢筋 都是连接在一起的和接地网络形成 一个整体的 法拉第 笼 均处于等电位状态 雷电流会很快被分散掉 可以避免发击和旁侧闪击的现 象发生 安装注意事项 安装注意事项 a a 为了减少引下线的电感量 引下线应沿最短接地路径敷设 对于建筑艺术要求较高的建筑物 引下线 可采用暗敷设 但截面要加大 b b 由于建筑物的造型不同 不能做直线引下时 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 0 1 倍 一般弯曲处不用锐角尽量避免用直角 C C 引下线应装在人员不易碰到的隐蔽地点 以防接触电压的危害 d d 距地面 2m 以内的引下线 应有良好的保护 用瓷管或耐阳光的塑料管套住 避免人或动物触碰 f f 为便于检查避雷设施连接导体的导电情况和接地体的散流电阻 要在每根引下线上做断接卡子 断接 卡子标准第第 4 2 34 2 3 条条规定距地面最高为 1 8m 暗装引下线也应在相应的地方做断接卡子接线盒 利用 混凝土柱钢筋做引下线时 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 10mm2卡接母丝直径必须大于 8mm 卡接母丝上应套有弹簧垫圈 3 3 接地装置 接地装置 从防雷的角度讲 把接闪器通过引下线与大地作良好的电气连接装置就称之为接地装置 接地装置的作 用是把由接闪器和网络屏蔽引来的雷电流因快地放泻到大地中去 以保护人员 设备和建筑物的安全 理想的接地装置 包括从接闪器到地面的引线 是没有电阻的 假如这样的装置存在那么雷击的时候不 论雷电流有多大 接地装置上任何一点对大地的电压都为零 这样的避雷系统对人来讲是绝对安全的 但实际上 这样的接地装置是不存在的 所以引出很多接地的技术问题 GBGB 50057 9450057 94 20002000 建筑物防雷设计规范建筑物防雷设计规范 国家标准第四章 第三节 接地装置 第国家标准第四章 第三节 接地装置 第 4 3 44 3 4 条条 在高 土壤电阻率地区 降低防直击雷接地装置接地电阻宜采用下列方法 一 采用多支线外引接地装置 外引长度不应大于有效长度 有效长度应符合本规范附三的规定 二 接地体埋于较深的低电阻率土壤中 三 采用降阻剂 四 换土 注解 1 GB 50057 标准未规定除 降阻剂 外的其他接地产品可在接地系统中使用 2 接地体有效长度的计算如下 le 2 GB 50057 94 2000 建筑物防雷设计规范 附 录三 式中 le 接地体有效的长度 m 敷设接地体处的土壤电阻率 m 3 请注意 接地体有效长度的计算 和标准第 3 2 3 条 金属铠装电缆的埋地长度要求 是一 样的 A A 接地装置的构成 接地装置的构成 接地装置是由接地线和接地体两部分构成的 a a 接地线 接地线 是指从引下线断接卡或换线处至接地体的连接导体 分为接地干线 也称母线 和接地分支 线 b b 接地体 接地体 是指埋入土壤中或混凝土基础中作散流用的导体 有人工接地体和自然接地体两种 有些自 然接地体埋入地中或水中 能够很好地起到降低接地电阻 均衡电位的作用 且能节约钢材 能提高电 气本身运行的可靠性 还有一种是接地网性能较好 现分析如下 c c 接地网 接地网 是把需要接地的各系统统一接到一个地网上 或者把各系统原来的接地网通过地下或者地上 用金属连接起来 使它们之间成为电气相通的接地网络装置 接地网又分共用接地网和独立接地网两类 但最终独立接地网会被共用接地网所取代 d d 接地线 接地线 制作接地线 在地下不得用裸铝导体 蛇皮管 金属软管 管道保温层的金属外皮或金属 网以及电缆金属护层 因为这些材质的强度差又易腐蚀 作接地线很不可靠 故不能用作接地线 接地 线应与水平接地体的截面相同 其规格如下表 钢接地体和接地线的最小规格钢接地体和接地线的最小规格 地地 上上地地 下下种种 类类规格及单位规格及单位 室内室外交流电回路直流电回路 圆钢直径 mm 681012 截面 mm 2 60100100100 扁钢 厚度 mm 3446 角钢厚度 mm 22 546 钢管管壁厚度 mm 2 2 52 53 54 5 可利用下列接地线与接地体连接 可利用下列接地线与接地体连接 B B 接地母线 接地母线 也称接地连接线 即从引下线断线卡或换线处至接地体和连接垂直接地体之间的连接线 接地母线一般使用接地母线一般使用 40mm 4mm 40mm 4mm 的镀锌扁钢 接地母线之间的连接应采用搭接焊接 的镀锌扁钢 接地母线之间的连接应采用搭接焊接 见 建筑电气安装工 程实用技术手册下册 第七篇 建筑防雷及接地装置安装 接地装置的施工 接地装置的施工 参考参考 99D501 199D501 1 9999 0303 D501 1 D501 1 建筑物防雷设施安装建筑物防雷设施安装 1 1 人工接地体 人工接地体 A A 垂直接地体 垂直接地体 宜使用长度不小于 2 5m 的 L50 50 5mm 的角钢 50 钢管或 20 的圆钢 圆钢 钢 管的端部加工成斜口或锻造成锥形 角钢的一端应锯成尖头形状 尖点应保持在角钢的角脊线上并使两 斜边对称 接地体的安装 接地体的安装 在接地极沟内放在沟的中心线上 垂直打入地下 顶部距地面不小于 0 6m 间距不小于 两根接地体长度之和 即不小于 5m 当受地方限制时 可适当减少一些距离 但不小于接地体的本身 长度 接地体与地面保持垂直 防止接地体与土壤间产生缝隙 增加接触电阻影响散流效果 附设在腐 蚀性较强的场所或土壤电阻率大于 100 m 潮湿土壤中的接地装置 应适当加大截面或热镀锌 B B 水平接地体 水平接地体 水平接地体多用于环绕建筑物四周的联合接地 常用 40mm 4mm 镀锌扁钢 最小截面 不应小于 100mm2 厚度不应小于 4mm 当接地体沟挖好后应垂直敷设在地沟内 不应平放 垂直放置时 散流电阻较小 顶部埋设深度距地面不应小于 0 6m 水平接地体多根平行附设时水平间距不小于 5m 沿建筑物外面四周附设成闭合环状的水平接地体 可埋设在建筑物散水及灰土基础以外的基础槽边 不 要把水平地体直接埋在建筑物基础坑的土壤里 因为接地体受土壤的腐蚀早晚会损坏的 被建筑物压在 下边 日后也无法维修 C C 铜板接地体 铜板接地体 铜板接地体一般使用 900mm 900mm 1 5mm 的铜板 铜板与接地线的连接有四种形式 1 在接地铜板上打孔 用单股 1 3 2 5 铜线将铜接地线 绞线 绑扎在铜板上 在铜绞线的两侧用 气焊焊接 2 在接地铜板上打孔 将铜接地绞线分开拉直 搪锡后分四处用单股 1 3 2 5 铜线绑扎在铜板上 用锡逐根与铜板焊好 3 在接线端部 铜端子与铜接地板的接触面处搪锡 用 5 6 的铜铆钉将端子与铜板铆紧 在接线端 子周围进行锡焊 铜端子规格为 30 1 5mm L 750mm 4 使用 25 1 5mm 的扁钢板进行铜焊固定连接 D D 非金属接地模块 非金属接地模块 非金属接地模块是一种以非金属材料为主体的接地体 它由导电性 稳定性较好的非金属矿物和电解物 质组成 它的诞生开创了接地材料和接地技术的新时代 通常的接地体多为金属导体 最常见的有角钢 圆钢 钢管 铜棒 铜板等 其缺点是 用料多 耗资大 寿命短 稳定性差 不宜在高土壤电阻率区使 用 而非金属接地模块则用料少 耗资小 寿命长 稳定性好 特别适合于高电阻率土壤地区使用 若接 地点周围为砂石或岩地层 可用它制作地网来解决一些接地工作中的疑难问题 非金属接地模块能获得低 接地电阻的基本原因是在相同的外形尺寸下 它比金属材料可成倍地增大接地体和土壤层之间的接触面 积 从而增大了接地体本身的散流面积 减少了接地体和土壤之间的接触电阻 加之其本身具有很强的吸 湿性和保湿性 充分发挥了接地体中电解物质的导电作用 2 2 雷电保护接地 雷电保护接地 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 避雷工作的最终都是把雷电流 泻放入大地 储存雷电能量为人类造福 目前科技还达不到 因此没有合理而良好的接地装置是不可能 谈及防雷的 所以说设计 施工好高标准的接地系统是防雷工作的重中之重 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 被保护的对象就安全 当然电阻越小散流越快 雷击的高电位 保留时间越短 危险性越小 其跨步电压 接触电压产生的机遇也就越小 但是 近十几年来的实践证 明 与其说接地电阻值重要 不如说接地装置的结构更合理 重要 现在的城市 在一座建筑物内有许多不同性质的电气设备 需要多种接地装置 如避雷接地 电气安全 接地 交流电源工作接地 通信及计算机系统接地 也叫直流接地 在数字逻辑系统中叫逻辑接地 等 这麽多系统的接地到底采用哪重好呢 现一一解释如下 根据实践证明 共用接地是应用最为广泛的接 地方式 A A 独立接地 独立接地 如上面所谈到的需要接地的部分 都分别独立地建立自己的接地系统 这种接地方式称为 独立接地 它的好处是各系统之间不会造成互相干扰 这对通信系统尤其重要 但网络容易被雷击坏 故除有防爆炸要求的危险环境必须要采用独立的避雷方式外 一般不主张采用独立接地的方式 这种独 立接地在六 七十年代以前采用比较多 现在多被共用接地所取代 B B 共用接地 共用接地 也叫统一接地 它是把需要接地的各个系统统一接到一个接地装置上 或者把各系统原来 的接地装置通过地下或者地上用金属导体连接起来 使它们之间成为畅通的电气接地统一地网 这样的 接地方式为共用接地 共用接地是目前应用最广泛的接地方式 C C 一点接地 一点接地 把各系统的接地线接到接地母线同一点或同一金属平面上 这样的方法叫 一点接地 法 一点接地法能解决各系统接地线的等电位问题 所以能够降低各系统之间的干扰程度 尤其是 50Hz 工频 信号对系统的干扰基本上得以消除 所以一点接地法在工程上得到广泛应用 一点接地消除了公共阻抗耦合和低频接地环路引起的干扰 能很好地工作于 1MHZ 及以上的额频率 当整 个系统的连接点尺寸较小时 最大尺寸小于 L 20 L 为干扰信号的波长 可以应用到 10MHz D D 多点接地 多点接地 各系统的接地线采用多点短连线的接地方式 称作多点接地 当信号或电磁干扰的频率相当高或采用快速逻辑时 电容耦合效应将会产生某种干扰耦合 这时引线长 度成为主要矛盾 必须采用多点接地使串联阻抗减至最小 并将驻波减至最小 多点接地方式应用于高 频电路 f 10MHz 在二三十年以前 干扰被称为无线电频率干扰 因为绝大多数的噪音和干扰信号出自无线电频率 现今 电子计算机 数字技术和逻辑电路不断扩大应用领域 现在的干扰被称为电磁干扰 电磁干扰包括导电 性电磁干扰 其干扰能量通过导线或电缆从一电路传送到另一电路 减少导电性电磁干扰是通过电路的 合理设计 采用滤波器和电路的合理接地来实现的 辐射性电磁干扰其能量是通过空气中的电磁场传送 的 在设计外壳和箱体时 通过选用合理的屏蔽材料 构造技术和设备布置以及采用合理的接地技术等 等来减少辐射性电磁干扰 其中处理好接地工程是防电磁干扰最重要的技术措施 低频率干扰绝大部分是通过线路互相耦合而来的 即前面所提到的共阻抗耦合 当两个电路电流流经同 一个公共阻抗时一个电路上的电流在这个阻抗上形成的电压就会影响到另一个电路 这就是共阻抗耦合 如果一个公用的接地网在不同的地方分别接上连线 由于共阻抗耦合关系 各连线之间将有 Vg1 和 Vgz 的电压 各连线的接地点电压不会一样 Vg1 和 Vgz 就是干扰电压 经放大后就可能直接影响通信或控 制信号 多点接地的优点允许存在许多接地环路 这时同时使用低频率的电路是有害的 如有上述情况时 可考 虑采用混合接地的方法 E E 混合接地 混合接地 所谓混合接地是在一部设备内的各电路板以最短的导线与机壳连接 或者信号电路相关的 几部设备 以最短的导线与同一个金属体连接接地 然后多台设备分别用金属线接到地网的同一点上 像这样的接地方式称为混合接地 混合接地在工程上最简单的办法 是在交流电源送进房屋的总开关处 把零线重复接地 或把零线接到 房屋的结构主钢筋上 然后在电源的零线处引出一条 PE 线连接所有应该接地的点 F F 环形接地多用于地网 环形接地多用于地网 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 也减少室内在受雷击时 由于地面电位梯度大而产生 对设备高压反击的危险 G G 基础接地体 基础接地体 利用建筑物基础内的钢筋 按 GB 50057 94 2000 建筑物防雷设计规范 要求连接 制作的接地体称为基础接地体 有的人认为 在基础内的钢筋 被混凝土包住不可能与大地导通起到接 地体的作用 事实上干燥的混凝土是很好的绝缘体 而含有水份的混凝土与含水份的土壤接触时 毛细 管将水份吸收到混凝土里使混凝土保持较高的含水量 从而降低了混凝土的电阻率 与大地通若一体 3 3 接地电阻 接地电阻 接地装置的接地电阻是包括接地体的对地电阻和接地线电阻的总和 接地电阻的数值等于接地装置对地 电压与通过接地体流入地中电流的比值 接地体的对地电阻又称为流散电阻它的数值比接地线的电阻大得多 所以接地电阻一般可认为等于流散 电阻 大地的流散电阻是非线性电阻 根据通过接地体流入地中的电流性质不同 又可将接地电阻分为工频接地电阻 流入地中的电流为工频 电流时 求得的接地电阻 与冲击接地电阻 流入地中的电流为雷电流时 求得的接地电阻 两种 一 般用 R 表示工频接地电阻 Ri 表示冲击接地电阻 R R A A Ri Ri 换算系数 A 为二者的比值 A R Ri A 的值与土壤成分的电阻率 有关 大时相应 A 曲线就高 小于或等于 100 m 时 A 1 0 等于 500 m 时 A 1 5 等于 1000 m 时 A 2 0 大于 或等于 2000 m 时 A 3 0 若接地体长度 l 等于接地体有效长度 le 则 R Ri A 1 0 不同的情况选用不同的 A A 从 建筑物防雷设计规范 GB 50057 94 给出的曲线上可查 从这些曲线可 看出 A 值恒大于 1 即 Ri 值恒小于 R 如用摇表测阻仪