建築物防雷及安全用電

2023-02-12 00:12:02 字數 4813 閱讀 5034

內容提要及學習要求: 建築物防雷及安全用電是乙個電氣安全問題,電氣安全關係使用者的人身安全和環境安全,涉及千家萬戶。本章介紹一些常見的電氣安全知識,具體來說,包括雷電的基本知識、三類防雷建築物的防雷保護措施、安全用電基本知識和電擊防護措施。

通過學習要求掌握常用的雷電防護和電擊防護措施及特點,並了解其基本原理。

5.1建築物防雷

雷電是一種雷雲對帶不同電荷的物體進行放電的一種自然現象。雷電對電氣線路、電氣裝置和建築物進行放電,其電壓幅值可高達幾億伏,電流幅值可高達幾十萬安,因此具有極大的破壞性,必須採取相應的防雷措施。

5.1.1雷電的形成及作用形式

1.雷電的形成

雷電是一門古老的學科。人類對雷電的研究已經有了數百年的歷史,然而有關雷電的一些問題至今尚未能得到完整的解釋。

雷電的形成過程可以分為氣流上公升、電荷分離和放電三個階段。在雷雨季節,地面上的水分受熱變蒸氣上公升,與冷空氣相遇之後凝成水滴,形成積雲。雲中水滴受強氣流摩擦產生電荷,小水滴容易被氣流帶走,形成帶負電的雲;較大水滴形成帶正電的雲。

由於靜電感應,大地表面與雲層之間、雲層與雲層之間會感應出異性電荷,當電場強度達到一定的值時,即發生雷雲與大地或雷雲與雷雲之間的放電。典型的雷擊發展過程如圖5.1所示。

據測試,對地放電的雷雲大多為帶負電荷。隨著負雷雲中負電荷的積累,其電場強度逐漸增加,當達到25~30kv/cm時,使附近的空氣絕緣破壞,便產生雷雲放電。雷雲對地的放電是以下行先導放電形式進行。

當這個下行先導逐漸接近地面,大約100~300m距離時,地面受感應而聚集異號電荷更加集中,尤其是突出物體在強電場作用下產生尖端放電,形成上行先導,並快速向雷雲的下行先導方向發展,兩者會合即形成雷電通道,並隨之開始主放電,接著是多次餘輝放電,(由於雷雲中存在幾個電荷聚集中心)。

一般認為,當雷電先導從雷雲向下發展時,它的梯級式跳躍只受到周圍大氣的影響,沒有一定的方向和襲擊目標。但其最後乙個梯級式跳躍則不同,它必須在這個最後階段選定被擊物件。此時地面上可能有不止乙個物體在雷雲電場的作用下產生上行先導,並趨向與下行先導會合。

在被保護建築物上安裝避雷針,就是讓它產生最強的上行先導去與下行先導會合。最後一次梯級式跳躍的距離,其端部與被擊點之間的距離,稱為雷擊距離。也就是說,雷電先導的發展起初是不確定的,直到先導頭部電場強度足以擊穿它與地面目標間的間隙時,才受到地面影響而開始定位。

因此,雷擊距離是乙個變化的數值,它與雷電流幅值、地面物體的電荷密度有關。雷擊距概念對於分析地面建築物受雷狀況是十分有用的,常用於估算避雷裝置的保護範圍。

2.雷電特點及作用形式

(1) 雷電特點

雷電流是一種衝擊波,雷電流幅值im的變化範圍很大,一般為數十至數ka。 電流幅值一般在第一次閃擊時出現,也稱主放電。典型的雷電流波形如圖5.

2。雷電流一般在1~4μs內增長到幅值im,雷電流在幅值以前的一段波形稱為波頭;從幅值起到雷電流衰減至im/2的一段波形稱為波尾。雷電流的陡度α,用雷電流波頭部分增長的速率來表示,即α=di/dt。

據測定α可達50ka/μs。雷電流是乙個幅值很大,陡度很高的電流,具有很強的衝擊性,其破壞性極大。

(2) 雷擊的選擇性

建築物遭受雷擊的部分是有一定規律的,建築物雷擊部位如下:

(ⅰ)平屋面或坡度不大於1/10的屋面——簷角、女兒牆、屋簷。

(ⅱ)坡度大於1/10且小於1/2的屋面——屋角、屋脊、簷角、屋簷。

(ⅲ)坡度不小於1/2的屋面——屋角、屋脊、簷角。

(3) 雷電擊的基本形式

雷雲對地放電時,其破壞作用表現有以下四種基本形式。

直擊雷。當天氣炎熱時,天空中往往存在大量雷雲。當雷雲較低飄近地面時,就在附近地面特別突出的樹木或建築物上感應出異性電荷。

電場強度達到一定值時,雷雲就會通過這些物體與大地之間放電,這就是通常所說的雷擊。這種直接擊在建築物或其他物體上的雷電叫直擊雷。直接雷擊使被擊物體產生很高的電位,從而引起過電壓和過電流,不僅擊斃人畜、燒毀或劈倒樹木,破壞建築物,甚至因而引**災和**。

感應雷。當建築上空有雷雲時,在建築物上便會感應出相反電荷。在雷雲放電後,雲與大地電場消失了,但聚集在屋頂上的電荷不能立即釋放,因而屋頂對地面便有相當高的感應電壓,造成屋內電線、金屬管道和大型金屬裝置放電,引起建築物內的易爆危險品**或易燃物品燃燒。

這裡的感應電荷主要是由於雷電流的強大電場和磁場變化產生的靜電感應和電磁感應造成的,所以稱為感應雷或感應過電壓。

雷電波侵入。當輸電線路或金屬管路遭受直接雷擊或發生感應雷,雷電波便沿著這些線路侵入室內,造**員、電氣裝置和建築物的傷害和破壞。雷電波侵人造成的事故在雷害事故中佔相當大的比重,應引起足夠重視。

(ⅳ)球形雷。球形雷的形成研究,還沒有完整的理論。通常認為它是乙個溫度極高的特別明亮的眩目發光球體,直徑約在10~20cm以上。

球形雷通常在電閃後發生,以每秒幾公尺的速度在空氣中漂行,它能從煙囪、門、窗或孔洞進入建築物內部造成破壞。

3.雷暴日

雷電的大小與多少和氣象條件有關,評價某地區雷電的活動頻繁程度,一般以雷暴日為單位。在一天內只要聽到雷聲或者看到雷閃就算乙個雷暴日。由當地氣象台站統計的多年雷暴日的年平均值,稱為年平均雷暴日數。

年平均雷暴日不超過15天的地區稱為少雷區,超過40天的地區稱為多雷區。

5.1.2雷電的危害

雷電有多方面的破壞作用,雷電的危害一般分成兩種型別,一是直接破壞作用,主要表現為雷電的熱效應和機械效應;二是間接破壞作用主要表現為雷電產生的靜電感應和電磁感應。

1.熱效應。雷電流通過導體時,在極短時間內轉換成大量熱能,可造成物體燃燒,金屬熔化,極易引**災**等事故。

2.機械效應。雷電的機械效應所產生的破壞作用主要表現為兩種形式:一是雷電流流入樹木或建築構件時在它們內部產生的內壓力;二是雷電流流過金屬物體時產生的電動力。

雷電流的溫度很高,一般在6000~200000c,甚至高達數萬度,當它通過樹木或建築物牆壁時,被擊物體內部水分受熱急劇汽化,或縫隙中分解出的氣體劇烈膨脹,因而在被擊物體內部出現了強大的機械力,使樹木或建築物遭受破壞,甚至爆裂成碎片。

另外,我們知道載流導體之間存在著電磁力的相互作用,這種作用力稱電動力。當強大的雷電流通過電氣線路,電氣裝置時也會產生巨大的電動力使他們遭受破壞。

3.電氣效應。雷電引起的過電壓,會擊毀電氣裝置和線路的絕緣,產生閃絡放電,以致開關掉閘,造成線路停電;會干擾電子裝置,使系統資料丟失,造成通訊、計算機、控制調節等等電子系統癱瘓。

絕緣損壞還可能引起短路,導致火災或**事故;防雷裝置洩放巨大的雷電流時,使得其本身的電位公升高,發生雷電反擊;同時雷電流流入地下,可能產生跨步電壓,導致電擊。

4.電磁效應。由於雷電流量值大且變化迅速,在它的周圍空間就會產生強大且變化劇烈的磁場,處於這個變化磁場中的金屬物體就會感應出很高的電動勢,使構成閉合迴路的金屬物體產生感應電流,產生發熱現象。

此熱效應可能會使裝置損壞,甚至引**災。特別存放易燃易爆物品的建築物將更危險。

5.1.3防雷裝置及接地

防雷裝置一般由接閃器、引下線和接地裝置等三個部分組成。接地裝置又由接地體和接地線組成。

1.接閃器

接閃器就是專門用來接受雷雲放電的金屬物體。接閃器的型別有避雷針、避雷線、避雷帶、避雷網、避雷環等,都是經常用來防止直接雷擊的防雷裝置。

所有接閃器都必須經過引下線與接地裝置相連。接閃器利用其金屬特性,當雷雲先導接近時,它與雷雲之間的電場強度最大,因而可將雷雲「誘導」到接閃器本身,並經引下線和接地裝置將雷電流安全地洩放到大地中去,從而起到了保護物體免受雷擊。

(1) 避雷針及保護範圍

避雷針主要用來保護露天發電、配電裝置、建築物和構築物。

避雷針通常採用圓鋼或焊接鋼管製成,將其頂端磨尖,以利於尖端放電。為保證足夠的雷電流流通量,其直徑應不小於表5.1 給出的數值。

表5.1避雷針接閃器最小直徑

避雷針對周圍物體保護的有效性,常用保護範圍來表示。在安裝有一定高度的接閃器下面,有乙個一定範圍的安全區域,處在這個安全區域內的被保護的物體遭受直接雷擊的概率非常小,這個安全區域叫做避雷針的保護範圍。確定避雷針的保護範圍至關重要。

避雷針對建築物保護範圍一般用滾球法確定。

滾球法是將乙個以雷擊距為半徑的滾球,沿需要防直接雷擊的區域滾動,利用這一滾球與避雷針及地面的接觸位來限定保護範圍的一種方法。

避雷針保護範圍的確定方法見圖5.3,具體步驟如下:

1) 當避雷針高度h≤滾球半徑ds。

① 距地面ds處作一平行於地面的平行線。

以避雷針針尖為圓心,以ds為半徑,作弧線交平行線於a、b兩點。

③ 以a或b為圓心,ds為半徑作弧線,該兩條弧線上與避雷針尖相交,下與地面相切,再將此弧線以避雷針為軸旋轉1800,形成的圓弧曲面體空間就是避雷針保護範圍。

④ 避雷針在hx高度xx′平面上的保護半徑rx按下列計算式確定:(單位為m)

避雷針在地面上的保護半徑r0可確定為:

式中: rx——避雷針在hx高度的xx′平面上的保護半徑(m);

ds——滾球半徑,按表5.2確定(m);

h——避雷針的高度(m);

hx——被保護物的高度(m);

r0——避雷針在地面上的保護半徑(m)。

表5.2按建築物防雷類別布置接閃器及其滾球半徑

2) 當避雷針高度>滾球半徑ds。

在避雷針上取高度為ds的一點,代替避雷針針尖作為圓心,其餘的作圖步驟與h≤滾球半徑ds時的情況同。用上述計算公式時,h用ds代替。據此可知,當h>ds時,避雷針的保護範圍不再增大,並在其高出滾球半徑h-ds部分,將會遭受側面雷擊。

(2)避雷線

避雷線是由懸掛在架空線上的水平導線、接地引下線和接地體組成的。水平導線起接閃器的作用。它對電力線路等較長的保護物最為適用。

避雷線一般採用截面積不小於35mm2的鍍鋅鋼絞線,架設在長距離高壓供電線路或變電站構築物上,以保護架空電力線路免受直接雷擊。由於避雷線是架空敷設的而且接地,所以避雷線又叫架空地線。避雷線的作用原理與避雷針相同。

3)避雷帶和避雷網

避雷帶和避雷網主要適用於建築物。避雷帶通常是沿著建築物易受雷擊的部位,如屋脊、屋簷、屋角等處裝設的帶形導體。

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