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高层建筑电气设计建筑物的安全及防护防雷接地等电位联结漏电保护电磁兼容本章学习内容雷电的形成过程可分为气流上升、电荷分离和放电三个阶段。在雷雨季节，地面上的水分受热变成蒸汽上升，与冷空气相遇之后凝成水滴，形成积云。云中水滴受强气流摩擦产生电荷，小水滴容易被气流带走，形成带负电的云；较大水滴形成带正电的云。由于静电感应，大地表面与云层之间、云层与云层之间会感应出异性电荷，当电场强度达到一定值时，即发生雷云与大地或雷云与雷云之间的放电。第一节防雷雷电是一种常见自然现象，能产生强烈的闪光、霹雳；落到地面上，会击毁房屋、杀伤人畜，给人类带来极大危害。因此防雷是现代建筑物、电气设备和线路必须采用的重要安全保护措施，防雷接地工程图是建筑电气工程图中不可缺少的图纸。一、雷电的形成及危害1、雷电的形成——“水滴分裂理论”解释第一节防雷2、雷电的类型直击雷（侧击雷)雷云与大地之间直接通过建（构）筑物、电气设备或树木等放电称为直击雷。往往会引起火灾或爆炸，造成建筑物倒塌、设备毁坏及人身伤害等重大事故。直击雷的破坏最为严重！第一节防雷措施：防止直击雷的措施主要采取避雷针、避雷带、避雷线、避雷网作为接闪器，把雷电流接受下来，通过接地引下线和接地装置，将雷电流迅速而安全送到大地，保证建筑物、人身和电气设备的安全。感应雷击是由静电感应或电磁感应引起的。感应雷会引起过电压，可能引起火花放电，造成火灾或爆炸，并危及人身安全。感应雷——二次雷措施：将建筑物的金属屋顶、建筑物内的大型金属物品等，做良好的接地处理，使感应电荷能迅速流向大地，防止在缺口处形成高电压和放电火花。第一节防雷据调查统计，供电系统中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％-70％。雷电波侵入雷电波的侵入主要是指直击雷或感应雷从输电线路、通讯光缆、无线天线等金属的引入线引入建筑物内，发生闪击和雷击事故。此外，由于直击雷在建筑物或建筑物附近入地，通过接地网入地时，接地网上会有数十千伏到数百千伏的高电位，这些高电位可以通过系统中的零线、保护接地线或通讯系统的地线，以波的形式传入室内，沿着导线的传播方向扩大范围。第一节防雷措施：在输电线路等能够引起雷电波侵入的设备，在进入建筑物前装设避雷器保护装置(限制雷电过电压)。球形雷的形成研究还没有完整的理论，通常认为它是一个温度极高的特别明亮的眩目发光球体，直径为10～20cm或更大。球形雷通常在电闪后发生，以每秒几米的速度在空气中漂行，它能从烟囱、门、窗或孔洞进入建筑物内部造成破坏。第一节防雷球形雷二、建筑物易受雷击的部位建筑物易受雷击部位与多种因素有关，特别是建筑物屋顶坡度与雷击部位关系较大。第一节防雷①平屋面或坡度不大于1/10的屋面——檐角、女儿墙、屋檐，如图（a）、（b）。②坡度大于1/10且小于1/2的屋面——屋角、屋脊、檐角、屋檐，如图（c）。③坡度不小于1/2的屋面——屋角、屋脊、檐角，如图（d）。三、建筑物防雷装置的组成接闪器指直接接受雷击的避雷针、避雷带（线）、避雷网，以及用作接闪的金属屋面和金属构件等。引下线指连接接闪器和接地装置的金属导体。接地装置将引至的雷电流安全无害地释放到大地的部分。第一节防雷作用原理：将雷电引向自身并安全导入大地内，从而使被保护的建筑物免遭雷击。所有接闪器都必须经过接地引下线与接地装置相连接。1、接闪器第一节防雷种类安装部位材料规格备注避雷针屋面烟囱、水塔针长1m以下：圆钢直径12mm钢管直径20mm针长1～2m：圆钢直径16mm钢管直径25mm圆钢直径20mm钢管直径40mm避雷针的保护角：平原地区：45山区：37避雷带避雷网屋面圆钢直径8mm扁钢截面48mm2，厚度4mm避雷环烟囱、水塔顶部圆钢直径12mm扁钢截面100mm2，厚度4mm接闪器的最小尺寸避雷针避雷针是安装在建筑物突出部位或独立装设的针形导体。引雷针第一节防雷在一定高度的避雷针下面，有一个安全区域，在这个区域中的物体基本上不致遭受雷击，故称为避雷针的保护范围。单支避雷针保护范围可以用“滚球法”求得，其形状是一个对称的锥体。不同防雷类别的滚球半径建筑物的防雷类别滚球半径hr（m）一类30二类45三类60（1）当避雷针高度h小于或等于滚球半径hr时①距地面hr处作一平行于地面的平行线。②以避雷针针尖为圆心，以hr为半径，作弧线交平行线于A、B两点。③分别以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该两条弧线上与避雷针尖相交，下与地面相切，再将此两条弧线以避雷针为轴旋转180°，形成的圆弧曲面体空间就是避雷针的保护范围。第一节防雷第一节防雷④避雷针在hx高度x—x′平面上的保护半径rx按下式确定：（2）当避雷针高度hhr时，在避雷针上取高度hr的一点代替单支避雷针的针尖作为圆心，其余同第（1）条方法。计算中取h=hr，xrxrxr=h(2h-h)-h(2h-h)【例7.1】某厂有一座二类防雷建筑物，高10m，其屋顶最远一角距离高47.5m的烟囱为15m远，烟囱上装有一根2.5m高的避雷针。试用“滚球法”验算此避雷针能否保护这座建筑物。第一节防雷【解】已知滚球半径hr=45m（二类防雷建筑物），h=47.5+2.5=50m，hx=10m，因为hhr，所以取h=hr，在rx水平面上避雷针的保护半径为所以避雷针能保护该建筑物。第一节防雷避雷带和避雷网避雷网是纵横交错的避雷带叠加在一起，形成多个网孔，它既是接闪器，又是防感应雷的装置，因此是接近全部保护的方法，一般用于重要的建筑物。第一节防雷避雷带是指在平顶房子屋顶四周的女儿墙或坡屋顶的屋脊、屋檐上装上金属带作为接闪器，并把它与大地良好连接。避雷网也可做成笼式避雷网，简称为避雷笼。避雷笼是用来笼罩整个建筑物的金属笼。根据电学中的法拉第笼的原理，对于雷电它起到均压和屏蔽的作用，任凭接闪时笼网上出现多高的电压，笼内空间的电场强度为零，笼内各处电位相等，形成一个等电位体，因此笼内人身和设备都是安全的。法拉第笼高层建筑防雷设计多采用避雷笼。避雷笼特点把整个建筑物梁、柱、板、基础等主要结构钢筋连成一体，因此是最安全可靠的防雷措施。“鸟巢”表面没有一般大型建筑上的避雷针。它的钢结构通过焊接方式进行连接，遭到闪电袭击时，钢结构就成为一个巨大的接收闪电装置。“鸟巢”内几乎所有的设备都与避雷网做了可靠连接，雷电来临的瞬间，能顺利将巨大电流导入地下，保证了场馆自身、仪器设备和人身安全。第一节防雷它适于安装在建筑物的屋脊、屋檐(坡屋顶)或屋顶边缘及女儿墙(平屋顶)等处，对建筑物易受雷击部位进行重点保护。避雷带和避雷网的安装可分为明装和暗装两种方式。①明装第一节防雷②暗装暗装避雷网是利用建筑物内的钢筋做避雷网，它较明装避雷网美观，尤其是在工业厂房和高层建筑中应用较多。第一节防雷例如：建筑物全部为钢筋混凝土结构时，可将结构圈梁钢筋与柱内充当引下线的钢筋进行连接(焊接)作为均压环。当建筑物为砖混结构但有钢筋混凝土组合柱和圈梁时，均压环做法同钢筋混凝土结构。没有组合柱和圈梁的建筑物，应每3层在建筑物外墙内敷设一圈12mm镀锌圆钢作为均压环，并与防雷装置的所有引下线连接，2、引下线第一节防雷种类安装部位材料规格备注人工引下线外墙（经最短路径接地）圆钢直径8mm；扁钢截面48mm2，厚度4mm1．多根引下线时，为便于测量接地电阻，在各引下线上距地0.3m～1.8m之间设置断接卡。2．在易受机械损伤的地方，地上约1.7m至地下0.3m的一段接地线暗敷或加镀锌角钢、改性塑料管或橡胶管保护。建筑物的金属构件、金属烟囱、金属爬梯烟囱、水塔圆钢直径12mm；扁钢截面100mm2，厚度4mm引下线还可利用混凝土内钢筋、钢柱等作自然引下线。竖向钢筋可作为引下线，横向钢筋若与引下线有可靠的连接（绑扎或焊接）时，可作均压环。引下线的规格断接卡设置断接卡的目的是为了便于运行、维护和检测接地电阻。当利用混凝土内钢筋、钢柱等自然引下线并同时采用基础接地体时，可不设断接卡。第一节防雷利用钢筋作引下线时应在室内外适当地点设若干连接板，该连接板可供测量、接人工接地体和做等电位连接用。当仅利用钢筋做引下线并采用埋于土壤中的人工接地体时，应在每根引下线上距地面不低于0.3m处设接地体连接板。连接板明敷引下线与断接卡暗敷引下线与断接卡暗敷引下线，明装连接板暗敷引下线，暗装连接板自然接地体即兼作接地用的直接与大地接触的各种金属构件，如建筑物的钢结构、行车钢轨、埋地的金属管道(可燃液体和可燃气体管道除外)等。指埋入土壤中或混凝土基础中作散流用的金属导体。接地体分人工接地体和自然接地体两种。人工接地体即直接打入地下专作接地用的经加工的各种型钢或钢管等。按其敷设方式可分为垂直接地体和水平接地体。3、接地装置接地装置是接地体(或称接地极)和接地线的合称，它的作用是把引下线引下的雷电流迅速流散到大地土壤中去。接地体第一节防雷人工垂直接地体的长度宜为2.5m。人工垂直接地体间的距离及人工水平接地体间的距离宜为5m，当受地方限制可适当减小。人工接地体在土壤中的埋设深度不应小于0.5～0.8m。埋入土壤中的人工水平接地体宜采用扁钢或圆钢。圆钢直径不应小于10mm；扁钢截面积不应小于100mm2，其厚度不应小于4mm；角钢厚度不应小于4mm；钢管壁厚不应小于3.5mm。第一节防雷埋入土壤中的人工垂直接地体宜采用角钢、钢管或圆钢。接地线接地线是从引下线断接卡或换线处至接地体的连接导体，是接地体与接地体之间的连接导体。接地线应与水平接地体的截面相同。高层建筑中，常常利用柱子和基础内的钢筋作为引下线和接地体。——基础接地体必须说明的是，不仅仅是防雷装置的接闪器需要接地，电气工程中的很多电气设备为了正常工作和安全运行，其中性点或金属构架、外壳都必须接地，即必须配备相应的接地装置，这种接地装置的组成与防雷装置的是一样的。第一节防雷人工垂直接地极与水平接地母线的焊接电气设备金属外壳的接地四、避雷器第一节防雷与被保护设备并联安装，防止雷电波侵入建筑物室内、故障或操作引起的过电压破坏的防雷器件。避雷器主要由放电间隙、可变电阻及电磁吹弧元件组成。当雷电流过来时，避雷器在导线与大地之间提供一低阻抗的导电通路，让雷电流导入大地，以减少过电压。第一节防雷最简单的防雷设备。保护间隙一般用镀锌圆钢制成，由主间隙和辅助间隙两部分组成。主间隙做成角形的，水平安装，以便灭弧。为了防止主间隙被外来的物体短路而引起误动作，在主间隙的下方串联有辅助间隙。因为保护间隙灭弧能力弱，一般要求与自动重合闸装置配合使用，以提高供电的可靠性。保护间隙应用于10kV以下配电网中管式避雷器的基本元件是安装在产气管内的火花间隙，间隙由棒型和环型电极构成。管式避雷器由灭弧管内间隙和外间隙组成。灭弧管一般用纤维胶木等能在高温下产生气体的材料制成。当雷电波过电压来临时，管式避雷器的内、外间隙被击穿，雷电流通过接地线泄入大地。接踵而来的工频电流产生强烈的电弧，电弧燃烧管壁并产生大量气体从管口喷出，很快地吹灭电弧。同时外部间隙恢复绝缘，使灭弧管或避雷器与系统隔开，系统恢复正常运行。第一节防雷管式避雷器——排气式避雷器应用于户外第一节防雷因管式避雷器是靠工频电流产生气体而灭弧的，如果开断的短路电流过大，产气过多超出灭弧管的机械强度时，会使其开裂或爆炸，因此管式避雷器通常用于户外。第一节防雷常用的阀型避雷器有碳化硅和氧化锌为主要原料的两类。目前主要使用的是氧化锌压敏电阻制成的避雷器。每一块压敏电阻从制成起就有开关电压（压敏电压），当加在压敏电阻上的电压低于开关电压时，压敏电阻呈现高电阻值状态；当加在压敏电阻两端的电压高于开关电压时，压敏电阻被击穿，呈现低电阻值。当电力线路被雷击时，雷电波的高电压使压敏电阻击穿，雷电流通过压敏电阻流入大地，使电力线路上的雷电压被遏制在安全范围内。当雷电流消失后，压敏电路恢复成高阻状态，电力线路恢复正常供电。阀式避雷器第一节防雷第一节防雷目前各国制造的磁吹避雷器主要有以下两种：FCD型----保护旋转电机电压一般2-15KVFCZ型----保护变电站设备电压一般