第十章 安全用电与建筑防雷.docx
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第十章安全用电与建筑防雷
第十章安全用电与建筑防雷
第一节安全电压
一、安全电压等级
当工频（
=50Hz）电流流过人体时，安全电流为10mA即0.01A；50mA有致命危险；100mA致人死命。
人体的电阻，主要集中的厚度0.05～0.2mm的角质层，但该层易于损坏和脱落。
去掉角质后的皮肤电阻约800～1200Ω。
去掉皮肤后内部组织的电阻很小，约500～800Ω。
若取人体电阻
r=1200Ω,则可求出安全电压
V。
故我国确定安全电压为12V。
当空气干燥、工作条件好时可使用24V、36V。
因此，12V、24V和36V为我国规定的安全电压三个等级。
二、安全电压的条件
（一）因人而异。
手有老茧，身心健康，情绪乐观的人电阻大，较安全。
皮肤细嫩，情绪悲观，疲劳过度的人电阻小，较危险。
（二）与触电时间长短有关。
触电时间越长，情绪紧张，发热出汗，人体电阻减小，危险大。
若迅速脱离电源，则危险小。
（三）与皮肤接触的面积和压力大小有关。
接触面积和压力越大越危险。
反之较安全。
（四）与工作环境有关。
低矮潮湿，仰卧操作，不易脱离现场的情况下触电危险大，安全电压取12V。
其它条件较好的场所，可取24V或36V。
第二节安全用电技术
一、电气、电子设备的接地
（一）电气设备的接地
为了保护人身和设备的安全，电气设备应可靠接地。
电气设备的接地一般可分为工作性接地①和保护性接地②。
保护性接地又可分为保护接地和保护接零两种形式。
民用建筑低压配电系统接地型式可有以下四种：
1.TN系统电力系统有一点直接接地（中性线N接地）,用电设备的外露可导电部分通过保护线与接地点连接。
按照中性线与保护线组合情况，又可分为三种型式：
（1）TN-S系统如图10-1（a）所示，图中L1、L2、L3为三根火线，整个系统的中性线（N）
注：
①工作接地：
为保证电力系统安全运行，将电力系统的中性点接地（如将变压器中性点N接地）叫工作接地。
②保护性接地：
分保护接地和保护接零两种。
保护接地是将大型用电设备、电动机等的金属外壳通过导体与埋入地下的金属接地体相连接的方法。
保护接零（也叫TN系统）是将用电设备的金属外壳与保护线（也叫保护零线）PE可靠连接。
与保护线（PE）是分开的，俗称三相五线制系统。
这种系统消耗导线多，投资大，多用于环境较差，对安全可靠性要求较高的场所。
图10-1（a）TN－S系统
（2）TN－C系统整个系统的中性线（N）与保护线（PE）是合一的，为一根PEN线，如图10-1（b）所示。
这种系统的优点是节约有色金属，节约投资，得到广泛应用。
（3）TN－C－S系统系统中前一部分线路的中性线与保护线是合一的，后边是分开的，如图10-1（C）。
这种系统兼有有上述两种系统的优点，常用于配电系统的末端，环境条件较差的场所。
在TN系统的接地型式中，所有用电设备的外露可导电部分必须用保护线（或共用中性线即PEN线）与电力系统的接地点相连，并且须将能同时触及的外露可导电部分接至同一接地装置上。
当采用TN－C－S系统时，当保护线与中性线从某点（一般为进户线）分开后就不能再合并，且中性线绝缘等级应与相线相同。
图10-1（c）TN－C－S系统 图10-1（b）TN－C系统
2.TT系统电力系统有一点直接接地（中性线N接地），且引出N线，属三相四线制系统。
用电设备的外露可导电部分通过保护线，接至与电力系统接地点无直接关联的接地极,如图10-2.
图10-2 TT系统
3.IT系统电力系统的带电部分与大地间无直接连接（或有一点经足够大的阻抗接地），用电设备的外露可导电部分通过保护线接至接地极，如图10-3。
图10-3IT系统
在IT系统中的任何带电部分严禁直接接地。
IT系统中的电源系统对地应保持良好的绝缘状态。
在正常情况下，从各项测得的对地短路电流值均不得超过70mA（交流有效值）。
所有设备的外露可导电部分均应通过导线与接地线连接。
IT系统必须装设绝缘监视及接地故障报警或显示装置。
在无特殊要求的情况下，IT系统不宜引出中性线。
必须注意，不允许在同一系统中采用不同的接地保护型式。
应根据系统安全保护所具备的条件并结合工程的实际情况，确定其中一种。
如在同一低压配电系统中，不能既采用TN系统又采用TT系统，只能全部采用其中的一种系统。
4.重复接地
采用保护接零时，除系统的中性点工作接地外，将零线上的一点或多点与地再作金属连接，称为重复接地，如图10-4。
如果不采取重复接地，一旦出现零线折断的情况，那末，接在折断处后面的用电设备相线碰壳时，保护电器就不会动作，该设备以及后面的所有接零设备外壳，都存在接近于相电压的对地电压，相当于设备既没有接地又没有接零。
若在用户集中的地方采取重要接地，即使零线偶尔折断，带电的外壳也可以通过重复接地装置与系统中性点构成回路，产生接地短路电流，保护电器动作。
如果用电设备较大，保护电器因整定电流大于接地短路电流而不动作，也可以减轻事故的危害。
在R
与R
相等的情况下，外壳对地电压只有相电压的1/2。
当然，这个电压对人还是危险的，因此零线折断的故障应尽量避免。
图10-4重复接地的作用
（二）电子设备的接地
1.消防控制室的接地
消防控制室内安装有许多电子设备，为了使所有的电子设备能正常工作，消防控制室内的电子设备应进行工作接地，其工作接地电阻应小于4Ω。
若采用联合接地时，其接地电阻应小于1Ω，并且应用专用接地干线由消防控制室引至接地体。
接地专用干线应采用铜芯绝缘导线，其线芯截面不小于25mm2 。
由消防控制室接地板引至和各消防电子设备的接地线，应采用铜芯绝缘导线，其线芯截面积不应小于4mm2。
2.共用电视天线（CATV）系统的接地。
共用电视天线系统是用来接收、整理、传输以及分配电视信号的设备，其目的是要向电视用户提供稳定的、强度合适的不失真信号。
通常由前端设备、信号源设备和传输分配系统组成。
前端设备中的接收天线由于架设较高，易受雷击，因此应在接收天线的竖杆（架）上装设避雷针，避雷针的高度应能满足对天线设施的保护。
当安装独立的避雷针时，避雷针与天线之间的最小水平间距应大于3m，独立避雷针和接受天线的竖杆（架）均应有可靠的接地。
当建筑物已有防雷接地系统时，避雷针和天线竖杆（架）的接地应与建筑物的防雷接地系统共地连接；当建筑物没有专门的防雷接地系统可供利用时，应设置专门的接地装置，从接闪器至接地装置的引下线宜采用两根，接地电阻不应大于4Ω。
进入前端的天线馈线应加装避雷保护器，沿天线竖杆（架）引下的同轴电缆，应采用双屏蔽电缆或采用单屏蔽电缆穿金属管敷设。
双屏蔽电缆的外层或金属管应与竖杆（架）有良好的电气连接。
二、特殊建筑物的接地
（一）烟囱的防雷接地
烟囱的防雷接地应满足以下要求：
1．接地冲击电阻①小于30Ω。
2．引下线：
当采用圆钢时直径不小于12mm；采用扁钢时。
引下线的截面积不应小于100mm2,厚度不应小于4mm。
当烟囱低于40m设一根引下线，高于40m设两根和两组接地极。
可利用铁爬梯作为引下线。
当为钢筋混凝土烟囱时，应把两根以上主筋与铁爬梯焊接作为引下线。
3．避雷针的根数选择见表10-1
避雷针数量选择表 表10-1
烟囱
内径（m）
1
1
1.5
1.5
2
2
2.5
2.5
3
高度（m）
15~30
31~50
15~45
46~80
15~30
31~100
15~30
31~100
15~100
避雷针根数
1
2
2
3
2
3
2
3
3
避雷针长度（m）
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
（二）水塔的防雷接地
水塔的防雷接地应满足如下条件:
1．接地冲击电阻小于30Ω；
2．接闪器可利用水塔周围的铁栏栅或做一圈避雷带，保护水塔边缘；水塔中心高出部分只装一支1.5m长的避雷针；
3．可利用铁爬梯作为引下线。
注：
①接地冲击电阻：
在雷电作用下，接地体对地冲击电压峰值与冲击电流峰值之比。
第三节建筑物防雷
雷电是一种大气放电现象。
雷电的破坏作用主要是当雷电流通过建（构）筑物或电气设备对大地放电时，将会对建（构）筑物或电气设备产生破坏作用或威胁到相关人员的人身安全。
因此，必须了解和认识雷电现象，即雷电的形成和危害，从而采取相应的防雷保护措施。
一、雷电的形成与危害
（一）雷电的形成
雷电形成的必要条件是雷云，即带有电荷的汽、水混合物。
雷电的形成是比较复杂的。
在雷雨季节里，地面水分受热蒸发形成水蒸汽随热空气上升，在高空遇冷空气而凝结形成小水滴，小水滴受重力作用下降。
由于冷热气流在空中产生下降、上升的强烈对流作用，使其上升的热空气和下降的水滴发生摩擦，产生水滴分离。
在水滴分离过种中，便产生正、负两种电荷，下降的大水滴带正电荷，而继续随热气流上升的小水滴带负电荷。
随着云层的聚集，电荷也越来越多，在带有正、负电荷的云层之间形成越来越强的电场。
当电场增大到一定程度,便会击穿空气绝缘,在云层之间或云层与大地之间放电,放生强烈的弧光和声音,这就是我们通常说“闪电”和“雷声”即“雷电”。
（二）雷电的危害
雷电的破坏作用主要是雷电流引起的，雷电流是一种冲击波。
图10-5是雷电流的波形图。
由放电开始至雷电流最大值的时间为波头，一般为1～4μs;而从最大值起到雷电流衰减到
/2的一段波形为波尾。
雷电流的陡度
按其波头增长的速率来表示，即
，雷电流陡度可达50kA/μs以上，所以，雷电流是一个幅值很大，陡度很高的冲击波电流。
对电气设备绝缘来说，雷电流的陡度越大，由
可知,产生的过电压越高,对绝缘的破坏性也越严重。
图10-5雷电流波形图
雷电的破坏作用有以三个方面：
１.直击雷
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。
强大的雷电流通过被击物时产生大量的热量，而在短时内又不易散发出来。
所以，凡雷电流流过的物体，金属被熔化，树木被烧焦，建筑物炸裂。
尤其是雷电流流过易燃易爆物体时，会引起火灾或爆炸；造成建筑物倒塌、设备毁坏及人身伤害的重大事故。
直击雷的破坏作用最为严重。
2.感应雷
当有很强的带电雷云出现在建筑物上空时，就会在建筑物上感应出与雷云等量而异性的束缚电荷。
当雷云在空间放电后，空中的电场即消失，但在建筑物上聚集的电荷并不能很快泄入大地，残留的电荷对地形成相当高的电压、它会造成室内电线、金属管道、金属设备的空隙之间发生放电现象，引起火灾、爆炸、并危及人身安全。
感应雷形成见图10-6。
图10-6雷云下储油罐静电感应
3.雷电波侵入
当雷云出现在架空线上方，在线路上因静电感应而聚集大量异性等量的束缚电荷，当雷云向其它地方放电后，线路上的束缚电荷被释放便成为自由电荷向线路两端行进，形成很高的过电压，在高压线路，可高达几十万V，在低压线路也可达几万V。
这个高电压沿着架空线路、金属管道引入室内，这种现象叫雷电波侵入。
如金属设备接触不良或有间隙，就会产生火花放电，引起火灾事故；如果沿线路串入电气设备，就可能击穿设备绝缘而损坏设备。
雷电波侵入也可由线路上遭受直击雷或发生感应雷所引起。
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，在整个雷害故中占50～70%，因此对雷电波侵入的防护应予足够的重视。
（三）雷电活动的一般规律及易受雷击的部位
雷电活动有一定的规律。
从气候上看，热而潮湿的地区比冷而干燥的地区雷电活动多；从地域上看，山区比平原多；从时间上看，春夏、夏秋之交雷电活动较多。
根据统计，容易遭受雷击的部位有：
1.筑物高耸、突出部位。
如水塔、烟囱、屋角、山墙、女儿墙等。
不同屋顶坡度（0°、15°、30°、45°）建筑物的雷击部位如图10-7所示。
图中说明，屋角与檐角的雷击率最高。
屋顶的坡度越大，屋脊的雷击率也越大，当坡度大于40°时，屋檐一般不再遭受雷击。
当屋面坡度小于27°，长度小于30m时，雷击点多发生在山墙，而屋檐一般不再遭受雷击。
图10-7不同屋顶坡度建筑物的雷击部位
2.排出导电尘埃的烟囱、厂房和废气管道等。
3.屋顶为金属结构，地下埋有金属管道，内部有大量金属设备的厂房。
4.地下有金属矿物的地带。
5.有大树和山区的输电线路。
二、建筑物的防雷分类
根据工业与民用建（构）建筑的使用性质，发生雷击后所造成的经济损失和影响等方面因素，我国的防雷规范将工业建筑物、构筑物分成三类；将民用建筑物分成两类。
但目前有些资料也把民用建筑防雷分为三类，这应该是比较合理的，本书采用三类划分的方法。
（一）工业建筑物的防雷等级
第一类：
凡建筑物中制造、使用或储存大量爆炸物品，容易因火花而引起爆炸，并会造成巨大破坏和人身伤亡者。
第二类：
凡建筑物中制造、使用或储存爆炸性物质，但是出现火花时不易引起爆炸或不致于造成巨大破坏和人身伤亡者。
第三类：
未列入第一、二类的爆炸、火灾危险场所，根据雷击的可能性及对工业生产的影响，确定需要防雷者：
高度在15m以上的高耸建筑物。
雷电活动较少地区，但高度为20m以上者。
（二）民用建筑物的防雷等级
第一类防雷建筑物：
1．具有重大政治意义和用途的建筑物，如重要的国家机关、大会堂、国际航空港、通信枢纽、大型博览建筑、特别火车站、国宾馆、大型旅游建筑等。
2.超高建筑物，如40层及以上的住宅建筑、建筑物高度超过100m的其他民用建筑物。
3.国家级重点文物保护的建筑物和构筑物。
第二类防雷的建筑物：
1.重要的或人员密集的大型建筑物，如部、省级办公楼、省级大型的集会、博览、体育、交通、通信、广播、商业和影剧院建筑等。
2.省级重点保护的建筑物和构筑物。
3.19层及以上的住宅和高度超过50m的其它民用建筑物。
第三类防雷的建筑物：
1.10至18层的普通住宅。
2.建筑物高度不超过50m的教学楼或普通的旅馆、办公楼、科研楼、图书馆、档案馆以及省级以下的邮政楼等。
三、防雷装置
由于雷电有不同的危害，所以相应采取不同的防雷措施来保护，无论采用哪种措施，一套完整的防雷系统都由三部分组成：
接闪器、引下线和接地装置，如图10-8。
图10-8烟囱的防雷系统示意图
1—接闪器2－引下线3－接地装置
（一）接闪器
用以接收雷电流的金属导体叫接闪器。
有避雷针、避雷线、避雷带、避雷网等形式。
1.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。
通常采用镀锌圆钢或镀锌钢管制成。
当针长1m以下，圆钢直径为12mm,钢管管径为20mm；当针长为1-2m时，圆钢直径为16mm，钢管直径为25mm；烟囱顶上的避雷针，圆钢直径为20mm。
当避雷针较长时，针体则由针尖和不同管径的管段组成。
避雷针对建筑物的防雷保护是一定范围的。
其保护范围是以它能防护直击雷的锥形空间来表示。
这个锥形空间由新制订的国家标准《建筑物防雷设计规范》GBJ57修订本参照国际电工委员会IEC标准规定采用“滚球法”来确定。
所谓“滚球法”，就是选择一个半径为
（滚球半径）的球体，沿需要防护直击雷的部位滚动，如果球体只接触到避雷针或避雷针与地面，而不触及需要保护的物体，则该物体就在避雷针的保护范围之内。
单支避雷针的保护范围，GBJ57修定本规定，应按下列步骤确定，见图10－9。
（1）当避雷针高度
时：
①距地面
处作一平行于地面的平行线；
②以避雷针的针尖为圆心
为半径，作弧线交于平行线的A、B两点；
③以A、B为圆心，
为半径作弧线，该弧线与针尖相交，与地面相切，由引弧线起到地面止的整个锥形空间就是避雷针的保护范围；
图10-9单支避雷针的保护范围
1－避雷针2－保护范围边界3－
平面上保护范围的截面
④避雷针在被保护物高度
的
平面上的保护半径，按下式计算：
（10－1）
式中
——为避雷针高度（m）;
——为滚球半径（m）;
——平面
高度（m）；
——为平
上的保护半径（m）。
按建筑物的防雷类别布置接闪器及其滚球半径 表10-2
建筑物的防雷类别
避雷网尺寸/m×m
滚球半径/m
第一类防雷筑物
5×5
30
第二类防雷建筑物
10×10
45
第三类防雷建筑物
20×20
60
式中滚球半径
可按表10－2确定。
（2）当避雷针高度
时：
在避雷针上取高度
的一点，代替避雷针的针尖作为圆心，其余的作法如
的作法。
关于多支避雷针的保护范围可参看GBJ57修订本或有关设计手册，此处从略。
2.避雷带
采用直径不小于8mm的圆钢或截面不小于48mm2、厚度不小于4mm的扁钢，沿建筑物易受雷击的部位（如屋脊、女儿墙）装设一周、高出屋面100～150mm，支持卡间距离1～1.5m，两根两行的避雷带之间的距离要小于或等于10m,并必须经1～2根以上的引下线与接地装置可靠地连接，这样整个屋面就认为全部被保护了。
图10-10为避雷带在女儿墙上的敷设示意图，图10-11为防雷平面图。
对于第二、三类建筑物避雷带是作为防直击雷的主要措施。
对于第一类建筑物，避雷带用作防雷侧击。
例如，防雷规程规定，高层建筑中自30m以上每3层应沿建筑物四周装设避雷带。
该水平避雷带可用25mm×4mm的扁钢在结构圈梁内敷设，并应与引下线焊接。
图10-11防雷平面图 图10-10明装避雷带支持卡子做法
1－
8mm镀锌圆钢2－混凝土支座
3－防雷带引下线
3.避雷网
避雷网相当于屋顶上纵横敷设的避雷带组成的网格。
避雷网所需材料及做法基本与避雷带一样。
第一类建筑物防直击雷常采用避雷网。
避雷网即金属网格，分明网和暗网。
层顶上的避雷网，如果是上人屋顶，可敷在顶板内5cm处；对于不上人屋顶，可敷在顶板上15cm处。
避雷网的网格越密，可靠性越好。
网格的密度视建筑物的重要程度而定，通常第一类建筑物的网格规定不大于10m×10m，第二类建筑物的网格不大于20m×20m，如图10-12所示，
即为避雷网的网格。
图10-12中的
为引下线的间距，第一类建筑，
m若为雷电活动活动强烈区，
m；
第二类的建筑物的
m.
4.避雷线
是装在架空输电线路上的导线,一般采用截面不小于35mm2的镀锌钢绞线。
图10-12屋顶避雷网做法
此外，还有笼式避雷网，简称避雷笼。
避雷笼是笼罩着整个建筑物的金属笼。
对于雷电它起到均压和屏蔽作用，任凭接闪时笼网上出现高电压，笼内各处电位相等，形成等位体。
因此，笼内人身和设备都是安全的。
日本国的高大建筑物和我国广州国际大厦都采用。
（二）引下线
是连接防雷装置与接地装置的一段导线。
其作用是将雷电流引入接地装置。
一般可由圆钢或扁钢制成。
圆钢直径不小于8mm；扁钢截面不小于48mm2,厚度不小于4mm。
引下线可明装，也可暗装。
明装时，必须沿建筑物外墙敷设。
引下线应在地面上1.7m和地面下0.3m的一段线上用钢管或塑料管加以保护；在1.8m处设断接卡。
暗装时,可以利用建筑物本身的金属结构,如钢筋混凝土柱子的主筋作为引下线。
但暗装的引下线应比明装时增大一个规格，每根柱子内要焊接两根主筋，各构件间必须连成电气通路。
屋内接地干线与防感应雷接地装置的连接，不应少于两处。
（三）接地装置
将雷电流通过引下线引入大地的散流装置称为接地装置。
接地装置由接地体和接地线组成。
接地线是连接引下线和接地体的导线，一般用
=10mm的圆钢制成。
接地体可分为三类：
1.自然接地体利用埋于地下的，有其它功能的金属物体，作为防雷保护的接地装置。
比如：
（1）直埋铠装电缆金属外皮；
（2）直埋金属水管；
（3）钢筋混凝土电杆
2.基础接地体为节约有色金属，降低造价，应尽量利用建筑物中的结构钢筋作为接地装置。
满堂红基础最为理想。
若为独立基础，则应根据具体情况确定，以确保电位均衡，消除接触电压和跨步电压的危害。
3.人工接地体专门用于防雷保护的装置，分为垂直接地体和水平接地体两类，如图10-13所示。
（1）垂直接地体，可采用直径20～50mm的钢管壁厚3.5mm、直径19mm的圆钢或厚3mm宽20mm到厚5mm宽50mm的角钢做成。
长度分2～3m一段，间隔5m埋一根顶端埋深为0.5～0.8m。
用接地连接条或水平连接体将其连成一体。
（2）水平接地体可采用截面为25×4～40×4mm2的扁钢、截面10×10mm2的方钢或直径8～14mm圆钢做成。
埋深一半为0.5～0.8m。
埋接地体时，应将周围填土务实，不得回填砖石、灰渣之类杂土。
通常接地体均应采用镀锌钢材。
若土壤有腐蚀性时，应适当加大接地体和接地线的截面，并加厚镀锌层。
各焊点必须刷樟丹油或沥青油，以加强防腐。
接地电阻的数值应符合规范要求。
避雷接地装置中，在遭受雷击时，接地点的电位很高，人畜走近接地体时，会有触电危险，所以接地体应设在很少有人通过的地方，并且与建筑物的水平距离3m以下。
避雷装置的接地体要与其它装置接地的接地体分开独立设置并且和其它接地装置在空气中的距离大于5m；在地中的距离要大于3m。
如图10－14
图10－13接地体
（
）垂直埋设的棒形接地体（
）水平埋设的带形接地体图10－14针与配电装置的安全距离
——空气中的间距
——地中的间距
四、防雷措施
（一）防直击雷的措施
防直击雷采取的措施是引导雷云与避雷装置之间放电，使雷电流迅速泄入大地，从而保护建筑（构）筑物免受雷击。
防直击雷的避雷装置有避雷针、避雷带、避雷网、避雷线等。
（二）防雷电感应的措施
防止由于雷电感应在建筑物上聚集电荷的方法，是在建筑物上设置收集并泄放电荷的装置（如避雷带、网）。
防止建筑物内金属物上雷电感应的方法，是将金属设备、管道等金属物，均通过接地装置与大地作可靠的连接，以便将雷电感应电荷立即引入大地，避免雷害。
（三）防雷电波浸入措施
防止雷电波沿供电线路浸入建筑物内，行之有效的方法是利用避雷器将雷电波引入大地。
以免危及电气设备。
1.配电线路全部采用地下电缆；
2.进户线采用50~100m长的
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