防雷專業基礎知識

2021-04-12 02:33:36 字數 4666 閱讀 6551

內容提要:

● 雷電基礎知識(形成、效應、主要引數)

● 建築物防雷防雷系統,建築物分級(有關引數),滾球半徑,年預計雷擊次數的計算,衝擊接地電阻,各類建築物的防雷措施(防直擊雷、防雷電感應、防雷電波侵入、等電位連線的要求、防閃絡措施、遮蔽、電湧保護)

● 電湧保護(電源、訊號spd的器件分類, 特性,使用)

● 防雷有關器件知識

● 接地電阻的計算及測量

1. 雷電基礎知識

1.1雷電的形成

空中的塵埃、雲滴、冰晶等物質在雲層中翻滾運動的時候,經過一些複雜過程,使這些物質分別帶上了正電荷與負電荷。一部分帶電荷的雲層對另一部分帶異種電荷的雲層,或者是帶電的雲層對大地之間迅猛的放電,這種放電過程產生強烈的閃光並伴隨有巨大的聲音,這就是「雷」(即閃電)。

1.2雷電的主要引數

● 有統計,雲層對地面的閃電次數為每秒鐘100次(全球範圍),還有一種說法任一時刻全球表面(包括雲間和雲對地)連續發生1000個雷暴。

● 雷雲對地放電的電流蜂值從幾千安到數百千安。大多數為幾十千安,超過100千安的約有10% 。

● 雷電流擊中物體產生的瞬時單位能量可達到幾百萬到上千萬焦耳/歐姆。瞬時的功率非常之大。

● 直擊雷的電壓的可達幾百萬伏甚至幾千萬伏。

● 雷電流的持續時間只有幾十到幾百微秒。

1.3雷電的危害

當人類社會進入電子資訊時代後,雷災表現出現的新特點:

● 受災面大大擴大,從電力、建築這兩個傳統領域擴充套件到幾乎所有行業,如航天航空、國防、郵電通訊、計算機、電子工業、石油化工、金融**等;

● 雷災的主要物件已集中在微電子器件裝置上,防雷工程已從防直擊雷、感應雷進入防雷電電磁脈衝(lemp)。

● 雷災的經濟損失和危害程度大大增加了,全球每年因雷電災害造成的人員**、財產損失不計其數,我國每年因雷擊造成的人員**達三四千人,財產損失近50—100億元人民幣。

1.4雷電的活動規律

1.4.1隨機性:雷電發生的地點、時間、強度都是隨機的,不能準確預報。因此一般是按統計規律去研究雷擊。

1.4.2季節性:夏天最活躍,冬季最少

1.4.3地區性:一般地講赤道附近最活躍,隨緯度高減少,兩極最少。

評價乙個地區的雷電活動強弱一般使用下面兩個方法:

雷電日(也稱「雷暴日」)——以該地區一年中平均有多少天能聽見雷鳴表示,因為有一次以上都統計為乙個雷電日,這種統計比較粗略。

雷閃頻數——在該地區1km2範圍內平均一年總共發生雷閃擊的次數(也有時按1000 km2範圍統計)

1.4.5選擇性

——在土壤電阻率分布不均勻的地區,雷擊經常擊在土壤電阻率特別小的地方,例如:

有金屬礦藏的地方、河岸、地下水出口處、山坡與稻田接壤的地上和具有不同電阻率土壤的交界地段。湖泊、沼澤、低窪地區和地下水位高的地方也容易遭雷擊。

——另外,地面的設施也是影響雷擊選擇的重要因素,例如高聳突出的建築物(如高的鐵塔,易遭雷擊);空曠原野中的建築物(包括亭子、草棚之類);排煙的煙囪(因菸中含導電的微粒或游離分子)易遭雷;金屬結構的建築物、內部有大型金屬體的廠房,或內部經常潮濕房屋等。

1.5雷電的破壞效應

1.5.1直擊雷破壞效應:閃電直接擊在建築物、其他物體、大地或防雷裝置上,產生電效應、熱效應、衝擊波和電動力

熱效應—— 強大的雷電流通過被雷擊的物體時會發熱,由於雷電流作用時間很短,幾乎來不及散熱,電流通道的溫公升可用下式計算:

q / mcq =r∫t0 i2 dt )

式中:q —— 雷電流產生的熱量;( j )

m ——雷電流的物體的質量 (kg )

c —— 通過雷電流物質的比熱容 (j / kgk )

溫公升,k

注:如果被擊中物體含水,變水蒸氣迅速膨脹將產生巨大**力,

如被擊中物體是金屬,瞬間過熱甚至可能熔化。

衝擊波效應 —— 由於雷電通道溫度高達幾千度(0c)至幾萬度,周圍空氣受熱急劇膨脹,並以超聲速度向四周擴散,形成衝擊波(這種衝擊波的破壞作用類似炸彈**時對附近人、物體的損害。另外還有次聲波產生,對人、畜有傷害作用。

電動力效應—— 載流體周圍產生磁場,通電導體在磁場中要受到力的作用,兩根平行的通電導線互相吸引。受力大小計算公式為:

f = 1.02 (2l0 / d) i1i2 × 10_ 8

式中, f——引力 (kg ); l0—— 平行導線長度(m);

d —— 間距 (m);i1、i2 —— 電流 (a)

1.5.2電磁感應:由於雷電有極大的峰值和陡度,在周圍形成強大的變化的磁場,能使導體(導體環路)感應出較大的電動勢,可能引起放電、產生火花,引發火災。

1.5.3靜電感應—— 由於靜電感應的破壞作用,空中雷雲能使下面的地面及物體帶上相反極性的電荷,當雷擊產生時,電荷已經積累很多。

雷擊放電時雷雲所帶的電荷與地面的異種電荷迅速中和,但有些物體上的電荷,例如架空導線(電源線或訊號線)上感應的電荷由於其與大地間的電阻比較大,不能在同樣短的時間內相應消失,這樣會形成區域性的高電壓,這種電壓將以rc迴路放電的規律降低,即:

uc = u · e-t/rcu = q / c )

式中,uc—— 雷擊發生後,區域性高電壓地區與大地之間瞬態的電壓變化。(v)

u ——發生閃擊的瞬時(t =0 時刻),區域性高電壓值。(v)

r —— 區域性高電壓部位與大地間的散流電阻。(ω)

c ——區域性高電壓部位對雷雲之間的電容。(f)

q—— 區域性積累的電荷量(c)

t ——延續的時間(s)

1.5.4雷電波侵入:由於雷電對建築物附近的架空線路或金屬管道靜電感應作用,雷電波可能沿著這些管

侵入屋內,危及人身安全或損壞裝置。

1.5.5電磁脈衝輻射:閃電直接擊在建築物防雷裝置和建築物附近時在其周圍產生,很強的電磁場變化並形

成電磁脈衝輻射。通過電源和訊號迴路產生過電壓和過電流,危及裝置安全。(與電磁感應區別,前

者是與雷電流通路很近的近場感應,後者是離雷擊點相對較遠的遠場感應)

注:以上的電磁感應、靜電感應、雷電波侵入、電磁脈衝輻射又被成為「雷

電感應。

1.5.6地電位反擊:地電位反擊是指受到直擊雷的金屬體,在接閃的瞬間,由於與大地之間存在一定的電阻

和電感,因此與大地之間存在很高的電壓,從而對與大地連線的金屬物及電子裝置發生閃擊或過電壓衝

擊。這種反擊是空氣間隙被高壓擊穿。

1.6雷電的防護

gb50057-94中對雷防提出的總則(第1.0.1條)規定:

「 為使建築物(含構築物,下同)放雷設計因地制宜地採取放雷措施,防止或減少雷擊建築物所發生的人身**和文物、財產損失,做到安全可靠、技術先進、經濟合理,制定本規範。」

————注意,這裡提的是「防止或減少」而不是一概要求「防止」,同時也提出考慮安全可靠、技術先進和經濟的合理要同時考慮。在標準的條文說明中指出:「有人認為,建築物安裝防雷裝置後就萬無一失了。

從經濟的觀點出發,要達到這點是太浪費了,因此特指出「或減少」,以示不是萬無一失,因為按照本規範設計的防雷裝置的安全度不是100% 。

1.6.1直擊雷的防護

防直擊雷的外部裝置包括接閃器(避雷針、避雷帶、避雷線、避雷網)、引下線、接地裝置,另外也包括遮蔽措施,通過這些裝置迅速地將把雷電流洩放放入地。

1.6.2 電湧的防護

為保護裝置安全和抑制各種雷電感應引起的浪湧過電壓,必須採取系統有效的保護措施,即在電源線

訊號線上加裝浪湧抑制器。

1.6.3等電位連線

為防護雷電流引起電磁感應和地電位反擊的破壞作用,所有允許連線的裝置金屬外殼,接地的金屬管線和導體間應進行的等電位連線。是防雷電引起的電磁感應、地電位反擊的重要措施(但不允許連線的導體之間防反擊是以保持足夠的距離實現——防閃絡)。從實質上講電湧保護也是一種瞬間的等電位連線,是用spd器件把不能連續與地連線的通電導體(電源線、訊號線)與地連線起來。

1.6.4遮蔽

用於防護雷電引起的電磁脈衝輻射的破壞作用。

1.6.5防閃絡措施

對於不能採取等電位連線和使用點湧保護器防護時,通過保持距離抑制雷電引起的地點位反擊和電磁感應等的破壞作用。(下圖為基站防雷系統圖)

1.7 雷電流的特性

● 每次雷擊的電流波形是隨機的,差別很大。

● 雷電流波形一般都是前沿陡而後沿時間相對較長的波形,一般前沿時間在幾個微秒到幾十個微秒,後沿的半值值時間一般在幾十到幾百微秒。

● 雷擊有正閃擊或負閃擊,負閃擊占多數(約佔80~90%)。正閃擊平均的電流強度比負閃擊要大(負閃擊的電流峰值以20~50ka居多,而正閃擊的峰值往往在100ka以上),一次雷擊大多數分成3~4次放電(但正閃擊通常由乙個單閃擊構成)。一般第一次閃擊的電流峰值值最大,但首次雷擊以後的負閃擊的前沿更陡。

雷電流近似於典型曲線是雙指數函式曲線

雙指數函式0 ( e

i0 —— 雷電流值峰

波前衰減係數;

波尾衰減係數;

另外,還有等值斜角波、等值余弦、冪指數波形等(略)

● 雷電流的電荷量

雷電流的電荷量的近似計算公式:

q = ( 1/0.7)·i·t2 t2:雷電流半值時間,單位: 秒(s)

式中, q: 電荷量,單位: 庫侖(c )

i:雷電流幅值,單位: 安培(a)

● 雷電流的單位能量(即流過1歐姆電阻消耗的能量),近似計算公式:

w/r = 0.5·(1/0.7) ·i 2·t2

式中, w/r:單位能量,單位: 焦耳/ 歐姆(j /ω)

i:雷電流幅值,單位: 安培(a )

t2:雷電流形的半值時間,單位: 秒 (s)

2. 建築物防雷工程

2.1名詞術語解釋見下表

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