第8章防雷与接地.ppt
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1、第第8 8章章防雷与接地防雷与接地山东农业大学电气工程系2006年11月制作供配电工程u8.1 雷电放电u8.2 直击雷过电压的防护u8.3 感应雷过电压的防护u8.4 供配电系统的防雷保护u8.5 电气装置的接地u8.6 安全用电与触电急救第第8 8章章防雷与接地防雷与接地 8.1 雷电放电1、案例2、雷电的形成3、雷电的危害4、雷击人的主要形式5、我国建筑防雷的发展史6、网络防雷这是卫星拍摄下来的地球表面雷电放电现象这是在飞机上拍摄的云间雷电放电现象这是下行雷电放电的图片一、雷电的形成 1、雷电放电:雷电放电是指雷云与大地、雷云与雷云、雷云内部发生的一种气体放电现象。 2、雷云的形成:当空
2、中的尘埃、冰晶等物质在云层中翻滚运动的时候,经过一些复杂过程,使这些物质分别带上了正电荷与负电荷。一般在云层的下部积聚的是负电荷,而正电荷一般积聚在云层的上部。这样,同极性电荷的汇集就形成了一些带电中心,带有这些电荷中心的云称为雷云。雷雨云 一般专业书中讲的雷雨云就是指积雨云。云的形成过程是空气中的水汽经由各种原因达到饱和或过饱和状态而发生凝结的过程。使空气中水汽达到饱和是形成云的一个必要条件,其主要方式有: 水汽含量不变,空气降温冷却; 温度不变,增加水汽含量; 既增加水汽含量,又降低温度。 雷云由强大的潮湿的热气流不断上升进入稀薄的大气层冷凝的结果。强烈的上升气流穿过云层,水滴被撞分裂带电
3、。轻微的水沫带负电,被风吹的较高,形成大块的带负电的雷云;大滴水珠带正电,凝聚成雨下降,或悬浮在云中,形成一些局部带正电的区域。雷云的底部大多带负电,它在地面上会感应出大量的正电荷。这样,在带有大量不同极性或不同数量电荷的雷云之间,或者雷云与大地之间就形成强大的电场。随着雷云的发展和运动,一旦空间电场强度超过大气游离放电的临界电场强度就会发生云间或云对大地的放电。雷电的放电过程 雷电的放电过程 包括三个阶段 先导放电 主放电 余辉放电 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 流注停顿形成先导,先导分级向前发展,流注最后一次停顿后形成主放电,主放电阶段产生了闪
4、电和雷声,但仅有30%的电荷复合掉,70%的电荷在余辉阶段复合。 任一时刻,全球表面连续发展着大约1000个雷暴。地球上每天约发生800万次云对地的闪电,平均每秒钟有100次。雷暴发展的波动每天总是向西移动。 注意!雷电同样会向平坦的海平面放电。 雷电分上行雷和下行雷,以下行雷为例进行分析。流注停顿形成先导,先导分级向前发展,流注最后一次停顿后形成主放电,主放电阶段产生了闪电和雷声,但仅有30%的电荷复合掉,70%的电荷在余辉阶段复合。 一次雷电放电可能有多个分量,但每个分量都包括三个阶段。雷电按发展过程分类二、雷电参数 雷电放电的过程可以看成是一个具有一定内阻的电流源突然合闸到被击物上的过程
5、,所以描述雷电放电的主要参数有:雷电流(幅值)、波阻抗、雷电流陡度、雷暴日(小时)、地面落雷密度、雷电的标准波形等。 雷云雷电先导 迎雷先导 主放电阶段 余辉放电 u主放电电流很大,高达几百千安,但持续时间极短,一般只有 50100s。 u余辉放电阶段电流较小,约几百安,持续时间约为0.030.15s。雷电流波形 n雷电流由零增大到幅值的这段时间的波形称为波头wh(wave head)。n雷电流从幅值衰减到幅值的一半的一段波形称为波尾wt(wave tail)。n雷电波的陡度用雷电流波头部分的增长速度来表示,即 。 1、雷电流:指雷击低接地电阻被击物时流过被击物的电流。这里的低接地电阻是指30
6、以下的接地电阻。描述一个雷电的强弱用雷电流幅值来描述,在我国一般雷电活动地区雷电流幅值概率分布按 来分布,其中IL 是雷电流幅值,P是对应的雷电流幅值出现的概率,公式的含义是雷电流幅值超过108KA出现的概率是10%。在我国西北地区、内蒙古等地,雷电活动较弱,雷电流幅值较低,雷电流幅值概率分布按 来分布。2、波阻抗:雷电通道的波阻抗通常取Z=300400。3、雷电流陡度:雷电流随时间变化的速度,取值为雷电流幅值与雷电冲击波波头时间的比值。按建筑物防雷设计规范(GB50057-1994)的规定, 4、雷暴日(小时):一年中有雷电的日数称为雷暴日,一天只要听到一个雷声就作为一个雷暴日;一年中有雷电
7、的小时数称雷暴小时,即在一个小时内只要听到雷声就算作雷暴小时。1.雷暴日(T):一年中发生雷电放电的天数规程规定:T1515 T4040 T9090 T少雷区 中雷区 多雷区 强雷区(衡量雷电活动频繁的程度) 标准雷暴日:405、地面落雷密度:每雷暴日、每平方公里的地面落雷的次数。建筑物防雷设计规范(2000版)(GB50057-1994)规定雷击大地的年平均密度 地面落雷密度也是描述一个地区雷电活动强度的参数。二、雷电放电的种类直击雷感应雷传导雷直击雷n直击雷:雷直接击于被击物上,被击物可能是建筑物、树木或人等。n雷电流:雷流过低接地电阻(小于30欧)被击物时的电流。n我国测得的最大雷电流幅
8、值为300KA。传导雷n传导雷:又称雷电侵入波,是雷击于导线后,雷电流沿导线传播、并入侵被保护设备。n传导雷是造成低压电器设备损坏的主要雷害之一。感应雷n感应雷:由于电磁感应及静电感应形成的电压升高。n感应雷幅值一般不超过500KV,对110KV及以上的线路不能构成威胁。n感应雷也是造成低压电器设备损坏的主要雷害之一。三、雷电的破坏作用n雷电流的电动力n雷击的热效应n雷击的静电感应n雷击的电磁感应n雷击的反击和引入高电位精彩图片 1 2 3 4 5雷电造成的经济损失的严重性n直接损失u火灾u人员伤亡u设备损坏n间接损失u不能提供服务之损失u信誉损失u重新投资雷害新特点 当人类社会进入电子信息时
9、代后,雷灾出现的特点与以往有极大的不同,可以概括为: 1)受灾面大大扩大,从电力、建筑这两个传统领域扩展到几乎所有行业,特别是与高新技术关系最密切的领域,如航天航空、国防、邮电通信、计算机、电子工业、石油化工、金融证券等 2)从二维空间入侵变为三维空间入侵。从闪电直击和过电压波沿线传输变为空间闪电的脉冲电磁场从三维空间入侵到任何角落,无空不入地造成灾害,因而防雷工程已从防直击雷、感应雷进入防雷电电磁脉冲(LEMP)。 前面是指雷电的受灾行业面扩大了,这儿指雷电灾害的空间范围扩大了。例如二000年七月二十五日14点40分左右,一次闪电造成上海市漕宝路桂菁路附近二家单位同时受到雷灾,而不是以往的一
10、次闪电只是一个建筑物受损。 3)雷灾的经济损失和危害程度大大增加了,它袭击的对象本身的直接经济损失有时并不太大,而由此产生的间接经济损失和影响就难以估计。例如一九九九年八月二十七日凌晨2点,某寻呼台遭受雷击,导致该台中断寻呼数小时,其直接损失是有限的,但间接损失将大大超过直接损失。 4)产生上述特点的根本原因,也就是关键性的特点是雷灾的主要对象已集中在微电子器件设备上。雷电的本身并没有变,而是科学技术的发展,使得人类社会的生产生活状况变了。微电子技术的应用渗透到各种生产和生活领域,微电子器件极端灵敏这一特点很容易受到无孔不入的LEMP的作用,造成微电子设备的失控或者损坏。 为此,当今时代的防雷
11、工作的重要性、迫切性、复杂性大大增加了,雷电的防御已从直击雷防护到系统防护,我们必须站到历史时代的新高度来认识和研究现代防雷技术,提高人类对雷灾防御的综合能力。 案例 2000年6月17中午12时5055分,上海市郊一村民顾某和妻子在水稻田正在插秧时遭雷击,顾某当场身亡,距其34米处的妻子双脚有发麻的感觉,据对雷击发生现场观察,雷击点四周空旷,在周围150200米范围内无任何建筑物和高大的物体(如树木等)。另据死者妻子讲述,雷击发生时在死者身上有一团火光出现,除衣服湿透外,其他雷击痕迹不明显。真惨!四、雷击人的主要形式 1、历史的回顾 2、直接雷击 3、接触电压 4、旁侧闪络 5、跨步电压在我
12、国每年因雷击造成的人员伤亡估计为30004000人财产损失估计在50100亿左右。历史的回顾 关于雷电的描述,直到二百年以前,一般还只有在诗文中能够读到,而且停留在神话解释。由于实验科学的出现,随之电容器的发明才使我们对闪电的认识进入自然科学领域。实验证明,雷电显示了与静电相类似的特性。与此同时,关于雷电对动物和人的各种效应,也进行了研究。 早期研究工作的记载是引人入胜的,其意义并不仅仅在于“历史”价值,而是在于许多重要的原理得到验证。这些原理也正是我们今日理解雷电对人体效应的依据。对“小鸡”呼吸 富兰克林曾对着一只小鸡的头部施以“电击”后,小鸡出现了死亡现象。但是经过不断地向肺里吹气,小鸡又
13、复苏了。这是对触电者进行人工呼吸最早的一次成就。假定电流从头部流过两脚,则它将经过脑部(包括呼吸中枢)和胸部(包括心脏)。显然它的呼吸中枢暂时麻痹,因而需要人工呼吸。但心脏必须一直跳动,否则就不能复活了。通过该试验人们认识到雷电流通路径是造成人受伤程度不同的根源。 实验者的勇气 1、富兰克林在刚充满电的电容器上触过一次电:“好象从头到脚全身挨了一击,跟着躯干很快的猛烈颤抖,几秒钟之后这种现象才逐渐消失”。电流路径是从一只手到另一只手。 2、诺勒特神父布置了一场向180名卫兵放电的把戏,所有士兵同时向上一跳,动作整齐得像一个人。后来增加到700人。 3、李赫曼教授受到从头到脚的一次雷击放电,立刻
14、死亡。 4、实验告诉人们:雷击导致人死亡的最直接的原因是心室纤维性颤动和呼吸停止。 直接雷击 参加足球赛的两名正并排站着相互盯着对方时遭到雷击,电流从头部流到脚,虽然在两人身上都未发现烧灼痕迹,但在他们身体相邻侧留有树枝状电花图。救治无效,两人死亡。 电花图没有任何迷信色彩,其原因是雷电流通过人体向大地泄放时,在人体表面发生了沿面放电而使人体上流下电花图。当身体和衣服之间发生闪络时,雷电流使皮肤上的水分和汗液变为蒸汽,如果衣服穿得紧,蒸汽的压力会把衣服撕破。你知道怎么防护吗? 雷直击人是危险的,但不一定致命,应救治受伤者。旁侧闪络 1、一个士兵骑车经过一棵树时被雷击中,他回忆当时的情景说:好象
15、挨了一拳恨击,他看见一道火光从树向他射过来,自行车把带了电。他的皮肤完好无损,没有烧伤的痕迹。 2、七个儿童在帐篷里避雨时,帐篷柱子被雷击中。五个幸存者都没反映受伤,但死亡的两个儿童左脸以及身体上都有烧伤的地方,在他们的小脚趾上都有电流流过的痕迹。 3、旁侧闪络是由于人与雷电流泄放通道之间的电位差较高,引起气隙击穿造成的。真的、不要在树下避雨!接触电压 两个妇女正在一棵高大的云杉树下避雨,闪电突然击中了那棵大树,当时一个人是背靠树站着,她的衣服并未损坏,但在头右边有4厘米4厘米一块头发被烧焦了,变成了灰色。在这块皮肤中有像擦伤的痕迹。在树干上树皮被烧坏很长的一条,长度是从树顶开始一直到离地约1
16、58厘米的地方,正与死者身高相同。另一个妇女当时正用右手扶着那棵树,她仅失去知觉十到十五分钟,她的下肢有两三个小时不会动而且没有知觉,她的身体以及脚上有烧伤,经过治疗,两天以后就出院了。还有很多应注意的!跨步电压 法国的一个教堂正值做礼拜时遇到了雷击,所有站在礼拜堂中潮湿石板上的人都跌倒了,有几分钟的光景站不起来,下肢好象瘫痪了一样。而那些站在唱诗班席中橡木地板上的人都安然无恙。我怎么了!小结 雷电是一种自然现象,没有任何迷信色彩。 雷害可以预防,雷击人最严重的情况是直接雷击,但不一定致命,应该对受伤者救治。防止接触电压和旁侧闪络伤害的最好方法是不要靠近容易引雷的物体。防跨步电压伤害的办法是雷
17、雨天避雨时双脚并拢。雷电并不可怕!五、我国建筑物防雷的发展历程 1、古人对建筑物防雷的探索 2、建国初期的防雷方法 3、亡羊补牢、古建防雷 4、防雷研究的序幕 5、重大工程的防雷 6、今后建筑物防雷的发展方向古人对建筑物防雷的探索 中国人对建筑物防雷的探索最早可追溯到12世纪,较能说明问题的一例是现存的岳阳慈氏塔。 就理论而言,汉朝的王充曾对雷电现象作出过解释并批判了迷信做法。 中国古代虽有较强的防雷意识并做过一些技术上的尝试,但毕竟没有大的突破。 1750年,富兰克林取得重大突破,证实雷是电现象。建国初期的防雷方法 建国初,大多数工程均按照日本的45度到60度保护角确定避雷针的保护范围,接闪
18、器采用三叉小针。 五十年代初,我国引进苏联技术,采用抛物线和折线计算保护范围,用铁管或镀锌圆钢作接闪器。 六十年代以前,我国没有建筑物防雷设计规范。亡羊补牢,古建防雷 1957年北京发生两起雷击事故:7月6日,明十三陵长陵棱恩殿遭受雷击,劈掉西部吻兽,劈裂两根直径1.17米、高14.3米的大楠木柱子,死一人,伤三人;7月8日,中山公园内一棵大树落雷,感应电流经附近的配电线路传到中山公园音乐堂,并引起大火,烧毁配电室、舞台和观众厅大顶棚。 在给古建筑安置避雷装置时,我国首次采用了避雷带 的防雷方式。防雷工程的序幕 1958年9月,原建工部设计局在武汉召开了“全国电气设计人员交流大会”,拉开了我国
19、防雷研究的序幕。重大工程的防雷 1958年,人民大会堂工程率先采用笼式避雷网并进行了彻底的等电位联结。把笼式避雷网应用于工程实际,这恐怕在国内外均属首次。 深圳国际贸易中心高160米,采用笼式避雷网。 终于电视塔405米,也采用笼式避雷网 笼式避雷网即能满足外部防雷系统的要求,也能满足内部防雷系统的要求,它能实现良好的等电位、分流、屏蔽和接地效果,是较为完善的防雷系统。今后建筑物防雷的发展方向 利用建筑物、结构物的钢筋作笼式防雷网能够满足外部防雷装置和内部防雷装置的需要,作为全面防雷来说将是今后发展的重点。 建筑物防雷的六大要素:接闪功能、分流影响、屏蔽作用、均衡电位、接地效果和合理布线。六、
20、网络防雷 (1)雷电波形:一般来讲,我们用1.2/50s的波形来表示雷电的电压波形,而常用8/20s来表示雷电电流波形。比如讲到防雷产品时经常要提到电源防雷器要能承受 8/20s 20kA的冲击(见有关国家标准和国际标准),指的就是T1=8us,T2=20s I=20 KA。用了8微秒电流峰值即达20KA。1微秒内电流增加2.5千安培。这是一个惊人的数字。用数学语言来讲就是平均陡度di/dt非常大。 (2)如何防护:既然雷电对线路的感应是造成设备损坏的最重要的原因,那么在线路中加装设备对瞬态过电流、过电压进行抑制就可以了,这种设备我们就称其为避雷器,或称浪涌抑制器、防雷保安器等,下面就称其为避
21、雷器。由于雷电感应主要是通过供电线路和各种信号线破坏设备的,因此对计算机信息系统的防雷保护主要地是合理地加装电源和信号避雷器。例1:某信息系统防雷 首先让我们来看看其系统配置:供电系统埋地入户,进入开关柜,分出来一路供应UPS,并由UPS供给位于各层的电子设备使用。楼内包括计算机中心机房、程控交换机房、及无线通信设备。不用说,所有这些设备都要有电源供应,因此,在总电源处加装电源避雷器。按照有关标准的一般要求,必须在0区、1区、2区分别加装避雷器(0区、1区、2区是按照雷电出现的强度划分的),因此在设备前端分别加装多级保护集成为一体的串联型避雷器(多级集成型),以最大限度地抑制雷电感应的能量。同
22、时,计算机中心的MODEM、路由器、甚至HUB等都有线路出户,这些出户的线路都应视为雷电引入通道,因此都应加装信号避雷器。(一)基本概念1、过电压:在线路(电气设备)上出现的超过正常工作要求的电压。2、 内部过电压:系统本身的开关操作、负荷剧变、 故障, 参数配置不合适等。 雷电过电压 直击雷过电压3、雷电过电压的形式 感应雷过电压 雷电波侵入过电压七、七、 过电压及其分类过电压及其分类七、七、 过电压及其分类过电压及其分类 (一) 大气过电压大气过电压又称雷电过电压,是由于电力系统的设备或建(构)筑物遭受来自大气中的雷击或雷电感应而引起的过电压,因其能量来自系统外部,故又称为外部过电压。雷电
23、过电压有两种基本形式:直击雷过电压和感应雷过电压 。1直击雷过电压雷云雷电先导 迎雷先导主放电阶段 余辉放电 u主放电电流很大,高达几百千安,但持续时间极短,一般只有 50100s。 u余辉放电阶段电流较小,约几百安,持续时间约为0.030.15s。2感应雷过电压所谓感应雷过电压,是指当架空线附近出现对地雷击时,在输电线路上感应的雷电过电压。包括静电感应和电磁感应. (二)内部过电压操作过电压谐振过电压限制内部过电压的措施(1)采用灭弧能力强的快速高压断路器,在断路器主触头上并联电阻(约3000),在并联电阻上串联一个辅助触头,以减少电弧重燃的次数,控制操作过电压的倍数(2)装设磁吹避雷器或氧
24、化锌避雷器。(3)对于对地电容电流大的网络,中性点经消弧线圈接地,限制电弧接地过电压。(4)增加对地电容或减少系统中电压互感器中性点接地的台数,即增加母线对地的感抗,从而减小固有自振频率,避免因系统扰动而发生母线铁磁谐振过电压。8.2 8.2 直击雷过电压的防护直击雷过电压的防护 引言:直击雷的防护采用避雷针或避雷线(带)等装置.200多年前,富兰克林通过观察发现旷野中的孤树常遭到雷击,而树下的低矮植物却能幸免于难,于是,他设想如果在地球的表面立起一个足够高的针体的话,地球上的万物就会得到保护.于是、他发明了避雷针.富兰克林避雷针要求要有足够的高度、要是尖体、但不要求接地电阻的大小.后来、罗蒙
25、诺索夫提出新型的避雷针,要求要有足够的高度、要有足够小的接地电阻、但不要求是尖体。这两种避雷针现在都有应用,我国国家标准中推行的避雷针是罗蒙诺索夫避雷针.中科院兰州高原大气物理所进行了人工火箭引雷试验:在1996年6月4日于南昌做的一次空中触发闪电中,他们无意中将火箭发射架放得离引流杆较远,结果引下的闪电没有以引流杆为接地点,而是打到发射架附近的地面上。这一闪电共有10个回击,由于没有安排良好的接地,在整个放电过程中闪电的击地点在随风平行移动。这次试验与7月8日的两次空中闪电形成鲜明的对比。在后两次触发中,火箭发射架放得靠近引流杆,因而闪电都以引流杆为接地点。结果在闪电过程中,尽管闪道也因风和
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- 第8章 防雷与接地 防雷 接地