電氣安全 教學(xué)課件 ppt 作者 楊岳 電氣安全第4章

1、第四章 雷電、建筑物防雷及工程接地裝置,第一節(jié) 雷電與雷電參數(shù) 第二節(jié) 雷電能量在導(dǎo)體上的傳輸 第三節(jié) 工程防雷體系及建筑物防雷類別 第四節(jié) 建筑物外部防雷系統(tǒng) 第五節(jié) 建筑物內(nèi)部防雷系統(tǒng)及雷擊電磁脈沖防護(hù) 第六節(jié) 工程接地裝置,第一節(jié) 雷電與雷電參數(shù),一、雷電的形成與危害 1、形成 形成過程：雷云，先導(dǎo)（向下先導(dǎo)、迎面先導(dǎo)）放電，主放電，余輝放電。

2、 雷擊方式：直接雷擊，感應(yīng)雷擊。 2、危害 熱效應(yīng)，機(jī)械力效應(yīng)，電磁效應(yīng)。 能量巨大，破壞力強(qiáng)。,圖8-1 雷云對大地放電（直擊雷）示意圖a) 負(fù)雷云出現(xiàn)在大地建筑物上方時(shí) b) 負(fù)雷云對建筑物頂部尖端放電時(shí),,一、雷電參數(shù) 1、氣象參數(shù) 雷暴日，雷暴小時(shí)。按雷暴日可劃分雷擊強(qiáng)度區(qū)域：

3、少雷區(qū)：年雷暴日少于15； 多雷區(qū)：年雷暴日40～90； 強(qiáng)雷區(qū)：年雷暴日大于90。,2、電氣參數(shù) （1）雷擊基本形式及其組合。 閃擊：雷電向大地或地表附著物的放電稱為閃擊。 雷擊：閃擊過程中的每一次放電稱為一次雷擊。 通常一個(gè)閃擊過程包含有若干次雷擊。 閃擊又分為由雷云向建筑物發(fā)展向下閃

4、擊和由建筑物向雷云發(fā)展的向上閃擊。,向下閃擊可能的雷擊組合,向上閃擊可能的雷擊組合,,（2）建筑物防雷工程中雷電參數(shù)取值。 建筑防雷工程中關(guān)心的是受雷擊的對象（即建筑物）實(shí)際承受的雷擊參量大小，這些參量應(yīng)按一定概率下最不利的情況考慮。因此防雷工程中所關(guān)心的雷電參量，不再只與雷電本身有關(guān)，還與受雷擊對象的特性相關(guān)。,首次短時(shí)雷擊的雷電流參數(shù),后續(xù)短時(shí)雷擊的雷電流參數(shù),長時(shí)間雷擊的雷電流參數(shù),（3）雷電波的表述

5、 通常用T1/T2波形表達(dá)，這里符號“/”沒有除法運(yùn)算的含義，僅指雷電波波頭時(shí)間與半峰時(shí)間的一種組合。 例如，常用的試驗(yàn)波形有10/350μs電流波、8/20μs電流波、1.2/50μs電壓波等。,第二節(jié) 雷電能量在導(dǎo)體上的傳輸,一、傳輸線 1、集中與分布參數(shù)電路 關(guān)鍵：電路尺寸與電磁波波長的相對大小。 電路尺寸 遠(yuǎn)小于 電磁波波長——集中參

6、數(shù)電路 電路尺寸 可比于 電磁波波長——分布參數(shù)電路 為什么幾何尺寸尺寸如此重要？,,2、傳輸線簡介 （1）集中與分布參數(shù)電路的主要區(qū)別 集中參數(shù)電路：電流、電壓只是時(shí)間的函數(shù)，在一個(gè)支路范圍內(nèi)與位置無關(guān)。 u=u（t），i=i（t） 分布參數(shù)電路：電流、電壓不僅是時(shí)間的函數(shù)，還是位置的函數(shù)，即：

7、 u=u（x，t），i=i（x，t） 因此，分布參數(shù)電路中沒有節(jié)點(diǎn)、支路等概念，KCL、KVL不再成立。,,（2）傳輸線的波阻抗。傳輸線上某一點(diǎn)同向傳輸?shù)碾妷弘娏髦?，叫做該點(diǎn)的波阻抗。 Z（x）=u（x，t）/i（x，t） 波阻抗也是一個(gè)位置的函數(shù)。 解釋線性傳輸線，均勻傳輸線，傳輸線的波阻抗。

8、 波阻抗只表明某一點(diǎn)上電壓和電流的比例關(guān)系，但并不表明能量消耗，因此與集中參數(shù)電路中的阻抗有本質(zhì)的差異。,,（3）傳輸線的等效電路。 如何用集中參數(shù)電路的方法去分析實(shí)為分布參數(shù)電路的傳輸線？ “長”與“短”的相對性及條件轉(zhuǎn)換。 傳輸線上某一點(diǎn)和緊鄰的下一點(diǎn)上電流都可能不同，說明傳輸線上可以有凈電荷的集聚。,,,傳輸線的集中參數(shù)等效電路 無限分割＋

9、級聯(lián)組合,,二、傳輸線上的行波 （1）對行波的理解。 整體看：傳輸線比作鐵路，行波就好比火車。 就傳輸線上任一固定點(diǎn)看：該點(diǎn)上電壓（電流）隨時(shí)間的變化，表明不同時(shí)刻通過該點(diǎn)的電壓（電流）行波的瞬時(shí)值。 行波實(shí)際表明了能量在空間的傳輸。 （2）行波波速 v 2=1/（L0C0）=1/（μ0ε0

10、 ）,,（3）行波的折射與反射。當(dāng)傳輸路徑上波阻抗變化時(shí)，由于電場與磁場能量的重新分配，會產(chǎn)生波的折射與反射現(xiàn)象。 電流波：表明了磁場能量的傳播。 電壓波：表明了電場能量的傳播。 波阻抗：表明了磁場與電場能量的比例。 根據(jù)能量守恒定律，波阻抗變化時(shí)，會發(fā)生電場和磁場能量的轉(zhuǎn)換，使電流波和電壓波發(fā)生變化。 （4）示例。,,末端短路

11、,末端開路,三、導(dǎo)體上雷電能量傳輸與傳輸線的關(guān)系 雷電波中能量不可忽略的諧波頻率達(dá)MHz級。相對應(yīng)的波長為幾十到幾百米，已小于一般電力或信息線路長度，達(dá)到與建筑物尺度可比擬的程度。 討論線路上雷電能量傳輸時(shí)，均將其看作為行波。 討論建筑物上雷電能量傳輸時(shí)，有時(shí)仍可近似將導(dǎo)體當(dāng)作集中參數(shù)電路處理。,第三節(jié) 工程防雷體系及建筑物防雷類別,一、工程防雷體系

12、 1、工程防雷標(biāo)準(zhǔn)簡述 IEC/TC81——國際電工委員會雷電防護(hù)技術(shù)委員會。IEC-61024（1990實(shí)施）→IEC-62305（2003始逐漸替換IEC-61024） IEC/TC64——國際電工委員會建筑物電氣裝置和電擊防護(hù)技術(shù)委員會。 IEC/TC37——國際電工委員會避雷器和電涌保護(hù)器技術(shù)委員會。,2、工程防雷體系結(jié)構(gòu),,二、建筑物防雷類別

13、 1、建筑防雷類別劃分的目的與結(jié)果 （1）目的。明確建筑物受雷擊的概率，明確建筑物受雷擊后果的嚴(yán)重程度，明確防護(hù)嚴(yán)密程度要求。 （2）類別劃分。劃分為三個(gè)類別。一類防雷要求最高，二類次之，三類最低。 不在以上三個(gè)類別中的建筑物，可不做人工防雷。,2、建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)N計(jì)算 該參數(shù)表明了建筑物受雷擊的概率，有專門的工程計(jì)算方法，與

14、建筑物體量、雷電氣象參數(shù)、建筑物所處位置環(huán)境狀況等有關(guān)。 該參數(shù)是劃分建筑物防雷類別的重要依據(jù)之一。,第四節(jié) 建筑物外部防雷系統(tǒng),主要防直擊雷（含頂擊和側(cè)擊），也包括反擊。 外部防雷系統(tǒng)是建筑防雷體系中的第一道防線，是內(nèi)部防雷的基礎(chǔ)，是預(yù)防性體系。 基本思路：控制雷電能量走向，使其以對建筑物危害最小的方式泄放。,,一、系統(tǒng)構(gòu)成 由接閃器、引下線和接地裝置

15、構(gòu)成。 1、接閃器 作用：引雷擊向自身，以控制雷云向建筑物放電的部位，實(shí)質(zhì)為引雷器。一般設(shè)置在高出建筑物的高度上。 原理：利用自身高出建筑物的突出地位和金屬材料能夠快速聚集大量電荷的特性，以及尖端放電機(jī)理，控制雷電先導(dǎo)的發(fā)展方向。,類型：人工接閃器，自然接閃器。 人工接閃器：避雷針、線、帶、網(wǎng)等。 自然接閃器：金屬屋面、桿塔等。,,2、引下線：

16、 作用：將接閃器接受的雷電能量由高處引向大地。 常見類型：人工引下線，自然引下線。 人工引下線：鍍鋅圓鋼、扁鋼，同軸屏蔽電纜等。 自然引下線：建筑物柱內(nèi)鋼筋等，構(gòu)筑物金屬桿體等。,,3、防雷接地體 作用：使雷電能量更有效率地向大地泄放。 常見類型：自然接地體，人工接地體。 詳見本章工程接地裝置部分。,建筑

17、物防雷系統(tǒng)示例,二、接閃器保護(hù)范圍 滾球法、網(wǎng)格尺寸法、折線法（不推薦）。 1、滾球法 （1）原理。設(shè)立以hr為半徑的一個(gè)假想硬殼球體（稱為滾球），沿需要防直擊雷的部位滾動，當(dāng)球體只能觸及接閃器、或只觸及接閃器和地面，而不能觸及被保護(hù)建筑物時(shí)，則建筑物各部位就得到接閃器的保護(hù)，否則需要對建筑物上被滾球觸及的區(qū)域進(jìn)一步設(shè)置保護(hù)，,（2）應(yīng)用。用于各種接閃器保護(hù)范圍確定，也用

18、于較高建筑物對鄰近較低建筑物保護(hù)范圍確定。 （3）滾球半徑hr取值。按建筑物防雷類別固定取值： 一類防雷建筑：30m； 二類防雷建筑：45m； 三類防雷建筑：60m。,2、網(wǎng)格尺寸法 控制避雷網(wǎng)網(wǎng)格尺寸大小，就能有效地保護(hù)建筑物。（以下單位：m） 一類防雷建筑：5X5或6X4以下。 二

19、類防雷建筑：10X10或12X8以下。 三類防雷建筑：20X20或24X16以下。 滾球法與網(wǎng)格尺寸法的關(guān)系：滾球法適用于任何接閃器，網(wǎng)格尺寸法適用于避雷網(wǎng)。對避雷網(wǎng)，兩種方法可各自獨(dú)立應(yīng)用，滿足其一即可。,小結(jié) 滾球法：準(zhǔn)確性較好，概念明晰，適用面廣，建筑電氣工程多有采用，特別適用于避雷針、線的保護(hù)范圍確定。 網(wǎng)格尺寸法：簡單明了，對避雷網(wǎng)式接閃器

20、特別方便。 折線法：準(zhǔn)確性和應(yīng)用方便性不好，但電力工程中仍在采用。,三、典型接閃器保護(hù)范圍計(jì)算 （一）避雷針保護(hù)范圍計(jì)算 1、單只避雷針保護(hù)范圍計(jì)算 分針高小于和大于滾球半徑兩種情況。 針高大于滾球半徑時(shí)，高出滾球半徑的部分對增大保護(hù)范圍無效，保護(hù)范圍按針高等于滾球半徑計(jì)算。,針高小于滾球半徑時(shí)避雷針保護(hù)范圍計(jì)算,2、兩只等高

21、避雷針保護(hù)范圍計(jì)算,（二）避雷線的保護(hù)范圍 只考慮等高桿塔的情況。分避雷線高小于和大于滾球半徑兩種情況。,3、單根避雷線保護(hù)范圍,線高大于滾球半徑,勘誤：教材圖4-15a有誤，左側(cè)多了一個(gè)h標(biāo)注，以更改后的本圖為準(zhǔn),線高小于滾球半徑,,四、外部防雷系統(tǒng)導(dǎo)致的次生雷害 1、反擊及防護(hù) （1）反擊原理。 雷電流下泄入地的過程中，會在引下線和接地阻抗 上產(chǎn)

22、生壓降，該壓降使接地體和引下線上產(chǎn)生很高的對地電壓，位置越高，對地電壓越大。該電壓可能高到擊穿一定厚度的空氣或土壤的程度，向仍處于地電位的金屬體放電，產(chǎn)生與雷擊放電類似的危害。這種現(xiàn)象稱為反擊。,,（2）反擊的防范 間距：使防雷引下線和接地體與其他金屬體間拉開足夠的距離，增大擊穿所需電壓，從而避免反擊。一般地上間距大于5m，地下大于3m。 等電位：在確信不會產(chǎn)生其他不良后果的前提下，將引下線與

23、附近的金屬體電氣聯(lián)通，強(qiáng)制等電位，避免反擊發(fā)生。,,,2、雷電電磁感應(yīng)防護(hù) （1）產(chǎn)生原理（圖見下頁） （2）危害：缺口火花放電或高壓擊穿，感應(yīng)過電流 （3）防護(hù)措施 僅一類防雷建筑需要考慮。 通過跨接等方式閉合開口金屬環(huán)、避免出現(xiàn)大的金屬環(huán)路。 ***還有一種靜電感應(yīng)雷危害，其防護(hù)方式此處不作介紹。,圖

24、8-3 開口金屬環(huán)上的電磁感應(yīng)過電壓,五、側(cè)擊雷及其防護(hù) 需要防側(cè)擊雷的部位：滾球法確定。 防護(hù)方法：建筑邊梁或圈梁中主鋼筋焊接環(huán)通，并與外墻所有金屬體及頂擊雷防雷引下線電氣連接。每三層作一次。,第五節(jié) 建筑物內(nèi)部防雷系統(tǒng)及雷擊電磁脈沖防護(hù),一、傳統(tǒng)建筑物防雷與雷擊電磁脈沖防護(hù)的關(guān)系 傳統(tǒng)的建筑物內(nèi)部防雷：主要是防雷電感應(yīng)和雷電波沿管線的侵入，防護(hù)的目標(biāo)是避免在建筑物內(nèi)引起

25、火花放電和出現(xiàn)電位差。 涉及建筑物內(nèi)電氣電子系統(tǒng)防雷問題時(shí)，又將雷電感應(yīng)（輻射耦合的雷電能量）和侵入雷電波（傳導(dǎo)耦合的雷電能量）統(tǒng)稱為雷擊電磁脈沖，防護(hù)的目標(biāo)是避免電氣電子設(shè)備損壞，防護(hù)體系的名稱叫雷擊電磁脈沖防護(hù)。,技術(shù)措施重疊區(qū)域：雷擊電磁脈沖防護(hù)分兩個(gè)環(huán)節(jié)，其一在建筑物上實(shí)施，其二在電氣電子系統(tǒng)中實(shí)施。在后一環(huán)節(jié)，雷擊電磁脈沖防護(hù)與傳統(tǒng)建筑物內(nèi)部防雷措施部分重疊。 重疊區(qū)域處理：不重復(fù)實(shí)

26、施。,二、傳統(tǒng)建筑物內(nèi)部防雷措施 1．感應(yīng)雷及其防護(hù) （1）設(shè)置防感應(yīng)雷的接地裝置。建筑中所有金屬都接于該地，以避免出現(xiàn)電位差。 （2）封閉開口金屬環(huán)；避免大面積金屬環(huán)路。 如：管線連接處跨接，平行金屬管線之間跨接等。 目的：避免感應(yīng)電壓擊穿空氣產(chǎn)生電火花。,2．侵入雷電波的防護(hù) 路徑：沿金屬管線由室外引入

27、。 防護(hù)方法：在金屬管線進(jìn)入建筑物處作等電位連接（消除由室外引入的電位差），并與防感應(yīng)雷接地裝置相連（泄放由室外引入的雷電能量）。,三、雷擊電磁脈沖防護(hù)的防雷區(qū)及劃分 1、雷擊電磁脈沖（LEMP——Lightning Electromagnetic impulse） 指作為干擾源的電閃電流和電閃電磁場。 來源：天空雷電電磁輻射；防雷系統(tǒng)下泄雷電流時(shí)產(chǎn)

28、生的電磁感應(yīng)；各種外部管線傳導(dǎo)引入的雷電電磁波。 研究特點(diǎn)：主要考慮對低壓系統(tǒng)和電子信息系統(tǒng)的影響，而這些系統(tǒng)的承受能力可能低至mJ級，因此傳統(tǒng)外部防雷系統(tǒng)不能有效防護(hù)。,,1、防雷區(qū)及劃分 根據(jù)（1）被保護(hù)空間可能遭受LEMP的嚴(yán)重程度及（2）被保護(hù)系統(tǒng)（設(shè)備）所要求的電磁環(huán)境，可將被保護(hù)空間劃分為不同的區(qū)域，稱為防雷區(qū)。 與建筑物防雷類別的區(qū)別：

29、 建筑防雷類別：對不同建筑的整體劃分，防直擊雷、感應(yīng)雷等。 防雷區(qū)：對同一建筑內(nèi)部的空間劃分，防LEMP。,,（1）LPZ0A區(qū)：本區(qū)內(nèi)各物體都可能遭受雷擊，各物體都可能導(dǎo)走全部雷電流，本區(qū)內(nèi)電磁場沒有衰減。 如：建筑物接閃器保護(hù)范圍以外的區(qū)域，像屋面未作保護(hù)的空調(diào)冷卻搭所處區(qū)域。 （2）LPZ0B區(qū)：本區(qū)內(nèi)各物體不可能遭受直接雷擊，但電磁場并未衰減。 如

30、：屋面以上接閃器保護(hù)范圍內(nèi)的空間。 LPZ0A和LPZ0B區(qū)一般都處于建筑物外。,,（3）LPZ1區(qū)：本區(qū)內(nèi)各物體不可能遭受直接雷擊，流經(jīng)導(dǎo)體的電流進(jìn)一步減小，電磁場可能衰減。 如：頂層室內(nèi)空間。 （4）隨后的防雷區(qū)LPZ2、3…根據(jù)系統(tǒng)（設(shè)備）承受能力做進(jìn)一步劃分。,,四、實(shí)施在建筑物上的雷擊電磁脈沖防護(hù)措施 1、等電位聯(lián)結(jié) 在不同

31、防雷區(qū)的交界面實(shí)施。 作用：均衡電位，分流。 主要技術(shù)指標(biāo)：分流系數(shù)。 2、屏蔽 在需要的空間區(qū)域墻、地、頂上實(shí)施。 作用：主要衰減輻射耦合的LEMP。 主要技術(shù)指標(biāo)：衰減系數(shù)。,外來導(dǎo)電物從同一位置進(jìn)入建筑物的等電位聯(lián)結(jié),外來導(dǎo)電物多點(diǎn)進(jìn)入建筑物的等電位聯(lián)結(jié),屏蔽作法示例,等電位聯(lián)結(jié)與屏蔽示例,第六節(jié)

32、工程接地裝置,接地裝置是接地得以實(shí)施的前提條件，厘清接地技術(shù)與接地裝置間的關(guān)系。工程接地裝置構(gòu)成與分類：,一、人工接地體 1、垂直接地極 作法：角鋼、鋼管等型材，鍍鋅防腐。 深度：與接地電阻反相關(guān)，但達(dá)到一定深度（一般約為3m）后，對接地電阻影響減小到可忽略。 間距：與接地電阻正相關(guān)，但間距小于5m后，因屏蔽效應(yīng)，對接地電阻影響減小到可忽略。,2、

33、水平接地極 作法：扁鋼、圓鋼等型材，鍍鋅防腐。 深度：一般埋深在0.6m以下。 間距：一般不小于5m，最大間距要考慮電位均衡問題。 3、接地網(wǎng) 作法：由水平接地極構(gòu)成閉合環(huán)路，可有若干網(wǎng)格，水平接地極還可連接垂直接地極。,圖8-31 人工接地體a)垂直埋設(shè)的管形或棒形接地體 b)水平埋設(shè)的帶形接地體,加裝均壓帶的接地網(wǎng)

34、,車間變電所的接地裝置平面布置圖,二、自然接地體 接地極由建筑基礎(chǔ)金屬構(gòu)件形成、接地引線也可利用結(jié)構(gòu)金屬形成。,三、跨步電壓,四、接地電阻測試 1、兩電極法及存在的問題 關(guān)鍵問題：測試極C的接地電阻與被測對象E的接地電阻不能分離。 測試結(jié)果：,2、三電極法,原理：將被測接地體上的電壓、電流分離測量。,關(guān)鍵點(diǎn)：P電極處于地電位處，且P電極上無電