雷电和静电防护.doc
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雷电和静电防护
雷电和静电有许多相似之处。
例如,雷电和静电都是相对于观察者静止的电荷聚积的结果；雷电放电与静电放电都有一些相同之处；雷电和静电的主要危害都是引起火灾和爆炸等。
但雷电与静电电荷产生和聚积的方式不同、存在的空间不同、放电能量相差甚远，其防护措施也有很多不同之处。
本章将分别介绍雷电和静电的特点及防护技术。
第一节雷电安全
雷电是一种自然现象，雷击是一种自然灾害。
雷击房屋、电力线路、电力设备等设施时，会产生极高的过电压和极大的过电流，在所波及的范围内，可能造成设施或设备的毁坏，可能造成大规模停电，可能造成火灾或爆炸，还可能直接伤及人畜。
一、雷电的种类
带电积云是构成雷电的基本条件。
当带不同电荷的积云互相接近到一定程度，或带电积云与大地凸出物接近到一定程度时，发生强烈的放电，发出耀眼的闪光。
由于放电时温度高达20000℃，空气受热急剧膨胀，发出爆炸的轰鸣声。
这就是闪电和雷鸣。
1.直击雷
带电积云与地面目标之间的强烈放电称为直击雷。
带电积云接近地面时，在地面凸出物顶部感应出异性电荷，当积云与地面凸出物之间的电场强度达到25~30kV/cm时，即发生由带电积云向大地发展的跳跃式先导放电，持续时间约5~10ms，平均速度为100~1000km/s，每次跳跃前进约50m，并停顿30~50μs。
当先导放电达到地面凸出物时，即发生从地面凸出物向积云发展的极明亮的主放电，其放电时间仅50~100μs，放电速度约为光速的1/5~1/3，即约为60000~100000km/s。
主放电向上发展，至云端即告结束。
主放电结束后继续有微弱的余光，持续时间约为30~150ms。
大约50%的直击雷有重复放电的性质。
平均每次雷击有三四个冲击，最多能出现几十个冲击。
第一个冲击的先导放电是跳跃式先导放电，第二个以后的先导放电是箭形先导放电，其放电时间仅为10ms。
一次雷击的全部放电时间一般不超过500ms。
2.感应雷
感应雷也称为雷电感应或感应过电压。
它分为静电感应雷和电磁感应雷。
静电感应雷是由于带电积云接近地面，在架空线路导线或其他导电凸出物顶部感应出大量电荷引起的。
在带电积云与其他客体放电后，架空线路导线或导电凸出物顶部的电荷失去束缚，以大电流、高电压冲击波的形式，沿线路导线或导电凸出物极快地传播。
近20年来人们的研究表明，放电流柱也会产生强烈的静电感应。
电磁感应雷是由于雷电放电时，巨大的冲击雷电流在周围空间产生迅速变化的强磁场引起的。
这种迅速变化的磁场能在邻近的导体上感应出很高的电动势。
如系开口环状导体，开口处可能由此引起火花放电；如系闭合导体环路，环路内将产生很大的冲击电流。
3.球雷
球雷是雷电放电时形成的发红光、橙光、自光或其他颜色光的火球。
球雷出现的概率约为雷电放电次数的2%，其直径多为20cm左右，运动速度约为2m/s或更高一些，存在时间为数秒钟到数分钟。
球雷是一团处在特殊状态下的带电气体。
有人认为，球雷是包有异物的水滴在极高的电场强度作用下形成的。
在雷雨季节，球雷可能从门、窗、烟囱等通道侵入室内。
此外，直击雷和感应雷都能在架空线路或空中金属管道上产生沿线路或管道的两个方向迅速传播的雷电侵入波。
雷电侵入波的传播速度在架空线路中约为300m/μs,在电缆中约为150m/μs。
二、雷电参数
雷电参数是防雷设计的重要依据之一。
雷电参数系指雷暴日、雷电流幅值、雷电流陡度、冲击过电压等电气参数。
1.雷暴日
为了统计雷电活动的频繁程度，经常采用年雷暴日数来衡量。
只要一天之内能听到雷声的就算一个雷暴日。
通常说的雷暴日都是指一年内的平均雷暴日数，即年平均雷暴日，单位d/a。
雷暴日数愈大，说明雷电活动愈频繁。
山地雷电活动较平原频繁，山地雷暴日约为平原的3倍。
我国广东省的雷州半岛（琼州半岛）和海南岛一带雷暴日在80d/a以上，长江流域以南地区雷暴日约为40~80d/a，长江以北大部分地区雷暴日约为20~40d/a，西北地区雷暴日多在20d/a以下。
西藏地区因印度洋暧流沿雅鲁藏布江上溯，很多地方雷暴日高达到50~80d/a。
就几个大城市来说，广州、昆明、南宁约为70~80d/a，重庆、长沙、贵阳、福州约为50d/a，北京、上海、武汉、南京、成都、呼和浩特约为40d/a，天津、郑州、沈阳、太原、济南约为30d/a等。
我国把年平均雷暴日不超过15d/a的地区划为少雷区，超过40d/a划为多雷区。
在防雷设计时，应考虑当地雷暴日条件。
我国各地雷雨季节相差也很大，南方一般从二月开始，长江流域一般从三月开始，华北和东北延迟至四月开始，西北延迟至五月开始。
防雷准备工作均应在雷雨季节前做好。
2.雷电流幅值
雷电流幅值是指主放电时冲击电流的最大值。
雷电流幅值可达数十至数百千安。
根据实测，可绘制雷电流概率曲线。
我国年平均雷暴日为20d/a以上地区的雷电流幅值的概率可用下式表达：
lgP=-ISM/108（7.1）
式中:
P一一雷电流幅值的概率,%;
ISM——雷电流幅值,kA。
例如，对于100kA的雷电流幅，按式（7.1）可求得其概率为11.9%，即每100次雷击中，大约有12次雷击的雷电流幅值达到100kA。
做防雷设计时，雷电流幅值可按100kA考虑。
年平均雷暴日为20d/a以下的地区，雷电流幅值的概率可用下式表达：
lgP=-ISM/54（7.2）
雷电放电时，先导放电电流不超过400A，余光电流为100~1000A。
图7-1雷电流波形图
3.雷电流陡度
雷电流陡度是指雷电流随时间上升的速度。
雷电流冲击波波头陡度可达到50kA/μs，平均陡度约为30kA/μs。
雷电流陡度与雷电流幅值和雷电流波头时间的长短有关，雷电流波头时间仅数微秒。
做防雷设计时，一般取波头形状为斜角波，时间按2.6μs考虑。
雷电流陡度越大，对电气设备造成的危害也越大。
因此，在防雷要求较高的场合，波头形状宜取为半余弦波（见图7-1）。
这时，
（7.3）
式中:
τt——雷电流波头时间,τt=π/ω。
不难证明，半余弦波波头的最大陡度为斜角波陡度的π/2倍。
按余弦波波头考虑的防雷设计显然是偏于安全的。
4．雷击冲击过电压
雷击时的冲击过电压很高，直击雷冲击过电压可用下式表达：
（7.4）
式中UD——直击雷冲击过电压,
i——雷电流,kV;
RIE——防雷接地装置的冲击接地电阻,Ω;
——雷电流陡度,kV/μs;
L——雷电流通路的电感,μH。
如通路长度l以m为单位,则L=1.3l。
显然，直击雷冲击过电压由两部分组成（如图7-2所示）。
前一部分决定于雷流的大小和雷电流通道的电阻；后一部分决定于雷电流通道的电感。
直击雷冲击电压可高达数千千伏。
雷电感应过电压决定于被感应导体的空间位置及其与带电积云之间的几何关系。
雷电感应过电压可达数百千伏。
三、雷电的危害
由于雷电具有电流很大、电压很高、冲击性很强等特点，有多方面的破坏作用，且破坏力很大。
雷电可造成设备和设施的损坏，可造成大规模停电，造成人员生命财产的损失。
就其破坏因素来看，雷电具有电性质、热性质和机械性质等三方面的破坏作用。
1.电性质的破坏作用
电性质的破坏作用表现为数百万伏乃至更高的冲击电压，可能毁坏发电机、电力变压、断路器、绝缘子等电气设备的绝缘，烧断电线或劈裂电杆，造成大规模停电；绝缘损坏可引起短路，导致火灾或爆炸事故；二次放电的电火花也可能引起火灾或爆炸，二次放电也能造成电击。
绝缘损坏后，可能导致高压窜入低压，在大范围内带来触电的危险。
数十至百千安的雷电流流入地下，会在雷击点及其连接的金属部分产生极高的对地电压，可能直导致接触电压电击和跨步电压的触电事故。
2.热性质的破坏作用
热性质的破坏作用表现在直击雷放电的高温电弧能直接引燃邻近的可燃物，从而造成火灾。
巨大的雷电流通过导体，在极短的时间内转换出大量的热能，可能烧毁导体，并导致燃品的燃烧和金属熔化、飞溅，从而引起火灾或爆炸。
球雷侵入可引起火灾。
3.机械性质的破坏作用
机械性质的破坏作用表现为被击物遭到破坏，甚至爆裂成碎片。
这是由于巨大的雷电通过被击物时，在被击物缝隙中的气体剧烈膨胀，缝隙中的水分也急剧蒸发为大量气体，致使被击物破坏和爆炸。
此外，同性电荷之间的静电斥力、同方向电流或电流转弯处的电磁作用力也有很强的破坏力，雷电时的气浪也有一定的破坏作用。
图7-2直击雷冲击过电压
（a）斜角波（b）半余弦波
四、防雷分类
建筑物按其重要性、生产性质、遭受雷击的可能性和后果的严重性分为三类：
1.第一类防雷建筑物
凡制造、使用或储存炸药、火药、起爆药、火工品等大量危险物质的建筑物，遇电火花会引起爆炸，从而造成巨大破坏或人身伤亡的建筑物，应划为第一类防雷建筑物。
例如，火药制造车间、乙快站、电石库、汽油提炼车间等。
0区、10区及某些1区属于第一类防雷建筑物。
2.第二类陈雷建筑物
下列建筑物应划为第二类防雷建筑物：
（1）国家级重点文物保护的建筑物；
（2）国家级的会堂、办公楼、档案馆、大型展览馆、国际机场、大型火车站、国际港口客运站、国宾馆、大型旅游建筑和大型体育场等。
（3）国家级计算中心、通信枢纽，以及对国民经济有重要意义的装有大量电子设备的建筑物。
（4）制造、使用和储存爆炸危险物质,但电火花不易引起爆炸，或不致造成巨大破坏和人身伤亡的建筑物，如油漆制造车间、氧气站、易燃品库等。
2区、11区及某些1区属于第二类防雷建筑物。
（5）有爆炸危险的露天气罐和油罐。
（6）年预计雷击次数大于0.06次的部、省级办公楼及其他重要的或人员密集的公共建筑物。
（7）年预计雷击次数大于0.3次的住宅、办公楼等一般性民用建筑物。
3.第三类防雷建筑物
下列建筑物应划为第三类防雷建筑物：
（1）省级重点文物保护的建筑物和省级档案馆。
（2）年预计雷击次数等于和大于0.012次，小于和等于0.06次的部、省级办公楼及其他重要的或人员密集的公共建筑物。
（3）年预计雷击次数大于和等于0.06次，小于和等于0.3次的住宅、办公楼等一般性民用建筑物。
（4）年预计雷击次数大于和等于0.06次的一般性工业建筑物。
（5）考虑到雷击后果和周围条件等因素，确定需要放雷的21区、22区、23区火灾危险环境的建筑物。
（6）年平均雷暴日15d/a以上地区，高度为15m及其以上的烟囱、水塔等孤立高耸的建筑物。
年平均雷暴日15d/a及15d/a以下地区，高度为20m及20m以上的烟囱、水塔等孤立高耸的建筑物。
五、防雷装置
避雷针、避雷线、避雷网、避雷带、避雷器都是经常采用的防雷装置。
一套完整的防雷装置包括接闪器、引下线和接地装置。
上述的针、线、网、带都只是接闪器，而避雷器是一种专门的防雷装置。
1.接闪器
避雷针、避雷线、避雷网和避雷带都可作为接闪器，建筑物的金属屋面可作为第一类工业建筑物以外其他各类建筑物的接闪器。
这些接闪器都是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，以此保护被保护物免受雷击。
（1）接闪器保护范围。
接闪器的保护范围可根据模拟实验及运行经验确定。
由于雷电放电途径受很多因素的影响，要想保证被保护物绝对不遭受雷击是很困难的，一般只要求保护范围内被击中的概率在0.1%以下即可。
接闪器的保护范围现有两种计算方法：
对于建筑物闪器的保护范围按滚球法计算；对于电力装置，接闪器的保护范围按折线法计算。
滚球法是设想一定直径的球体沿地面（或与大地接触且能承受雷击的导体）由远及近向被保护设施滚动，如该球体触及接闪器（避雷针等）或其引下线之后才能触及被保护设施，则该设施在接闪器保护范围之内。
球面线即保护范围的轮廓线。
滚球的半径按防雷级别确定，各级别的滚球半径见表8-1。
除滚球半径外，表7-1中还给出了避雷网网格的要求。
表7-1滚球半径和避雷网网格
建筑物防雷类别
滚球半径/m
避雷网网格/m×m
第一类防雷建筑物
30
s二5×5或46×4
第二类防雷建筑物
45
sg10×10或运12×8
第三类防雷建筑物
60
运20×20或主运24×16
①单支避雷针的保护范围按图7-3确定。
图中，h为避雷针高度，hr为滚球半径。
先在距地面高度hr上作一条地面的平行线AB，再以避雷针针尖（h≤hr）或避雷针正下方hr高度点（h>hr）为圆心、以hr为半径作弧线与该水平线相交A、B，然后以该交点为圆心、以hr为半径作圆弧与避雷针和地面相接。
弧线以下即单支避雷针的保护范围。
该保护范围是一个圆锥体。
在hx高度上和地面上的保护半径分别为
（7.5）
（7.6）
图7-3单支避雷针的保护范围
②双支等高避雷针的保护范围按图7-4确定。
图中，D为两避雷针之间的水平距离。
当D＞
时，分别按两支单针计算其保护范围。
当D＜时，按以下方法计算其保护范围：
（a）ACBE外侧保究范围按单支避雷针计算。
（b）A、B连线垂直面上的保护高度线为圆心（O'），高度为hr、半径为的居中圆孤，弧线高度为
（7.7）
式中:
x——距两针中心点的水平距离。
地面上每侧最小保护宽度为
（7.8）
（c）ACBE范围内，圆弧两侧的保护范围将弧线顶点作为假想单支避雷针针尖，按滚球法确定（见图8-6的1-1剖面）。
（d）hx高度地面平行平面上保护范围的确定：
以A、B为圆心，rx为半径作弧线与四边形ACBE相交，再以C、E为圆心、（ro-rx）为半径作弧线与上一弧线相交。
四条弧线限定的范围即为平面上的保护范围。
图7-4双支等高避雷针的保护范围
（2）接闪器材料。
接闪器所用材料应能满足机械强度和耐腐蚀的要求，还应有足够的热稳定性，以能承受雷电流的热破坏作用。
避雷针一般用镀铸圆钢或钢管制成。
避雷网和避雷带用镀铸圆钢或扁钢制成。
接闪器最小尺寸见表7-2。
接闪器装设在烟囱上方时，由于烟气有腐蚀作用，应适当加大尺寸。
避雷线一般采用截面积不小于35mm2的镀锌钢绞线。
用金属屋面作接闪器时,金属板之间的搭接长度不得小于100mm。
金属板下方无易燃物品时,其厚度不应小于0.5mm；金属板下方有易燃物品时,为了防止雷击穿孔，所用铁板、铜板、铝板厚度分别不得小于4mm、5mm和7mm。
所有金属板不得有绝缘层。
接闪器焊接处应涂防腐漆，其截面锈蚀30%以上时应予更换。
表7-2接闪器常用材料的最小尺寸
类别
规格
圆钢或钢管
扁钢
圆钢直径/mm
钢管直径/mm
截面/mm2
厚度/mm
避雷针
针长1m以下
12
20
-
-
针长1～2m
16
25
-
-
针在烟囱上方
20
-
-
-
避雷网和
网格6m×6m至10m×10m
8
-
48
4
避雷带
网格在烟囱上方
12
-
100
4
接闪器使整个地面电场发生畸变，但其顶端附近电场局部的不均匀,由于范围很小,而对于从带电积云向地面发展的先导放电没有影响。
因此，作为接闪器的避雷针端部尖不尖、分叉不分叉,对其保护效能基本上没有影响。
接闪器涂漆可以防止生锈，对其保护作用也没有影响。
2.避雷器
避雷器并联在被保护设备或设施上，正常时处在不通的状态。
出现雷击过电压时，击穿放电，切断过电压，发挥保护作用。
过电压终止后，避雷器迅速恢复不通状态，恢复正常工作。
避雷器主要用来保护电力设备和电力线路，也用作防止高电压侵入室内的安全措施。
避雷器有保护间隙、管型避雷器和阀型避雷器之分，应用最多的是阀型避雷器。
（1）截波和残压及其危害。
用避雷器保护变压器时，由于雷电冲击波具有高频特性，连接线感抗增加，不可忽略不计；同时，变压器容抗变小，并起主要作用，其等效电路如图7-5所示。
当冲击波传来，α点电压上升到避雷器放电电压U0时，避雷器击穿放电，电容C上很快充电到U0；如果避雷器及其接地电阻都很小，电容C直接经电感L放电，形成串联振荡，b点电压急剧变为-U0。
这相当于在变压器上突然加上了2U0的冲击波，这个冲击波就叫做截波。
截波会损害变压器的绝缘。
图7-5冲击等效电路
对图7-5所示谐振电路，可以列出下列方程：
（7.9）
式中：
R——电阻，包括避雷器阀电阻、接地电阻和导线电阻；
C——变压器电容；
L——导线电感
i——电容器放电电流
t——电容器放电时间
经过微分和整理，可得到下列常系数二阶齐次方程：
（7.10）
显然，电容上的电压也为正弦函数，但比电流落后900，其波形曲线如图7-6所示。
设L=25μH，C=1000pF，R=1000Ω，可求得f=ω/（2π）=968kHz，衰减系数α=200s-1。
半周期后，电压幅值仅衰减0.01%。
这就是说，电容上的电压，亦即变压器上的电压在瞬间内几乎从U0变成–U0，即构成截波。
图7-7残压
图7-6截波
为了防止产生截波可以在避雷器支路上串联一个电阻，以遏制振荡的发生。
但这个电阻的接入会造成过高的残压，残压是雷电流在避雷器支路上产生的电压降。
如图7-7所示，避雷器放电后，由于冲击波波头仍有上升趋势，避雷器上端电压并不沿指数曲线1衰减，而是沿曲线2变化，即上升至很高的残压Um之后再下降。
过高的残压也会损坏变压器的绝缘。
这就是说，在避雷器支路中不串进电阻，会产生截波损坏变压器的绝缘，串进电阻之后，又会产生过高的残压。
因此，希望在避雷器支路中串联一个电流大时阻值小、电流小时阻值大的非线性电阻。
以便在避雷器刚刚放电（即冲击波波头部分侵入不多）。
电流不太大时表现为较高的阻值，以遏制振荡；在避雷器放电后，冲击波波头后一部分到达，即电流很大时，表现为很低的阻值，以限制残压。
这时，避雷器上端电压将沿图7-7中的曲线3变化。
阀型避雷器就是采用了非线性电阻的避雷器。
（2）避雷器结构。
阀型避雷器主要由瓷套、火花间隙和非线性电阻组成。
瓷套是绝缘的，起支撑和密封作用。
火花间隙是由多个间隙串联而成的。
每个火花间隙由两个黄铜电极和一个云母垫圈组成。
云母垫圈的厚度为0.5～1mm。
由于电极间距离很小，其间电场比较均匀，间隙伏-秒特性较平，保护性能较好。
非线性电阻又称电阻阀片。
电阻阀片是直径为55～100mm的饼形元件，由金刚砂（SiC）颗粒烧结而成。
非线性电阻的电阻值不是一个常数，而是随电流的变化而变化的：
电流大时阻值很小，电流小时阻值很大。
其伏-安特性可用下式表达：
（7.16）
式中:
K——材料系数,决定于材料性质和电阻阀片的几何尺寸;
α——非线性系数（阀性系数）,一般在0.2左右。
在避雷器火花间隙上串联了非线性电阻之后，能遏止振荡，避免截波，又能限制残压不致过高。
还有一点必须注意到，虽然雷电流通过非线性电阻只遇到很小的电阻，而尾随而来的工频续流比雷电流小得多，会遇到很大的电阻，这为火花间隙切断续流创造了良好的条件。
这就是说，非线性电阻和间隙的作用类似一个阀门的作用：
对于雷电流，阀门打开，使泄入地下；对于工频电流，阀门关闭，迅速切断之。
其“阀型”之名就是由此而来的。
火花间隙相当于多个串联的大小相等的电容。
由于各电极对地电容和高压部分电容不同，而且还受外界条件的影响，使得电压在各间隙上的分布是不均匀的，使避雷器的性能受到影响。
为此，可将火花间隙分成若干组，每组火花间隙上并联适当的均压电阻。
如果均压电阻值比间隙电容的容抗值小得多，则间隙上电压的分配决定于均压电阻的大小，可做到大体上是均匀的。
电站用FZ10型阀型避雷器就是这种避雷器。
压敏阀型避雷器是一种新型的阀型避雷器，这种避雷器没有火花间隙，只有压敏电阻阀片。
压敏电阻阀片是由氧化锌、氧化铋等金属氧化物烧结制成的多晶半导体陶瓷元件，具有极好的非线性伏安特性，其非线性系数α=0.05，已接近理想的阀体。
在工频电压的作用下，电阻阀片呈现极大的电阻，使工频电流极小，以致无须火花间隙即可恢复正常状态。
压敏电阻的通流能力很强，因此，压敏避雷器体积很小。
压敏避雷器适用于高、低压电气设备的防雷保护。
3.引下线
防雷装置的引下线应满足机械强度、耐腐蚀和热稳定的要求。
引下线一般采用圆钢或扁钢，其尺寸和防腐蚀要求与避雷网、避雷带相同。
用钢绞线作引下线，其截面积不得小于25mm2。
用有色金属导线做引下线时，应采用截面积不小于16mm2的铜导线。
引下线应沿建筑物外墙敷设，并应避免弯曲，经最短途径接地。
建筑艺术要求高者可以暗敷设，但截面积应加大一级。
建筑物的金属构件（如消防梯等）可用作引下线，但所有金属构件之间均应连成电气通路，并且连接可靠。
采用多条引下线时，为了便于接地电阻和检查引下线、接地线的连接情况，宜在各引下线距地面高约1.8m处设断接卡。
采用多条引下线时，第一类和第二类防雷建筑物至少应有两条引下线，其间距离分别不得大于12m和18m；第三类防雷建筑物周长超过25m或高度超过40m时，也应有两条引下线，其间距离不得大于25m。
在易受机械损伤的地方，地面以下0.3m至地面以上1.7m的一段引下线应加竹管、角钢或钢管保护。
采用角钢或钢管保护时，应与引下线连接起来，以减小通过雷电流时的电抗。
引下线截面锈蚀30%以上者应予以更换。
4.防雷接地装置
接地装置是防雷装置的重要组成部分。
接地装置向大地泄放雷电流，限制防雷装置对地电压不致过高。
除独立避雷针外，在接地电阻满足要求的前提下，防雷接地装置可以和其他接地装置共用。
（1）防雷接地装置材料。
防雷接地装置所用材料应大于一般接地装置的材料。
防雷接地装置应作热稳定校验。
（2）接地电阻值。
防雷接地电阻一般指冲击接地电阻，接地电阻值视防雷种类和建筑物类别而定。
独立避雷针的冲击接地电阻一般不应大于100；附设接闪器每一引下线的冲击接地电阻一般也不应大于10Ω；但对于不太重要的第三类建筑物可放宽至30Ω。
防感应雷装置的工频接地电阻不应大于10Ω。
防雷电侵入波的接地电阻，视其类别和防雷级别，冲击接地电阻不应大于5～30Ω，其中，阀型避雷器的接地电阻不应大于5～10Ω。
冲击接地电阻一般不等于工频接地电阻。
这是因为极大的雷电流自接地体流入土壤时，接地体附近形成很强的电场，击穿土壤
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