《雷电防护概述》PPT课件

1、1,雷电防护概述Outline of Protection against lightning,前 言,闪电是自然界强大的脉冲放电现象，地球上平均每秒钟有100 次，已成为十大自然灾害之一（地震、水涝、旱灾、雷电、瘟疫、 泥石流、台风、冰雹、霜冻、病虫害）。 自然灾害都是低概率事件，一旦遇上，损失很大。不能侥幸。 直击雷的高电压、强电流侵入各处，袭击人，破坏建筑物、输 电网，引发森林火灾（半数是雷击引起的）是很常见的事。 伴随着雷电产生的雷电电磁脉冲，以电磁感应和静电感应的作 用（俗称感应雷） ，通过金属管道和电缆将雷电波（即闪电电涌， 过电压、过电流）引入控制系统。随着控制系统的集成化程度与

2、对 雷击敏感度水平在同步提高，因此雷击电磁脉冲的危害日趋严重。 而且间接损失远大于直接损失,2,1 雷电的基础知识,1.1 雷云结构和雷电的分类 带电云层生成的三个条件：水汽充沛、 地表气温高、垂直气 流对流旺盛。 由于在实验室內，无法模拟带电云层的 生成，所以许多科学 家提出了各种带电云层生成的的假说。 在大气中有带正电的冰晶和带负电的水粒，由于它们的比重不 一，于是形成了一种气流，使得带正电的冰晶和带负电的水粒分离， 形成一部分带正电和一部分带负电的雷云,3,1）片状雷（云间放电，占95%，对电子信息系统构成威胁,由于异性电荷的不断积累，不 同极性的云块之间的电场强度不断 增大；当某处的电

3、场强度超过了空 气可能承受的击穿强度时，就形成 了云间放电。 不同符号的电荷通过一定的电 离通道互相中和，产生强烈的光和 热。放电通道所发出的这种强光称 之谓“闪”。而通道所发出的热， 使附近空气突然膨胀，发出霹雳的 轰鸣，人们称之谓“雷,4,2）线状雷(云对地放电，占5%,对建筑物和信息系统均构成威胁,通常下部的雷云带负电，上部的雷 云带正电，由于静电感应使地面积聚正 电荷，从而使地面与雷云之间形成强大 的电场（电场强度达到25003000kV/m）。 和云间放电一样，当某处积聚的电荷密度很 大，造成电场强度达到空气游离的临界值， 就为线状闪电落雷的发展创造了条件,5,下行闪击可能的雷击组合

4、,6,上行闪击可能的雷击组合,7,3）球雷,球状闪电特指雷电过程中发生的一种运动着的发光球，看上去 像一团火球。 特点：直径10100cm； 呈橙色和红色，亮白色，也有黄色、蓝色和绿色； 存在时间约10秒左右； 可以水平运动(随风而飘），也可垂直降落； 一般不伤人。 （占云对地放电中的8%，1983年8月15日，北京焦化厂被球雷烧毁两 个100立方米的酒精罐,8,感应雷示意图,9,10,电话,雷电流传播的途径和危险半径,关于危险半径2km的讨论,1）全球公认（见【德】Peter Hasse 低压系统防雷保护，第7页）。 2）首次雷（强度最大）的主频率约为25kHz，因为波长和传播速度以及 频率

5、的关系如下式所示。 =c/f 式中：c-传播速度（3108m/s）； f-频率（Hz）。 近场的边界距离为/2，所以 /2=c/(2f)=3108/（23.1425103) 2(km,11,3）在无屏蔽时的磁场强度： Ho = io（2Sa） （Am ） 式中：io雷电流（A）； Sa雷击点与观测点之间的平均距离（m）。 设： io=200kA, Sa=2km, 则 Ho =200/（ 22）=16 （Am ），一般的电子设备能 够承受。 笔者认为危险半径为1km左右,此时H0=32 （Am,12,1.2 雷击（云对地）的选择性,放电即位能的释放，总是沿着易导电路程（阻抗小）的地方。例如： 1

6、）高大建筑物的尖顶（因为该处的静电感应的电场强度最大）； 2）旷野中的突出物，即便不高，因为孤立、突出； 3）潮湿的土壤（因为电阻率低）； 4）金属结构的建筑物，包括金属线缆等（因为具有良好的导电性能）； 5）高层建筑物有遭侧击雷的可能，即天面以下，地面以上。 （案例：2004年6月26日，浙江临海市杜桥镇，在5棵大树底下的简易塑料 棚，死17人，伤13人,13,旁侧闪络,旁侧闪络是受害人根本没有直 接接触受雷击的物体，只是在它 的附近，而直接被雷击的物体的 高电压击穿附近的空气触及受害 人。（安全距离一般为5m,14,电位分布曲线,旁侧闪络的例子（ 1967年6月24日，北京和平里,U2=U

7、1C1/(C1+C2,15,毛巾架,晒衣铁丝,晒衣架,U1,C1,C2,U2,1.3 外部防雷装置的基本原理引雷入地,它包括三个部分： 1）接闪器； 2）引下线； 3）接地体。 接闪器的四种形式： 1）接闪杆（避雷针）； 2）接闪线（避雷线，用在高压线路上）； 3）接闪带（避雷带，沿屋顶四周）； 4）接闪网。 （现还有“绝缘防雷”之说，依 据是山西应县的67.13米高的木 塔已900多年安然无恙。,16,山西应县木塔,17,1.4 接闪杆的保护范围,18,接闪器,引下线,接地系统,保护角,h,滚球半径,r,W 为网格尺寸,W,保护角,避雷针的保护范围,英、日标准： 对于单支避雷针的保护范围可以

8、近似认为：以尖顶为中心 的45锥体内的空间。 我国的确定方法： 滚球法,19,1.5 滚球法,20,Hr(击距,I(雷击电流,建筑物,雷闪的电气-几何模型,在该模型中，雷击先导的发展起初是随机的，直到先导头部足以击 穿它与地面目标间的间隙时，也即先导与地面目标的距离等于击距 时，才受到地面影响而开始定向。 滚球法是基于以下的雷闪的数学模型（电气-几何模型）： hr=10I0.65 式中：hr雷闪的最后闪络距离（击距），即所谓的滚球半径（m） I雷击电流的幅值（kA,21,滚球法就是将雷击地面或地面物体的过程，等值地描述为一个以击 距为半径的假想球体从天而降，沿随机路径逼近地面或地面上的物体 时

9、，球体所能接触到的物体都有可能遭受雷击；球体最先触及的且处 于地电位的点是最可能的雷击点（如接闪杆）。反之，滚球不能接触 到的地方，则可认为是由建筑物的接闪器能够保护的区域,22,23,滚球半径表 建筑物防雷类别 滚球半径hr (m) 避雷网网格尺寸(m) 第一类防雷建筑物 30 55或64 第二类防雷建筑物 45 1010或128 第三类防雷建筑物 60 2020或2416,hr=45m,hr=30m,hr=60m,滚球法确定外部防雷的保护范围,制造、使用、贮存炸药、火药、煤气等大量爆炸物质的建筑物,文物保护建筑和有大量电子设备的建筑，具有2区或11区爆炸危险环境的建筑物,一般性的民用和工业

10、建筑、甲级办公楼和一些高耸的建筑物（如水塔、烟囱等,雷电流与滚球半径,24,据统计，滚球半径为30m时，涵盖了97%的雷击。滚球半径为45m 时，涵盖了93%的雷击。滚球半径为60m时，涵盖了80%的雷击,2 雷电活动区、雷电防护区和防护措施分级,2.1 雷电活动区 雷电活动区的强度是根据年平均雷暴日的多少进行划分的。 年平均雷暴日的确定，原则上依据装置所在地区的气象部门提 供的数据，也可参照由国家公布的当地年平均雷暴日。 按地区年平均雷暴日多少，宜将雷电活动区划分为： a.少雷区：年平均雷暴日在25天及以下的地区； b.多雷区：年平均雷暴日大于25天，不超过40天的地区； c.高雷区：年平均

11、雷暴日大于40天，不超过90天的地区； d.强雷区：年平均雷暴日超过90天以上的地区,25,上海、沈阳、杭州的年平均雷暴日（d/a,26,31.5,2.2 雷电防护区(LPZ)的划分,划分的目的:在对控制系统进行雷电电磁脉冲防护时,为采取相应 的防雷措施和配制防雷器件的方便，将被保护设备、系统所在的空 间由外到内分为不同的雷电防护区（LPZ）。 划分的原则 : 遭直击雷的可能性大小； 空间电磁场强度衰减的程度,27,a.直击雷非防护区（LPZ0A）：本区内的各物体完全暴露在外部防雷 装置的保护范围之外，均可能遭直击雷，电磁场强度没有衰减。 b.直击雷防护区（LPZ0B）：本区内的各物体处在外部

12、防雷装置的保 护范围之内，很少遭到大于所选定的滚球半径的直击雷，电磁场强 度没有衰减。 c.第一防护区（LPZ1）：本区内的各物体不可能遭直击雷，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（LPZ0） 要小，电磁场强度得到了初步的衰减。 d.第二防护区（LPZ2）：进一步减小所导引的雷电流或电磁场的后 续防护区。 e.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,28,空间划分为不同的防护区的一般原则（但不一定要有实物界面,29,一座内置控制系统的建筑物划分为几个雷电防护区,30,LPZ0A,LPZOA,LPZ0A,LPZ0B,LP

13、Z0B,LPZ0B,LPZ0B,LPZ1,LPZ1,LPZ1,LPZ1,LPZ2,LPZ1,LPZ3,机柜,屏蔽室,接闪器,一种不适用于控制系统防雷的等电位,31,32,LPZ 0A,LPZ 2,计算机机房,LPZ 0B,外部防雷装置,在 LPZ 0A, 0B 和 LPZ 1界面上的等电位连接排1,LPZ 1,电缆电线,在LPZ 1 和 LPZ 2界面上的等电位连接排 2,两层屏蔽的等电位连接,屏蔽房间 2,屏蔽建筑物 1,接地装置系统,一个”避雷网“ 雷击防护系统情况下的雷击防护区,33,屏蔽建筑物,LPZ 0B,LPZ 0A,LPZ 1,接地系统,LPZ 0B,引下线,原理,接闪器,例子,

14、接地系统,建筑物,LPZ 1,LPZ 0B,LPZ 0A,LPZ 0B,接闪器,一个”建筑物本身“ 雷击防护系统情况下的雷击防护区,34,屏蔽建筑物,LPZ 0A,原理,例子,LPZ 1,接地系统,接地系统,建筑物,LPZ 1,LPZ 0A,引下线,LPZ 0B,LPZ 0B,接闪器,建筑物外部的电子设备系统的雷击防护区和在分区界面的连接,35,energie,屏蔽房间,LPZ 3,滚球半径 20 m,通风装置,电源系统,信息，通信网络,终端设备,I 类 SPD(避雷器,2.3 雷电防护等级（LPL,目的:雷电防护措施的分级即雷电防护等级（LPL），它是用相 关雷击电流参数去设计防护措施的，其目的系防护措施的设置应按 雷电防护等级而有合理的差异。 控制系统所在建筑物直接雷击