防雷工程技术培训班讲义

1防雷工程技术培训班讲义李国良(2007年7月于昆明)●防雷击电磁脉冲一、雷电流典型波形及雷击参数定义二、雷暴日等级、雷电防护区（LPZ）及雷电防护等级划分三、建筑物防雷装置(综合防雷系统)的组成四、屏蔽五、合理布线六、等电位连接七、共用接地系统八、安装电涌保护器（SPD）2一、雷电流及其一、雷电流典型波形及雷击参数定义（一）雷电流典型波形及雷击参数定义（见图1）1、峰值电流I。2、波头（波前）时间T1。3、半值时间T2。4、长时间雷击电荷量Q1。5、长时间雷击持续时间T。（二）闪电中可能出现的三种雷击（见图2）1、首次雷击。2、首次以后的雷击（后续雷击）。3、长时间雷击。3雷电流参数防雷建筑物类别一类二类三类I幅值(kA)200150100T1波头时间（µs）101010T2半值时间（µs）350350350Qs电荷量（C）1007550W/R单位能量（MJ/Ω）105.62.5（三）雷电流（流入雷击点的电流）参数1、首次雷击、首次以后的雷击（后续雷击）及长时间雷击的雷电流参量（见下表1、2、3）。首次雷击的雷电流参量表14首次以后雷击的雷电流参量表2雷电流参数防雷建筑物类别一类二类三类I幅值(kA)5037.525T1波头时间（µs）0.250.250.25T2半值时间（µs）100100100I/T1平均陡度（kA/µs）200150100长时间雷击的雷电流参量表3雷电流参数防雷建筑物类别一类二类三类Q1电荷量(C)200150100T时间（s）0.50.50.5从以上雷电流参量可以看出，雷电闪击按时间划分有长时间雷击和短时雷击。5二、地区雷暴日等级、雷电防护区（LPZ）及雷电防护等级划分(一)地区雷暴日等级划分地区雷暴日等级应根据年平均雷暴日数划分。地区雷暴日等级宜划分为少雷区、多雷区、高雷区、强雷区，应符合下列规定：1少雷区：年平均雷暴日在20天及以下的地区；2多雷区：年平均雷暴日大于20天，不超过40天的地区；3高雷区：年平均雷暴日大于40天，不超过60天的地区；4强雷区：年平均雷暴日超过60天以上的地区。6（二）建筑物雷电防护区（LPZ）划分原则1LPZ0A区：本区内的各物体都可能遭到直接雷击和导走全部雷电流；本区内的电磁场强度没有衰减。2LPZ0B区：本区内的各物体不可能遭到大于所选滚球半径对应的雷电流直接雷击，但本区内的电磁场强度没有衰减。接闪器LPZ1LPZ2LPZnLPZ0ALPZ0ALPZ0ALPZ0BLPZ0BLPZ0B雷电防护区（LPZ)——需要规定和控制雷击电磁环境的区域73LPZ1区：本区内的各物体不可能遭到直接雷击，流经各导体的电流比LPZ0B区更小；本区内的电磁场强度可能衰减，这取决于屏蔽措施。4LPZn+1后续防雷区：当需要进一步减小流入的电流和电磁场强度时，应增设后续防雷区，并按照需要保护的对象所要求的环境区选择后续防雷区的要求条件。n=1、2、…。接闪器LPZ1LPZ2LPZnLPZ0ALPZ0ALPZ0ALPZ0BLPZ0BLPZ0B8(三)雷电防护等级划分1.按雷击风险评估确定雷电防护等级2.按建筑物电子信息系统的重要性和使用性质确定雷电防护等级建筑物电子信息系统雷电防护等级的选择表雷电防护等级电子信息系统A级1.大型计算中心、大型通信枢纽、国家金融中心、银行、机场、大型港口、火车枢纽站等。2.甲级安全防范系统，如国家文物、档案库的闭路电视监控和报警系统。3.大型电子医疗设备、五星级宾馆。B级1.中型计算中心、中型通信枢纽、移动通信基站、大型体育场（馆）监控系统、证券中心。2.乙级安全防范系统，如省级文物、档案库的闭路电视监控和报警系统。3.雷达站、微波站、高速公路监控和收费系统。4.中型电子医疗设备5.四星级宾馆。C级1.小型通信枢纽、电信局。2.大中型有线电视系统。3.三星级以下宾馆。D级除上述A、B、C级以外一般用途的电子信息设备9（四）在进行防雷设计时，应收集以下资料：1对于新建工程（1）被保护建筑物所在地区的地形、地物状况、气象条件（如雷暴日）和地质条件（如土壤电阻率）。（2）被保护建筑物（或建筑物群体）的长、宽、高度及位置分布，相邻建筑物的高度。（3）建筑物内各楼层及楼顶被保护的电子信息系统设备的分布状况。（4）配置于各楼层工作间或设备机房内被保护设备的类型、功能及性能参数（如工作频率、功率、工作电平、传输速率、特性阻抗、传输介质及接口型式等）。（5）电子信息系统的计算机网络和通信网络的结构。（6）电子信息系统各设备之间的电气连接关系、信号的传输方式。（7）供、配电情况及其配电系统接地型式。102对扩、改建工程，除应收集上述资料外，还应收集下列相关资料：（1）防直击雷接闪装置（避雷针、带、网、线）的现状；（2）防雷系统引下线的现状及其与电子信息设备接地线的安全距离。（3）高层建筑物防侧击雷的措施。（4）电气竖井内线路布置情况。（5）电子信息系统设备的安装情况。（6）电源线路、信号线路进入建筑物的方式。（7）总等电位连接及各局部等电位连接状况，共用接地装置状况（位置、接地电阻值等）。（8）地下管线、隐蔽工程分布情况。11三、建筑物防雷装置(综合防雷系统)的组成外部防雷措施内部防雷措施综合防雷系统安装电涌保护器(SPD)合理布线等电位连接屏蔽（隔离）共用接地系统接地装置屏蔽引下线接闪器（针、网、带、线）12（一）外部防雷措施—主要防范云地闪的直击雷危害(直击雷的声、光、电现象同时发生，击毁其放电通道上的人畜、建筑物、设备，已有较可靠的防护技术和产品)。（二）内部防雷措施—主要防范雷电电磁脉冲(LEMP)危害(雷电电磁脉冲通过感应作用和过电压波等形式对信息社会高度依赖的计算机网络等电子系统产生危害，成灾率更高，损失更大，往往悄然发生，是90年代以来雷电灾害最显著的特征，也是当前雷电防护科学技术需要解决的最重要课题之一。而LEMP防护是一项正在发展中的新技术)。13四、屏蔽雷电感应：闪电放电时，在附近导体上产生的静电感应和电磁感应，它可能使金属部件之间产生火花。电磁感应：由于雷电流迅速变化在其周围空间产生瞬变的强电磁场，使附近导体上感应出很高的电动势。（一）屏蔽是减少电磁干扰的基本措施。为减少电磁干扰的感应效应，应采取以下基本屏蔽措施：①建筑物或房间的外部屏蔽；②以合适的路径敷设线路，线路屏蔽。（二）在闪电击于格栅形大空间屏蔽以外附近的情况下，当无屏蔽时所产生的无衰减磁场强度H0的计算式为：H0=i0/(2·π·Sa)（A/m）式中i0——雷电流（A），应按上述雷电流参数选取；Sa——雷击点与屏蔽空间的平均距离（m）。14SaH1LPZ1入射磁场强度H0LPZOB被屏蔽空间内部的磁场大空间屏蔽Sa：雷击点与被屏蔽空间的平均距离邻近雷击的情况15（三）当有屏蔽时，在格栅形大空间屏蔽内，即在LPZ1区内的磁场强度从H0减为H1的计算式为：H1=H0/10SF/20（A/m）式中SF——屏蔽系数（dB），按以下表中公式计算：材料SF（dB）25kHz（见注①）1MHz（见注②）铜/铝钢（见注③）/W)log(8.5•20/W)log(8.5•20]/r10•18+1//W)5log[(8.•202-6/W)log(8.5•20注：①适用于首次雷击的磁场；②适用于后续雷击的磁场；③相对磁导系数µr≈200；④W—格栅形屏蔽的网格宽（m），适用于W≤5m；r—格栅形屏蔽网格导体的半径（m）安全距离ds/1=W·SF/10（m）格栅形大空间屏蔽的屏蔽系数16（四）在闪电直接击在位于LPZ0A区的格栅形大空间屏蔽上的情况下，其内部LPZ1区某点的磁场强度H1为：H1=KH·i0·W/（dw·）（A/m）式中dr—被考虑的点距LPZ1区屏蔽顶的最短距离（m）；dw—被考虑的点距LPZ1区屏蔽壁的最短距离（m）；kH—形状系数（1/），取KH=0.01（1/）；W—LPZ1区格栅形屏蔽的网格宽（m）。安全距离ds/2=w（m）rdmm17例：某幢三类防雷框架结构大楼，钢筋的直径为16mm，网格宽度为2米，距建筑物80米处发生云对地首次雷击，求该建筑物LPZ1区磁场强度和安全距离。解：已知I0=100KA，Sa=80m，r=8mm，w=2m（1）求磁场强度H0H0=i0/（2πSa）=100×103/（2×3.14×80）=199（A/m）（2）求LPZ1区磁场强度H1H1=H0/10SF/20SF=20log[(8.5/w)/]将w=2m，r=8×10-3m代入得SF=11.4910SF/20=3.75H1=199/3.75=53（A/m）（3）求安全距离ds/1ds/1=w·SF/10=2×11.49/10=2.3（m）2-6/r10×18+118五、合理布线对建筑物内各个系统线路按要求正确布线，能减轻和避免不同系统的导线之间的电磁感应及干扰。电子信息系统线缆与其它管线的间距应符合下表的规定。19六、等电位连接（一）由于雷闪时会发生电磁感应及静电感应，若进入建筑物的管线及室内设备未进行接地，则各设备、导体、管线等之间会产生不同的电位差，见下图所示：设备1U1=20伏设备2U2=50伏设备3U3=80伏混凝土中的钢筋U=10kV电缆、线路U=1000伏地电位U=0伏等电位连接：将分开的装置、诸导电物体用等电位连接导体或电涌保护器连接起来以减少雷电流在它们之间产生的电位差。20设备1设备2设备3等电位连接带混凝土中的钢筋电缆、线路如果将上图各设备、外来导电物与混凝土中钢筋连接、各导体、管线及设备之间就实现了等电位。如下图所示：（二）所有进入建筑物的外来导电物应在LPZ0A或LPZ0B与LPZ1的界面处做等电位连接。当外来导电物、电力线、通信线在不同地点进入建筑物时，宜设若干等电位连接带，并应将其就近连到建筑物接地装置上。21七、共用接地系统（一）接地电气设备的任何部份与土壤间作良好的电气连接叫接地。接地的作用是泄放雷电流入地；确保设备和人身安全；减轻雷电感应、静电感应和雷电过电压的危害。（二）接地应符合下列规定：1每幢建筑物本身应采用共用接地系统。2当相互邻近的建筑物之间有电力线和通信电缆连通时，宜将其接地装置互相连接。3防雷接地应与交流工作接地、直流工作接地、安全保护接地共用一组接地装置，接地装置的接地电阻值必须按接入设备中要求的最小值确定。4接地装置应利用建筑物的自然接地体，当自然接地体的接地电阻达不到要求时必须增加人工接地体。22(三)为什么要采用共用接地系统？1当防雷装置与各种金属物之间的安全距离不可能得到保证时，为防止防雷装置与邻近的金属导体之间出现高电位反击，应减小其间的电位差，因此，除了将屋内的金属导体做好等电位连接外，还应将各种接地（交流工作接地、安全保护接地、直流工作接地、防雷接地等）共用一组接地装置。2由于防雷装置直接装在建（构）筑物上，要保持防雷装置与各种金属物体之间的安全距离已不可能实现。此时，只能将屋内各种金属物体及进出建筑物的各种金属管线，进行严格的接地，而且所有接地装置都必须共用，并进行多处连接，使防雷装置和邻近的金属物体电位相等或降低其间的电位差，以防反击危险。23反击:当防雷装置接受雷击时，在接闪器、引下线和接地体上都产生很高的电位，如是防雷装置与建筑物内外电气设备、电线或其它金属管线绝缘距离不够，它们之间就会产生放电，这种现象称之为反击。共用接地系统：一建筑物接至接地装置的所有互相连接的金属装置，包括防雷装置。自然接地体：利用与大地接触的金属物体，如金属管道、构架、建筑物基础内的钢筋等兼作接地体。人工接地体：为接地需要而埋设的接地体，称人工接地体。一般可分为人工垂直接地体和人工水平接地体，二者可以结合使用。接地装置：接地体和接地线的总和。25S型等电位连接网络M型等电位连接网络26▲L/NPE热敏熔断丝压敏电阻断路指示器模块式电源避雷器(SPD)电路图ANPE单相电源电路K]ABCNKPE三相电源电路模块模块模块八、安装电涌保护器（SPD）SPD：目的在于限制瞬态过电压和分走电涌电流的器件，它至少含有一非线性元件。27信号避雷器(SPD)电路图