利用滚球法进行防雷设计的计算方法

滚球半径法计算防雷公式

滚球半径法计算防雷公式
滚球半径法是一种用于计算防雷公式的方法，也称为滚球法。

它
基于远离雷电地点的大圆距离与雷电附近的小圆距离之间的比例关系。

防雷公式是指用于确定安装避雷设施（如避雷针等）的高度或长
度的公式。

这些设施旨在保护建筑物或设备免受雷击的损害。

在滚球半径法中，假设雷电垂直撞击地面的距离为A，地面上的建筑物或设备需要保护的范围为B。

通过测量一个标准大小的滚球A和B
之间的半径差（记为R），可以得出以下公式：
B = R * A
其中，B是需要保护的范围的半径，R是滚球与雷电撞击地面的半
径差，A是雷电撞击地面的距离。

这个公式的原理是假设雷电撞击地面点附近的雷电场是均匀的，
且雷电的半径与雷电场的半径差是相似的。

通过测量滚球与雷电撞击
地面点附近的雷电场的半径差，可以推测出需要保护的范围的半径。

需要注意的是，滚球半径法是一种经验公式，其准确性取决于实际测量和具体环境条件。

在实际使用中，还需要考虑其他因素，如建筑物的高度、材料、地形等，以确定最佳的防雷设施布置和尺寸。

另外，滚球半径法也可以拓展到其他应用领域，如检测地下管道的腐蚀情况、测量建筑物的倾斜度等。

通过测量滚球与某个特定点之间的半径差，可以推断出该点与滚球之间的距离或物理变化情况。

这种方法在工程测量和地质勘探中有着广泛的应用。

滚球法计算接闪器防护范围

图2、单支接闪杆计算图
当接闪杆在 hx 高度的平面上时，保护半径
rx
按如下公式计算： · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1-1
rx h(2hr h) hx(2hr hx)
地面上的保护半径按如下公式计算：
r 0 h(2hr h)
得
r 2 hr ( hy h 0 ) ( hy h 0 ) 2
· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 4-4
b 0 CO EO h1(2hr h1) D12

· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3-2
4.在AOB轴线上，A、B间保护范围上边线位置的计算方法如下：
hx hr (hr h1) 2 D12 x 2
1.接闪杆高度小于或等于滚球半径时
如图所示，距地面hr处作一平行于地面的直线， hr 以杆尖为圆心，为半径画弧线与直线交于A、 B两点。以A、B为圆心， hr 为半径画弧与地面相切并交于杆尖处。则此图中弧线与地面之间是其保护范围，为一个对称的椎体。水平截面为圆形。
图1，单支接闪杆示意图
· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3-3
该保护范围上边线是以HO’线上距地面hr 的一点O’为圆心，以 (hr h1) 2 D12 所作的圆弧AB。
5.两杆间AEBC部分内的保护范围确定方法与两支等高接闪杆类似，而ACO与 AEO对称，BCO和BEO 对称。 ACO保护范围确定方法如下：在hx 和C点所处的垂直平面上，以 hx 作为假想避雷针，按单支避雷针的方法逐点确定。其他部分ACO方法相同。

避雷针的防护范围计算方法

避雷针的防护范围计算方法常用避雷针(这里仅指单针)保护范围的计算方法主要有折线法和滚球法，为此，就“折线法”和“滚球法”的计算进行了初步的分析和探讨，得出：“折线法”的主要特点是设计直观，计算简便，节省投资，但建筑物高度大于20 m以上不适用；“滚球法”的主要特点是可以计算避雷针(带)与网格组合时的保护范围，但计算相对复杂，投资成本相对大。

在避雷针保护范围的计算方法中，“折线法”是比较成熟的方法。

近几年来,国标中规定的“滚球法”也开始得到同行的认同，但在实际运用中，“滚球法”也碰到一些问题，特别是在计算天面避雷针保护范围的时候。

因此有必要对电力系统常用的“折线法”和国标的“滚球法”进行比较分析，发现其中存在的问题。

1“折线法”避雷保护计算“折线法”在电力系统又称“规程法”，即单支避雷针的保护范围是一个以避雷针为轴的折线圆锥体。

L/ 620—997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》标准就规定了单支避雷针的保护范围，见图。

1.1避雷针在地面上保护半径的计算计算避雷针在地面上的保护半径可用公式式中：Rp——保护半径；h——避雷针的高度；P——高度影响因数。

其中，P的取值是：当h≤30 m，P＝1；当30 m的h的纯数值；当h＞20 m时，只能取h=120 m。

1.2被保护物高度hp水平面上保护半径的计算a)当hp≥0.5h时，被保护物高度hp水平面上的保护半径式中：Rp——避雷针在hp水平面上的保护半径；hp——被保护物的高度；ha——避雷针的有效高度。

b)当hp＜0.5h时，被保护物高度hp水平面上的保护半径2“滚球法”避雷保护计算“滚球法”是国际电工委员会(IEC)推荐的接闪器保护范围计算方法之一。

我国建筑防雷规范G 50057—994(2000年版)也把“滚球法”强制作为计算避雷针保护范围的方法。

滚球法是以hR为半径的一个球体沿需要防止击雷的部位滚动，当球体只触及接闪器(包括被用作接闪器的金属物)或只触及接闪器和地面(包括与大地接触并能承受雷击的金属物)，而不触及需要保护的部位时，则该部分就得到接闪器的保护。

防雷接地滚球法

滚球法滚球法是以h r为半径的一个球体，沿需要防直击雷的部位滚动当球体只触及接闪器（包括被利用作为接闪器的金属物），或只触及接闪器和地面（包括与大地接触并能承受雷击的金属物），而不触及需要保护的部位时，则该部分就得到接闪器的保护。

当采用避雷针作接闪器时，应按表2－2规定的不同建筑物防雷级别的滚球半径，采用滚球法计算避雷针的保护范围。

不同建筑物防雷级别的滚球半径(1)单支避雷针的保护范围。

单支避雷针的保护范围应按图2-7的作图方法确定。

BAX x ’1）当避雷针高度h≤h时。

r高度的xx’平面上和在地面上的避雷针在hx保护半径，按式（2-11）和（2-12）确定r x=ℎ(2ℎx−ℎ)−ℎx(2ℎr−ℎx)(2-11)r0=ℎ(2ℎr−ℎ)(2-12)—避雷针在hx高度xx’的平面上的保式中 rx护半径，m；hr—滚球半径，按表2-2确定，m；hx—被保护物的高度，m；r0—避雷针的地面上的保护半径，m。

2）当避雷针高度h＞hr时，在避雷针上取高度hr的一点代替单支避雷针尖作为圆心，其余的做法同1）。

（2）双支等高避雷针的保护范围。

在避雷针高度h≤hr的情况下，当两支避雷针的距离D≥2ℎ(2ℎr−ℎ)时，应按单支避雷针的方法确定；当D<2ℎ(2ℎr−ℎ)时，应按图2-8的作图方法确定。

1）AEBC外侧的保护范围，按照单支避雷针的方法确定。

2）C、E点位于两针间的垂直平分线上。

在地面每侧的最小保护宽度b按式（2-13）计算)2b0=CO=EO=ℎ2ℎr−ℎ−(D2(2-13)在AOB轴线上，距中心线任一距离x处，其在保护范围上边线上的保护高度hx按式（2-14）确定ℎx=ℎr−(ℎr−ℎ)2+(D)2−x22(2-14) 该保护范围上边线是以中心线距地面ℎr)2为半径所的一点O’为圆心，以(ℎr−ℎ)+(D2作的圆弧AB。

3）两针尖AEBC内的保护范围，ACO部分的保护范围按以下方法计算：在任一保护范围高度和C 点处垂直平面上，以k：作为假想避雷针，按单支避雷针的方法确定，如图2－8中的1－1剖面所示确定BCO．AEO．BEO部分的保护范围的方法与ACO部分的相同确定XX’平面上保护范围截面的方法：以单支避雷针的保护半径r x为半径，以A、B为圆心作弧形与四边形AEBC相交、再以单支避雷针的(r0−r x)为半径，以E、C为圆心作弧线与上述弧线相接，如图28中的粗虚线所示。

滚球法计算

8/19/2020
Footer Text
4
试验表明，雷击距的大小与下行先导
头部的电位高低有关，因此与先导通道中
携带的电荷密度有关，而先导通道中的电
荷密度又决定着随后回击出现的雷电流幅
值，所以可以认为雷击距的大小依赖于雷
电流幅值。
8/19/2020
Footer Text
5
d
s
bI
c m
Hale Waihona Puke d s －雷击距，m;由此可知，2 h(2hr h) 是一个临界距离。
下面将讨论这个临界距离的计算。
8/19/2020
Footer Text
22
8/19/2020
Footer Text
23
如上图所示，D/2即为临界距离。 AOH三点组成的直角三角形，根据勾股定理可知
(D / 2)2 OH 2 hr2
又因为所以
O'
hr A
x
hr
F
xx'平面上保护范围的截面
x D
E
A
O
C
B AOB轴线的保护范围 x' 地面上保护范围的截面
B
AEBC外侧的保护范围，按照单支避雷针的方法确定。
8/19/2020
Footer Text
27
hr h hx b0
O'
hr A
x
hr
F
xx'平面上保护范围的截面
x D
E
A
O
C
B AOB轴线的保护范围 x' 地面上保护范围的截面
OH hr h
D / 2 h(2hr h)
即临界距离为 D 2 h(2hr h)

避雷针保护范围计算方法的分析

屋面避雷针保护范围的计算方法尹飞龙南京信息工程大学防雷专业，南京 210044摘要：建筑物防雷设计中普遍产用“滚球法”计算避雷针的保护范围，但在实际工程中，用于滚球法计算的基准面选取成了很大问题。

通过对不同情况的分析，得出了滚球与屋面相切、滚球与屋面不相切两种基本情况，并推导出相应避雷针保护范围的计算方法。

在实际防雷工程中应根据实际情况，选取相应的计算公式得出较科学的避雷针保护范围。

关键词：屋面避雷针、滚球法、保护范围《建筑物防雷设计规范》颁布实施以来，在建筑工程和市政工程中，已普遍采用滚球法确定建筑物、构筑物上防雷装置的保护范围。

较之以前的防雷保护范围计算方法，滚球法概念清晰，计算公式科学、合理且便于使用，提高了防雷设计的质量和水平，增强了工程建设项目抵御雷电侵害的能力，具有良好的经济效益和社会效益[1]。

1.“滚球法”计算单支避雷针保护范围1.1“滚球法”定义定义：滚球法是想象空中有一半径为hr第一类、第二类、第三类防雷建筑物滚球半径hr分别为30m、45m、60m)的球体，沿着要防直击雷的部位滚动，当球体表面触及接闪器，或只接触接闪器和地面，而不触及需要保护的部位时，则该部分就得到接闪器的保护[2]。

1.2单支避雷针保护范围[3]图1.2.1是单根避雷针保护范围的示意图：① 距地面hr 高度作一平行线于地面的平行线。

② 以针尖O 为圆心，hr 为半径，做弧线交于平行线A 、B 两点。

③ 以A 、B 为圆心，hr 为半径，做弧线分别与针尖相交和地面相切。

弧线以下到地面范围是避雷针保护范围，是一个对称的锥体。

图1.2.2是避雷针保护半径的计算简图：图1.2.2地面避雷针保护半径: ()220h h h OD r r r --== （1）hx 高度水平面上避雷针保护半径：()()22220x r r r r x h h h h h h BC r r -----=-=（2）2.屋面避雷针保护范围计算方法处于屋面的避雷针，实际上就是将避雷针的参考面由地面转换成了屋面。

防雷滚球法

附件Ⅳ避雷针、避雷线保护范围计算(滚球法)Ⅳ.1 建筑物的防雷分类♦按《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010的规定,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.Ⅳ.1.1 第一类防雷建筑物●第一类防雷建筑物凡存放爆炸性物品,或在正常情况下可能形成爆炸性混合物,因电火花而爆炸的建筑物,会造成巨大破坏和人身伤亡者.●防雷措施防直击雷◆装设独立避雷针(或消雷器),或架空避雷线(网)(架空避雷网的尺寸不应大于5m×5m或6m×4m).◆冲击接地电阻小于10Ω.防感应雷◆建筑物内各种设备及金属物都应连接到防感应雷的接地装置上,其接地装置与电气设备接地装置共用.◆屋内接地干线与防雷电感应接地装置的连接,不应小于2处.◆工频接地电阻小于10Ω.防雷电波入侵◆对非金属屋面应敷设避雷网,并可靠接地.室内的一切金属设备和管道,均应良好接地,不的有开口环形.电源进线处应装设避雷器.◆冲击接地电阻小于10Ω.防侧击雷措施◆从30m起每隔不大于6m,沿建筑物四周设水平避雷带与引下线相连.引下线不应少于2根,并沿建筑物四周均匀对称布置,其间距不应大于12m.◆30m以上外墙上的栏杆、门窗等较大的金属物与防雷装置连接.●消雷器(有争议)消雷器组成:装设在被保护物上方,带有“很多尖端电极的电离装置”.设置在地表层内的“地电流收集装置”.接通这两种装置的“连接导线”.消雷器工作原理•消雷器是70年代由美国发展起来的新型防雷装置.•利用金属针状电极的尖端放电原理设计的.•在雷云电场作用下,当尖端电场达到一定值时,周围空气发生游离后,在电场力作用下离去,而接替它的空气分子相继又被游离.如此下去,从金属针端各周围有离子电流流去.随着电位的升高,离子电流按指数规律增加.•当雷电出现在消雷器及被保护设备上空时,消雷器及附近大地均感应出与雷云电荷极性相反的电荷.安装有许多针状电极的离子化装置,使大地的大量电荷在雷云电场作用下,由针状电极发射出去,向雷云方向运动,使雷云被中和,雷电场减弱,从而防止保护物遭雷击.•消雷器的功能:使雷电冲击放电的微秒∙千安级瞬变过程转化为秒∙安级缓慢放电过程,因而使被保护物上可能出现的感应过电压降低到无危害的水平,达到“防雷消灾”的目的.消雷器根据离子化装置上金属针状电极不同分类:少长针型,多短针型.国产分类:导体伞板型,导体阵列型•导体伞板型用途:占地一定面积的发电厂、变电站、军火库、气象站、电视塔、重要防雷场所.•导体阵列型用途:架空线路.•接地电阻一般小于100Ω,则可满足要求.Ⅳ.1.2 第二类防雷建筑物●重要的或人员密集的大型建筑物.如:国家级重点文物保护的建筑物,国家级办公建筑物,大型会展中心或博物馆,国家级大型计算机中心和装有重要通信、电子设备的建筑物,19层及以上住宅楼,超过50m的其他建筑物等.●防雷措施防直击雷◆装设独立避针.◆装设在建筑物上避雷网(带)或避雷针或由其混合组成的接闪器. 防感应雷◆建筑物内的设备、管道、构架等主要金属物,应就近接至防直击雷接地装置或电气设备的保护接地装置上(可不另设接地装置).◆建筑物内防雷电感应的接地干线与接地装置的连接不应小于2处.◆防感应雷接地装置与电气接地装置共用或相连时,应在电源线路引入端装设避雷器. 防雷电入侵波◆将避雷器、电缆金属外皮、钢管等连接在一起接地. 冲击接地电阻不应大于10Ω. Ⅳ.1.3 第三类防雷建筑物●不属于第一、第二类建筑物,又需要作防雷保护的建筑物. ●防雷措施防直击雷:宜采用装设在建筑上的避雷网(带)或避雷针或由这两种混合组成的接闪器(利用其高出被保护物的凸出位置,把雷电引向自身,然后通过引下线和接地装置将雷电流泄放到大地,使被保护的线路、设备、建筑物免受雷击). 冲击接地电阻不应大于30Ω.Ⅳ.3 防雷设备●防雷设备主要有:避雷针、避雷线、避雷器、浪涌保护器（电子信息系统）Ⅳ.3.1 避雷针●避雷针的组成:接闪器(避雷针的针头)、引下线、接地体.通常接闪器安装在构架上. ●用滚球法确定避雷针的保护范围.●国际电工委员会1990年3月出版的建筑物防雷标准，以滚球法作为确定接闪器的保护范围.我国《建筑物防雷设计规范》GB50057-1994中规定避雷针保护范围的计算采用滚球. Ⅳ.3.1.1滚球法 ●滚球法是以r h 半径的一个球体,沿需要防直击雷的部位滚动,当球体只触及接闪器(包括被利用作为接闪器的金属物),或只触及接闪器和地面(包括与大地接触并能承受雷击的金属物),而不触及需要保护的部位时,则该部分就能得到接闪器的保护.●不同建筑物防雷级别的滚球半径用滚球法计算避雷针的保护范围时,不同防雷建筑物的滚球半径,表2.1.1.表2.1.1 不同建筑物防雷级别的滚球半径Ⅳ.3.1.2 单支避雷针的保护范围●针高度r h h （滚球半径）作图方法,图2.1.3图2.1.3 单支避雷针高度小于滚球半径时的保护范围距离地面r h 处作一平行于地面的直线.以针尖为圆心,r h 为半径,作弧线交于平行线的A 、B 两点.以A 、B 为圆心,r h 为半径,作弧线,与针尖相交,与地面相切.此弧线绕避雷针旋转360°形成一锥体,锥体及为保护范围.由图得,在r h 高度x x '平面上保护半径x r : ()()2222x r r r r x h h h h h h r -----=(2.1.5)式中 r h -滚球半径,m; x h -被保护物高度,m.避雷针在地面上的保护半径0r : ()()()h h h h h h h h h h h r r r r r r r -=+--=--=22222220 (2.1.6)●针高度r h h >（滚球半径）作图方法,图2.1.4在针上取高度r h 的一点代替单支避雷针针尖为圆心,其余作图法同图2.1.3.图2.1.4 单支避雷针高度大于滚球半径时的保护范围Ⅳ.3.1.3 双支等高避雷针的保护范围●避雷针高度r h h <(滚球半径)(两针距离()h h h D r -≥22时,各按单针确定保护范围) 两避雷针距离()h h h D -<22,作图方法,图2.1.5.图2.1.5 两支等高避雷针保护范围AEBC 外侧保护范围,按单针确定.C 、E 点位于两针间的垂直平分线上,在地面的最小保护宽度0b()()()2222202222⎪⎭⎫⎝⎛--=⎪⎭⎫ ⎝⎛--=-===D h h h D h h h AO AC OE CO b r r (2.1.7)A ，B 针尖保护范围上边线,是以AB 针中心线上距地面r h 的一点O ＇为圆心,以R 为半径所作的弧()222⎪⎭⎫⎝⎛+-=D h h R r (2.1.8)在AOB 轴线上,距中心任一距离x 处,其保护范围上边缘的保护高度x h()222222x D h h h x R h h r r r x -⎪⎭⎫⎝⎛+--=--= (2.1.9)在保护高度x h 上的保护半径x r()()x r x r h h h h h h ---=22 (2.1.10)任一保护高度x h 和C 点所处的垂直平面上,以x h 作为段想避雷针,按单针方法确定,如图2.1.5的1-1剖面. 两针之间保护范围的最低点0h()2202⎪⎭⎫⎝⎛+--=-=D h h h R h h r r r (2.1.11)Ⅳ.3.1.4 双支不等高避雷针的保护范围●避雷针1#高度r h h ≤1(滚球半径),避雷针2#高度r h h ≤2,且两针之间的距离 ()()221122h h h h h h D r r -+-≥时,各按单针确定保护范围.●避雷针1#高度r h h ≤1(滚球半径),避雷针2#高度r h h ≤2,且两针之间的距离 ()()221122h h h h h h D r r -+-<时,作图方法.图2.1.6图2.1.6 双支不等高避雷针保护范围●AEBC 外侧保护范围,按单针方法确定. ●地面上的保护范围01r ,02r ()()1122012h h h h h h r r r r -=--=(2.1.12)●地面上每侧最小保护宽度0b()2111212012202D h h h D r AO AC EO CO b r --=-=-=== (2.1.13)●两针尖之间最高保护范围R作AB 垂直平分线,与r h 线交于O ＇点,以O ＇为圆心,R 为半径,作圆弧AB. ()2121D h h R r +-= (2.1.14)()()2122D D h h R r -+-=(2.1.15)●CE 线或O ＇H 线位置计算,由式(2.1.14)、(2.1.15)联立求解得 ()()DD h h h h D r r 2221221+---=(2.1.16)●AB 针之间的保护范围x h ()222x r h h x R -+=,解之得()2212122x D h h h x R h h r r r x -+--=--= (2.1.17)●AB 两针之间保护范围的最低点0h式(2.1.17)中,当x=0时()21210D h h h h r r +--= (2.1.18)●两针之间AEBC 内的保护范围ACO 与AEO,BCO 与BEO 是对称的,故以ACO 部分的保护范围为例,在x h 和C 点所处的平面垂直平面上,以x h 作为假想避雷针,按单支针的方法确定,图2.1.6中的剖面1-1. ●确定x x '平面上保护范围截面的方法与双支等高避雷针类同. Ⅳ.3.1.5 矩形布置的四支等高避雷针的保护范围●针高r h h ≤(滚球半径),当对角两针之间的距离()h h h D r -≥223时,各按双支等高避雷针的方法确定保护范围.●针高r h h ≤(滚球半径),对角两针之间的距离()h h h D r -<223时,作图方法如下: 四支针外侧保护范围各按双针方法确定. ◆地面上的保护范围0rB 、E 二针连线上保护范围,图2.1.7的1-1剖面.◆E 、B 两针尖的保护范围:以B 、E 针尖为圆心,r h 为半径,作弧,相交于O 点,再以O 点为圆心,以r h 为半径作圆弧,与两针尖相接. ◆保护范围最低点高度0hr r h h D h h -+⎪⎭⎫ ⎝⎛-=23202 (2.1.19)◆y h 高度的yy ＇平面上保护范围截面,以P 点为圆心的半径 ()[]()()200202222h h h h h h h h h ON OW NW y y r y r r ---=---=-=(2.1.20)r h OW =, y r h h h ON -+=02-2剖面的保护范围,作图法◆以P 点的垂直线上的O ＇点(距离地面的高度0h h r +)为圆心,r h 为半径作圆弧,与被保护高度x h 的水平线相交于F 、H 点.以F 、H 为假相的针作图.图2.1.7 四支等高避雷针保护范围◆(关键点)保护范围最低点的高度0h 按式(2.1.19)计算,(因为3D 距离最长, 0h 最小)即 ◆由直角△O ＇TH 看出 ()212202⎪⎭⎫⎝⎛--=-+x D h h h h r x r (2.1.20)◆由直角△KLH 看出()()2022x b h h h r x r +-=- (2.1.21)♦出可由式(2.1.20),(2.1.21)联立求出x h 和x 值. 3-3 剖面的保护范围,作图法(与2-2剖面相同)◆以P 点的垂直线上的O 〃点(距离地面的高度0h h r +)为圆心,r h 为半径作圆弧,与被保护高度x h 的水平线相交于U 、V 点.以U 、V 为假相的针作图.◆(关键点)保护范围最低点的高度0h 按式(2.1.19)计算,(因为3D 距离最长, 0h 最小)即可联立解出x h 和x 值.确定4支等高避雷针中间在0h 至h 之间y h 高度Y Y '平面上保护范围截面,以点P 为圆心,()()202h h h h h y y r ---作圆或圆弧,与各双支避雷针在外侧所作的保护范围截面组成该保护范围截面.Ⅳ.3.2 架空避雷线Ⅳ.3.2.1 单根避雷线的保护范围●架空避雷线的高度要考虑弧垂的影响,在无法确定弧垂的情况下,可考虑架空避雷线中点的弧垂为: ♦等高支柱之间的距离小于120m 时,弧垂为2m;间距为120~150m 时,弧垂为3m. ●当单根避雷线的高度r h h 2≥时,无保护范围.●当单根避雷线的高度r h h 2<时,保护范围确定,图2.1.8.图2.1.8 单根架空避雷线保护范围●作图方法:◆距离地面r h 处作一条平行于地面的直线.◆以避雷线为圆心,r h 为半径作弧,交于平行线的A 、B 两点.◆以A 、B 两点为圆心,r h 为半径作弧线,该两段弧线相交或相切并与地面相切,从该弧线起到地面止即为保护范围.◆当r r h h h 2<<时,保护范围最高点的高度0h 按(2.1.22)计算. h h h r -=20 (2.1.22) 〖证明:直角ADE ADC ∆≅∆,r h h DE CD -==,h h CD h h r r -=-=20〗 ◆避雷线在x h 高度的x x '平面上的保护宽度x b ()()x r x r x h h h h h h b ---=22 (2.1.24)式中 x b -避雷线在x h 高度的x x '平面上的保护宽度,m;h -避雷线的高度,m;r h -滚球半径,m.由表2.1.1确定; x h -被保护物高度,m.〖证;∵直角FCB ∆中,()()h h h h h h FB FD DB b r r r -=--=-==222220直角BGH ∆中,()()x r x x r r h h h h h h BH BG GH y -=--=-==22222∴()()x r x r x h h h h h h y b b ---=-=220 〗Ⅳ.3.2.2 两根等高避雷线的保护范围●当避雷线高度r h h ≤,两线之间的距离()h h h D r -≥22时,各按单根避雷线方法确定. ●当避雷线高度r h h ≤,两线之间的距离()h h h D r -<22时,作图方法,图2.1.9. 两根避雷线的外侧,各按单根避雷线的方法确定.两避雷线之间保护范围:以C 、D 两线为圆心,r h 为半径,作圆弧交于O 点.以O 为圆心, r h 为半径,作圆弧交于C 、D 点.图 2.1.9 两根等高避雷线在r h h ≤时保护范围两线之间保护范围的最低点的高度0hr rh h D h h -+⎪⎭⎫⎝⎛-=2202 (2.1.25)避雷线两端保护范围按双支避雷针的方法确定.但在两避雷线间的中线两端按图2.1.9中1-1剖面确定.◆以双支避雷针所确定的中点保护范围最低点的高度0h ',作为假想避雷针,将其保护范围的延长线与()h f h =0交于E 点.〖图2.1.9中的1-1剖面中,0h '相当于(2.1.9)式0=x 时的00|=x h .〗 ◆内移位置的距离x 为 ()0002b h h h x r --=(2.1.26)〖以1-1剖面为准,图中0h 的E 点作为假想避雷针,其在地面的保护范围:()()000202h h h h h h b x r r r -=--=+, 〗0b 按式(2.1.7)确定.●当避雷线高度r r h h h 2≤<,且()[]r r r h D h h h h 222<<--时,作图方法,图2.1.10. 距离地面r h 处作一条与地面平行的线.以避雷线A 、B 为圆心,r h 为半径,作圆弧相交于O 点,并与平行线相交(或相切)于C 、E 点. 以O 为圆心, r h 为半径,作圆弧相交于A 、B 两点. 以C 、E 为圆心, r h 为半径,作圆弧相交于A 、B 两点并与地面相切.图2.1.10 两根等高避雷线在r r h h h 2≤<时的保护范围两避雷线之间保护范围最低点的高度0hr rh h D h h -+⎪⎭⎫⎝⎛-=2202 (2.1.27)最小保护宽度m b 计算◆由图可知,从中线至E 点距离()r m h b +,而其在地面的平行线的相应距离 ()r r m h Dh h h b -+-=22 (2.1.28) 避雷线两端保护范围按双支等高为r h 的避雷针确定.但在两避雷线间的中线两端,保护范围确定方法.图2.1.10中剖面1-1.◆以双支高度r h 的避雷针所确定的中点保护范围最低点的高度作为假想避雷针,将其保护范围的延长弧线与()h f h =0线交于F 点. 〖证:将0=x ,r h h =代入(2.1.9)式()2222xD h h h h r r x -⎪⎭⎫ ⎝⎛+--=,得出20Dh h r -=' 〗 ◆内移位置的距离x:()220022⎪⎭⎫⎝⎛---=D h h h h x rr (2.1.29)〖证:图2.1.10中的1-1剖面, ∵HP 线与地面平行∴2202⎪⎭⎫⎝⎛-+=+==D h x b x KM HP rr h PF PM HK ===, r h h FH -=0直角FHP ∆,()()00202222h h h h h h FH PF HPr r r -=--=-=∴()002222h h h D h x r r-=⎪⎭⎫⎝⎛-+ 得(2.1.29)式0b : 1-1剖面中,从(2.1.7)式()2022⎪⎭⎫⎝⎛--=D h h h b r 以r h 代h 得2202⎪⎭⎫⎝⎛-=D h b r〗Ⅳ.3.3 特定条件下的保护范围●上述计算保护范围的各图中所画的地面也可以是其他接闪器或建筑物上的接地金属物.●当接闪器在“地面上保护范围的载面”的外周线触及其他接闪器或接地金属物时,各图的保护范围均适用于这些接闪器.●当其他接闪器或接地金属物处在外周线之内,且位于被保护部位的边沿时,应按以下方法确定所需断面的保护范围.图2.1.11图2.1.11 确定建筑上任两接闪器在所需断面上的保护范围●作图方法:♦以A 、B 为圆心,r h 为半径作弧线相交于O 点.♦以O 点为圆心, r h 为半径作弧线相交于AB,弧线AB 就是保护范围的临界线.●在建筑物屋面已采用避雷网保护时,可将屋面等同于上述各图的地面,只要高于得到避雷网保护的屋面以上的接闪器按前述方法所确定的“地面上保护范围的截面”的外周线处在屋面范围内时,按上述各图确定保护范围的方法也适用于这种情况.如仅部分外周线处在该屋面范围内时,则仅这部分按各图相应的方法确定保护范围.Ⅳ.3.4 避雷带与避雷网Ⅳ.3.4.1 避雷带 ●避雷带设置沿建筑物屋顶四周易遭受雷击部位明设的作为防雷保护的金属带作为接闪器,沿外墙作引下线和接地网相连的装置称为避雷带.图2.1.12.◆如:屋脊、屋檐(有坡面屋顶)、屋顶边沿、女儿墙、平屋面上等.◆避雷带一般要高出屋面0.2m.两条平行的避雷带之间的距离应不大于10m.屋顶上有烟囟或其他突出物时,要另设避雷针或避雷带.图2.1.12 避雷带结构示意图●材料要求:避雷带用圆钢(φ≮8mm)或扁钢(截面积≮48mm 2,厚度≮4mm)做成长条带状体. ●接地电阻:冲击接地电阻Ω<10ch R●工作原理:当雷云的下行先导向建筑物上的易受雷击部位发展时,避雷带率先接闪,承受直接雷击,将强大的雷电流引入大地,使建筑物得到保护(建筑物的重点保护措施). Ⅳ.3.4.1 避雷网●避雷网结构:在建筑物上纵横交错的避雷带叠加在一起,组成避雷网.对建筑物全面保护.●材料要求:圆钢直径不小于8mm;扁钢截面积不小于48mm 2,存度不小于4mm. ●避雷网分类明装避雷网:在建筑物的屋顶上、层顶屋面上以较疏松的可见金属网格作为接闪器,沿其四周或外墙引下线接地.使用少.暗装避雷网:利用钢筋混凝土结构中的钢筋网作为防雷装置. ●避雷网保护原理利用建筑物中的钢骨架(包括地基中的钢筋和各层楼板),只要保持可靠的电气连接,就是一个大金属笼,同时与大地良好的电气连接,形成一个可靠的等电位的接地体.放在建筑物内的各种金属设备、电气设备、上下水管等与钢筋架可靠连接,就能防止直接雷击. 笼体金属网格尺寸越小,防雷效果越好.GB50057-2000《建筑物防雷设计规范》中避雷网格尺寸,表2.1.2.表2.1.2 避雷网格尺寸●避雷网的布置利用混凝土结构中的钢筋作为暗装避雷装置时,必须做到内部钢筋可靠的电气连接. 各层梁、柱、墙、楼板内钢筋要绑扎或搭接,每隔20m 的间距焊接一处.建筑物内的金属设备必须可靠接地,电气设备采用中性点接地系统,其中性点统一接到避雷接地装置上.建筑物的电气线最好穿金属管或采用有金属屏蔽的电缆,以便达到屏蔽作用.也可采用高绝缘强度的绝缘套管套上,防止雷电反击.建筑物顶部的金属突出物,如金属旗杆、钢爬梯、透气管、金属烟囟、金属天线等,必须与避雷网焊接,以形成统一的接闪器.建筑物顶部突出的非钢筋混凝土物体,可以另设避雷网或避雷针加以保护. 避雷网可采用25mm ×4mm 镀锌扁钢.Ⅳ.3.5 引下线和接地装置Ⅳ.3.5.1 引下线●引下线的作用:做为接闪器引下的雷电流的流通通道. ●引下线材料:表2.1.3表2.1.3 引下线最小规格Ⅳ.3.5.2 接地装置●接地装置的作用:向大地泄放雷电流,限制防雷装置对地电压不致过高. ●要求接地装置和引下线必须用金属焊接.独立避雷针必须布置独立的接地装置,接地电阻不宜大于10Ω. 独立避雷针及其接地装置与道路和建筑物的距离方应大于3m. Ⅳ.3.5.3 避雷针(线)雷电反击●当雷电电流通过引下线和接地装置入地时,雷电流在接地引下线的电感和接地电阻上的压降会使接地引下线的电位和地电位升高.当避雷针和被保护物间的空气间隙a S 不够大时,避雷针上的高电位A u (与被保护物等高的避雷针上A 点的电位)可击穿空气间隙而将高电位传递到被保护物上,这一现象称为反击.反击使被保护物遭雷击.当避雷针的接地装置和被保护物接地装置间的距离e S 不够大时,避雷针接地装置上的高电位B u 可击穿土壤反击到被保护物的接地装置上,使被保护物的地电位升高,使被保护物受大气过电压的威胁. ●要求避雷针和被保护物间的空气间隙a S 不应小于5m.避雷针的接地装置和被保护物接地装置之间在地下的距离e S 不应小于3m.Ⅳ.3.6 半导体消雷器(或限流避雷针)●半导体消雷器的作用:半导体消避器和限流避雷针是一种能降低雷电流幅值和陡度的新型防直击雷装置.●半导体消雷器的组成:半导体消雷器的接闪器由5~9根半导体针组成,向上呈辐射状布置在数个垂直交叉的扇轴上,同一扇面相邻两针间的夹角为15°~20°.每根半导体针长约5m,针体电阻为35Ω,单针闪络电压在1400kV 以上.每根针端部有4根30cm 长有金属针.●半导体消雷器安装:半导体消雷器可安装在高塔或建筑物的顶部.图2.1.13.(a) 9针半导体消雷器 (b) 限流避雷针图2.1.13 消雷器●半导体消雷器工作原理半导体消雷器消减向下发展雷电的原理◆当雷云中电荷密集处的电场强度达到空气击穿场强(2500~3000kV/m)时,将出现由云向下发展的放电,称为先导放电.◆下行雷电:自雷云向下开始发展先导放电的.◆利用尖端放电产生和雷云异号的电荷,中和雷云中的电荷,使之不足以发生下行先导(以中和为纲).◆消雷器应能在雷云下产生足够大的中和电流,即电晕电流.在同样的雷云电场下,塔身愈高,电晕电流就愈大,防雷效果愈好.◆以中和为原理的消雷器缺点:怕风.原因:中和电荷由地面上升的速度v 是由雷云的平均场强E 和电何的迁移率k 决定的,v=kE.对负雷云,向上升的电何为空气的正离子,它的k=0.136(m/s)/(kV/m),以E=40kV/m 计,正离子上升的速度v=0.136×40=5.44m/s,而海洋季风到达的地区,水平风速可达10~20m/s(相当于5级~8级风),甚至可达33m/s(相当于11级风),这样,中和电荷来不及上升到雷云就会被风吹走.◆半导体消雷器优点:在雷暴时水平风速不大的情况下靠中和作用中和部分雷云电荷;在水平风速较大时,靠半导体电阻的限流作用(以限流为纲),消灭上行雷和大幅度降低那些来不及被中和的下行雷的雷电流的幅值和陡度.半导体消雷器和限流避雷针抑制上行雷电流发展的原理◆上行先导放电:雷云自地面突出物向上开始发展先导放电的. ◆上行雷先导需要的平均雷云下电场E 0,表2.1.4 表2.1.4 可能发展上行先导的估计条件◆实测,只有当上行先导电流大于100A 时,上行雷才有可能得到发展.◆支持上行先导电流的电动力h E F 0=.塔体h 越高,发生上行雷所需的地面场强0E 就小. ◆分析:•当塔高为60m 时,可取m kV E /320=,上行先导电流的电动力•设在非半导体消雷器(即半导体消雷器的电阻R=0)时,上行先导电流I=100A,制约上行先导发展的空气的等值电阻0R•据此,估算出上行先导经R=35k Ω的半导体针发展时的先导电流I,将被限制为•而35.42A 电流在35k Ω电阻上的压降kV kV 150012403542.35<=⨯,所以不会造成半导体针的沿面闪络.先导上行也不可能发展.•抑制上行雷电发展:用针体电阻为35k Ω的电阻来限制上行雷的发展,可以100%消除由地面向上发展的雷电. 半导体消雷器限制下行雷电流原理◆起电后的雷云和大地之间相当于一个充了电的 “电容器”,雷击大地相当于把已充好电的电容器的正负两极直接短接.◆半导体消雷器抑制下行雷电流原理:在“电容器”的放电回路中串入电阻,降低电容器放电电流的幅值,延长放电时间.◆为了限制上行雷的发展,半导体单针电阻取35k Ω(前面分析),已知单针的闪络电压为1500kV,在下行雷电流流过针体的电流由0上升超过43A 时,将发生沿针体表面的闪络→解决:改变相邻两针间的夹角(相邻两针的夹角取15°~20°)、空气间隙的距离,使相邻两针针头间空气间隙的放电电压低于针体的沿面闪络电压.这样空气间隙就会在针体发生沿面闪络前先行击穿,实现二针、三针甚至多针的自动并联,使限流电阻随着电流的增大而降低,形成整体的非线性.即使19针并联后其值仍有1.842kΩ,仍能起到限流作用.半导体消雷器闪络后具有限流作用半导体消雷器的保护范围◆标准：《半导体少长针消雷装置使用的安全要求》BG/T1643-1996.•对一般设施,半导体少长针消雷器的地面保护范围可取塔高的5倍,其保护角为78.8°,•对于易爆设施,取塔高的3.5倍,其保护角为74°(保护角:以针尖为顶点,过针尖的线与针的夹角).•限流避雷针的保护范围和一般避雷针相同.Ⅳ.3.7 避雷器●避雷器的作用防止雷电行波沿线路侵入变配电所功其他建筑物内,危及被保护设备的绝缘.避雷器是一种能释放雷电或过电压的能量以限制过电压幅值,又能截断续流,不致引起系统接地短路的保护设备.避雷器接于带电导线与地之间,与被保护设备并联.●避雷器的工作原理在正常情况下,避雷器中无工频电流流过,对工频电压呈高阻状态.一旦传来雷电入侵波,使过电压值达到规定的动作电压时,避雷器被击穿,相当于短路状态,使得雷电电流通过引下线和接地装置迅速流入大地,从而限制过电压水平.当雷电入侵波消失后,避雷器能自动恢复高阻状态,自动切断工频续流.避雷器的工频续流:避雷器击穿后,在系统的工频电压的作用下,流过避雷器的电流.●避雷器分类:间隙避雷器、管型避雷器、阀型避雷器、氧化锌避雷器等.●间隙避雷器结构:由两个相距一定距离的电极构成.原理:通过调整两个电极之间的距离,使得电极间的击穿放电电压低于被保护设备的绝缘耐受电压.当雷电波入侵时,电极间隙击穿,形成电弧接地,使得雷电流通过引下线和接地装置流入大地,限制了被保护设备电压的升高.用途:间隙保护用途:线路、变压器进线段.缺点:灭弧能力差.●管型避雷器结构:由内、外两个间隙和产气管组成.原理:当间隙被击穿,雷电流流入大地,过电压消失后,在工频续流电弧作用下,产气管产生大量气体,通过纵吹灭弧.工频续流电弧在电流过零时熄灭,恢复间隙的绝缘性.用途:线路、变电所的进线段保护.●阀型避雷器结构:由叠装于密封瓷套内的火花间隙和阀片(非线性电阻,常为碳化硅钢片)串联构成.原理: 非线性电阻是:电流越大,阀片电阻越小.火花间隙的作用:正常工作时将阀片与母线隔离,当雷电行波入侵时,火花间隙被击穿,雷电流经阀片流入大地,由于避雷器的冲击放电电压低于被保护设备的绝缘耐压,从而保护了电气设备.当雷电行波电压消失后,在间隙中有工频续流,电流大大减小,阀片电阻急剧升高,间隙电弧在过零时熄灭.用途:FS型通流容量小,主要用于3kV~10kV配电系统;FZ型通流容量大,主要用于保护发电厂、降压变电所等设备.●氧化锌避雷器阀片由氧化锌制成,非线性伏安特性优于碳化硅.正常工作时,氧化锌阀片具有极高的电阻,相当于绝缘;而在过电压时,氧化锌阀片电阻很小,相当于短路状态.残压小.过电压消失后,阀片电阻在极短时间内就可恢复到绝缘状态,工频续流被限制.氧化锌避雷器主要技术参数。

避雷针滚球折线法

常用避雷针(这里仅指单针)保护范围的计算方法主要有折线法和滚球法，为此，就“折线法”和“滚球法”的计算进行了初步的分析和探讨，得出：“折线法”的主要特点是设计直观，计算简便，节省投资，但建筑物高度大于20 m以上不适用；“滚球法”的主要特点是可以计算避雷针(带)与网格组合时的保护范围，但计算相对复杂，投资成本相对大。

在避雷针保护范围的计算方法中，“折线法”是比较成熟的方法。

近几年来,国标中规定的“滚球法”也开始得到同行的认同，但在实际运用中，“滚球法”也碰到一些问题，特别是在计算天面避雷针保护范围的时候。

因此有必要对电力系统常用的“折线法”和国标的“滚球法”进行比较分析，发现其中存在的问题。

1“折线法”避雷保护计算“折线法”在电力系统又称“规程法”，即单支避雷针的保护范围是一个以避雷针为轴的折线圆锥体。

L/ 620—997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》标准就规定了单支避雷针的保护范围，见图。

1.1避雷针在地面上保护半径的计算计算避雷针在地面上的保护半径可用公式式中：Rp——保护半径；h——避雷针的高度；P——高度影响因数。

其中，P的取值是：当h≤30 m，P＝1；当30 m的h的纯数值；当h＞20 m时，只能取h=120 m。

1.2被保护物高度hp水平面上保护半径的计算a)当hp≥0.5h时，被保护物高度hp水平面上的保护半径式中：Rp——避雷针在hp水平面上的保护半径；hp——被保护物的高度；ha——避雷针的有效高度。

b)当hp＜0.5h时，被保护物高度hp水平面上的保护半径2“滚球法”避雷保护计算“滚球法”是国际电工委员会(IEC)推荐的接闪器保护范围计算方法之一。

我国建筑防雷规范G 50057—994(2000年版)也把“滚球法”强制作为计算避雷针保护范围的方法。

滚球法是以hR为半径的一个球体沿需要防止击雷的部位滚动，当球体只触及接闪器(包括被用作接闪器的金属物)或只触及接闪器和地面(包括与大地接触并能承受雷击的金属物)，而不触及需要保护的部位时，则该部分就得到接闪器的保护。

用滚球法确定避雷针保护范围的修正计算法

= h2r - ( hr - h) 2 - h2r - ( hr - hx) 2
r2x + 2 rx h2r - ( hr - hx) 2 + h2r - ( hr - hx) 2 = h2r - ( hr - h) 2
( hr - h) 2 = ( hr - hx) 2 - 2 rx h2r - ( hr - hx) 2 - r2x
h2 (2 hr - h2) 时 (式中 a 为避雷针至屋面边缘的距离) ,上述计算式 (1) 和 (2) 是成立的 ;而当 r0 > a 时 , 实际上滚球的底部已落在屋面之下 , 屋面已不能直接支撑滚球的底部 , 在工程设计中这种情况比较常见。此时应按照《防雷规范》附录四中第 7 条的方法 , 即作滚球与避雷针和屋面边缘避雷带相交确定防雷保护范围 , 但《防雷规范》没有给出相应的计算公式。而以屋面作为基准面 , 利用公式 (1) 进行计算则存在偏差 , 计算的保护距离大于滚球的实际保护距离 ,从下面的公式推导可证明这一点。
建筑电气 2005 年第 2 期
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
hx ———被保护物高度 (m) ; h ———避雷针的计算高度 (m) ; r0 ———避雷针在地面上的保护半径 (m) 。按照《防雷规范》条文说明第 51211 条第三款
(75) ·27 ·
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
dΔr dΔh
=
-
dΔrx dΔh

屋面避雷针保护范围的计算方法

文章编号　100426410(2007)S120043204屋面避雷针保护范围的计算方法陈　锐,覃　辉,陆金凤(广西柳州市防雷中心,广西柳州　545001)摘　要:在防雷检测中,很多人在计算屋面上避雷针的保护范围时,直接运用《建筑物防雷设计规范》(G B50057-94)中给出的“滚球法”计算公式进行计算的。

从理论上讲,这种方法不完全正确,应根据实际情况,选择适合的方法进行计算。

关　键　词:避雷针;滚球法;保护范围中图分类号:TU856 文献标识码:B收稿日期252作者简介陈锐(82),男,广西柳州人柳州市防雷中心副主任,助理工程师。

在防雷检测工作中,经常遇到在建筑物屋面上某个物体用避雷针来保护的情况,这时就要计算此避雷针是否完全能够保护该物体,在实际的计算工作中,很多人直接运用《建筑物防雷设计规范》中给出的“滚球法”计算公式来进行计算[1]。

从理论上来讲,这种方法不完全正确。

分析如下。

1　“滚球法”计算单支避雷针保护范围111　“滚球法”的定义滚球法是以h r (按一、二、三类防雷标准分别取30m 、45m 、60m )为半径的一个球体沿需要防止雷击的部位滚动,当球体只触及接闪器(包括被用作接闪器的金属物)或只触及接闪器和地面(包括与大地接触并能承受雷击的金属物),而不触及需要保护的部位时,则该部分就得到接闪器的保护。

112　《建筑物防雷设计规范》中单支避雷针保护范围的计算(1)当避雷针高度h 小于或等于h r 时,如图1所示:图1　单支避雷针的保护范围 ①距地面h r 处作一平行于地面的平行线;②以针尖为圆心,h r 为半径,作弧线交于平行线的A 、B 两点;③以A 、B 为圆心,h r 为半径作弧线,该弧线与针尖相交并与地面相切。

从此弧线起到地面止就是保护范围。

保护范围是一个对称的锥体;第18卷　增刊1 广西工学院学报 Vol 118　Sup 12007年6月　JOURNAL OF GUANGXI UNIVERSI TY OF TECHNOLO GY J une 12007:2007010:197④避雷针在h x 高度的xx ′平面上和在地面上的保护半径,按下列计算式确定: r x =h (2h r -h)-h x (2h r -h x )(1) r 0=h (2h r -h )(2)式中:r x ──避雷针在h x 高度的xx ′平面上的保护半径(m );h r ──滚球半径(m );h x ──被保护物的高度(m);r 0──避雷针在地面上的保护半径(m )应用滚球法,单支避雷针在地面上的保护半径的计算可见以下方法及图11(2)避雷针高度h ≥h r 时的计算,在避雷针上取高度h r 的一点代替单支避雷针针尖作为圆心。

防雷滚球法

附件Ⅳ避雷针、避雷线保护范围计算(滚球法)Ⅳ.1 建筑物的防雷分类♦按《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010的规定,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.Ⅳ.1.1 第一类防雷建筑物●第一类防雷建筑物凡存放爆炸性物品,或在正常情况下可能形成爆炸性混合物,因电火花而爆炸的建筑物,会造成巨大破坏和人身伤亡者.●防雷措施防直击雷◆装设独立避雷针(或消雷器),或架空避雷线(网)(架空避雷网的尺寸不应大于5m×5m或6m×4m).◆冲击接地电阻小于10Ω.防感应雷◆建筑物内各种设备及金属物都应连接到防感应雷的接地装置上,其接地装置与电气设备接地装置共用.◆屋内接地干线与防雷电感应接地装置的连接,不应小于2处.◆工频接地电阻小于10Ω.防雷电波入侵◆对非金属屋面应敷设避雷网,并可靠接地.室内的一切金属设备和管道,均应良好接地,不的有开口环形.电源进线处应装设避雷器.◆冲击接地电阻小于10Ω.防侧击雷措施◆从30m起每隔不大于6m,沿建筑物四周设水平避雷带与引下线相连.引下线不应少于2根,并沿建筑物四周均匀对称布置,其间距不应大于12m.◆30m以上外墙上的栏杆、门窗等较大的金属物与防雷装置连接.●消雷器(有争议)消雷器组成:装设在被保护物上方,带有“很多尖端电极的电离装置”.设置在地表层内的“地电流收集装置”.接通这两种装置的“连接导线”.消雷器工作原理•消雷器是70年代由美国发展起来的新型防雷装置.•利用金属针状电极的尖端放电原理设计的.•在雷云电场作用下,当尖端电场达到一定值时,周围空气发生游离后,在电场力作用下离去,而接替它的空气分子相继又被游离.如此下去,从金属针端各周围有离子电流流去.随着电位的升高,离子电流按指数规律增加.•当雷电出现在消雷器及被保护设备上空时,消雷器及附近大地均感应出与雷云电荷极性相反的电荷.安装有许多针状电极的离子化装置,使大地的大量电荷在雷云电场作用下,由针状电极发射出去,向雷云方向运动,使雷云被中和,雷电场减弱,从而防止保护物遭雷击.•消雷器的功能:使雷电冲击放电的微秒∙千安级瞬变过程转化为秒∙安级缓慢放电过程,因而使被保护物上可能出现的感应过电压降低到无危害的水平,达到“防雷消灾”的目的.消雷器根据离子化装置上金属针状电极不同分类:少长针型,多短针型.国产分类:导体伞板型,导体阵列型•导体伞板型用途:占地一定面积的发电厂、变电站、军火库、气象站、电视塔、重要防雷场所.•导体阵列型用途:架空线路.•接地电阻一般小于100Ω,则可满足要求.Ⅳ.1.2 第二类防雷建筑物●重要的或人员密集的大型建筑物.如:国家级重点文物保护的建筑物,国家级办公建筑物,大型会展中心或博物馆,国家级大型计算机中心和装有重要通信、电子设备的建筑物,19层及以上住宅楼,超过50m的其他建筑物等.●防雷措施防直击雷◆装设独立避针.◆装设在建筑物上避雷网(带)或避雷针或由其混合组成的接闪器. 防感应雷◆建筑物内的设备、管道、构架等主要金属物,应就近接至防直击雷接地装置或电气设备的保护接地装置上(可不另设接地装置).◆建筑物内防雷电感应的接地干线与接地装置的连接不应小于2处.◆防感应雷接地装置与电气接地装置共用或相连时,应在电源线路引入端装设避雷器. 防雷电入侵波◆将避雷器、电缆金属外皮、钢管等连接在一起接地. 冲击接地电阻不应大于10Ω. Ⅳ.1.3 第三类防雷建筑物●不属于第一、第二类建筑物,又需要作防雷保护的建筑物. ●防雷措施防直击雷:宜采用装设在建筑上的避雷网(带)或避雷针或由这两种混合组成的接闪器(利用其高出被保护物的凸出位置,把雷电引向自身,然后通过引下线和接地装置将雷电流泄放到大地,使被保护的线路、设备、建筑物免受雷击). 冲击接地电阻不应大于30Ω.Ⅳ.3 防雷设备●防雷设备主要有:避雷针、避雷线、避雷器、浪涌保护器（电子信息系统）Ⅳ.3.1 避雷针●避雷针的组成:接闪器(避雷针的针头)、引下线、接地体.通常接闪器安装在构架上. ●用滚球法确定避雷针的保护范围.●国际电工委员会1990年3月出版的建筑物防雷标准，以滚球法作为确定接闪器的保护范围.我国《建筑物防雷设计规范》GB50057-1994中规定避雷针保护范围的计算采用滚球. Ⅳ.3.1.1滚球法 ●滚球法是以r h 半径的一个球体,沿需要防直击雷的部位滚动,当球体只触及接闪器(包括被利用作为接闪器的金属物),或只触及接闪器和地面(包括与大地接触并能承受雷击的金属物),而不触及需要保护的部位时,则该部分就能得到接闪器的保护.●不同建筑物防雷级别的滚球半径用滚球法计算避雷针的保护范围时,不同防雷建筑物的滚球半径,表2.1.1.表2.1.1 不同建筑物防雷级别的滚球半径Ⅳ.3.1.2 单支避雷针的保护范围●针高度r h h （滚球半径）作图方法,图2.1.3图2.1.3 单支避雷针高度小于滚球半径时的保护范围距离地面r h 处作一平行于地面的直线.以针尖为圆心,r h 为半径,作弧线交于平行线的A 、B 两点.以A 、B 为圆心,r h 为半径,作弧线,与针尖相交,与地面相切.此弧线绕避雷针旋转360°形成一锥体,锥体及为保护范围.由图得,在r h 高度x x '平面上保护半径x r : ()()2222x r r r r x h h h h h h r -----=(2.1.5)式中 r h -滚球半径,m; x h -被保护物高度,m.避雷针在地面上的保护半径0r : ()()()h h h h h h h h h h h r r r r r r r -=+--=--=22222220 (2.1.6)●针高度r h h >（滚球半径）作图方法,图2.1.4在针上取高度r h 的一点代替单支避雷针针尖为圆心,其余作图法同图2.1.3.图2.1.4 单支避雷针高度大于滚球半径时的保护范围Ⅳ.3.1.3 双支等高避雷针的保护范围●避雷针高度r h h <(滚球半径)(两针距离()h h h D r -≥22时,各按单针确定保护范围) 两避雷针距离()h h h D -<22,作图方法,图2.1.5.图2.1.5 两支等高避雷针保护范围AEBC 外侧保护范围,按单针确定.C 、E 点位于两针间的垂直平分线上,在地面的最小保护宽度0b()()()2222202222⎪⎭⎫⎝⎛--=⎪⎭⎫ ⎝⎛--=-===D h h h D h h h AO AC OE CO b r r (2.1.7)A ，B 针尖保护范围上边线,是以AB 针中心线上距地面r h 的一点O ＇为圆心,以R 为半径所作的弧()222⎪⎭⎫⎝⎛+-=D h h R r (2.1.8)在AOB 轴线上,距中心任一距离x 处,其保护范围上边缘的保护高度x h()222222x D h h h x R h h r r r x -⎪⎭⎫⎝⎛+--=--= (2.1.9)在保护高度x h 上的保护半径x r()()x r x r h h h h h h ---=22 (2.1.10)任一保护高度x h 和C 点所处的垂直平面上,以x h 作为段想避雷针,按单针方法确定,如图2.1.5的1-1剖面. 两针之间保护范围的最低点0h()2202⎪⎭⎫⎝⎛+--=-=D h h h R h h r r r (2.1.11)Ⅳ.3.1.4 双支不等高避雷针的保护范围●避雷针1#高度r h h ≤1(滚球半径),避雷针2#高度r h h ≤2,且两针之间的距离 ()()221122h h h h h h D r r -+-≥时,各按单针确定保护范围.●避雷针1#高度r h h ≤1(滚球半径),避雷针2#高度r h h ≤2,且两针之间的距离 ()()221122h h h h h h D r r -+-<时,作图方法.图2.1.6图2.1.6 双支不等高避雷针保护范围●AEBC 外侧保护范围,按单针方法确定. ●地面上的保护范围01r ,02r ()()1122012h h h h h h r r r r -=--=(2.1.12)●地面上每侧最小保护宽度0b()2111212012202D h h h D r AO AC EO CO b r --=-=-=== (2.1.13)●两针尖之间最高保护范围R作AB 垂直平分线,与r h 线交于O ＇点,以O ＇为圆心,R 为半径,作圆弧AB. ()2121D h h R r +-= (2.1.14)()()2122D D h h R r -+-=(2.1.15)●CE 线或O ＇H 线位置计算,由式(2.1.14)、(2.1.15)联立求解得 ()()DD h h h h D r r 2221221+---=(2.1.16)●AB 针之间的保护范围x h ()222x r h h x R -+=,解之得()2212122x D h h h x R h h r r r x -+--=--= (2.1.17)●AB 两针之间保护范围的最低点0h式(2.1.17)中,当x=0时()21210D h h h h r r +--= (2.1.18)●两针之间AEBC 内的保护范围ACO 与AEO,BCO 与BEO 是对称的,故以ACO 部分的保护范围为例,在x h 和C 点所处的平面垂直平面上,以x h 作为假想避雷针,按单支针的方法确定,图2.1.6中的剖面1-1. ●确定x x '平面上保护范围截面的方法与双支等高避雷针类同. Ⅳ.3.1.5 矩形布置的四支等高避雷针的保护范围●针高r h h ≤(滚球半径),当对角两针之间的距离()h h h D r -≥223时,各按双支等高避雷针的方法确定保护范围.●针高r h h ≤(滚球半径),对角两针之间的距离()h h h D r -<223时,作图方法如下: 四支针外侧保护范围各按双针方法确定. ◆地面上的保护范围0rB 、E 二针连线上保护范围,图2.1.7的1-1剖面.◆E 、B 两针尖的保护范围:以B 、E 针尖为圆心,r h 为半径,作弧,相交于O 点,再以O 点为圆心,以r h 为半径作圆弧,与两针尖相接. ◆保护范围最低点高度0hr r h h D h h -+⎪⎭⎫ ⎝⎛-=23202 (2.1.19)◆y h 高度的yy ＇平面上保护范围截面,以P 点为圆心的半径 ()[]()()200202222h h h h h h h h h ON OW NW y y r y r r ---=---=-=(2.1.20)r h OW =, y r h h h ON -+=02-2剖面的保护范围,作图法◆以P 点的垂直线上的O ＇点(距离地面的高度0h h r +)为圆心,r h 为半径作圆弧,与被保护高度x h 的水平线相交于F 、H 点.以F 、H 为假相的针作图.图2.1.7 四支等高避雷针保护范围◆(关键点)保护范围最低点的高度0h 按式(2.1.19)计算,(因为3D 距离最长, 0h 最小)即 ◆由直角△O ＇TH 看出 ()212202⎪⎭⎫⎝⎛--=-+x D h h h h r x r (2.1.20)◆由直角△KLH 看出()()2022x b h h h r x r +-=- (2.1.21)♦出可由式(2.1.20),(2.1.21)联立求出x h 和x 值. 3-3 剖面的保护范围,作图法(与2-2剖面相同)◆以P 点的垂直线上的O 〃点(距离地面的高度0h h r +)为圆心,r h 为半径作圆弧,与被保护高度x h 的水平线相交于U 、V 点.以U 、V 为假相的针作图.◆(关键点)保护范围最低点的高度0h 按式(2.1.19)计算,(因为3D 距离最长, 0h 最小)即可联立解出x h 和x 值.确定4支等高避雷针中间在0h 至h 之间y h 高度Y Y '平面上保护范围截面,以点P 为圆心,()()202h h h h h y y r ---作圆或圆弧,与各双支避雷针在外侧所作的保护范围截面组成该保护范围截面.Ⅳ.3.2 架空避雷线Ⅳ.3.2.1 单根避雷线的保护范围●架空避雷线的高度要考虑弧垂的影响,在无法确定弧垂的情况下,可考虑架空避雷线中点的弧垂为: ♦等高支柱之间的距离小于120m 时,弧垂为2m;间距为120~150m 时,弧垂为3m. ●当单根避雷线的高度r h h 2≥时,无保护范围.●当单根避雷线的高度r h h 2<时,保护范围确定,图2.1.8.图2.1.8 单根架空避雷线保护范围●作图方法:◆距离地面r h 处作一条平行于地面的直线.◆以避雷线为圆心,r h 为半径作弧,交于平行线的A 、B 两点.◆以A 、B 两点为圆心,r h 为半径作弧线,该两段弧线相交或相切并与地面相切,从该弧线起到地面止即为保护范围.◆当r r h h h 2<<时,保护范围最高点的高度0h 按(2.1.22)计算. h h h r -=20 (2.1.22) 〖证明:直角ADE ADC ∆≅∆,r h h DE CD -==,h h CD h h r r -=-=20〗 ◆避雷线在x h 高度的x x '平面上的保护宽度x b ()()x r x r x h h h h h h b ---=22 (2.1.24)式中 x b -避雷线在x h 高度的x x '平面上的保护宽度,m;h -避雷线的高度,m;r h -滚球半径,m.由表2.1.1确定; x h -被保护物高度,m.〖证;∵直角FCB ∆中,()()h h h h h h FB FD DB b r r r -=--=-==222220直角BGH ∆中,()()x r x x r r h h h h h h BH BG GH y -=--=-==22222∴()()x r x r x h h h h h h y b b ---=-=220 〗Ⅳ.3.2.2 两根等高避雷线的保护范围●当避雷线高度r h h ≤,两线之间的距离()h h h D r -≥22时,各按单根避雷线方法确定. ●当避雷线高度r h h ≤,两线之间的距离()h h h D r -<22时,作图方法,图2.1.9. 两根避雷线的外侧,各按单根避雷线的方法确定.两避雷线之间保护范围:以C 、D 两线为圆心,r h 为半径,作圆弧交于O 点.以O 为圆心, r h 为半径,作圆弧交于C 、D 点.图 2.1.9 两根等高避雷线在r h h ≤时保护范围两线之间保护范围的最低点的高度0hr rh h D h h -+⎪⎭⎫⎝⎛-=2202 (2.1.25)避雷线两端保护范围按双支避雷针的方法确定.但在两避雷线间的中线两端按图2.1.9中1-1剖面确定.◆以双支避雷针所确定的中点保护范围最低点的高度0h ',作为假想避雷针,将其保护范围的延长线与()h f h =0交于E 点.〖图2.1.9中的1-1剖面中,0h '相当于(2.1.9)式0=x 时的00|=x h .〗 ◆内移位置的距离x 为 ()0002b h h h x r --=(2.1.26)〖以1-1剖面为准,图中0h 的E 点作为假想避雷针,其在地面的保护范围:()()000202h h h h h h b x r r r -=--=+, 〗0b 按式(2.1.7)确定.●当避雷线高度r r h h h 2≤<,且()[]r r r h D h h h h 222<<--时,作图方法,图2.1.10. 距离地面r h 处作一条与地面平行的线.以避雷线A 、B 为圆心,r h 为半径,作圆弧相交于O 点,并与平行线相交(或相切)于C 、E 点. 以O 为圆心, r h 为半径,作圆弧相交于A 、B 两点. 以C 、E 为圆心, r h 为半径,作圆弧相交于A 、B 两点并与地面相切.图2.1.10 两根等高避雷线在r r h h h 2≤<时的保护范围两避雷线之间保护范围最低点的高度0hr rh h D h h -+⎪⎭⎫⎝⎛-=2202 (2.1.27)最小保护宽度m b 计算◆由图可知,从中线至E 点距离()r m h b +,而其在地面的平行线的相应距离 ()r r m h Dh h h b -+-=22 (2.1.28) 避雷线两端保护范围按双支等高为r h 的避雷针确定.但在两避雷线间的中线两端,保护范围确定方法.图2.1.10中剖面1-1.◆以双支高度r h 的避雷针所确定的中点保护范围最低点的高度作为假想避雷针,将其保护范围的延长弧线与()h f h =0线交于F 点. 〖证:将0=x ,r h h =代入(2.1.9)式()2222xD h h h h r r x -⎪⎭⎫ ⎝⎛+--=,得出20Dh h r -=' 〗 ◆内移位置的距离x:()220022⎪⎭⎫⎝⎛---=D h h h h x rr (2.1.29)〖证:图2.1.10中的1-1剖面, ∵HP 线与地面平行∴2202⎪⎭⎫⎝⎛-+=+==D h x b x KM HP rr h PF PM HK ===, r h h FH -=0直角FHP ∆,()()00202222h h h h h h FH PF HPr r r -=--=-=∴()002222h h h D h x r r-=⎪⎭⎫⎝⎛-+ 得(2.1.29)式0b : 1-1剖面中,从(2.1.7)式()2022⎪⎭⎫⎝⎛--=D h h h b r 以r h 代h 得2202⎪⎭⎫⎝⎛-=D h b r〗Ⅳ.3.3 特定条件下的保护范围●上述计算保护范围的各图中所画的地面也可以是其他接闪器或建筑物上的接地金属物.●当接闪器在“地面上保护范围的载面”的外周线触及其他接闪器或接地金属物时,各图的保护范围均适用于这些接闪器.●当其他接闪器或接地金属物处在外周线之内,且位于被保护部位的边沿时,应按以下方法确定所需断面的保护范围.图2.1.11图2.1.11 确定建筑上任两接闪器在所需断面上的保护范围●作图方法:♦以A 、B 为圆心,r h 为半径作弧线相交于O 点.♦以O 点为圆心, r h 为半径作弧线相交于AB,弧线AB 就是保护范围的临界线.●在建筑物屋面已采用避雷网保护时,可将屋面等同于上述各图的地面,只要高于得到避雷网保护的屋面以上的接闪器按前述方法所确定的“地面上保护范围的截面”的外周线处在屋面范围内时,按上述各图确定保护范围的方法也适用于这种情况.如仅部分外周线处在该屋面范围内时,则仅这部分按各图相应的方法确定保护范围.Ⅳ.3.4 避雷带与避雷网Ⅳ.3.4.1 避雷带 ●避雷带设置沿建筑物屋顶四周易遭受雷击部位明设的作为防雷保护的金属带作为接闪器,沿外墙作引下线和接地网相连的装置称为避雷带.图2.1.12.◆如:屋脊、屋檐(有坡面屋顶)、屋顶边沿、女儿墙、平屋面上等.◆避雷带一般要高出屋面0.2m.两条平行的避雷带之间的距离应不大于10m.屋顶上有烟囟或其他突出物时,要另设避雷针或避雷带.图2.1.12 避雷带结构示意图●材料要求:避雷带用圆钢(φ≮8mm)或扁钢(截面积≮48mm 2,厚度≮4mm)做成长条带状体. ●接地电阻:冲击接地电阻Ω<10ch R●工作原理:当雷云的下行先导向建筑物上的易受雷击部位发展时,避雷带率先接闪,承受直接雷击,将强大的雷电流引入大地,使建筑物得到保护(建筑物的重点保护措施). Ⅳ.3.4.1 避雷网●避雷网结构:在建筑物上纵横交错的避雷带叠加在一起,组成避雷网.对建筑物全面保护.●材料要求:圆钢直径不小于8mm;扁钢截面积不小于48mm 2,存度不小于4mm. ●避雷网分类明装避雷网:在建筑物的屋顶上、层顶屋面上以较疏松的可见金属网格作为接闪器,沿其四周或外墙引下线接地.使用少.暗装避雷网:利用钢筋混凝土结构中的钢筋网作为防雷装置. ●避雷网保护原理利用建筑物中的钢骨架(包括地基中的钢筋和各层楼板),只要保持可靠的电气连接,就是一个大金属笼,同时与大地良好的电气连接,形成一个可靠的等电位的接地体.放在建筑物内的各种金属设备、电气设备、上下水管等与钢筋架可靠连接,就能防止直接雷击. 笼体金属网格尺寸越小,防雷效果越好.GB50057-2000《建筑物防雷设计规范》中避雷网格尺寸,表2.1.2.表2.1.2 避雷网格尺寸●避雷网的布置利用混凝土结构中的钢筋作为暗装避雷装置时,必须做到内部钢筋可靠的电气连接. 各层梁、柱、墙、楼板内钢筋要绑扎或搭接,每隔20m 的间距焊接一处.建筑物内的金属设备必须可靠接地,电气设备采用中性点接地系统,其中性点统一接到避雷接地装置上.建筑物的电气线最好穿金属管或采用有金属屏蔽的电缆,以便达到屏蔽作用.也可采用高绝缘强度的绝缘套管套上,防止雷电反击.建筑物顶部的金属突出物,如金属旗杆、钢爬梯、透气管、金属烟囟、金属天线等,必须与避雷网焊接,以形成统一的接闪器.建筑物顶部突出的非钢筋混凝土物体,可以另设避雷网或避雷针加以保护. 避雷网可采用25mm ×4mm 镀锌扁钢.Ⅳ.3.5 引下线和接地装置Ⅳ.3.5.1 引下线●引下线的作用:做为接闪器引下的雷电流的流通通道. ●引下线材料:表2.1.3表2.1.3 引下线最小规格Ⅳ.3.5.2 接地装置●接地装置的作用:向大地泄放雷电流,限制防雷装置对地电压不致过高. ●要求接地装置和引下线必须用金属焊接.独立避雷针必须布置独立的接地装置,接地电阻不宜大于10Ω. 独立避雷针及其接地装置与道路和建筑物的距离方应大于3m. Ⅳ.3.5.3 避雷针(线)雷电反击●当雷电电流通过引下线和接地装置入地时,雷电流在接地引下线的电感和接地电阻上的压降会使接地引下线的电位和地电位升高.当避雷针和被保护物间的空气间隙a S 不够大时,避雷针上的高电位A u (与被保护物等高的避雷针上A 点的电位)可击穿空气间隙而将高电位传递到被保护物上,这一现象称为反击.反击使被保护物遭雷击.当避雷针的接地装置和被保护物接地装置间的距离e S 不够大时,避雷针接地装置上的高电位B u 可击穿土壤反击到被保护物的接地装置上,使被保护物的地电位升高,使被保护物受大气过电压的威胁. ●要求避雷针和被保护物间的空气间隙a S 不应小于5m.避雷针的接地装置和被保护物接地装置之间在地下的距离e S 不应小于3m.Ⅳ.3.6 半导体消雷器(或限流避雷针)●半导体消雷器的作用:半导体消避器和限流避雷针是一种能降低雷电流幅值和陡度的新型防直击雷装置.●半导体消雷器的组成:半导体消雷器的接闪器由5~9根半导体针组成,向上呈辐射状布置在数个垂直交叉的扇轴上,同一扇面相邻两针间的夹角为15°~20°.每根半导体针长约5m,针体电阻为35Ω,单针闪络电压在1400kV 以上.每根针端部有4根30cm 长有金属针.●半导体消雷器安装:半导体消雷器可安装在高塔或建筑物的顶部.图2.1.13.(a) 9针半导体消雷器 (b) 限流避雷针图2.1.13 消雷器●半导体消雷器工作原理半导体消雷器消减向下发展雷电的原理◆当雷云中电荷密集处的电场强度达到空气击穿场强(2500~3000kV/m)时,将出现由云向下发展的放电,称为先导放电.◆下行雷电:自雷云向下开始发展先导放电的.◆利用尖端放电产生和雷云异号的电荷,中和雷云中的电荷,使之不足以发生下行先导(以中和为纲).◆消雷器应能在雷云下产生足够大的中和电流,即电晕电流.在同样的雷云电场下,塔身愈高,电晕电流就愈大,防雷效果愈好.◆以中和为原理的消雷器缺点:怕风.原因:中和电荷由地面上升的速度v 是由雷云的平均场强E 和电何的迁移率k 决定的,v=kE.对负雷云,向上升的电何为空气的正离子,它的k=0.136(m/s)/(kV/m),以E=40kV/m 计,正离子上升的速度v=0.136×40=5.44m/s,而海洋季风到达的地区,水平风速可达10~20m/s(相当于5级~8级风),甚至可达33m/s(相当于11级风),这样,中和电荷来不及上升到雷云就会被风吹走.◆半导体消雷器优点:在雷暴时水平风速不大的情况下靠中和作用中和部分雷云电荷;在水平风速较大时,靠半导体电阻的限流作用(以限流为纲),消灭上行雷和大幅度降低那些来不及被中和的下行雷的雷电流的幅值和陡度.半导体消雷器和限流避雷针抑制上行雷电流发展的原理◆上行先导放电:雷云自地面突出物向上开始发展先导放电的. ◆上行雷先导需要的平均雷云下电场E 0,表2.1.4 表2.1.4 可能发展上行先导的估计条件◆实测,只有当上行先导电流大于100A 时,上行雷才有可能得到发展.◆支持上行先导电流的电动力h E F 0=.塔体h 越高,发生上行雷所需的地面场强0E 就小. ◆分析:•当塔高为60m 时,可取m kV E /320=,上行先导电流的电动力•设在非半导体消雷器(即半导体消雷器的电阻R=0)时,上行先导电流I=100A,制约上行先导发展的空气的等值电阻0R•据此,估算出上行先导经R=35k Ω的半导体针发展时的先导电流I,将被限制为•而35.42A 电流在35k Ω电阻上的压降kV kV 150012403542.35<=⨯,所以不会造成半导体针的沿面闪络.先导上行也不可能发展.•抑制上行雷电发展:用针体电阻为35k Ω的电阻来限制上行雷的发展,可以100%消除由地面向上发展的雷电. 半导体消雷器限制下行雷电流原理◆起电后的雷云和大地之间相当于一个充了电的 “电容器”,雷击大地相当于把已充好电的电容器的正负两极直接短接.◆半导体消雷器抑制下行雷电流原理:在“电容器”的放电回路中串入电阻,降低电容器放电电流的幅值,延长放电时间.◆为了限制上行雷的发展,半导体单针电阻取35k Ω(前面分析),已知单针的闪络电压为1500kV,在下行雷电流流过针体的电流由0上升超过43A 时,将发生沿针体表面的闪络→解决:改变相邻两针间的夹角(相邻两针的夹角取15°~20°)、空气间隙的距离,使相邻两针针头间空气间隙的放电电压低于针体的沿面闪络电压.这样空气间隙就会在针体发生沿面闪络前先行击穿,实现二针、三针甚至多针的自动并联,使限流电阻随着电流的增大而降低,形成整体的非线性.即使19针并联后其值仍有1.842kΩ,仍能起到限流作用.半导体消雷器闪络后具有限流作用半导体消雷器的保护范围◆标准：《半导体少长针消雷装置使用的安全要求》BG/T1643-1996.•对一般设施,半导体少长针消雷器的地面保护范围可取塔高的5倍,其保护角为78.8°,•对于易爆设施,取塔高的3.5倍,其保护角为74°(保护角:以针尖为顶点,过针尖的线与针的夹角).•限流避雷针的保护范围和一般避雷针相同.Ⅳ.3.7 避雷器●避雷器的作用防止雷电行波沿线路侵入变配电所功其他建筑物内,危及被保护设备的绝缘.避雷器是一种能释放雷电或过电压的能量以限制过电压幅值,又能截断续流,不致引起系统接地短路的保护设备.避雷器接于带电导线与地之间,与被保护设备并联.●避雷器的工作原理在正常情况下,避雷器中无工频电流流过,对工频电压呈高阻状态.一旦传来雷电入侵波,使过电压值达到规定的动作电压时,避雷器被击穿,相当于短路状态,使得雷电电流通过引下线和接地装置迅速流入大地,从而限制过电压水平.当雷电入侵波消失后,避雷器能自动恢复高阻状态,自动切断工频续流.避雷器的工频续流:避雷器击穿后,在系统的工频电压的作用下,流过避雷器的电流.●避雷器分类:间隙避雷器、管型避雷器、阀型避雷器、氧化锌避雷器等.●间隙避雷器结构:由两个相距一定距离的电极构成.原理:通过调整两个电极之间的距离,使得电极间的击穿放电电压低于被保护设备的绝缘耐受电压.当雷电波入侵时,电极间隙击穿,形成电弧接地,使得雷电流通过引下线和接地装置流入大地,限制了被保护设备电压的升高.用途:间隙保护用途:线路、变压器进线段.缺点:灭弧能力差.●管型避雷器结构:由内、外两个间隙和产气管组成.原理:当间隙被击穿,雷电流流入大地,过电压消失后,在工频续流电弧作用下,产气管产生大量气体,通过纵吹灭弧.工频续流电弧在电流过零时熄灭,恢复间隙的绝缘性.用途:线路、变电所的进线段保护.●阀型避雷器结构:由叠装于密封瓷套内的火花间隙和阀片(非线性电阻,常为碳化硅钢片)串联构成.原理: 非线性电阻是:电流越大,阀片电阻越小.火花间隙的作用:正常工作时将阀片与母线隔离,当雷电行波入侵时,火花间隙被击穿,雷电流经阀片流入大地,由于避雷器的冲击放电电压低于被保护设备的绝缘耐压,从而保护了电气设备.当雷电行波电压消失后,在间隙中有工频续流,电流大大减小,阀片电阻急剧升高,间隙电弧在过零时熄灭.用途:FS型通流容量小,主要用于3kV~10kV配电系统;FZ型通流容量大,主要用于保护发电厂、降压变电所等设备.●氧化锌避雷器阀片由氧化锌制成,非线性伏安特性优于碳化硅.正常工作时,氧化锌阀片具有极高的电阻,相当于绝缘;而在过电压时,氧化锌阀片电阻很小,相当于短路状态.残压小.过电压消失后,阀片电阻在极短时间内就可恢复到绝缘状态,工频续流被限制.氧化锌避雷器主要技术参数。

防雷滚球法

附件Ⅳ避雷针、避雷线保护范围计算(滚球法)Ⅳ.1 建筑物的防雷分类♦按《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010的规定,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.Ⅳ.1.1 第一类防雷建筑物●第一类防雷建筑物➢凡存放爆炸性物品,或在正常情况下可能形成爆炸性混合物,因电火花而爆炸的建筑物,会造成巨大破坏和人身伤亡者.●防雷措施➢防直击雷◆装设独立避雷针(或消雷器),或架空避雷线(网)(架空避雷网的尺寸不应大于5m×5m或6m×4m).◆冲击接地电阻小于10Ω.➢防感应雷◆建筑物内各种设备及金属物都应连接到防感应雷的接地装置上,其接地装置与电气设备接地装置共用.◆屋内接地干线与防雷电感应接地装置的连接,不应小于2处.◆工频接地电阻小于10Ω.➢防雷电波入侵◆对非金属屋面应敷设避雷网,并可靠接地.室内的一切金属设备和管道,均应良好接地,不的有开口环形.电源进线处应装设避雷器.◆冲击接地电阻小于10Ω.➢防侧击雷措施◆从30m起每隔不大于6m,沿建筑物四周设水平避雷带与引下线相连.引下线不应少于2根,并沿建筑物四周均匀对称布置,其间距不应大于12m.◆30m以上外墙上的栏杆、门窗等较大的金属物与防雷装置连接.●消雷器(有争议)➢消雷器组成:装设在被保护物上方,带有“很多尖端电极的电离装置”.设置在地表层内的“地电流收集装置”.接通这两种装置的“连接导线”.➢消雷器工作原理•消雷器是70年代由美国发展起来的新型防雷装置.•利用金属针状电极的尖端放电原理设计的.•在雷云电场作用下,当尖端电场达到一定值时,周围空气发生游离后,在电场力作用下离去,而接替它的空气分子相继又被游离.如此下去,从金属针端各周围有离子电流流去.随着电位的升高,离子电流按指数规律增加.•当雷电出现在消雷器及被保护设备上空时,消雷器及附近大地均感应出与雷云电荷极性相反的电荷.安装有许多针状电极的离子化装置,使大地的大量电荷在雷云电场作用下,由针状电极发射出去,向雷云方向运动,使雷云被中和,雷电场减弱,从而防止保护物遭雷击.•消雷器的功能:使雷电冲击放电的微秒∙千安级瞬变过程转化为秒∙安级缓慢放电过程,因而使被保护物上可能出现的感应过电压降低到无危害的水平,达到“防雷消灾”的目的.➢消雷器根据离子化装置上金属针状电极不同分类:少长针型,多短针型.➢国产分类:导体伞板型,导体阵列型•导体伞板型用途:占地一定面积的发电厂、变电站、军火库、气象站、电视塔、重要防雷场所.•导体阵列型用途:架空线路.•接地电阻一般小于100Ω,则可满足要求.Ⅳ.1.2 第二类防雷建筑物●重要的或人员密集的大型建筑物.➢如:国家级重点文物保护的建筑物,国家级办公建筑物,大型会展中心或博物馆,国家级大型计算机中心和装有重要通信、电子设备的建筑物,19层及以上住宅楼,超过50m的其他建筑物等.●防雷措施➢防直击雷◆装设独立避针.◆装设在建筑物上避雷网(带)或避雷针或由其混合组成的接闪器.➢防感应雷◆建筑物内的设备、管道、构架等主要金属物,应就近接至防直击雷接地装置或电气设备的保护接地装置上(可不另设接地装置).◆建筑物内防雷电感应的接地干线与接地装置的连接不应小于2处.◆防感应雷接地装置与电气接地装置共用或相连时,应在电源线路引入端装设避雷器.➢防雷电入侵波◆将避雷器、电缆金属外皮、钢管等连接在一起接地.➢冲击接地电阻不应大于10Ω.Ⅳ.1.3 第三类防雷建筑物●不属于第一、第二类建筑物,又需要作防雷保护的建筑物.●防雷措施➢防直击雷:宜采用装设在建筑上的避雷网(带)或避雷针或由这两种混合组成的接闪器(利用其高出被保护物的凸出位置,把雷电引向自身,然后通过引下线和接地装置将雷电流泄放到大地,使被保护的线路、设备、建筑物免受雷击).➢冲击接地电阻不应大于30Ω.Ⅳ.3 防雷设备●防雷设备主要有:避雷针、避雷线、避雷器、浪涌保护器（电子信息系统）Ⅳ.3.1 避雷针●避雷针的组成:接闪器(避雷针的针头)、引下线、接地体.通常接闪器安装在构架上.●用滚球法确定避雷针的保护范围.●国际电工委员会1990年3月出版的建筑物防雷标准，以滚球法作为确定接闪器的保护范围.我国《建筑物防雷设计规范》GB50057-1994中规定避雷针保护范围的计算采用滚球. Ⅳ.3.1.1滚球法●滚球法h半径的一个球体,沿需要防直击雷的部位滚动,当球体只触及接闪器(包括被利用作➢是以r为接闪器的金属物),或只触及接闪器和地面(包括与大地接触并能承受雷击的金属物),而不触及需要保护的部位时,则该部分就能得到接闪器的保护. ●不同建筑物防雷级别的滚球半径➢用滚球法计算避雷针的保护范围时,不同防雷建筑物的滚球半径,表2.1.1.表 2.1.1 不同建筑物防雷级别的滚球半径建筑物的防雷级别滚球半径r h /m 避雷网尺寸 /m第一类防雷建筑物 30 10×10 第二类防雷建筑物 45 15×15 第三类防雷建筑物6020×20Ⅳ.3.1.2 单支避雷针的保护范围●针高度r h h （滚球半径）作图方法,图2.1.3hh rA Br xr xr xx x＇xx＇平面上保护范围的截面h r 2-(h r -h x )2h rh rh rh r 2-(h r -h)2(h r -h)r 0图2.1.3 单支避雷针高度小于滚球半径时的保护范围➢距离地面r h 处作一平行于地面的直线.➢以针尖为圆心,r h 为半径,作弧线交于平行线的A 、B 两点.➢以A 、B 为圆心,r h 为半径,作弧线,与针尖相交,与地面相切.此弧线绕避雷针旋转360°形成一锥体,锥体及为保护范围.➢由图得,在r h 高度x x '平面上保护半径x r : ()()2222x r r r r x h h h h h h r -----=(2.1.5)式中r h -滚球半径,m; x h -被保护物高度,m.➢避雷针在地面上的保护半径0r : ()()()h h h h h h h h h h h r r r r r r r -=+--=--=22222220 (2.1.6)●针高度r h h >（滚球半径）作图方法,图2.1.4➢在针上取高度r h 的一点代替单支避雷针针尖为圆心,其余作图法同图2.1.3.图2.1.4 单支避雷针高度大于滚球半径时的保护范围Ⅳ.3.1.3 双支等高避雷针的保护范围●避雷针高度r h h <(滚球半径)(两针距离()h h h D r -≥22时,各按单针确定保护范围) ➢两避雷针距离()h h h D -<22,作图方法,图2.1.5.h rh rBAhh rBAECOb 0r 0(D/2)R(h r -h)O＇x＇xh xx h r(h r -h)h r 2-(h r -h)2(h r -h x )h rh r 2-(h r -h x )2r xr R 1=r 0-r x11h xh rh rh rFF1-1h 0h ＇r ＇F D C图2.1.5 两支等高避雷针保护范围➢AEBC 外侧保护范围,按单针确定.➢C 、E 点位于两针间的垂直平分线上,在地面的最小保护宽度0b()()()2222202222⎪⎭⎫ ⎝⎛--=⎪⎭⎫ ⎝⎛--=-===D h h h D h h h AO AC OE CO b r r (2.1.7)➢A ，B 针尖保护范围上边线,是以AB 针中心线上距地面r h 的一点O ＇为圆心,以R 为半径所作的弧()222⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=D h h R r (2.1.8)➢在AOB 轴线上,距中心任一距离x 处,其保护范围上边缘的保护高度x h()222222x D h h h x R h h r r r x -⎪⎭⎫⎝⎛+--=--= (2.1.9)➢在保护高度x h 上的保护半径x r ()()2222x r r r r x h h h h h h r -----=()()x r x r h h h h h h ---=22 (2.1.10)➢任一保护高度x h 和C 点所处的垂直平面上,以x h 作为段想避雷针,按单针方法确定,如图2.1.5的1-1剖面.➢两针之间保护范围的最低点0h()2202⎪⎭⎫ ⎝⎛+--=-=D h h h R h h r r r (2.1.11)Ⅳ.3.1.4 双支不等高避雷针的保护范围●避雷针1#高度r h h ≤1(滚球半径),避雷针2#高度r h h ≤2,且两针之间的距离 ()()221122h h h h h h D r r -+-≥时,各按单针确定保护范围.●避雷针1#高度r h h ≤1(滚球半径),避雷针2#高度r h h ≤2,且两针之间的距离 ()()221122h h h h h h D r r -+-<时,作图方法.图2.1.6BAh 1h rO＇x＇xh xx h r(h r -h 2)r xh xh rh rh rF1-1h 0h ＇F Dh r h rRD 1D-D1H (h r -h 1)h r 2-(h r -h 1)2h r 2-(h r -h 2)2ABEC O r 02r 01r r r ＇r ＇11F Cb 0xx＇平面上保护范围的截面图2.1.6 双支不等高避雷针保护范围●AEBC 外侧保护范围,按单针方法确定. ●地面上的保护范围01r ,02r ()()1122012h h h h h h r r r r -=--=(2.1.12)()22022h h h r r -= ●地面上每侧最小保护宽度0b()2111212012202D h h h D r AO AC EO CO b r --=-=-=== (2.1.13)●两针尖之间最高保护范围R作AB 垂直平分线,与r h 线交于O ＇点,以O ＇为圆心,R 为半径,作圆弧AB. ()2121D h h R r +-= (2.1.14)()()2122D D h h R r -+-=(2.1.15)●CE 线或O ＇H 线位置计算,由式(2.1.14)、(2.1.15)联立求解得 ()()DD h h h h D r r 2221221+---=(2.1.16)●AB 针之间的保护范围x h ()222x r h h x R -+=,解之得()2212122x D h h h x R h h r r r x -+--=--= (2.1.17)●AB 两针之间保护范围的最低点0h式(2.1.17)中,当x=0时()21210D h h h h r r +--= (2.1.18)●两针之间AEBC 内的保护范围ACO 与AEO,BCO 与BEO 是对称的,故以ACO 部分的保护范围为例,在x h 和C 点所处的平面垂直平面上,以x h 作为假想避雷针,按单支针的方法确定,图2.1.6中的剖面1-1.●确定x x '平面上保护范围截面的方法与双支等高避雷针类同. Ⅳ.3.1.5 矩形布置的四支等高避雷针的保护范围●针高r h h ≤(滚球半径),当对角两针之间的距离()h h h D r -≥223时,各按双支等高避雷针的方法确定保护范围.●针高r h h ≤(滚球半径),对角两针之间的距离()h h h D r -<223时,作图方法如下: ➢四支针外侧保护范围各按双针方法确定. ◆地面上的保护范围0r ()h h h r r -=20➢B 、E 二针连线上保护范围,图2.1.7的1-1剖面.◆E 、B 两针尖的保护范围:以B 、E 针尖为圆心,r h 为半径,作弧,相交于O 点,再以O 点为圆心,以r h 为半径作圆弧,与两针尖相接. ◆保护范围最低点高度0hr rh h D h h -+⎪⎭⎫⎝⎛-=23202 (2.1.19)◆y h 高度的yy ＇平面上保护范围截面,以P 点为圆心的半径 ()[]()()200202222h h h h h h h h h ON OW NW y y r y r r ---=---=-=(2.1.20)r h OW =, y r h h h ON -+=0➢2-2剖面的保护范围,作图法◆以P 点的垂直线上的O ＇点(距离地面的高度0h h r +)为圆心,r h 为半径作圆弧,与被保护高度x h 的水平线相交于F 、H 点.以F 、H 为假相的针作图.1-1剖面2-2剖面3-3剖面图2.1.7 四支等高避雷针保护范围◆(关键点)保护范围最低点的高度0h 按式(2.1.19)计算,(因为3D 距离最长, 0h 最小)即r r h h D h h -+⎪⎭⎫ ⎝⎛-=23202◆由直角△O ＇TH 看出 ()212202⎪⎭⎫⎝⎛--=-+x D h h h h r x r (2.1.20)◆由直角△KLH 看出()()2022x b h h h r x r +-=- (2.1.21)♦出可由式(2.1.20),(2.1.21)联立求出x h 和x 值. ➢3-3 剖面的保护范围,作图法(与2-2剖面相同)◆以P 点的垂直线上的O 〃点(距离地面的高度0h h r +)为圆心,r h 为半径作圆弧,与被保护高度x h 的水平线相交于U 、V 点.以U 、V 为假相的针作图.◆(关键点)保护范围最低点的高度0h 按式(2.1.19)计算,(因为3D 距离最长, 0h 最小)即r rh h D h h -+⎪⎭⎫⎝⎛-=23202()222202⎪⎭⎫ ⎝⎛--=-+x D h h h h r x r()()2022x b h h h r x r +-=-可联立解出x h 和x 值.➢确定4支等高避雷针中间在0h 至h 之间y h 高度Y Y '平面上保护范围截面,以点P 为圆心,()()2002h h h h h y y r ---作圆或圆弧,与各双支避雷针在外侧所作的保护范围截面组成该保护范围截面.Ⅳ.3.2 架空避雷线Ⅳ.3.2.1 单根避雷线的保护范围●架空避雷线的高度要考虑弧垂的影响,在无法确定弧垂的情况下,可考虑架空避雷线中点的弧垂为:♦等高支柱之间的距离小于120m 时,弧垂为2m;间距为120~150m 时,弧垂为3m. ●当单根避雷线的高度r h h 2≥时,无保护范围.●当单根避雷线的高度r h h 2<时,保护范围确定,图2.1.8.h r ＜h＜2h rh≤h r图2.1.8 单根架空避雷线保护范围●作图方法:◆距离地面r h 处作一条平行于地面的直线.◆以避雷线为圆心,r h 为半径作弧,交于平行线的A 、B 两点.◆以A 、B 两点为圆心,r h 为半径作弧线,该两段弧线相交或相切并与地面相切,从该弧线起到地面止即为保护范围.◆当r r h h h 2<<时,保护范围最高点的高度0h 按(2.1.22)计算. h h h r -=20 (2.1.22) 〖证明:直角ADE ADC ∆≅∆,r h h DE CD -==,h h CD h h r r -=-=20〗◆避雷线在x h 高度的x x '平面上的保护宽度x b()()x r x r x h h h h h h b ---=22 (2.1.24)式中x b -避雷线在x h 高度的x x '平面上的保护宽度,m;h -避雷线的高度,m;r h -滚球半径,m.由表2.1.1确定; x h -被保护物高度,m.〖证;y b b x -=0∵直角FCB ∆中,()()h h h h h h FB FD DB b r r r -=--=-==222220直角BGH ∆中,()()x r x x r r h h h h h h BH BG GH y -=--=-==22222∴()()x r x r x h h h h h h y b b ---=-=220 〗Ⅳ.3.2.2 两根等高避雷线的保护范围●当避雷线高度r h h ≤,两线之间的距离()h h h D r -≥22时,各按单根避雷线方法确定. ●当避雷线高度r h h ≤,两线之间的距离()h h h D r -<22时,作图方法,图2.1.9. ➢两根避雷线的外侧,各按单根避雷线的方法确定.➢两避雷线之间保护范围:以C 、D 两线为圆心,r h 为半径,作圆弧交于O 点.以O 为圆心, r h 为半径,作圆弧交于C 、D 点.r1-1剖面图 2.1.9 两根等高避雷线在r h h ≤时保护范围 ➢两线之间保护范围的最低点的高度0hr rh h D h h -+⎪⎭⎫⎝⎛-=2202 (2.1.25)➢避雷线两端保护范围按双支避雷针的方法确定.但在两避雷线间的中线两端按图2.1.9中1-1剖面确定.◆以双支避雷针所确定的中点保护范围最低点的高度0h ',作为假想避雷针,将其保护范围的延长线与()h f h =0交于E 点.()222⎪⎭⎫⎝⎛+--='D h h h h r r 〖图2.1.9中的1-1剖面中,0h '相当于(2.1.9)式0=x 时的00|=x h .〗 ◆内移位置的距离x 为 ()0002b h h h x r --=(2.1.26)〖以1-1剖面为准,图中0h 的E 点作为假想避雷针,其在地面的保护范围:()()000202h h h h h h b x r r r -=--=+, 〗0b 按式(2.1.7)确定.●当避雷线高度r r h h h 2≤<,且()[]r r r h D h h h h 222<<--时,作图方法,图2.1.10. ➢距离地面r h 处作一条与地面平行的线.➢以避雷线A 、B 为圆心,r h 为半径,作圆弧相交于O 点,并与平行线相交(或相切)于C 、E 点. ➢以O 为圆心, r h 为半径,作圆弧相交于A 、B 两点.➢以C 、E 为圆心, r h 为半径,作圆弧相交于A 、B 两点并与地面相切.1-1剖面图2.1.10 两根等高避雷线在r r h h h 2≤<时的保护范围➢两避雷线之间保护范围最低点的高度0hr r h h D h h -+⎪⎭⎫ ⎝⎛-=2202 (2.1.27)➢最小保护宽度m b 计算◆由图可知,从中线至E 点距离()r m h b +,而其在地面的平行线的相应距离()222h h h D r r --+ ()h h h Dh b r r m -+=+22()r r m h Dh h h b -+-=22 (2.1.28)➢避雷线两端保护范围按双支等高为r h 的避雷针确定.但在两避雷线间的中线两端,保护范围确定方法.图2.1.10中剖面1-1.◆以双支高度r h 的避雷针所确定的中点保护范围最低点的高度2Dh h r -=' 作为假想避雷针,将其保护范围的延长弧线与()h f h =0线交于F 点. 〖证:将0=x ,r h h =代入(2.1.9)式()2222xD h h h h r r x -⎪⎭⎫ ⎝⎛+--=,得出20Dh h r -=' 〗 ◆内移位置的距离x:()220022⎪⎭⎫ ⎝⎛---=D h h h h x r r (2.1.29)〖证:图2.1.10中的1-1剖面, ∵HP 线与地面平行∴2202⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=+==D h x b x KM HP rr h PF PM HK ===, r h h FH -=0直角FHP ∆,()()00202222h h h h h h FH PF HPr r r -=--=-=∴()002222h h h D h x r r-=⎪⎭⎫⎝⎛-+ 得(2.1.29)式0b : 1-1剖面中,从(2.1.7)式()2022⎪⎭⎫⎝⎛--=D h h h b r 以r h 代h 得2202⎪⎭⎫⎝⎛-=D h b r〗Ⅳ.3.3 特定条件下的保护范围●上述计算保护范围的各图中所画的地面也可以是其他接闪器或建筑物上的接地金属物. ●当接闪器在“地面上保护范围的载面”的外周线触及其他接闪器或接地金属物时,各图的保护范围均适用于这些接闪器.●当其他接闪器或接地金属物处在外周线之内,且位于被保护部位的边沿时,应按以下方法确定所需断面的保护范围.图2.1.11B(接地金属物或接闪器)图2.1.11 确定建筑上任两接闪器在所需断面上的保护范围●作图方法:♦以A 、B 为圆心,r h 为半径作弧线相交于O 点.♦以O 点为圆心, r h 为半径作弧线相交于AB,弧线AB 就是保护范围的临界线.●在建筑物屋面已采用避雷网保护时,可将屋面等同于上述各图的地面,只要高于得到避雷网保护的屋面以上的接闪器按前述方法所确定的“地面上保护范围的截面”的外周线处在屋面范围内时,按上述各图确定保护范围的方法也适用于这种情况.如仅部分外周线处在该屋面范围内时,则仅这部分按各图相应的方法确定保护范围.Ⅳ.3.4 避雷带与避雷网Ⅳ.3.4.1 避雷带 ●避雷带设置➢沿建筑物屋顶四周易遭受雷击部位明设的作为防雷保护的金属带作为接闪器,沿外墙作引下线和接地网相连的装置称为避雷带.图2.1.12.◆如:屋脊、屋檐(有坡面屋顶)、屋顶边沿、女儿墙、平屋面上等.◆避雷带一般要高出屋面0.2m.两条平行的避雷带之间的距离应不大于10m.屋顶上有烟囟或其他突出物时,要另设避雷针或避雷带.避雷带引下线图2.1.12 避雷带结构示意图●材料要求:避雷带用圆钢(φ≮8mm)或扁钢(截面积≮48mm 2,厚度≮4mm)做成长条带状体. ●接地电阻:冲击接地电阻Ω<10ch R●工作原理:当雷云的下行先导向建筑物上的易受雷击部位发展时,避雷带率先接闪,承受直接雷击,将强大的雷电流引入大地,使建筑物得到保护(建筑物的重点保护措施). Ⅳ.3.4.1 避雷网●避雷网结构:在建筑物上纵横交错的避雷带叠加在一起,组成避雷网.对建筑物全面保护.●材料要求:圆钢直径不小于8mm;扁钢截面积不小于48mm 2,存度不小于4mm. ●避雷网分类➢明装避雷网:在建筑物的屋顶上、层顶屋面上以较疏松的可见金属网格作为接闪器,沿其四周或外墙引下线接地.使用少.➢暗装避雷网:利用钢筋混凝土结构中的钢筋网作为防雷装置. ●避雷网保护原理➢利用建筑物中的钢骨架(包括地基中的钢筋和各层楼板),只要保持可靠的电气连接,就是一个大金属笼,同时与大地良好的电气连接,形成一个可靠的等电位的接地体.放在建筑物内的各种金属设备、电气设备、上下水管等与钢筋架可靠连接,就能防止直接雷击. ➢笼体金属网格尺寸越小,防雷效果越好.➢GB50057-2000《建筑物防雷设计规范》中避雷网格尺寸,表2.1.2.表2.1.2 避雷网格尺寸➢利用混凝土结构中的钢筋作为暗装避雷装置时,必须做到内部钢筋可靠的电气连接. ➢各层梁、柱、墙、楼板内钢筋要绑扎或搭接,每隔20m 的间距焊接一处.➢建筑物内的金属设备必须可靠接地,电气设备采用中性点接地系统,其中性点统一接到避雷接地装置上.➢建筑物的电气线最好穿金属管或采用有金属屏蔽的电缆,以便达到屏蔽作用.也可采用高绝缘强度的绝缘套管套上,防止雷电反击.➢建筑物顶部的金属突出物,如金属旗杆、钢爬梯、透气管、金属烟囟、金属天线等,必须与避雷网焊接,以形成统一的接闪器.➢建筑物顶部突出的非钢筋混凝土物体,可以另设避雷网或避雷针加以保护. ➢避雷网可采用25mm ×4mm 镀锌扁钢.Ⅳ.3.5 引下线和接地装置Ⅳ.3.5.1 引下线●引下线的作用:做为接闪器引下的雷电流的流通通道. ●引下线材料:表2.1.3表2.1.3 引下线最小规格●接地装置的作用:向大地泄放雷电流,限制防雷装置对地电压不致过高. ●要求➢接地装置和引下线必须用金属焊接.➢独立避雷针必须布置独立的接地装置,接地电阻不宜大于10Ω. ➢独立避雷针及其接地装置与道路和建筑物的距离方应大于3m.Ⅳ.3.5.3 避雷针(线)雷电反击●当雷电电流通过引下线和接地装置入地时,雷电流在接地引下线的电感和接地电阻上的压降会使接地引下线的电位和地电位升高.➢当避雷针和被保护物间的空气间隙a S 不够大时,避雷针上的高电位A u (与被保护物等高的避雷针上A 点的电位)可击穿空气间隙而将高电位传递到被保护物上,这一现象称为反击.反击使被保护物遭雷击.➢当避雷针的接地装置和被保护物接地装置间的距离e S 不够大时,避雷针接地装置上的高电位B u 可击穿土壤反击到被保护物的接地装置上,使被保护物的地电位升高,使被保护物受大气过电压的威胁. ●要求➢避雷针和被保护物间的空气间隙a S 不应小于5m.➢避雷针的接地装置和被保护物接地装置之间在地下的距离e S 不应小于3m.Ⅳ.3.6 半导体消雷器(或限流避雷针)●半导体消雷器的作用:半导体消避器和限流避雷针是一种能降低雷电流幅值和陡度的新型防直击雷装置.●半导体消雷器的组成:半导体消雷器的接闪器由5~9根半导体针组成,向上呈辐射状布置在数个垂直交叉的扇轴上,同一扇面相邻两针间的夹角为15°~20°.每根半导体针长约5m,针体电阻为35Ω,单针闪络电压在1400kV 以上.每根针端部有4根30cm 长有金属针. ●半导体消雷器安装:半导体消雷器可安装在高塔或建筑物的顶部.图2.1.13.(a) 9针半导体消雷器 (b) 限流避雷针图2.1.13 消雷器●半导体消雷器工作原理➢半导体消雷器消减向下发展雷电的原理◆当雷云中电荷密集处的电场强度达到空气击穿场强(2500~3000kV/m)时,将出现由云向下发展的放电,称为先导放电.◆下行雷电:自雷云向下开始发展先导放电的.◆利用尖端放电产生和雷云异号的电荷,中和雷云中的电荷,使之不足以发生下行先导(以中和为纲).◆消雷器应能在雷云下产生足够大的中和电流,即电晕电流.在同样的雷云电场下,塔身愈高,电晕电流就愈大,防雷效果愈好.◆以中和为原理的消雷器缺点:怕风.原因:中和电荷由地面上升的速度v 是由雷云的平均场强E 和电何的迁移率k 决定的,v=kE.对负雷云,向上升的电何为空气的正离子,它的k=0.136(m/s)/(kV/m),以E=40kV/m 计,正离子上升的速度v=0.136×40=5.44m/s,而海洋季风到达的地区,水平风速可达10~20m/s(相当于5级~8级风),甚至可达33m/s(相当于11级风),这样,中和电荷来不及上升到雷云就会被风吹走.◆半导体消雷器优点:在雷暴时水平风速不大的情况下靠中和作用中和部分雷云电荷;在水平风速较大时,靠半导体电阻的限流作用(以限流为纲),消灭上行雷和大幅度降低那些来不及被中和的下行雷的雷电流的幅值和陡度.➢半导体消雷器和限流避雷针抑制上行雷电流发展的原理◆上行先导放电:雷云自地面突出物向上开始发展先导放电的. ◆上行雷先导需要的平均雷云下电场E 0,表2.1.4 表2.1.4 可能发展上行先导的估计条件地面突出物高度h /m50 100 200 300 500 地面附近的雷云电场E 0 /1-⋅m kV372213.5107◆实测,只有当上行先导电流大于100A 时,上行雷才有可能得到发展.◆支持上行先导电流的电动力h E F 0=.塔体h 越高,发生上行雷所需的地面场强0E 就小.◆分析:•当塔高为60m 时,可取m kV E /320=,上行先导电流的电动力kV h E F 192060320=⨯==•设在非半导体消雷器(即半导体消雷器的电阻R=0)时,上行先导电流I=100A,制约上行先导发展的空气的等值电阻0RΩ===k I U R 2.19100192000 •据此,估算出上行先导经R=35k Ω的半导体针发展时的先导电流I,将被限制为 A R R U I 42.352.1935192000=+=+=•而35.42A 电流在35k Ω电阻上的压降kV kV 150012403542.35<=⨯,所以不会造成半导体针的沿面闪络.先导上行也不可能发展.•抑制上行雷电发展:用针体电阻为35k Ω的电阻来限制上行雷的发展,可以100%消除由地面向上发展的雷电.➢半导体消雷器限制下行雷电流原理◆起电后的雷云和大地之间相当于一个充了电的 “电容器”,雷击大地相当于把已充好电的电容器的正负两极直接短接.◆半导体消雷器抑制下行雷电流原理:在“电容器”的放电回路中串入电阻,降低电容器放电电流的幅值,延长放电时间.◆为了限制上行雷的发展,半导体单针电阻取35k Ω(前面分析),已知单针的闪络电压为1500kV,在下行雷电流流过针体的电流由0上升超过43A 时,将发生沿针体表面的闪络→解决:改变相邻两针间的夹角(相邻两针的夹角取15°~20°)、空气间隙的距离,使相邻两针针头间空气间隙的放电电压低于针体的沿面闪络电压.这样空气间隙就会在针体发生沿面闪络前先行击穿,实现二针、三针甚至多针的自动并联,使限流电阻随着电流的增大而降低,形成整体的非线性.即使19针并联后其值仍有1.842k Ω,仍能起到限流作用.➢半导体消雷器闪络后具有限流作用 ➢半导体消雷器的保护范围 ◆标准：《半导体少长针消雷装置使用的安全要求》BG/T1643-1996.•对一般设施,半导体少长针消雷器的地面保护范围可取塔高的5倍,其保护角为78.8°, •对于易爆设施,取塔高的3.5倍,其保护角为74°(保护角:以针尖为顶点,过针尖的线与针的夹角). •限流避雷针的保护范围和一般避雷针相同.Ⅳ.3.7 避雷器●避雷器的作用➢防止雷电行波沿线路侵入变配电所功其他建筑物内,危及被保护设备的绝缘.➢避雷器是一种能释放雷电或过电压的能量以限制过电压幅值,又能截断续流,不致引起系统接地短路的保护设备.➢避雷器接于带电导线与地之间,与被保护设备并联. ●避雷器的工作原理➢在正常情况下,避雷器中无工频电流流过,对工频电压呈高阻状态.一旦传来雷电入侵波,使过电压值达到规定的动作电压时,避雷器被击穿,相当于短路状态,使得雷电电流通过引下线和接地装置迅速流入大地,从而限制过电压水平.当雷电入侵波消失后,避雷器能自动恢复高阻状态,自动切断工频续流.➢避雷器的工频续流:避雷器击穿后,在系统的工频电压的作用下,流过避雷器的电流.●避雷器分类:间隙避雷器、管型避雷器、阀型避雷器、氧化锌避雷器等.●间隙避雷器➢结构:由两个相距一定距离的电极构成.➢原理:通过调整两个电极之间的距离,使得电极间的击穿放电电压低于被保护设备的绝缘耐受电压.当雷电波入侵时,电极间隙击穿,形成电弧接地,使得雷电流通过引下线和接地装置流入大地,限制了被保护设备电压的升高.➢用途:间隙保护用途:线路、变压器进线段.➢缺点:灭弧能力差.●管型避雷器➢结构:由内、外两个间隙和产气管组成.➢原理:当间隙被击穿,雷电流流入大地,过电压消失后,在工频续流电弧作用下,产气管产生大量气体,通过纵吹灭弧.工频续流电弧在电流过零时熄灭,恢复间隙的绝缘性.➢用途:线路、变电所的进线段保护.●阀型避雷器➢结构:由叠装于密封瓷套内的火花间隙和阀片(非线性电阻,常为碳化硅钢片)串联构成.➢原理: 非线性电阻是:电流越大,阀片电阻越小.火花间隙的作用:正常工作时将阀片与母线隔离,当雷电行波入侵时,火花间隙被击穿,雷电流经阀片流入大地,由于避雷器的冲击放电电压低于被保护设备的绝缘耐压,从而保护了电气设备.当雷电行波电压消失后,在间隙中有工频续流,电流大大减小,阀片电阻急剧升高,间隙电弧在过零时熄灭.➢用途:FS型通流容量小,主要用于3kV~10kV配电系统;FZ型通流容量大,主要用于保护发电厂、降压变电所等设备.●氧化锌避雷器➢阀片由氧化锌制成,非线性伏安特性优于碳化硅.正常工作时,氧化锌阀片具有极高的电阻,相当于绝缘;而在过电压时,氧化锌阀片电阻很小,相当于短路状态.残压小.过电压消失后,阀片电阻在极短时间内就可恢复到绝缘状态,工频续流被限制.➢氧化锌避雷器主要技术参数◆标称放电电流:给避雷器施加波形为8μs/20μs(波头时间和半幅值时间)的标准雷电波冲击10次时,避雷器所能耐受的最大冲击电流峰值.•避雷器的标称放电电流为1kA、1.5kA、2.5kA、5kA、10kA、20kA共6个等级.◆额定电压:施加在避雷器端,而不引起避雷器特性变化和使避雷器动作的最大工频电压有效值.•按IEC标准,避雷器在注入标准规定能量后,必须能耐受相当于额定电压数值的暂时过电压至少10s.◆特续运电压:允许特久施加在避雷器端子间的工频电压有效值.◆冲击电流残压:避雷器受放电电流击穿时,两端的残余电压.即为被保护设备承受的最高电压.•分为:标准放电电流残压(波形8μs/20μs,峰值5kA、10kA、15kA、20kA) 操作冲击放电电流残压(波形30μs/60μs,峰值1.5kA、2kA、3kA)➢氧化锌避雷器选择计算❶加压率法•加压率（A VR）（美国GE公司提出.日本日立公司称为课电率）。

避雷针折线法与滚球法

避雷针保护范围的计算方法目前世界各国关于避雷针保护范围的计算公式在形式上各有不同，大体上有如下几种计算方法：1、折线法：即单一避雷针的保护范围为一折线圆锥体。

2、曲线法：即单支避雷针的保护范围为一曲线锥体。

3、直线法：是以避雷针的针尖为顶点作一俯角来确定，有爆炸危险的建筑物用45°角，对一般建筑物采用60°角，实质上保护范围为一直线圆锥体。

在避雷针保护范围的计算方法中，“折线法”是比较成熟的方法。

近几年来,国标中规定的“滚球法”也开始得到同行的认同，但在实际运用中，“滚球法”也碰到一些问题，特别是在计算天面避雷针保护范围的时候。

因此有必要对电力系统常用的“折线法”和国标的“滚球法”进行比较分析，发现其中存在的问题。

常用避雷针(这里仅指单针)保护范围的计算方法主要有折线法和滚球法，为此，就“折线法”和“滚球法”的计算进行了初步的分析和探讨，得出：“折线法”的主要特点是设计直观，计算简便，节省投资，但建筑物高度大于20 m 以上不适用；“滚球法”的主要特点是可以计算避雷针(带)与网格组合时的保护范围，但计算相对复杂，投资成本相对大。

在避雷针保护范围的计算方法中，“折线法”是比较成熟的方法。

近几年来,国标中规定的“滚球法”也开始得到同行的认同，但在实际运用中，“滚球法”也碰到一些问题，特别是在计算天面避雷针保护范围的时候。

因此有必要对电力系统常用的“折线法”和国标的“滚球法”进行比较分析，发现其中存在的问题。

1“折线法”避雷保护计算“折线法”在电力系统又称“规程法”，即单支避雷针的保护范围是一个以避雷针为轴的折线圆锥体。

L/ 620—997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》标准就规定了单支避雷针的保护范围，见图。

1.1避雷针在地面上保护半径的计算计算避雷针在地面上的保护半径可用公式式中：Rp——保护半径；h——避雷针的高度；P——高度影响因数。

其中，P的取值是：当h≤30 m，P＝1；当30 m的h的纯数值；当h＞20 m时，只能取h=120 m。

滚球法避雷针保护半径计算书

滚球法避雷针保护半径计算书计算时间:2013-06-24设计单位:陕西雷特防雷工程有限公司工程:留坝县桑园坝水电站炸药库防雷工程计算者:陶强一、架设独立单针保护：【计算依据】GB50057-2012《建筑物防雷设计规范》【已知条件】建筑物防雷类型 = 雷管库、雷管发放室（第一类防雷建筑物）滚球半径hr = 30.00 (m)避雷针的高度h = 30.00 (m)被保护物高度hx = 3.00 (m)【计算公式及过程】炸药库均属于一类建筑物，其接地冲击电阻（Ri ）不大于10欧姆建筑物保护高度hx =3米预选独立避雷针高度h=30米（一类防雷建筑物避雷针最大高度）hx=3m 时，需要的保护半径r ：r=√（3+4+3.4+6）2+（4.2+4） 2r=18.42米)2()2(x r x r x h h h h h h r ---== 30.00 - 13.08= 16.92<18.42 (m)【计算结果】避雷针在hx 高度xx'平面上的保护半径rx = 16.92 m 建筑物在3米高度上需要保护的范围为18.42米，由于，16.92米<18.42米，所以无法架设一支独立避雷针进行保护；二、架设独立等高双针保护：【计算依据】GB50057-2012《建筑物防雷设计规范》【已知条件】建筑物防雷类型 =雷管库、雷管发放室（第一类防雷建筑物）滚球半径hr = 30.00 （m ）两针之间的距离D = 12.00 （m ）第一根针的高度h1 = 15.00 （m ）第二根针的高度h2 = 15.00 （m ）被保护物高度hx = 3.00 （m ）【计算公式及过程】)/2D D h h )h (h (2h D 2222121r 1++--== (2*30.00(15.00 - 15.00) - 15.00*15.00 + 15.00*15.00 + 12.00*12.00) / 2*12.00= 6.00 (m)12D -D D == 12.00 - 6.00= 6.00 (m)211r 10D )h (2h h b --== 25.28 (m)211r 12r r 0)h (2h h h h h D +---== 30.00 - 16.16= 13.84 (m))h (2h h )h (2h h b x r x 0r 0x ---== 25.28 - 13.08= 12.20 (m)【计算结果】保护范围D1 = 6.00 m保护范围D2 = 6.00 m地面最小保护宽度b0 = 25.28 mhx 高最小保护宽度bx = 12.20 m架设双支等高独立避雷针，两支避雷针高度设为15米，在hx 高度xx'平面上的保护半径rx = 6.0 m ，建筑物在3米高度上需要保护的范围为,4.1米、4.2米，但是库房上面有电源线通过，且距离避雷针较近，一旦刮大风，电源线可能会碰触到避雷针，因此该库房无法通过架设独立避雷针进行保护；。

滚球法防雷设计计算书

滚球法防雷设计计算书工程名:计算者:计算时间:参考规范：《建筑物防雷设计规范》（2000年版）已知条件算法：滚球法避雷针编号1针高：40.00米避雷针计算高度：40.00米被保护物的防雷等级要求：滚球半径60米被保护物的高度：15.00米计算过程和公式r0 =√[h*(2hr -h)]=√[40.00*(2*60.00 -40.00)]=56.57(米)rx =√[h*(2hr -h)] - √[hx (2hr -hx )]=√[40.00*(2*60.00 -40.00)] - √[15.00 (2*60.00 -15.00 )]=16.88(米)1-2两针距离 D = 64.42D1 = D/2= 64.42/2= 32.21(米)Bx =√[h(2*hr -h)-D1*D1] - √[hx(2*hr - hx)]=√[40.00(2*60.00 -40.00)-32.21*32.21] - √[15.00(2*60.00 - 15.00)] =6.82(米)中心点最低高度h0h0 =hr - √[(hr - h)*(hr - h) +D1*D1]=60.00 - √[(60.00 - 40.00)*(60.00 - 40.00) +32.21*32.21]=22.09(米)计算结果避雷针在15.00米处的保护范围为16.88米已知条件算法：滚球法避雷针编号2针高：40.00米避雷针计算高度：40.00米被保护物的防雷等级要求：滚球半径60米被保护物的高度：15.00米计算过程和公式r0 =√[h*(2hr -h)]=√[40.00*(2*60.00 -40.00)]=56.57(米)rx =√[h*(2hr -h)] - √[hx (2hr -hx )]=√[40.00*(2*60.00 -40.00)] - √[15.00 (2*60.00 -15.00 )] =16.88(米)计算结果避雷针在15.00米处的保护范围为16.88米。

滚球法避雷针保护半径计算书

滚球法避雷针保护半径计算书计算时间:2013-06-24设计单位:陕西雷特防雷工程有限公司工程:留坝县桑园坝水电站炸药库防雷工程计算者:陶强一、架设独立单针保护：【计算依据】GB50057-2012《建筑物防雷设计规范》【已知条件】建筑物防雷类型 = 雷管库、雷管发放室（第一类防雷建筑物）滚球半径hr = 30.00 (m)避雷针的高度h = 30.00 (m)被保护物高度hx = 3.00 (m)【计算公式及过程】炸药库均属于一类建筑物，其接地冲击电阻（Ri ）不大于10欧姆建筑物保护高度hx =3米预选独立避雷针高度h=30米（一类防雷建筑物避雷针最大高度）hx=3m 时，需要的保护半径r ：r=√（3+4+3.4+6）2+（4.2+4） 2r=18.42米)2()2(x r x r x h h h h h h r ---== 30.00 - 13.08= 16.92<18.42 (m)【计算结果】避雷针在hx 高度xx'平面上的保护半径rx = 16.92 m 建筑物在3米高度上需要保护的范围为18.42米，由于，16.92米<18.42米，所以无法架设一支独立避雷针进行保护；二、架设独立等高双针保护：【计算依据】GB50057-2012《建筑物防雷设计规范》【已知条件】建筑物防雷类型 =雷管库、雷管发放室（第一类防雷建筑物）滚球半径hr = 30.00 （m ）两针之间的距离D = 12.00 （m ）第一根针的高度h1 = 15.00 （m ）第二根针的高度h2 = 15.00 （m ）被保护物高度hx = 3.00 （m ）【计算公式及过程】)/2D D h h )h (h (2h D 2222121r 1++--== (2*30.00(15.00 - 15.00) - 15.00*15.00 + 15.00*15.00 + 12.00*12.00) / 2*12.00= 6.00 (m)12D -D D == 12.00 - 6.00= 6.00 (m)211r 10D )h (2h h b --== 25.28 (m)211r 12r r 0)h (2h h h h h D +---== 30.00 - 16.16= 13.84 (m))h (2h h )h (2h h b x r x 0r 0x ---== 25.28 - 13.08= 12.20 (m)【计算结果】保护范围D1 = 6.00 m保护范围D2 = 6.00 m地面最小保护宽度b0 = 25.28 mhx 高最小保护宽度bx = 12.20 m架设双支等高独立避雷针，两支避雷针高度设为15米，在hx 高度xx'平面上的保护半径rx = 6.0 m ，建筑物在3米高度上需要保护的范围为,4.1米、4.2米，但是库房上面有电源线通过，且距离避雷针较近，一旦刮大风，电源线可能会碰触到避雷针，因此该库房无法通过架设独立避雷针进行保护；。