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1、工业与民用配电设计手册工业与民用配电设计手册第十三章 雷电防护及电力设备过电压保护编 者 杨天义 校审者 顾尔矿第一节 概 述 一、雷击机理及雷击电流参量 雷电是大气中带电云块之间或带电云层与地面之间所发生的一种强烈的自然放电现象。带电云块即雷云的形成有多种理论解释，人们至今仍在探索中。 雷电虽然是一种人类还不能控制其发生的自然现象，但为避免它对人类社会造成的危害，人们通过长期的观测研究，对雷电现象及其特性、发生和发展的规律已经取得了一定的成果，并在此基础上形成了雷电防护的理论和措施。 雷电，或称闪电，有线状、片状和球状等形式。片状闪电发生于云间，对地不产生闪击；球状闪（雷）电是一种特殊的大气

2、雷电现象，其发生概率很小，对其形成机理、特性及防护方法仍在研究中；线状闪电特别是大气雷云对地面物体的放电，是防雷防护（本章论述）的主要对象。 大气雷云对地面的放电通常是阶跃式的，先出现“先驱放电”，其放电脉冲以105106m/s的速度和约30100s的间隔阶跃式地向地面发展；当到达地面的距离为“击距”时，与地面物体向上产生的“迎面先导”会合，开始“主放电”阶段。“主放电”过程约为数十至数百微秒，速度约为108m/s，雷电流幅值可达数十至数百千安。紧接着的“余光阶段”的电流虽仅（约）数百安但持续时间却可（约）达数十至数百毫秒。 闪电放电因其激发了雷云中的多个电荷中心放电而大多呈现多重性，即沿着首

3、次放电通道发生的后续放电平均约为34次，最多可达20余次。这种雷云对大地的放电称为“闪击”。所谓雷击即是一个闪电对地闪击中的一次放电。 大量的观测统计表明：闪电对地的闪击大多为负极性的多重雷击，只有约10%的闪击是正极性的雷击。在平原地区和击向较低建筑物的闪击大多为向下的闪击，而对突出的较高建筑物的闪击则多为向上闪击，向下闪击与向上闪击的雷电流分量及其组合有区别。 防雷装置的设计耐雷水平，是综合考虑雷击概率、损失后果及经济性的结果，因此，防雷安全度不是100%的；防雷装置的设计耐雷水平与确定的雷电流参数有关。依据IEC-TC81的有关标准而制定的我国建筑物防雷设计规范（GB50057-94）所

4、采用的雷电流参量见表13-1表13-3。表13-1 首次雷击的雷电流参量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（s）101010T2半值时间（s）350350350Qs电荷量（C）1007550W/R单位能量（MJ/）105.62.5 注：因为全部雷击的电荷量Qs的本质部分包括在首次雷击中，故所规定的值考虑合并了所有短时间雷击的电荷量（=）。Qs可按Qs=（1/0.7）IT2近似计算（式中雷电流值I单位为A，半值时间T2单位为s）。对第一、二、三类防雷建筑物，一次雷击的总电荷量Qf分别为300、225、150As（C）。 由于单位能量W/R的本质部分包

5、括在首次雷击中，故所规定的值考虑合并了所有短时间雷击的单位能量（=）。可按W/R=（0.5/0.7）I2T2计算（J/式中I、T2单位同注1）。表13-2 首次以后雷击的雷电流参量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（s）0.250.250.25T2半值时间（s）100100100I/T1平均陡度（kA/s）200150100表13-3 长时间雷击的雷电流参量雷电流参数防雷建筑物类别一类二类三类Q电荷量（C）200150100T时间（s）0.50.50.5注： 平均电流IQ/T；长时间雷击电荷量Q=QfQs。 表13-113-3所规定的三种雷击电流波形

6、及参数的定义参见图13-1。 （a）短时首次雷击 （b）首次以后的雷击 （后续雷击） （c）长时间雷击图13-1 雷电流波形及相关参数 上述各类防雷建筑物的雷击参数是依据国际大电网会议的相关资料绘制的如图13-2所示的雷电流参量的累积概率分布曲线（IEC1024-1-1）而制定的。从图中可看出，雷电流的最大幅值出现于首次正极性雷击中，而最大陡度（di/dt）则出现于首次以后的负极性雷击中。正极性雷击通常仅出现一次，无重复雷击。参 量参量横坐标单位首次负极性雷击首次以后的负极性雷击负极性闪击首次正极性雷击正极性闪击IkA12 3 QfC45 QsC67 8 W/RkJ/910 11 (i/t)m

7、axkA/s1213 14(i/t)30/90%kA/s 15 图13-2 雷电流参量的累积概率分布 表13-1表13-3的雷击电流参量，对第一类防雷建筑物来说，接近于所有闪击的99%能被包括在内；对第二、第三类防雷建筑物来说（的雷击电流参量），分别相当于第一类防雷建筑物规定参量的75%和50%。 此外，为了分析评估防雷保护设施对雷电能量的耐受性及雷电瞬态响应效果（如屏蔽及滤波效果），还须对雷电脉冲波进行频谱分析，以获得雷电波能量在频率上的分布密度。图13-3所示为第一类防雷建筑物的雷电流幅值密度曲线。图13-3 第一类防雷建筑物的雷电流幅值密度 上述雷电放电特性和参数是根据长期的观测和试验而

8、逐步积累起来的，是防雷分析计算和防雷设计的基础资料。 二、雷击效应及其危害 （一）雷电感应（感应雷） 1. 静电感应 带电云层与大地间产生的强大的静电场因雷闪（的）放电，正负电荷猛烈（地）中和，（而）导致附近的地面导体、输电线路、金属管线等感生的束缚电荷（因）来不及迅速流散，就（而）形成了静电感应过电压。这种过电压在输电线路上可高达数百千伏，会导致线路绝缘闪络及所连接的电气设备的绝缘遭受损坏；在危险环境中，在未作等电位联结的金属管线间还可能产生火花放电而导致火灾或爆炸（危险）。 2. 电磁感应 由于雷电流脉冲具有很高的幅值和陡度，会在其周围空间形成强大的瞬变脉冲电磁场；使附近的导体上感应出很高

9、的电动势，从而产生感应过电压。 同时，由于闪电脉冲不是一个，而是多达104个脉冲组成的，在闪电的“先驱放电”阶段将出现高频和甚高频电磁辐射，而在“主放电”阶段，低频辐射则大大增加；这些闪电电磁脉冲的感应电压将耦合到电子信息设备中去，导致“噪声”干扰及测量误差，甚至对电子器件产生破坏性损伤。 （二）直接雷击（直击雷） 1. 瞬态电涌效应 当雷电直接击中地面物体及防雷装置时，强大的雷电流（约50%100%）流经防雷接地装置时会在引下线及接地体上产生一极高的瞬态过电压U，其值为： U=UR+UL=IRi+LOhX （13-1）式中 UR（雷电流流过防雷装置时，在）接地装置上的电阻电压降（kV）； U

10、L（雷电流流过防雷装置时，在）引下线上距地为hX高度的电感电压降（kV）； Ri接地装置的冲击接地电阻（）; I 流经引下线的雷电流幅值（kA）； LO引下线的单位长度电感（H/m），一般可取为1.5H/m； 雷电流陡度（kA/s）； hX（防雷装置）引下线上过电压计算点的地上高度（m）。 此种雷击瞬态过电压之电阻分量UR导致接地装置的对地电位升高，并在接地点附近地面形成高电位梯度，可能造成接地装置附近的人员因承受过高“跨步电压”而造成伤害。 同时，当人员直接接触防雷引下线及与其相连的金属物体时，还可能遭受高达数十至数百千伏的“接触电压”的电击危险。 此外，这种过电压还可能因进出（由于引出/入

11、）建筑物的各种架空或埋地的金属管线所造成的“高电位引出”或“低电位引入”而形成转移过电压，导致（对）与线路连接的电气设备绝缘遭受损坏，（；）或可能对其它未做等电位联结的接地金属物体闪络放电。 由于雷电流的幅值及陡度很大，在引下线寄生电感上产生的很高的瞬态过电压会对引下线附近未满足安全距离且未作等电位联结的金属物体“反击”放电。当雷电直击于架空电气线路或天线杆等物体时，强大的雷电波还会直接沿架空线路侵入建筑物内，这同样会因高电位引入及闪络放电而引发人员伤亡及建筑物和电气设备的损坏。 2. 热效应 雷电流的热效应包括高幅值雷电流流经导体电阻时所迅即产生的焦耳热，以及闪电对防雷接闪器或放电间隙击穿所

12、形成的强大电弧附着点热损。 高达数百千安的雷电流持续时间可长达数百毫秒甚至1s以上，此雷电流流经导体所产生的焦耳热会导致导体的温度急速升高，影响导体的热稳定，即会使导体的机械强度降低甚至被熔化或击穿，还可能因此而导致其它二次事故。 为此应对防雷装置的热稳定进行校验，主要是校验导体截面及温升。（进行校验。根据IEC364-5-54文件所给出的公式，防雷装置）根据温升而定的导体截面可按下式计算： S= (13-2) 根据截面而定的导体温升则为： （-）=（B+） （13-3）上两式中：S导体的截面积（mm2）； Qc导体的体积热容量（J/mm3）； B 导体在0时的电阻率温度系数的倒数（）； 20

13、导体在20时的电阻率（mm）； 导体的起始温度（）; 导体的最终温度（）； kc 雷电流流经引下线的分流系数，单根引下线为1，两根引 下线及接闪器不成闭合环的多根引下线为0.66,接闪器成 闭合环或网状的多根引下线为0.44； 2dt雷击的单位能量（J/），按表13-1选取。表13-4 计算导体截面和温升的有关参数导体材料Qc(J/mm2)B（）20（mm）钢3.810-320213810-6铜3.4510-3234.517.24110-6铝2.510-322828.26410-6 特别是（地，对于）利用建、构筑物钢筋混凝土构件中的钢筋作为引下线的钢导体，其热稳定可按下表所列公式校验：表13-

14、5 钢筋混凝土构件热稳定校验构 件 名 称钢筋截面最小值（mm2）对于温度值要求不超过60，需要验算疲劳的构件（如吊车梁等构件）S=4.5410-2kc对于温度值要求不超过80的构件（如屋架、托架、屋面梁等）S=3.2710-2kc注：1. 设定构件钢筋的起始温度为40 2. 符号说明同公式（13-3） 强大的雷电流对闪击点的电弧附着点热损，能在瞬间加热金属体致其熔化，其热过程极为复杂（不好准确计算）。设若电弧附着点热损产生的全部能量均用于熔化金属体时，雷击点被熔化的金属体积，可按下式（13-4）近似计算： V= （13-4）式中：V 被熔化金属的体积（m3）； 电弧根部极间压降，典型值取30

15、V； 雷电流电荷（C）； 材料密度（kg/m3）； cw比热容（J/kg）; s熔化温度（）; u周围温度（）； cs熔化比热能（J/kg）。 上式中各种材料的物理参数代表值见表13-6。表13-6 （13-4）式中的各物理参数参 数材 料钢铜铝（kg/m3）770089202700s（）15301080658cs（J/kg）272103209103397103cw（J/kg）469385908 （作为）当近似地估算时，雷击点被熔化的金属体积约为：铁（Fe），V4.4Q（mm3）；铜（Cu），V5.4Q（mm3）；铝（Al），V=12Q（mm3）；式中Q为流经雷击点的电荷，库仑（As）。再根据

16、雷击点加热面积的估计（直径约50100mm）就（从而）可以估算出雷击点金属的熔化深度。 3. 机械效应 极高的雷电流峰值通过防雷装置的导体时会在平行导体间或角状、环状导体之间产生（一）冲击性的电动力。如引下线形成一段长且小的平行环路时，雷电流所产生的电动力可近似地按下式计算： F（t）= （13-5）式中 F(t)电动力（N）； 雷电流幅值（A）； 空气导磁系数，410-7（H/m）； 导体平行段的长度（m）； d 导体平行直线段之间的距离（m）。 这种电动力是流过导体的雷电流的磁耦合而产生的电磁力，其大小与雷电流的幅值及导体的几何形状有关。当雷电流幅值很大时，其产生的冲击力可达数百或数千公斤

17、，可能导致（对）流过雷电流的建筑设施及防雷设施的损坏，因此必须（应）对防雷设施的机械强度、（和）其连接和固定方法提出相应的要求。 三、落雷的相关因素 为了经济合理地采取防雷措施，必须了解当地落雷的相关因素及雷击的选择性规律。 1. 地面落雷的相关因素 （1）地理条件。一般地说，雷电活动随地理纬度的增加而减弱，且湿热地区的雷电活动多于干冷地区。在我国，大致按华南、西南、长江流域、华北、东北、西北依次递减。从地域看是山区多于平原，陆地多于湖海。雷电频度与地面落雷虽是两个概念，但雷电频度大的地区往往地面落雷也多。我国主要城市雷暴日数见第十六章。 （2）地质条件。有利于很快聚集与雷云相反电荷的地面，如

18、地下埋有导电矿藏的地区，地下水位高的地方，矿泉、小河沟、地下水出口处，土壤电阻率突变的地方，土山的山顶或岩石山的山脚等处容易落雷。 （3）地形条件。某些地形往往可以引起局部气候的变化，造成有利于雷云形成和相遇的条件，如某些山区，山的南坡落雷多于北坡，靠海的一面山坡落雷多于背海的一面山坡，山中的局部平地落雷多于峡谷，风暴走廊与风向一致的地方的风口或顺风的河谷容易落雷。 （4）地物条件。由于地物的影响，有利于雷云与大地之间建立良好的放电通道，如弧立高耸的地物、排出导电尘埃的厂房及排出废气的管道、屋旁大树、山区和旷野地区输电线等易受雷击。 2. 建筑物落雷的相关因素 （1）建筑物的孤立程度。旷野中孤

19、立的建筑物和建筑群中的高耸建筑物，易受雷击。 （2）建筑物的结构。金属屋顶、金属构架、钢筋混凝土结构的建筑物易受雷击。 （3）建筑物的性质。常年积水的冰库，非常潮湿的牲畜棚，建筑群中个别特别潮湿的建筑物，容易积聚大量电荷；生产、贮存易挥发物的建筑物，容易形成游离物质，因而易受雷击。 （4）建筑物的位置和外廓尺寸。一般认为建筑物位于地面落雷较多的地区和外廓尺寸较大的建筑物易受雷击。 3. 建筑物易受雷击的部位 建筑物屋面坡度与雷击部位的关系如图13-4所示（a） （b） （c） （d）图13-4 不同屋面坡度建筑物的易受雷击部位（a）平屋面；（b）坡度不大于的屋面；(c) 坡度大于小于的屋面；（

20、d）坡度等于或大于的屋面 O雷击率最高部位； 易受雷击部位；不易受雷击的屋脊或屋檐 （1）平屋面或坡度不大于1/10的屋面为檐角、女儿墙、屋檐，见图13-4（a）、（b）； （2）坡度大于1/10，小于1/2的屋面为屋角、屋脊、檐角、屋檐，见图13-4（c）； （3）坡度等于或大于1/2的屋面为屋角、屋脊、檐角，见图13-4（d）； （4）图13-4（c）、（d），在屋脊有避雷带的情况下，当屋檐处于屋脊避雷带的保护范围内时，屋檐上可不装设避雷带。 四、建筑物防雷设计的内容及依据的标准 依据新修订的国家标准GB50057-94建筑物防雷设计规范2000年版及IEC第81技术委员会（TC81-雷电

21、防护）标准及其相关的文件，按照前述雷击效应及其危害后果，建筑物（含构筑物）防雷应考虑防直击雷（含防“反击”）等外部防雷措施，（及）防雷电感应、防雷电波侵入及防止雷击电磁脉冲（LEMP）对信息设备的干扰等内部防雷措施。而防生命危险则已包含在上述内部和外部的防雷措施中。 国际电工委员会（IEC）TC81及TC37（电涌抑制器）有关防雷的标准和文件，目前已经发布的主要有： IEC61024-1 建筑物防雷标准，第1部分，通则。 IEC61024-1-1 建筑物防雷，指南A，防雷装置级别的选择。 IEC61024-1-2 建筑物防雷，指南B，防雷装置设计、施工、维护和检查。 IEC61312-1 防雷

22、击电磁脉冲，第1部分，通则。 IEC/TS61312-2 防雷击电磁脉冲，第2部分，接地、建筑物屏蔽及等电位联结。 IEC61312-3 防雷击电磁脉冲，第3部分，对电涌保护器的要求。 IEC61312-4 防雷击电磁脉冲，第4部分，现有建筑物中对设备的保护。 IEC61643-1 低压配电系统中连接的电涌保护器，第1部分，性能要求和测试方法。 IEC61643-12 低压配电系统中连接的电涌保护器，第12部分，选择和应用原则。 IEC61643-21 低压浪涌保护装置，第21部分，接到通信和信号网络的电涌保护装置，性能要求和试验方法。 IEC61662 技术报告，雷击损坏危险度的评估。 此外

23、IEC TC64（建筑物电气装置）也已发布了以下的相关标准： IEC60364-4-442 低压电气装置对暂态过电压及高压系统对地之间的故障的防护。 IEC60364-4-443 防大气过电压和操作过电压。 IEC60364-4-444 建筑设备的抗电磁干扰保护。 IEC60364-5-534 防过电压器件。 IEC60364-5-548 信息设备的接地安装和等电位联结。 上述为建筑物防雷的部分基本标准，有的已被等同或等效采用为国家标准。其它特殊建、构筑物的防雷则依据相关的国家标准或行业标准。 所有这些标准都将会被修订，设计者应随时关注这些标准的最新有效版本。第二节 建筑物（含构筑物）的雷电防

24、护 一、建筑物年预计雷击次数 国家标准GB50057-94规定的我国建筑物年预计雷击次数为 N=kNgAe=0.024kTd1.3Ae （13-6） H0.06的重要建筑物或人员密集的公共建筑物。如部、省级办公建筑物，集会、展览、博览、体育、商业、影剧院、医院、学校等建筑物。 （7）年预计雷击次数N0.3的一般性民用建筑物，如住宅、办公楼等。第三类防雷建筑物 （1）省级重点文物保护的建筑物及省级档案馆。 （2）年预计雷击次数0.06N0.012的重要的或人员密集的建筑物。如部、省级办公建筑物，集会、展览、博览、体育、商业、影剧院、医院、学校等建筑物。 （3）根据雷击后对工业生产的影响及产生的后

25、果，并结合当地气象、地形、地质及周围环境等因素，确定需要防雷的21区、22区、23区火灾危险环境。 （4）年预计雷击次数0.3N0.06的一般性民用建筑物，如住宅、办公楼。 （5）年预计雷击次数N0.06的一般性工业建筑物。 （6）高度在15m及以上（）的烟囱、水塔等孤立的高耸建筑物；。在年平均雷暴日不超过15天的地区，高度可为20m及以上。 （7）未装设防直击雷装置及不处于其它建、构筑物的保护范围内但设有信息系统而需防雷击电磁脉冲的建筑物，宜按第三类考虑防直击雷措施。2. 建筑物防雷分类的常见问题 （1）当一座防雷建筑物中兼有第一、二、三类防雷建筑区间时，其防雷分类和防雷措施宜按以下原则确定

26、：（用区域似更确切一些） 1）当第一类防雷建筑区间的面积占建筑物总面积的30%及以上时，该建筑物宜确定为第一类防雷建筑物。 2）当第一类防雷建筑区间的面积占建筑物总面积的30%以下，且第二类防雷建筑区间的面积占建筑物总面积的30%及以上时，或当这两类防雷建筑区间的面积均小于建筑物总面积的30%，但其面积之和又大于30%时，该建筑物宜确定为第二类防雷建筑物。但对第一类防雷建筑区间的防雷电感应和防雷电波侵入，应采取第一类防雷建筑物的保护措施。3）当第一、二类防雷建筑区间的面积之和小于建筑物总面积的30%，且不可能遭受直接雷击时，该建筑物可确定为第三类防雷建筑物；但对第一、二类防雷建筑区间的防雷电感应和防雷电波侵入，应按（采取）各自类别（的）采取防雷保护措施；当这些区间可能遭受直接雷击时，宜按各自类别采取防雷保护措施。 （2）当一座建筑物中仅有一部分为第一、二、三类防雷建筑区间时，其防雷措施宜符合下列规定： 1）当该（防雷建筑）区间可能遭受直接雷击时，宜按各自类别采取防雷措施。2）当该（防雷建筑）区间不可能遭受直接雷击时，可不考虑采取防直击雷措施，而仅考虑采取（各自要求的）防雷电感应和防雷电波侵入的措施。3）当该（防雷建筑）区间的面积占建筑物总面积的50%以上时，该建筑物宜按上述（1）项的规定采取防雷措施。 三、建筑物的防雷