雷电的防护及数值计算.docx

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雷电的防护及数值计算

1.6雷电的防护

GB50057-94中对雷防提出的总则（第1.0.1条）规定:

“为使建筑物（含构筑物，下同）放雷设计因地制宜地采取放雷措施，防止或减少雷击建筑物所发生的人身伤亡和文物、财产损失，做到安全可靠、技术先进、经济合理，制定本规范。

”

————注意，这里提的是“防止或减少”而不是一概要求“防止”，同时也提出考虑安全可靠、技术先进和经济的合理要同时考虑。

在标准的条文说明中指出:

“有人认为，建筑物安装防雷装置后就万无一失了。

从经济的观点出发，要达到这点是太浪费了，因此特指出“或减少”，以示不是万无一失，因为按照本规范设计的防雷装置的安全度不是100%。

1.6.1直击雷的防护

防直击雷的外部装置包括接闪器（避雷针、避雷带、避雷线、避雷网）、引下线、接地装置，另外也包括屏蔽措施，通过这些装置迅速地将把雷电流泄放放入地。

1.6.2电涌的防护

为保护设备安全和抑制各种雷电感应引起的浪涌过电压，必须采取系统有效的保护措施，即在电源线信号线上加装浪涌抑制器。

1.6.3等电位连接

为防护雷电流引起电磁感应和地电位反击的破坏作用，所有允许连接的设备金属外壳，接地的金属管线和导体间应进行的等电位连接。

是防雷电引起的电磁感应、地电位反击的重要措施（但不允许连接的导体之间防反击是以保持足够的距离实现——防闪络）。

从实质上讲电涌保护也是一种瞬间的等电位连接，是用SPD器件把不能连续与地连接的通电导体（电源线、信号线）与地连接起来。

1.6.4屏蔽

用于防护雷电引起的电磁脉冲辐射的破坏作用。

1.6.5防闪络措施

对于不能采取等电位连接和使用点涌保护器防护时，通过保持距离抑制雷电引起的地点位反击和电磁感应等的破坏作用。

（下图为基站防雷系统图）

1

1.7雷电流的特性

●每次雷击的电流波形是随机的，差别很大。

●雷电流波形一般都是前沿陡而后沿时间相对较长的波形，一般前沿时间在几个微秒到几十个微秒，后

沿的半值值时间一般在几十到几百微秒。

●雷击有正闪击或负闪击，负闪击占多数（约占80~90%）。

正闪击平均的电流强度比负闪击要大（负闪

击的电流峰值以20~50KA居多，而正闪击的峰值往往在100KA以上），一次雷击大多数分成3~4次放电（但正闪击通常由一个单闪击构成）。

一般第一次闪击的电流峰值值最大，但首次雷击以后的负闪击的前沿更陡。

雷电流近似于典型曲线是双指数函数曲线

i

双指数函数：

＝Ｉ0（

I0——雷电流值峰

α——波前衰减系数；

β——波尾衰减系数；

另外，还有等值斜角波、等值余弦、幂指数波形等（略）

●雷电流的电荷量

雷电流的电荷量的近似计算公式：

Q=（1/0.7）·I·T2T2：

雷电流半值时间，单位：

秒（S）

式中,Q:

电荷量，单位：

库仑（c）

I：

雷电流幅值，单位：

安培（A）

●雷电流的单位能量（即流过1欧姆电阻消耗的能量），近似计算公式：

W/R=0.5·（1/0.7）·I2·T2

式中,W/R：

单位能量，单位：

焦耳/欧姆（J/Ω）

I：

雷电流幅值，单位：

安培（A）

T2：

雷电流形的半值时间，单位：

秒（S）

1.建筑物防雷工程

2.1名词术语解释见下表

2.2防雷建筑物的分类及要求

分类的根据：

按GB50057-94的规定进行划分

“建筑物应根据其重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，按防雷要求分为三类”，具体分类见标准，概括为：

第一类是爆炸危险大，后果严重的建筑物

第二类是特别重要建筑物，或爆炸危险但较小、后果不太严重的；或年预计雷击次数较高、

较重要和人员密集的建筑；

第三类，相对于第二类各因素次之但也属需加强防雷要求的建筑物。

2.3建筑物的年预计雷击次数

N=kNgAe

式中：

N——建筑物年预计雷击次数（次/a）

k——校正系数，在一般情况下取1，在下列情况取相应数值：

位于旷野孤立的建筑物取2；

金属屋面的砖木结构建筑物取1.7;

位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、

山谷风口等处以及特别潮湿的建筑物取为1.5。

Ng——建筑物所处地区雷击大地的年平均密度[次/（km2·a）]。

1.3

Ng=0.024T

（式中：

Td——当地年平均雷暴日）

Ae——与建筑物截收相同雷击次数的等效面积。

计算方法如下：

1）当建筑物高度小于100米时，其每边扩大宽度D按下式计算：

D=√H（200—H）

对于长、宽、高为L×W×H长方体形建筑，有：

Ae=[LW+2（L+W）·√H（200—H）

+πH（200—H）]·10-6（km2）

2）当建筑物高度等于或大于100米时，其每边扩大的宽度应按等于建筑物的高度H

进行计算。

这时有：

Ae=[LW+2（L+W）·H+πH2]·10-6（km2）

3）当建筑物各部位的高度不同时，应按建筑物周边逐点算出最大扩大宽度，其等

效面积Ae应按每点最大扩大宽度外端的连接线所包围的面积计算。

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（参考公式:

国防科工委研究得出的计算公式：

N=0.015TK1K2H2·10–4

式中：

T——年平均雷暴日；N—雷击概率（次/年）；

K1—落雷不均匀系数，易受雷击的建筑物K1=1.5~2.0；

K2—建筑材料影响系数，金属材料K2=1.5，非金属材料K2=0.15；

H—避雷针高度（m）]。

）

2.4接闪器的保护范围（滚球法）

2.4.1滚球法：

滚球法是以hr为半径的的一个球体，沿需要防直击雷的部位滚动，当球只触及接闪器（包

括被利用做接闪器的金属物），或只触及接闪器和地面（包括与大地接触并能承收雷击的金属

物），而不触及需要保护的部位时，则该部位就得到接闪器的保护，滚球法确定的接闪器保护

范围应符合本规范（GB50057-94）附录四的规定。

2.4.2单支避雷针的保护范围有关的计算公式：

rx=√h（2hr-h）-√hx（2hr-hx）

r0=√h（2hr-h）

式中：

hr—————滚球半径，按防雷级别确定（见下附表）；

h——建筑物的高度（当h≥hr时，取h=hr）

hx———避雷针高度中间的的某个高度；

rx———相对于hx高度的保护范围（圆形）的半径；

r0———相对于地面上保护范围（圆形）的半径。

各类建筑物的滚球半径见附表

附表

2.4.3双支等高避雷针的保护范围（当两针h≤hr，两针距离小于2r0时,r0=√h（2hr-h））

●两针外侧的保护范围按单支避雷针计算。

●两针之间保护范围的上边线是以中心线距局地面hr的的一点O，为圆心，以

√（hr——h）2+（D/2）2为半径所做的圆弧。

●两针之间的保护范围，在任一高度hχ处和C（或E点）所处的垂直平面上以hχ做假想针，按单支避雷

针的方法逐点确定的。

●χ—χˊ平面上保护范围（略）

2.4.4参考：

IEC1024-1规定避雷针布置的保护角（我国标准规定用滚球法，不用保护角法，表中规定

的防雷级别和滚球半径也与我国规定不同）见下表：

注：

表中滚球半径、避雷针高度、避雷网格的单位为米，

2.4.5雷电流参量的规定

表首次雷击参量

首次雷击以后的负雷击参量

注：

当计算导线的寄生电感引起的电压时应按此表参数计算。

表长时间雷击的雷电流参量

注：

平均电流I=QL/T

2.5接地装置的工频接地电阻与冲击接地电阻

2.5.1冲击接地电阻计算公式：

R～＝ARi

式中，R～——在接地装置各支线的长度取值小于或等于接地体有效长度

le，或者有支线大于le而取其等于le时的工频接地电阻。

（注：

用接地电阻测试仪测量出的是工频接地电阻。

对一般形状的接地体有给定的

公式可计算工频电阻）R～≥Ri.

（le————有效长度，按公式le=2√ρ计算，ρ为该处的土壤电阻率）A——换算系数，其数值宜按附图3.1确定（略，见标准），A的数值与比值l/le成

反比（l是接地体最长支线的实际长度），还与ρ成反比。

Ri——所要求的接地装置的冲击接地电阻。

2.5.2环绕建筑物的环形接地体应按以下方法确定冲击接地电阻：

a）当环形接地体周长的一半大于或等于接地体的有效长度le时，引下线的冲击接地电阻应为从与

该引下线的连接点起沿两侧接地体各取le长度算出的工频接地电阻（换算系数A等于1）。

b）当环形接地体周长的一半小于接地体的有效长度le时，引下线的冲击接地电阻应为以接地体的

实际长度算出工频接地电阻再除以A值。

2.5.3与引下线连接的基础接地体，当其钢筋从引下线的连接点量起大于20米时，其冲击接地电阻应为以换算系数A等于1和以连接点为圆心、20米为半径的半球体范围内的钢筋体的工频接地电阻。

2.5.4工频接地电阻的计算公式

a）单根垂直安装的棒形接地体的接地电阻计算公式（引自GBJ79-85，见“汇编”第190页）

Rc=（ρ/2πl）·Ln[4l（l+2h）/d（l+4h）]

注：

近似计算时可用：

R=（ρ/2πl）·Ln（4l/d）

式中,Rc：

工频接地电阻，单位：

欧姆（Ω）；

h接地体顶面埋深，单位：

米（m）;

ρ：

大地电阻率，单位：

欧姆·米（Ω·m）；

l：

接地体长度，单位：

米（m）；

d接地体等效直径，单位：

米（m）。

确定如下表：

表d等效直径d值表

b）n根并联的相同的垂直接地体

Rnc=Rc/nηc

式中,Rc：

单根垂直安装的接地体的接地电阻

n:

相同的垂直接地体个数

ηc：

垂直接地体的利用系数，具体可查阅GBJ79-85《工业企业

通信接地设计规范》中附表2.1、2.2、2.3。

附表见后面

c）单根水平安装的接地体的接地电阻计算公式（引自GBJ79-85，见“汇编”第190页）

RP=（ρ/2πl）·[Ln（l2/hd）+A]

式中，RP：

单根水平安装的接地体的工频电阻，单位：

欧姆（Ω）；

h接地体顶面埋深，单位：

米（m）

ρ：

大地电阻率，单位：

欧姆·米（Ω·m）；

l：

接地体长度，单位：

米（m）；

d：

接地体等效直径，单位：

米（m），确定同上面表d。

A：

水平接地体的形状系数。

见下表A

表A水平接地体的形状系数

分析：

上表说明，对水平接地体，在同样的L、h、d的情况下，不同的形状接地电阻不同，而形状越复杂，接地电阻越大（但有时受可用面积限制而不得不采用复杂形状）。

2.5.4.d）n根并联的相同水平接地体的接地电阻

RnP=RP/nηp

式中，RP：

单根水平安装的接地体的接地电阻；

n：

相同的水平接地体个数；

ηp：

水平接地体的利用系数，具体可查阅GBJ79-85《工业企业通信接

地设计规范》中附表2.1、2.2，附表附后。

e）单块板式接地体的接地电阻

当h>2d时（h——埋深，d——等效直径，见上表d）

Rb=ρ/4d（1+d/6h）

f）ηc、ηp值附表

具体可查阅GBJ79-85《工业企业通信接地设计规范》中附表2.1、2.2。

附表1直列式接地装置的