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高层建筑的防雷设计,定做请加QQ：,1060741974,
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浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页1第一章概述雷电灾害是最严重的自然灾害之一。全球每年因雷击造成人员伤亡、财产损失不计其数；雷电导致的火灾、爆炸、建筑物损毁等事故频繁发生；从卫星、通信、导航、计算机网络直到每个家庭的家用电器都遭到雷电灾害的严重威胁。我国每年因雷击造成的人员伤亡估计为3004000人，财产损失估计在50100亿元左右。1随着我国现代化建设速度的加快，城市中新建高大建筑物导致雷电活动的影响不断加剧；建筑物内各种网络、通信、自动控制、楼宇智能系统等抗干扰能力较弱的现代电子设备使用越来越普及，易燃易爆场所、电力供电设备的迅速增加等客观因素使雷电灾害造成的损失也呈现出愈来愈严重的趋势。总体来看，当前防雷减灾工作存在的突出问题主要表现在以下几个方面：面对雷电灾害日趋严重，雷电防护日益重要的严峻形势，人们对雷电灾害的防范意识仍然十分薄弱，存在侥幸心理和麻痹思想，国家的技术规范甚至是强制性的技术规范不能有效地贯彻执行。防雷工程不按规范建设，不少建筑物甚至标志性建筑物防雷措施不完善，私人住宅大多没有防雷装置，使得建筑物防雷能力先天不足，导致严重雷击事故的发生；忽视了危害性越来越大的雷电电磁脉冲的防护，大量通信、计算机网络系统等弱电设备未能严格按照国家技术规范要求进行防雷便投入业务使用，导致雷害事故频繁发生。雷击后采取补救措施不仅耗费了大量的人力、物力，而且很容易造成社会治安问题。施工队伍素质参差不齐，严重影响施工质量；未设计先开工的情况普遍存在，造成无法补救的隐患；即使安装了防雷装置，也没有定期检测或者防雷经检测发现隐患提出整改建议后，出现拒不整改等问题。防雷工程和产品市场还未完全步入有序状态，防雷产品达不到质量要求，滥用防雷器材、淘汰的防雷器材、假冒伪劣或无证生产的防雷器材等情况依然存在，这样不仅不能起到防雷作用，反而造成严重的雷击事故。浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页2防雷基础理论和应用理论的研究工作刚刚起步，雷电监测、预报预警系统等基础设施建设、防雷减灾的业务现代化建设相对滞后。上述情况表明，目前不能更好地遏止雷电灾害发生的重要原因，很大程度上是人的因素，即决策者、管理者、建设者的素质问题，同时也存在理论研究、技术转化的问题。因此，建立一支训练有素、业务精通的高素质防雷减灾队伍以保证防雷减灾工作的质量、成效，是一件刻不容缓、迫在眉睫的事情。建筑防雷工程是防雷减灾工作的一个重要的组成部分。建筑防雷工程又是一个系统工程，必须综合考虑建筑物的重要性、使用性质、雷电灾害评估、外部防雷措施和内部防雷措施，这些措施包括防雷装置的功能、保护范围、分流影响、均衡电位、防雷分区、屏蔽作用、合理布线、装设电涌保护器以及接地装置等等，建筑防雷工程必须整体考虑内外防雷措施、设计、施工的规范性和可行性。本设计说明书雷电、防雷标准、接地、防雷器件等理论知识及实用技术，涵盖了从防雷理论到建筑物防雷设计、施工的主要内容。为了读者阅读理解，本书配置了大量的图解，图文并茂地呈现给读者，使传达的信息更为明晰。总之，我们希望书中的图文将同时对于防雷专业方向的学生与职业防雷工程人员，以及任何对环境的安全防护有兴趣的人，都成为有用的参考。由于在防雷基础理论、应用理论研究与技术开发方面的不足，再加上我们的理论水平和实践经验的限制，书中缺点错误在所难免，恳请读者给予批评指正。浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页3第二章建筑与建筑构造2.1建筑概论建筑房屋是人类最早的生产之一。大自然造化之功奇伟壮丽，展示神秘的地下世界时，也为人类在长期生存提供了最原始的家。在生产力低下的状况下，天然洞穴显然首先成为最适宜居住的“家”。穴居是当时的主要居住方式，它满足了原始人对生存的最低要求。进入氏族社会以后，随着生产力水平的提高，房屋建筑也开始出现。随着原始人营建经验的不断积累和技术的提高，穴居从竖穴逐步发展到半穴居室，最后又被地面建筑所代替。随着生产力的发展，人们对建筑物的要求也日益多样化和复杂化。有了商品交换，出现了店铺、钱庄乃至现代化的商场、百货公司、交易所、银行、贸易中心。交通的发展，出现了驿站、码头直到现代化的港口、车站、地下铁道、机场。科学文化发展，又出现了从书院、家塾直到现代化的学校、博物馆、艺术中心和科学研究建筑。阶级的分化，出现了供统治阶级住的宫殿、庄园、别墅，供统治者灵魂“住”的陵墓以及神“住”的庙宇。生产发展了，出现了作坊、工场以至现代化的大工厂。随着社会的发展，房屋早已超出了一般居住范围，建筑类型日益丰富；建筑技术不断提高，建筑的形象发生着巨大的变化。总体来说，从古到今，建筑的目的是取得一种人为的环境，供人们从事各种活动。建筑不但提供人们一个有遮掩的内部空间，同时也带来了一个不同于原来的外部空间，建筑物能和周围的树木、道路、围墙组成院落，也能和其它房浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页4屋一起形成街道、村镇。一个建筑物可以包含有各种不同的内部空间，但它同时又包含于周围的外部空间之中，建筑正是这样以它所形成的各种内部的、外部的空间，为人们的生活创造了工作、学习、休息等多样的环境。几千年的实践已证明，建筑和社会的生产方式、生活方式有着密切的联系，和社会的科学技术水平、文化艺术特征有着密切的联系，如同一面镜子一样反映出人类社会生活的物质水平和精神面貌，反映出它所存在的那个时代的特征。建筑又是一种多技术组合的工程，是为着某种使用上的目的，而需要通过物质材料和工程技术去实现的，它是人类社会的一项物质产品。建筑满足人们的物质需要，又满足人们的精神需要；它既是一种物质产品，又是一种艺术创作。建筑正是以它的形体和它所构成的空间给人以精神上的感受，满足人们一定的审美要求，这就是建筑艺术的作用。建筑艺术指建筑美观问题以及它更深刻的内涵，如反映建筑时代的精神面貌，表达一定历史时期的经济技术水平，又是民族文化传统的组成部分。3因此，建筑体型和立面设计的要求反映在以下几个方面：要反映建筑功能和类型特征；要体现材料、结构与施工技术特点；符合规划设计要求并与环境相结合；掌握建筑标准和相应的经济指标；符合建筑造型和立面构图规律。2.2建筑与人类的社会发展进程建筑业发展初期，人们利用天然材料到烧制砖瓦，建造木结构、石结构、砖石结构等建筑，随着科学技术迅速发展，建筑材料、施工技术、施工设备不断更新和完善，同时人们对建筑物的要求也日益多样化和复杂化，混凝土体系和钢结构体系也日益成熟，出现许多新颖、独特的建筑类型。它们在使用功能、建筑规模、结构形式、平面组合及体型、建筑技术与艺术等方面都得到很大的发展，形成了不同用途、不同时代、不同地区、不同民族的建筑风格。建筑和社会的生产方式、思想意识以及地区的自然条件有关，社会生产方式浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页5的变化使建筑不断发展。2.3高层建筑10层及10层以上的居住建筑和高度超过4m的其它建筑均为高层建筑。无论是住宅或公共建筑，其总体高度大于100m者，均为超高层建筑。世界上第一幢近代高层建筑是18841886年建设的芝加哥的家庭保险公司大楼，10层，55m。2.3.1高层建筑结构类型2.3.1.1砖石结构由于砖石结构强度较低，尤其是抗拉和抗剪性较差，难以抵抗高层建筑中因水平力作用引起的弯距和剪力，在地震区一般不采用。我国最高的砖石结构为9层。2.3.1.2钢筋混凝土结构我国高层建筑结构的材料以钢筋混凝土为主，近期钢结构也逐步地应用于高层建筑中。采用钢筋混凝土和钢结构建造的结构体系如：框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构和筒体结构等。这些体系具有不同的刚度，也有不同的应用范围，现简述如下：架结构：框架是柱子和与柱相连的横梁所组成的承重骨架；框架中的梁和柱除了承受楼板、屋面传来的竖向荷载外，还承受风或地震产生的水平荷载；框架结构的优点是建筑平面布置灵活，可以形成较大的空间，能满足各类建筑不同的使用和生产工艺要求；当建筑层数大于地震区建造高层建筑时，不宜选用框架结构。力墙结构：全部由剪力墙承重的一种结构体系；剪力墙结构墙体多，不容易布置面积较大的房间；这种体系侧向刚度大，侧移小，被称为刚性结构体系。剪力墙结构是具有一定规律布置的墙体结构，因为钢筋混凝土剪力墙体的刚度比梁、柱的刚度大。浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页6框架剪力墙结构：框架和剪力墙两种结构共同组合在一起而形成的结构体系，房屋的竖向荷载通过楼板分别由框架和剪力墙共同负担，而水平荷载则由刚度较大的剪力墙来承受。该结构广泛用于高层办公建筑和旅馆建筑，一般适用于1530层的高层建筑。筒体结构：筒体是由若干片纵横交接的框架或剪力墙所围成的筒状封闭骨架，每个层楼面又加强了各片框架或剪力墙之间的互相连接，形成一个空间构架，使整个骨架具有比单片框架或剪力墙好得多的的空间刚度。筒体结构有单筒、套筒（筒中筒）和群筒之分。单筒结构常与框架一起形成框架筒体结构。套筒综合了框架、筒体与剪力核心两者的优点，剪力核心代替了内柱，大大减小了剪力变形，增加了外筒体的刚度。32.4现代建筑物防雷设计缺陷和施工错误设计依据不准确.目前聊城地区建筑设计部门对建筑物的电气(包括防雷)设计依据主要是民用建筑电气设计规范和建设单位的意见,而气象防雷部门要求对建筑物及设备的防雷设计除依据JGJ/T16-921以外,还有建筑物防雷设计规范.施工错误.由于设计依据不够准确和不统一,施工单位未能按照国家规范和国家建筑标准设计图纸施工,或因未正确理解设计意图,使得在施工过程中造成一些错误施工防雷设计考虑不周全,部分建筑物无防雷设置.有的设计者仅从建筑物的高度考虑,认为较低的建筑物不需要防雷设计,而没有根据气象、地理、环境等自然条件,雷击规律,建筑物的用途只注重建筑物自身防雷设计,对建筑物内部设备的防雷尤其是对信息系统的LEMP防护考虑不够全面。22.5现代建筑物防雷设计思路设计的全面性.建筑物防雷系统由接闪、分流、均压、屏蔽、布线和接地6浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页7项要素组成,这些要素自身结构与建筑物的结构有机地组成一个整体,这个整体与外部环境有着多方面的联系.雷电对建筑物及其内部设备的作用是多途径的,有直击雷击,有沿金属管路!各种线路引入的瞬太过电压,还有空中传播的LEMP,因此对建筑物的防雷设计不能片面,应全面系统地对不同形式的雷电采用不同防护措施设计的合理性.主要思路为:在建筑物屋面采用避雷网,在屋面突出部分或通讯设施上安装避雷针或带利用建筑物的结构钢筋作引下线,并适当增加引下线的数量,对减少各层的反击电压和减少各分支电流的电磁感应都有良好的作用.利用各层楼板钢筋或高(多)层建筑物均压环与作引下线的主筋连接,有利于均压的形成,有效降低室内反击电压和有利于对空中电磁场的屏蔽.电缆屏蔽层连接为避免流经建筑物外墙柱内钢筋的雷电流产生的电磁感应,设计时应将信息系统及各种电气线路应放置或敷设在建筑物内的中心部位,把防雷系统诸多要素与建筑物结构有机结合,不但可以降低建设投资,还能获得最佳的防雷效果设计的层次性.可以根据不同防雷保护区雷电磁场衰减的分布情况,确定不同性质设备的布设位置;对所有穿过不同保护区界面的金属物进行等电位连接,并在每个界面处加设屏蔽措施;合理布线并对进入不同保护区的电缆!线路在不同界面处选择不同特性的过压保护器,进行分流和限压.通过层层防设使侵入到信息系统防雷保护区的雷电干扰信号降到最低程度设计的目的性.在了解建筑物的结构和功能之后,按照需要保护的程度确定防雷设计.雷电参数和年预计雷击次数、内部防雷设计时要参考设备允许电压脉冲的参数在建筑物防雷设计时要参考建筑物受雷击能力和雷击事故损失的性质和大小,还应对建筑物与建筑物,同一个建筑物中的房间与房间、设备与设备,所采取的防雷措施都应区别对待,以达到整体优化设计。2浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页8第三章建筑物防雷设计的整体观念高层建筑的特点是高耸空中,雷雨季节,雷击危害首当其冲。且年预计雷击次数随着建筑高度的增加而增加,同时现代高层建筑正在向智能化方向发展,一般都拥有大量的电子设备和网络系统,而这些设备大多数属于耐压等级和绝缘强度低,过电压能力差,线路上只要有几百伏乃至几十伏的浪涌电压,就会击穿破坏这些设备,且最怕受雷击(无论直击、侧击雷还是感应雷);再者高层建筑人员密集又大多为不熟悉电气的人员,电气设备很多,且很多电器常为人们所接触,跟工业建筑相比,空间比较小,电气线路纵横。现代高层建筑也正向智能化方向发展,楼宇自动化系统以至智能大厦也在一些大城市出现,这些建筑一般都拥有大量的电子设备和网络系统,由于微电子设备元器件的工作电压仅有几伏,电流仅有微安级,它们对闪电电磁脉冲的承受能力很低,很容易受到雷电波的冲击而损坏传统防雷设计只重视外部防雷,而忽视内部防雷,造成一些高层建筑遭受雷击的事故时有发生所以建立外部防雷和内部防雷的综合防雷系统日益紧迫。因此为了大厦、人员、设备等的安全,在高层建筑防雷设计中,必须将外部防雷和内部防雷统一考虑,只有这样才能真正控制雷击事故。所谓整体观念是指设计和安装防雷装置时，对建筑物的内外都要有整体观念。这里的建筑内外不单是指内部防雷装置和外部防雷装置。建筑物内的整体观念是指设计和安装时，要对内部防雷装置和外部防雷装置做整体的统一的考虑；建筑物外的整体观念是指对一个院落、一个小区以及附近的环境要做全面的防雷规划，同时还不能违反小区规划的要求例如：所安装的避雷针杆塔是否影响小区的美观，所用的避雷针、避雷带或避雷网是否与建筑物的立面相配以浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页9及低矮建筑物能否由高大建筑物或高大烟囱上的避雷装置所保护等等。对接地装置也要综合统一考虑，例如，相距较近的建筑物能否共用接地体，地下管网能否用接地体的一部分，以及能否在一个大院或小区内为将来综合共用接地创造等电位连接的条件等等。值得指出，利用建筑物附近的大树作为避雷针杆塔是一个较好的做法。大树最易接闪且越长越高，有时比建筑物还高。因此，避雷针应安装在树顶，引下线应沿树干设置而且应与建筑物的防雷装置相结合。这样既节约又美观，同时还保护了名贵的树木。利用大树安装避雷针不仅能防直击雷，而且能防球雷、绕击雷和侧击雷。例如，北京北海公园团城内在大树上安装的避雷针已运行了20多年，效果很好，但必须采取保护树干生长的措施。现在各个城市的绿化越搞越好，高大的树木也越来越多。有的建筑物虽然安装了避雷针，但大树距建筑物很近并且比建筑物还高，在这种情况下，建筑物上的避雷装置实际上等于虚设。因为大树接闪的机会多，易引来直击雷和球雷，对邻近的建筑物威胁更大。所以说建筑物的防雷设计和安装应将外部防雷装置、内部防雷装置、建筑物外的环境及至全小区的防雷装置进行整体统一的考虑。不仅电气专业的设计者要有整体观念，建筑专业的设计者对防雷也要有整体观念。这是现代防雷设计观念转变的重要问题之一。4浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页10第四章雷电和防雷保护4.雷电现象及雷电的种类4.1.1雷电现象雷电是雷云之间或雷云对地面放电的一种自然现象。在雷雨季节里，地面上的水分受热变成水蒸气，并随热空气上升，在空气中与冷空气相遇，使上升气流中的水蒸气凝成水滴或冰晶，形成积云。云中的水滴受强烈气流的摩擦产生电荷，而且微小的水滴带负电，小水滴容易被气流带走形成带负电的云；较大的水滴留下来形成带正点的云。由于静电感应，带电的云层在大地表面会感应出云与云块异性的电荷，当电场强度达到一定值时，即发生雷云与大地之间的放电；在两块异性电荷的雷云之间，当电场强度达到一定值时，便发生云层之间放电。放电时伴随着强烈的电光和声音，这就是雷电现象。雷云放电时，也是由于雷云中的电荷逐渐聚集增加使其电场强度达到一定程度时，周围空气的绝缘性能就被破坏，于是正雷云对负雷云之间或者雷云对地之间，发生强烈的放电现象。其中尤以雷云对地放电（直接雷击）对地表的供电网络和建筑物的破坏性最大。雷云是产生雷电的基本因素，而雷云的形成必须具有下列三个条件：空气中有足够的水蒸气；有使潮湿的空气能够有上升并凝结为水珠的气象或地形条件；具有气流强烈持久地上升的条件。雷电过电压是由雷云放电产生的，它是一种壮观的自然现象，包括闪电和雷鸣两种现象，两者相伴出现，因而常称之为雷电。最常见的雷云有热雷云和锋面雷云两种。垂直上升的湿热气流升至2-5km高空时，湿热气流中的水分逐渐凝结成浮悬的小水滴，小水滴越聚越多形成大面积的乌黑色积云。若此类积云由于某种原因而带电荷则称为热雷云。此外，水平移动的气流因温度不同，浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页11当冷、热气团相遇时，冷气团的容度较大，推举热气团上升。在它们的广泛的交界面上，热气团中的水分突然受冷凝结成小水滴及冰晶而形成翻腾的积云，此类积云如带电荷称为锋面雷云。一般情况，锋面雷云波及的范围比热雷云大得多，可能有几公里甚至十几公里宽的大范围地区，流动的速度可高达每小时100-200km。因此，它所形成的雷云危害性也较大。雷云对地之间的电位是很高的，它对大地有静电感应。此时雷云下面的大地感应出异性的电荷，两者之间构成了一个巨大的空间电容器。雷云中或是在雷云对地之间，电场强度各处不一样。当雷云中任一电荷聚集中心处的电场强度达到25-30kv/cm时，空气开始游离，成为导电性的通道，叫做雷电先导。雷电先导进展到离地面大约在100-300m高度时，地面受感应而聚集的异号电荷更加集中，特别是易于聚集在较突起或较高的地面突出物上，于是形成了迎雷先导，向空中的雷电先导快速接近。当两者接触时，这时地面的异号电荷经过迎雷先导通道与雷电先导通道中的电荷发生强烈的中和，出现极大的电流并发出光和声，这就是雷电的主放电阶段。主放电阶段结束后，雷云中的残余电荷继续经放电通道入地，称为余辉阶段。余辉电流为100-1000A，持续时间一般为0.03-0.15s。雷电放电波形，见图1-1。0i先导电流.s主放电电流us余辉电流.st图雷云放电波形图由于雷云中可能同时存在着几个电荷聚集中心，所以第一个电荷聚集中心完成对地的放电后，紧接着第二个、第三个电荷聚集中心也可能沿第一次放电浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页12通道再次中和放电。因此雷云放电经常出现多重性，常见的为23次，每次的放电间隔时间从几百微妙到几百毫秒不等，放电电流都比第一次小得多，且逐次减小。雷电对电力系统而言，是一种极大的威胁。根据英国、美国、前苏联电力部门的统计数字，在所有电力系统中，破坏正常运行的事故，有50%60%是由于过电压引起的。4.1.2雷电的种类雷电的种类可分为直击雷、感应雷、雷电波侵入及球雷四种。（1）直击雷有时雷云较低，周围又没有带异性电荷的云层，而在地面上突出的树木或建筑物等，感应出异性电荷，雷云就会通过这些物体与大地之间直接放电，这种直接击在建筑物或其它物体的雷击，称为直击雷。由于受直接雷击，被击物体产生很高的电位，而引起过电压，流过的雷电流可达几十千安甚至几百千安，对设备、架空线及建筑物产生极大的破坏作用，如架空线上产生几千伏的高压后，会引起线路的网络放电，发生短路事故，而且会波及变电所、发电厂，引起严重的后果。雷击放电大多数具有“重复放电”的性质。产生极大的雷电流，引起地面建筑物和其他物体的损坏，甚至发生爆炸和引起火灾。（2）感应雷感应雷又称雷电感应，它是由于雷电流的强大电场和磁场变化产生的静电感应和电磁感应引起的。它能造成金属不见之间产生电火花放电。静电感应的特点是，当雷云出现在导体的上空时，由于感应作用，使导体上感应带有与雷云的异性电荷，雷云放电时，在导体上的感应电荷得不到释放，致使导体与电买内之间形成很高的电位差。电磁感应的特点是，由于雷电流的幅值和陡度迅速变化，在它周围的空间里，会产生强大的变化的电磁场，在其中的导体感应产生极大的电动热，若有回路，则产生很大的感应电流，而产生危害。（3）雷电波侵入由于雷电对架空线路或金属导体的作用，所产生的雷电波就可能沿着这些导体侵入建筑物内，危及人身安全或损坏设备。浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页13雷电波侵入的事故时有发生，在雷害事故中占有相当大的比例。（4）球雷在国际建筑物防雷标准（IEC/TC81）和我国的建筑物防雷设计规范中，均没有对球雷的防护作出规定。但是根据调查，北京地区的球雷事故还是不少的，球状闪电约占闪电统计总数的13.7。尽管国内外科技人员对球状闪电的形成机理尚无一致的观点，但对其性质、状态和危害还是比较清楚的。球雷（即球状闪电）是一种橙色或红色的类似火焰的发光球体，偶尔也有黄色、蓝色或绿色的。大多数火球的直径在10100cm左右。球雷多在强雷暴时空中普通闪电最频繁的时候出现。球雷通常沿水平方向以12m/s的速度上下滚动，有时距地面0.51m，有时升起23m。它在空中漂游的时间可由几秒到几分钟。球雷常由建筑物的孔洞、烟囱或开着的门窗进入室内，有时也通过不接地的门窗铁丝网进入室内。最常见的是沿大树滚下进入建筑物并伴有嘶嘶声。球雷有时自然爆炸，有时遇到金属管线而爆炸。球雷遇到易燃物质（如木材、纸张、衣物、被褥等）则造成燃烧，遇到可爆炸的气体或液体则造成更大的爆炸。有的球雷会不留痕迹地无声消失，但大多数均伴有爆炸声且响声震耳。爆炸后偶尔有硫磺、臭氧或二氧化碳气味。球雷火球可辐射出大量的热能，因此它的烧伤力比破坏力要大。防护球雷并不困难，应该在规范或标准中规定相应的措施。就防护球雷措施而言，最好是笼式避雷网，如果达不到笼式避雷网条件，就在建筑物的门窗上安装金属纱网并接地；堵好建筑物墙面上不必要的孔洞；烟囱与出气管上口均要加装铁丝网并接地；储存或损伤易燃易爆物体的仓库和厂房的烟囱和放气管应加装阻火器并接地。对高大树木下的重要建筑物尤其要采取防护球雷的措施。34.雷击规律认识雷击事故的规律非常重要，只有掌握了规律，防雷设计才能取得良好的效果。在雷雨天，天空的雷云与地面上的物体各带不同的电荷，当电荷积累到一定的程度，就会产生电场畸变而发生落地雷击。但如果地上某处没有足够浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页14强大的上行先导，则雷电是不会打到该处的。北京紫禁城内的建筑物落较多，其原因在于：紫禁城周围是护城河，河内现在仍有水；通往护城河的古河道有4条：一条是玉河，它流入护城河的西北角；一条是潮白河的支流，它流入护河的东北角；一条是大通河，它流入护城河的正东部；另一条是潞河的支流，它流入护城河的东南角。故宫内各栋建筑物下的基础均潮湿，过去东南部的水位较高，地下不到2m就能见水，可见故宫院内地下的土壤电阻率相对较低；另外院内又有高大的古树。这些即为易发生雷击的内因，这些内因决定着该地区电场易产生电场畸变，瞬间发生的上行先导容易与雷云的下行阶段先导会合，从而形成落地雷。这就是紫禁城范围内的明显雷击规律。根据一份研究人员自1954年到1988年在北京地区调查过的建筑物雷击事故的报告，共有170多处，其中，因雷击引起火灾的占37.7%，导致人员死亡的占6.9%，致伤的占15.4%，球雷雷击事故占13.7%。现将分析总结得出的北京地区总的雷击规律归纳如下：（1）河、湖、池、沼旁边的建筑物易受雷击。如1961年6月21日颐和园昆明湖东边的文昌阁被雷击掉西房角及坡顶瓦，内部电线被感应烧断；1988年8月6日通县永乐店草厂乡黄厂村北部湖力的茅草房落球雷，击死一人。（2）古河道上的建筑物和河流桥上的构筑物易受雷击。如紫禁城内自1954年至1992年共落雷16次（据文献记载，明、清两代共发生过25次火灾，其中写明为雷击所致的5次，未说明原因的也可能是雷击所致）；1988年8月30日卢沟桥中部北侧石狮子的头被击掉。（3）在潮湿地区以及过去是苇塘或坑洼地带的区域上建造的建筑物易受雷击。如1957年7月31日陶然亭地区建工局一公司工棚（该处过去是苇塘）的收音机天线落雷，墙内铁丝被熔化；1965年7月22日北郊土冷库（即几十栋内装冰块以贮藏食物的平房）的老虎窗被雷电击中起火。（4）在四周大片土壤电阻率高，中间局部土壤电阻率低的环境中或在高、低电阻率分界之处建造的建筑物易受雷击。如1981年8月2日八里庄善家坟公安局仓库西墙外大树落雷，雷电入室打碎5个电警棍盒，盒内33根电警棍被感应烧坏（该仓库的西南两面为稻田）。浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页15（5）局部漏雨或局部房角新修缮且十分潮湿的建筑物易受雷击。如十三陵长陵棱恩殿落雷（当时该殿西部房角刚刚修缮且很潮湿）。（6）突出高或孤立的建筑物易受雷击。如1957年7月29日原朝阳门北部的吻兽被雷击掉；据十三陵当地老农说，十三陵大多数的明楼或正殿均被雷击过（明楼和正殿都属高而孤立的建筑物）。（7）曾经遭受过雷击的地区和建筑物容易再落雷。如1956年月日、1957年7月8日和1957年8月16日北京鼓楼东部吻兽曾三次被雷击。（8）金属屋顶易受雷击。如1957年7月8日原民航局礼堂的铁皮屋顶被雷击裂3处，顶内明配线被感应烧成3段，1988年8月6日北京火车站东北角出租汽车站的铝合金房顶落雷。（9）收音机天线、电视共用天线易受雷击。如1986年10月13日左家庄柳芳东里的居民楼电视共用天线遭受雷击，1992年8月3日和平里民旺胡同的居民楼电视共用天线也遭受雷击。（10）地下管线多或管线交叉处易落雷。如1963年8月4日天安门广场大旗杆西侧（现人行过街地道的西南出口）一位卖冰棍的老太太被雷击倒（该处地下敷设的管线较多且是转角处）。（11）铁路沿线和终端易受雷击。如1965年7月22日东郊百子湾棉花仓库室外堆场靠近铁道终端的一个棉花垛被雷击中燃烧；1984年8月6日东郊百子湾物资局储运公司水泥库铁路西侧站台上的水泥袋落雷，烧焦约20个水泥袋的纸边。（12）山区泉眼、风口或地下有金属矿床的地方易受雷击。如1985年6月18日西山下马岭水电站室外变电构架进出线的主线落雷，烧焦母线2处，每处约长13m。（13）高大的烟囱和工厂的排气管最易接闪。如1957年8月16日朝外门诊部的烟囱被雷击裂；1979年4月8日东郊宋家庄化工三厂南北两厂的室外化工设备构架上的两个排气管同时接闪并点燃。（14）高大的树木和屋顶旗杆容易落雷。如1967年6月11日前门劝业场屋顶木旗杆被雷击坏；1993年8月19日日坛公园西北角一棵大树被雷劈掉树叉，树干也被劈裂。浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页164.3雷电的主要特点（1）冲击电流大其电流高达几万-几十万安培。（2）时间短一般雷击分为三个阶段，即先导放电、主放电、余光放电。整个过程一般不会超过60微秒。（3）雷电流变化梯度大雷电流变化梯度大，有的可达10千安/微秒。（4）冲击电压高强大的电流产生的交变磁场，其感应电压可高达上亿伏。54.4雷电的危害雷电有时带来严重的危害，就其破坏因素来说，雷电有以下三方面的破坏作用。（1）电效应数十万至数百万伏的冲击电压可击毁电气设备的绝缘，烧断电线或劈裂电杆，造成大规模的停电；绝缘损坏还可能引起短路，导致火灾或爆炸事故，巨大的雷电流流经防雷装置时会造成防雷装置的电位上升，这样的高电位同样可以作用在电气线路、电气设备或其他金属管道上，它们之间产生放电。这种接地导体由于电位升高，而向带电导体或与地绝缘的其他金属物放电的现象。叫做反击。反击能引起电气设备绝缘的破坏，造成高压窜入低压系统，可能直接导致接触电压和跨步电压造成事故。可使金属管道烧穿，甚至造成易燃易爆物品着火和爆炸。雷电流的电磁效应，在它的周围空间就会产生强大而变化的磁场，处于这浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页17磁场中间的导体就会感应出很高的电动势。这种强大的感应电动势可以使闭合回路的金属导体产生很大的感应电流，引起发热及其他的破坏。当雷电流入地时，在地面上就会因雷电流引起跨步电压，造成人身触电事故。（2）热效应巨大的雷电流（几十到几百千安）通过导体，在极短的时间内装换成大量的热能。雷击点的发热量约为5002000J，造成易爆物品燃烧或造成金属融化、飞溅而引起火灾或爆炸事故。（2）机械效应被击物遭到严重破坏，这是由于巨大的雷电流通过被击物时，使被击物缝隙中的气体急剧膨胀，缝隙中的水分也急剧蒸发为大量气体，因而在被击物内部出现强大的机械压力，致使被击物体遭到严重的破坏或发生爆炸。浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页18第五章雷闪过电压5.1雷电参数5.1.1雷电流幅值雷电流具有冲击特性。雷电流幅值即雷电冲击电流的最大值，亦即放电时雷电流的最大值。雷电流幅值可高达数千安至数百千安。根据我国各地测得的统计数据，绘制出的雷电概率曲线见图5-1。图中所示的概率曲线也可以用下式表达：Plg108I式中P雷电流幅值概率（%）；I雷电流幅值（KA）。对于100KA的雷电流幅值，可用计算或图中查得，其概率为11.9%,即每100次雷击中,大约有12次雷击的雷电流达到100KA。5我国西北地区、蒙古、西藏、东北边境地区的雷电活动较弱，电流幅值的概率可用下式表达：54ILgP浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页195.1.2雷爆日（或小时）雷暴日（小时）是指一年中有雷电活动的天（小时）数，用它表示雷电活动的强度。评定雷电活动强度的指标最好的是对地闪络密度Ng。经常用来估算对地闪络密度Ng的经验公式如式，这个公式并不算很精确：Ng=（0.10.2）.（TD）次/（k.年）2m我国电力设备过电压保护设计规程（以下简称规程）建议采用Ng=0.015次/（k.TD）2我国地域辽阔，各种气候特征及雷雨期的长短不同，所以雷电活动频繁度在不同的地区是不一样的。雷暴日（小时）的多少和纬度有关。北回归线（北纬23.5）以南一般在80-133个；北纬23.5到长江流域约为40-80个；长江以北大部分地区和东北地区多在20-40个的之间；西北地区最弱，大多为10个左右甚至更少。我国规定平均雷暴日不超过15个的地区叫少雷区，超过40个的地区叫多雷区。3图5-1我国雷电流概率曲线5.1.3雷击电磁脉冲浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页20雷击电磁脉冲是一种干扰源，是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、被雷击中的装置的电位升高以及电磁辐射干扰。5.2直接雷击过电压直击雷：雷云与大地之间直接通过建（构）筑物、电气设备或树木等放电称为直击雷。强大的雷电流通过被击物时产生大量的热量，而在短时内又不易散发出来。所以，凡雷电流通过的物体，金属被熔化，树木被烧焦，建筑物被炸裂。尤其是雷电流迅速流过易燃易爆物体时，会引起火灾或爆炸，造成建筑物倒塌、设备毁坏及人身伤害的重大事故。直接雷击示意图见图5-2。图5-2当雷云向输电线路的相线放电时，在输电线上会造成很高的对地电位，这种超过输电线额定电压的危险电位升高就叫做过电压，雷闪直击于相线引起的过电压叫做直接雷击过电压。直接雷击过电压可用图5-3右侧所示的等值电路进行估算。图中为雷云直Io接向地面放电（大地可视为零阻抗）时的雷电流幅值，为雷电通道的波阻抗，ZsZ为输电线路的波阻抗。浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页21图5-3直接雷击过电压的等值电路主放电时的雷电通道，是充满离子的导体，可看成和普通导线一样，对雷电流呈现一定的阻抗，此时雷电压波与电流波幅值之比（/）称为雷电流通UmI道的波阻抗。在防雷设计时，通常取等于300。ZoZo65.3年预计累积次数每一年有多少次雷击直接击中输电线路？这将由对地闪络密度Ng和“吸引范围”等知识来作答。输电线路可以屏蔽地面的某些地区（线路走廊的一部分），如果能确定线路下方地面上的屏蔽范围，在这个范围内的雷闪一般都落在线路上而不是落在地面上，这个范围就叫吸引范围。如果已知Ng并已确定吸引范围，则这两个因数的乘积便是一定线路长度上的落雷次数。作以下的假设是很合情理的：吸引范围取决于容易受雷击导线的高度。有各种估算输电线路的吸引宽度的经验方法。一个简单的公式是4h+b,式中h是双避雷线的高度，b是它们之间的距离（图5-4）。如系单根避雷线，则b=0，若无避雷线，b为最外侧相线之间的距离。浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页224h+b图5-4确定吸引宽度的方法我国计算输电线路线落雷次数的经验公式为N1=Ng雷击次数/（100km.年）10hTD式中Ng对地闪络密度，0.015次/（k.TD）；2m线路平均高度，(m)。h5.4感应过电压感应雷击是瞬间(百万分之一秒)产生的高电压和高电流，它沿着导体在瞬间冲击与导体相连的电器设备，造成设备故障或损坏而电器设备能够忍受的瞬间高电压和高电流是很有限的。家用电器包括电视、音响、微波炉、录像机、洗衣机、烘干机和电冰箱等，是在特定的电压范围内下作的，如果超过了一定限度将发生系统崩溃、机器毁坏甚至人员伤亡的事故:含有微处理器的电气设备更容易受到感应宙击的损坏，这包括计算机和计算机的辅助设备，超规模的集层芯片，电路更密集，元器件间隙更小、导线更细，从而增加了计算机等设备受感应雷击损坏的概率感应雷击也会使这些电器设备的寿命和精确度受到影响。见图浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页23图5-5感应雷击示意图5.5雷电冲击过电压雷电时的冲击过电压很高，直击雷的冲击过电压可用下式表达：ticzdLiRu式中直击雷冲击过电压（KV）；zi雷电流（KA）防雷装置的冲击接地电阻（）；cR雷电流陡度（KA/us）；tidL雷电流通路的电感（uH）。由此可见，直击雷冲击过电压由两部分组成，前一部分决定于雷电流的大小，后一部分决定于雷电流陡度。应当注意，直击雷冲击过电压除决定于雷电流的特征外，还决定于雷电流通道的波阻抗。浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页24第六章过电压保护一切对电气设备绝缘有危害的电压升高，统称为过电压。在供电系统中，过电压按其产生的原因不同，通常分为两类：内部过电压与雷电过电压。内部过电压指供电系统内能量的转化或传递所产生的电网电压升高。内部过电压的能量来源与电网本身，其大小与系统容量、结构、参数、中性点接地方式、断路器性能、操作方式等因素有关。浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页25雷电过电压指供电系统内的电气设备和建、构筑物受直接雷击或雷电感应而产生的过电压。由于引起这种过电压的能量来源于外界，故又称为外部过电压。雷电过电压在供电系统中所形成的雷电冲击电流，其幅值可高达几十万安，而产生的雷电冲击电压幅值经常为几十万伏，甚至最高可达百万伏，故破坏性极大。本章主要讨论过电压及其危害，过电压的一般规律，并介绍如何因地制宜地采取有效的防护措施，并对建筑防雷，进行详细叙述。76.1工频过电压工频过电压的性质工频过电压的频率为工频或接近工频率，幅值不高，在中性点不接地或经消弧线圈接地的系统，约为工频电压的倍，在中性点直接接地系统中，一般不3允许超过1.5倍。工频过电压常发生在鼓掌引起的长线切合过程中。发电机暂态电势为常EG数时，工频过电压处于暂态状态，持续时间不超过1s。由于在0.11s以内，工频过电压仅变化2%3%，一般多取0.1s左右的暂态数值作为参考值。此后，发电机自动电压调整发生作用，变化，在23s以后，系统进入稳定状态。此EG时的工频过电压称为工频稳态过电压。工频过电压的变化过程见图6-1。浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页26图6-1合空线时工频过电压的变化工频过电压对220kV及以下电网的电气设备没有危害，在设计时可不考虑。6.2操作过电压6.2.1操作过电压的性质电网中的电容、电感等储能元件，在发生故障或操作时，由于其工作状态发生突变，将发生充电再充电或能量转换的过渡过程，电压的强制分量叠加以暂态分量形成操作过电压。其作用时间约在几毫秒到数十秒之间，倍数一般不超过4。U操作过电压的幅值与波形与电网的运行方式、故障类型、操作对象有关，再加上操作过程中其他多种随机因素的影响，使得对操作过电压的定量分析，太多依靠实测统计和模拟研究。故障形态不同或操作对象不同，产生过电压的机理也不同。因而所采取的针对性限制措施也各异。6.2.2操作过电压的允许水平操作过电压是决定电网绝缘水平的依据之一，特别是在超高压电网中，有时浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页27起着决定性的作用。目前，我国有关规程规定选择绝缘水平时，计算用操作过电压水平如下：1.相对地3563kV及以下（非直接接地）内过电压4.0。U2.相间3110kV，宜取相对地内过电压的1.3.倍。确定相间绝缘时，两相的电位宜分别取相间过电压的60%和-40%。6.2.3间歇电弧过电压的性质中性点不接地，电网发生单相接地时流过故障点的电流为电容电流。经验表明，在310kV电网的电容电流超过30A、35kV及以上电网的电容电流超过10A时，接地电弧不易自行熄灭，常形成熄灭和重燃交替的间歇性电弧。因而导致电磁能的强烈震荡，使故障相和中性点都产生过电压。这种过电压一般不超过3.0，极少达到3.5，低于绝缘的耐受水平。UU但它波及全电网，持续时间长，易发展成为相同故障，特别是对绝缘较弱的旋转电机构成威胁，影响安全运行。限制措施在310kV电网的单相接地电流超过30A或35kV及以上电网超过10A时，可在中性点和大地之间接入消弧线圈，以减少单相电流，促成电弧自熄，防止发展相间短路或烧损设备。在大型发电机回路和610kV电网，亦可采用高电阻接地的方式。消弧线圈并不能限制间歇性电弧过电压的最大值，甚至在某些情况下可使用电压值更大。但它可使燃弧时间大为缩短，减少重燃次数，从而降低高幅值过电压出现的概率。6.2.4开断空载长线过电压及其限制1.开断空载长线过电压的性质载长线相当于一个容性负载。在断路器开断共频电容电流过零熄弧后，便会有一个接近幅值的相电压被残留在线路上。若此时断路器触头发生重燃，相当浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页28于一次合闸，使线路重新获得能量。电压波的振荡反射，使过电压按重燃次数依次递增。断空载长线过电压具有明显的随机性。断路器触头的重燃、重燃后电弧熄灭的角度和断路器的同期性能都是随机变量，因而使这种过电压难以进行定量计算，大多需要借助实测统计。过电压的大小尚与母线电容量、出线回路数、线路长度、电源阻抗等因素有关。但是，只要断路器不发生重燃，这种过电压将不会超过2倍。国内统计，使用重燃次数较少的空气断路器，不超过的2.6倍，使用少U油断路器，不超过2.8倍，使用有中值或低值分压电阻的空气断路器不超过3.5倍。这种过电压符合正态规律。目前，我国220kV及以下电网，使用的油断路器重燃较多，故开断空载长线过电压就成为确定这些电网绝缘水平的控制条件。2.限制措施（1）采用不重燃或重燃率较低的断路器：我国目前生产的空气断路器、带有压油活塞的少油断路器和六氟化硫断路器，在开断空载长线时重燃率低。（2）断路器加装分闸并联电阻：并联电阻在开断过程中短时接入回路，可以泄放残留电荷，降低恢复电压，从而避免重燃或降低重燃过电压。阻值一般取数千欧（为中值电阻），可按下式估计：R=3/（）0C式中R并联电阻阻值（）；线路对地电容Uf；0C角频率，=2f。（3）线路侧接入电磁式电压互感器：由于电磁式电压互感器直流电阻为315k,通过它泄放残留电荷，可使重燃过电压降低30%左右。当线路很长，超过了断路器保证的切空线长度时，可采用此辅助措施。（4）并联电抗器并联电抗器的存在，可使线路电压振荡频率接近于工频，恢复电压上升、速率下降，可以避免重燃或者降低重燃后的过电压幅值。浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页29（5）采用磁吹避雷器或氧化锌避雷器：一般将此措施作为最后一道防线。6.3谐振过电压6.3.1谐振过电压的性质电网中的电感、电容元件，在一定电源的作用下，并受到操作或故障的激发，使得某一自由振荡频率与外加强迫频率相等，形成周期性或准周期性的剧烈振荡，电压振幅急剧上升，出现严重谐振过电压。谐振过电压的持续时间较长，甚至可以稳定存在，直到破坏谐振条件为止。谐振过电压可在各级电网中发生，危及绝缘，烧毁设备，破坏保护设备的保护性能。各种谐振过电压可以归纳为三种类型：线性谐振、铁磁谐振和参数谐振。图6-2用氧化锌避雷器保护电容器组的接线1电容器；2氧化锌避雷器限制谐振过电压的基本方法，一是尽量防止它发生，这就要在设计中做出必要的预测，适当调整电网参数，避免谐振发生。二是缩短谐振存在的时间，降低谐振的幅值，消弱谐振的影响。一般是采用电阻阻尼进行抑制。浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页306.3.2线性谐振过电压及其限制1.线性谐振过电压的特点（1）参与谐振的各电参量均为线性。电感元件不带铁心或带有气隙的铁心，并与电容元件组成串联回路。（2）谐振发生在电网自振频率与电源频率相等或相近时。（3）多为空载线路不对称接地故障的谐振、消弧线圈补偿网络的谐振和某些传递过电压的谐振等。2.消弧线圈补偿网络的消谐消弧线圈网络在全补偿运行状态（脱谐度=0），当发生单相接地、网络中出现零序电压时，便发生消弧线圈与导线对地电容的串联线性谐振。一般线路阻尼率不超过5%。因此，这种谐振将会使中性点位移达0.5。U消除这种谐振的方法是采用欠补偿或过补偿运行方式。一般装在电网的变压器中性点的消弧线圈，以及具有直配线的发电机中性点的消弧线圈采用过补偿方式（即0）。这样可以保证在线路进行切除操作时或发生线路断线时，使容抗更大，不会产生谐振。对于采用单元连接的发电机中性点的消弧线圈，一般采用欠补偿方式（0）。这是因为单元接线的网络容抗比较固定，亦不易发生断线而采用欠补偿方式，发电机回路电容量较大，对于限制电容耦合传递过电压有利。3.变压器的过电压的限制变压器的高压侧发生不对称接地故障、断路器非全相或不同期动作而出现零序电压时，将通过电容耦合传递至低压侧。此时低压侧的传递过电压为：2U=（+）2U012C0式中高压侧出现的零序电压（kV）；0高低压绕组之间的电容（uF）；12C低压侧相对地电容（uF）；浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）第页31这种过电压具有工频性质，将会危及绝缘或损坏避雷器。避免产生零序过电压是防止变压器传递过电压的根本措施。这就要求尽量使断路器三相同期动作、避免在高压侧采用熔断器设备等。在低压侧每相加装0.1uF以上的对地电容，加大线路对地电容，是一种可靠的限制方法。6.3.3铁磁谐振过电压及其限制1.铁磁谐振过电压的特点（1）谐振回路由带铁心的电感元件（如空载变压器、电压互感器）和系统的电容元件组成。因铁心电感元件的饱和现象，使回路的电感参数呈非线性。（2）共振频率可以等于电源频率（基波共振），也可为简单分数（分次谐波共振）或简单倍数（高次谐波共振）。（2）在一定的情况下可自激产生，但大多需要有外部激发条件。回路中事先经历过足够强烈的过渡过程的冲击扰动，它可突然产生或消失，当激发消除后，常能自保持。（4）在一定的回路损
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