雷电及其防护.ppt
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1、1 雷电及其防护雷电及其防护 河南工业职业技术学院 戴绍基2百度百科对雷电的解释345电闪雷鸣是一种雄奇壮丽的自然景象,但同时它又是一种严重威协人类生命、财产的自然灾害。当地面上的建筑物和电气设备等遭受雷击时,雷电的放电电压可达数百万伏至数千万伏,放电电流可达几十至几百千安,远远大于发、供电系统的正常值,其破坏性极大。雷电可造成人畜伤亡,建筑物炸毁或燃烧,电气线路停电及电气设备损坏等严重事故。雷电灾害已被联合国有关部门列为“最严重的十种自然灾害之一”,并被IEC(国际电工委员会 )称为“电子化时代的一大公害”。因此,研究雷电产生的规律,以便采取有效的防护措施,对于防止雷电造成的损害、防止建筑物
2、的火灾和爆炸事故,具有重要的意义。6第一讲 雷电的基本知识 一、一、雷电的概念雷电是一门古老的学科。人类对雷电的认识和研究至少已经有了数百年的历史,然而有关雷电的一些问题至今尚未能得到完满的解决。雷 电(上、下册)(RHGolde)雷电防护(JLMarshall)雷电研究的先驱者;富兰克林(美BFranklin)、罗蒙诺索夫(俄)、黎赫曼(德)7(一一).雷电的形成雷电的形成雷云是产生雷电的基本条件。雷云的形成一般必须具备以下三个基本条件:(1)空气中应有足够的水蒸气。(2)有使潮湿的空气能够上升并开始凝结为水珠的气象条件或地形条件。(3)气流能够强烈持久地上升。8 雷电过程可分为气流上升、雷
3、云中电荷分离和放电三个阶段。人类至今对雷云中电荷分离的详情不甚了解。在雷电科学发展的过程中,有很多企图说明雷云中电荷分离的理论,例如“雨滴分裂作用”理论、“离子有差别吸收”理论、“冰雹与冰晶接触带电学说”以及“宇宙射线学说”等等。以上理论可以部分地解释雷云中电荷分离的过程,有的也得到了模拟实验的证实。但到目前为止,还没有一个理论可以将全部雷电现象解释清楚。只有将各种理论综合起来,才能对雷云中电荷分离现象给以较完善的解释。下面仅简单介绍“雨滴分裂作用”理论。9在闷热的天气里,空气中的水蒸汽已接近饱和,地面的气温变化不均,使带有大量水蒸汽的空气强烈上升,在气流上升的过程中,水珠因摩擦而分裂为大小不
4、等的水滴。在快速分裂过程中,小水滴带上了负电荷并上升,大水滴带上了正电荷并下降,于是形成了上负下正的雷云,如图22-1所示。(存在问题?)在上述作用下,带正(或负)电荷的水珠下降,并继续汇集其他水滴;带负(或正)电荷的水滴上升,并很快又汇集成水珠。这个分离过程要重复好多次,也就是说水珠要经过多次的分裂、汇集、再分裂、再汇集。等到一定数量的电荷聚集在一个区域时,这个区域的电势就逐渐上升,在它附近的电场强度达到足以使附近空气绝缘被击穿的强度(约2530kVcm1)时,就发生强烈的放电现象,出现耀眼的闪光。1011(二二)雷电的种类及危害雷电的种类及危害雷电的种类可分为以下四种:1.直击雷;2.雷电
5、感应;(感应雷?)3.雷电波侵入;(归并?)4.球雷。121直击雷当雷云较低,周围又没有带异性电荷的云层,而在地面上的突出物(树木或建筑物)感应出异性电荷时,雷云就会通过这些物体向大地放电,这就是通常所说的雷击。这种直接击打在建筑物或其它物体上的雷电就叫做直击雷,如图22-2所示。13雷云对大地的放电过程如图22-3所示。14这种雷云放电是由云端先发出一个不太明亮的、以跳跃式向大地前进的通道开始的,这种预放电叫做跳跃式“先导放电”。它的平均速度是1001000 km/s,每跳跃前进约50100 m,就要停顿3090 s,然后再继续进行。当先导放电的通道到达大地附近时,我们肉眼所看见的“主放电”
6、阶段才开始。主放电可以是从大地开始向云端发展的极明亮的放电通道,它的速度约为光速的五分之一到三分之一,即大约60 000100 000 km/s。随着它的向上发展,其亮度也逐渐降低,一到云端,主放电就完成了。在主放电以后,还有多次发光微弱得多的“余辉放电”,又叫“余光”。152雷电感应雷电感应是指由于雷电强大的电磁场的变化而产生的静电感应和电磁感应。它可能造成建筑物内的金属部件之间产生火花放电,从而引起火灾;或造成建筑物内配电系统的保护装置误动作而影响供电质量;还可能使建筑物内的信息系统设备造成损坏而引起各种损失和混乱。因此,对于雷电感应的防护也是非常重要的,为此,我国特别颁布了国家标准GB5
7、03432004建筑物电子信息系统防雷技术规范。雷电感应一般可分为两种,即静电感应和电磁感应。16 静电感应(Electrostatic induction)当雷云出现在建筑物的上空时,由于静电感应作用,使建筑物上产生与雷云下部的电荷符号相反的电荷。雷云放电后,若这些感应电荷得不到释放,就会使建筑物与地之间产生很高的电位差。这种现象就叫做静电感应,如图22-5所示。静电感应也可发生在供配电线路上,此时,失去束缚的感应电荷形成向线路两端行进的雷电波。1718 电磁感应(Electromagnetic induction)雷电流以极大的幅值和陡度进行着迅速变化,在它周围的空间里,会产生强大的变化着
8、的电磁场;处于这一电磁场中的导体会感应出很高的电动势,称为电磁感应现象。雷电流的变化是脉冲型的,由它感应出来的电磁场也是一个脉冲型的,故称其为雷击电磁脉冲(Lightning electromagnetic impulse,LEMP)。如图22-6所示,如果在雷电流的强磁场中放一只开口的金属环,环上感应出来的强大感应电动势足以使间隙ab 之间产生火花放电。雷击电磁脉冲(LEMP)是一种干扰源,此处我们关注的是雷电直击于防雷装置或建筑物附近所引起的效应,绝大部分是通过联结导体的干扰,例如雷电流或部分雷电流、被雷电击中的装置的电位升高以及电磁辐射干扰。雷击电磁脉冲是一种强干扰源,它可能干扰附近的信
9、息系统设备正常工作甚至造成这些设备的损坏。19电磁感应原理图 203雷电波侵入由于直击雷或雷电感应而产生的高电位雷电波,沿架空线路或金属管道侵入建筑物而造成危害的现象,称为雷电波侵入。据统计,由于雷电波侵入而造成的雷害事故,在整个雷害事故中占50以上。因此,应对防雷电波侵入予以足够的重视。也可以把雷电波侵入归并为直击雷和雷电感应的一种后果。21 4球雷(球状闪电)人类对球雷的研究还很不成熟。目前一般认为球雷是一团内部带有环流的等离子体。它是一个温度极高的发光球体,可发出橙色、红色或紫色的光。大多数球雷的直径在10100cm 左右。球雷多在强雷暴发生时出现。球雷可沿地面滚动或在空气中飘行,能经烟
10、囱、门窗和其他缝隙进入建筑物内部,或无声无息地消失,或发生剧烈爆炸,造成人身伤亡或使建筑物遭受严重破坏,有时甚至引起火灾和爆炸事故。(简介防球雷的措施)22世界上最早的“球雷”记载当归我国周书武王九年(公元前1068年),既渡,有火至上复于下,至于王屋,流为乌有。其色赤,其声魄云。235.雷电的危害雷电有很大的破坏力,且有多方面的破坏作用。雷击可造成人、畜的伤亡;可使电气设备的绝缘击穿,造成大规模停电;可击坏建筑物,引起爆炸或燃烧等。雷电对人类生命和财产造成了重大损失。雷电主要有以下三方面的破坏作用:24 电效应。数百至数千千伏的雷电冲击电压可击坏电气设备的绝缘、烧断导线或劈裂杆塔,造成大规模
11、的停电。绝缘损坏又可能引起短路,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升高,这样的高电位又可能作用于电气线路、电气设备或其他金属管道,使它们之间产生放电。这种因接地导体电位升高而向带电导体或与地绝缘的其他金属物体放电的现象,叫做“雷电反击”或“二次雷击”。反击能引起电气设备绝缘破坏,造成高电压窜入低压系统;还可能产生较高的接触电压和跨步电压,造成人身伤亡事故;或者使金属管道烧穿、易燃易爆物品起火和爆炸等。热效应。巨大的雷电流(几十至几百千安)通过导体,在极短的时间内转换为大量的热能,雷击点的发热量约为5002000J,可能造成金属熔化、易燃易爆品燃烧或爆炸等。机械效
12、应。巨大的雷电流通过被击物时,使被击物缝隙中的气体剧烈膨胀,缝隙中的水分也急剧蒸发,从而在被击物体内部出现强大的机械压力,致使被击物体(例如建筑物等)遭受到严重破坏或发生爆炸。25山东黄岛油库雷击事件1989年8月12日上午,山东黄岛油库因雷击引发火灾。损失原油40000T,伤亡近百名消防队员和油库职工,损失近亿元。这次大事故引起了我国政府机构对雷电灾害的高度重视。国务院成立了专门机构(雷电防护办公室?)。此后,我国的防雷行业得到了迅速发展。亊故原因、教训和改进措施。26航天工程与雷击1969年11月14日,美国“阿波罗12号”宇宙飞船从肯尼迪航天中心发射升空,起飞后第36秒和52秒两次遭遇雷
13、击,造成三个燃料电池损坏和制导系统失灵。后来不得不启动了备用设备,才转危为安。在阿波罗登月工程的飞船发射过程中,共发生过7次雷击事故。1987年3月,美国国家航天局发射人造卫星时,大力神运载火箭遭受雷击而毁坏,造成的直接经济损失高达1.7亿美元。27古建筑遭受雷击的例子原曲阜孔庙在1742年毁于雷火,重建时耗银十六万七千余两。据光绪政要记载,北京天坛院内多次被雷击。例如“光绪15年(1889年)9月24日寅刻雷击祈年殿额,未刻殿内火起北京故宫博物院内多次遭受雷击。例如:1954年7月慈宁门西北角垂兽被雷击;1973年8月雷击崇华宫厨房檐头等。28(三三)雷电的活动规律雷电的活动规律 1雷电活动
14、的一般规律(1)湿热地区比气候寒冷而干燥的地区的雷击活动多。(2)雷电活动与地理纬度有关,赤道一带最高,由赤道分别向北、向南递减。(3)从地域来看,雷电活动是山区多于平原,陆地多于湖泊、海洋。(4)从时间上看,强烈的雷电活动多发于七、八月份。292雷电活动的选择性(1)从地质条件看,土壤电阻率越小,越利于电荷的积累。1)相对于大片土壤电阻率较大的地域,土壤电阻率较小的局部地域易遭受雷击。2)土壤电阻率突然变化的地域最容易遭受雷击。例如岩石与土壤、山坡与稻田的交界处等。3)岩石或土壤电阻率较大的山坡,雷击点多发生在山脚,山腰次之。4)土山或土壤电阻率较小的山坡,雷击点多发生在山顶,山腰次之。5)
15、地下埋有导电矿藏(金属矿、盐矿等)的地区,易受雷击。6)地下水位高、小河沟、矿泉水、地下水出口处容易遭受雷击。(2)从地形上看,有利于雷云的形成与相遇处易遭雷击。在我国,雷击机会的分布有以下规律:1)山的东坡、南坡多于山的北坡和西北坡,这是因为海洋潮湿空气从东南进入大陆后,经曝晒及遇高山被抬升而出现雷雨。2)山中的局部平地受雷击的机会大于峡谷,这是因为峡谷窄,不易曝晒和对流,缺乏形成雷击的条件。3)湖旁、海边遭受雷击的机会较小,但海滨如有山岳,则靠海的一侧山坡遭受雷击的机会较多。4)雷击的地带与风向一致,风口或顺风的河谷容易遭受雷击。(3)从地物看,有利于雷云与大地建立良好的放电通道处易遭雷击
16、。1)空旷地域中间的孤立建筑物,建筑群中的高耸建筑物容易遭受雷击。2)排放导电废气的管道口容易遭受雷击。3)顶层为金属结构,底下埋有大量金属管道,室内安装有大型金属设备的场所容易遭受雷击。4)建筑群中个别潮湿的建筑物(如冷库等)容易遭受雷击。5)尖屋顶及高耸建筑物、构筑物(如水塔、烟囱、天线、旗杆、消防梯等)容易遭受雷击。因此,在实际防雷工作中,要根据雷击活动的具体情况和雷击的可能性进行综合研究,并对周围环境作全面分析后,再制定切实可行的应对方案。303建筑物易受雷击的部位(1)不同屋顶坡度(0、15o、30、45)建筑物的易受雷击部位,如下頁之图22-7所示。(2)屋角与檐角雷击率最高。(3
17、)屋顶的坡度越大,屋脊的雷击率也越大,当坡度大于40时,屋檐一般不易遭受雷击。(4)当屋面坡度小于27、长度小于30米时,雷击点多发生在山墙,而屋脊和屋檐一般不易遭受雷击。31不同屋顶坡度(0、15、30、45)建筑物的易受雷击部位。在具体应用时,可对易遭受雷击的部位进行重点保护。32二、雷电参数二、雷电参数 1年平均雷暴日数Td(日/年)2雷电流幅值 I(kA)3雷电流陡度 =didt(kAs)4雷电冲击过电压 (kV)33 1年平均雷暴日数Td(d/a)雷电的大小与多少和气象条件有关。为了统计雷电的活动频繁程度,一般采用雷暴日为单位。在一天内只要听到雷声或者看到雷闪就算一个雷暴日。由当地气
18、象台站统计的多年雷暴日的年平均值,称为年平均雷暴日数。据国家标准GB503432004建筑物电子信息系统防雷技术规范3.1的规定,地区雷暴日等级应根据年平均雷暴日数划分,此值不超过20天的地区称为少雷区;此值大于20但不超过40天的地区为多雷区;此值大于40但不超过60天的地区称为高雷区;此值超过60天以上的地区称为强雷区。地区雷暴日数按国家公布的当地年平均雷暴日数为准,详见国家标准GB503432004建筑物电子信息系统防雷技术规范之附录D,例如,我国年平均雷暴日数最大的海南省儋州市高达121d/a,而最小的青海省格尔木市仅为2.3d/a。(郑州市为21.4d/d,信阳市28.8d/a)。在
19、防雷设计中,标准雷暴日数一般可取为40d/a。也有用雷暴小时作单位的,即在1h内只要听到雷声或看到雷闪就算一个雷暴小时。我国大部分地区一个雷暴日约折合为个雷暴小时。342雷电流幅值雷电流的波形如图22-8所示。雷电流具有冲击特性。雷电流幅值I(亦称峰值电流)即雷电冲击电流的最大值,亦即主放电时雷电流的最大值。35据DL/T 620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合,我国一般地区雷电流幅值大于I kA的概率P 可用下式表示:平均年雷暴日在20及以下地区(例如陕南以外的西北地区、内蒙古自治区的部分地区),雷电活动较弱且辐值较小,雷电流幅值超过I kA的概率P则可用下式表达:雷电流的幅值和
20、极性可用磁钢记录器测量。363雷电流陡度 雷电流一般在14s内增长到幅值I。雷电流在幅值以前(从10%I上升到90%I)的一段波形称为波头或波前,其对应的时间称波头时间(常记为T1);从10%I上升到幅值I,再下降至I/2时,其对应的时间称半波时间或半值时间(常记为T2)。雷电流的陡度用雷电流波头部分增长的速率来表示,即陡度 =didt,常用的平均陡度定义为I/T1。雷电流的陡度可用电花仪组成的陡度仪测量。据测定,雷电流的平均陡度可达(100200)kAs,可见雷电流是一个幅值很大、陡度很高的冲击波电流。37 4雷电冲击过电压雷击时的冲击过电压很高,直击雷的冲击过电压可用下式表达:(22-4)
21、式中:uz直击雷冲击过电压(kv);i 雷电流(kA);R c防雷装置的冲击接地电阻();didt 雷电流陡度(kA/s);L雷电流通路的电感(H)。由此可见,直击雷产生的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。38第二讲 防直击雷防直击雷一个传统的、完整的防直击雷装置一般由接闪器、引下线和接地装置三部分组成。经常采用的接闪器有避雷针、避雷线、避雷网和避雷带等。避雷针主要用来保护建筑物和发、配电装置;避雷线最适合用来保护电力线路等较长的物体;避雷网和避雷带主要用来保护建筑物;避雷
22、器是一种专用的防雷击过电压的设备,主要用来保护架空线路、高压柜、变压器等电力设备。39一、防雷装置一、防雷装置 (一)接闪器(一)接闪器接闪器就是专门用来接受雷击的金属导体。避雷针、避雷线、避雷网和避雷带都是常用的接闪器。接闪器利用其高出被保护物的突出地位,把雷电引向自身,然后,通过引下线和接地装置,把雷电流泄入大地,从而保护周围一定范围内的物体免受直接雷击。从这个意义上来说,避雷针的实质是引雷针。因此,作得不好的避雷针比不作还糟糕!(雷雨时不要高举金属物体!)发展过程:长针短针避雷带避雷带加网40避雷针一般用圆钢和焊接钢管制成。避雷网和避雷带一般采用圆钢或扁钢,特殊情况下也有采用铜材的。避雷
23、网分为明装避雷网和暗装避雷网。明装避雷网是在屋顶上部以较疏的明装金属网格作为接闪器,适用于较重要的部位的防雷保护;暗装避雷网是利用建筑物内的钢筋连接而成,例如利用建筑物屋面板内的钢筋作为接闪装置,从而将避雷网、引下线和接地装置三部分组成一个整体较密的钢铁网笼,亦称为笼式避雷网。采用明装避雷带与暗装避雷网相结合的方法是较好的防雷措施,即在建筑物屋面、女儿墙上安装避雷带,并与暗装的避雷网连接在一起,也称为“法拉第笼”。41在电子信息类设备较多的建筑物的防雷工程中,宜慎用避雷针,多用避雷网。若需用避雷针保护时,应以相应的配套措施来减少避雷针接闪时带来的一些负面影响。除第一类防雷建筑物外,金属屋面的建
24、筑物宜利用其屋面作为接闪器,并应符合一些具体要求。(例如金属屋面的厚度等等)接闪器应镀锌或涂漆。在腐蚀性较强的场所,应加大截面或采取其他防腐措施。(例如深圳有采用铜避雷带的作法)42(二)引下线引下线引下线是连接接闪器与接地装置的金属导体。它应满足机械强度、耐腐蚀和热稳定性等要求。为便于测量接地电阻和检查引下线和接地装置,宜在引下线距地面0.3m至1.8m之间的位置设置断接卡。在易受机械损伤和应防人身接触的地方,地面上约1.7m的一段引下线应采取暗敷或采用热镀锌角钢、改性塑料管或橡胶管等保护。(六十年代天安门还是采用竹筒来保护引下线)注意:决不能采用钢管来保护防雷引下线!利用混凝土内钢筋、钢柱
25、作为引下线时,应在室内外的适当地点设若干联结板,该板可供测量、接人工接地体和作等电位联结用。联结板应与作引下线的钢筋焊接,联结板设置在引下线距地面不低于0.3m处,并应有明显标志。防雷装置的引下线不应少于两根。43(三)接地装置(三)接地装置接地装置包括接地干线和接地体,是防雷装置的重要组成部分。接地装置向大地均匀泄放雷电流,使防雷装置对地电压不至于过高。接地装置可用扁钢、圆钢、钢管等钢材制成。人工垂直接地体宜采用角钢、钢管或圆钢;人工水平接地体宜采用扁钢或圆钢。人工垂直接地体的长度一般宜采用2.5m。埋设深度不应小于0.5m。人工垂直接地体一般由多根直径为50m m的钢管或50mm50mm5
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