雷電過電壓的產生及弱電系統(tǒng)防雷技術課件

雷電過電壓的產生

及弱電系統(tǒng)防雷技術主講：曹曉斌西南交通大學電氣工程學院雷電過電壓的產生

及弱電系統(tǒng)防雷技術主講：曹曉斌主要內容雷電的起源雷電的主要參數(shù)雷電過電壓的類型雷電過電壓的防護浪涌的防護主要內容雷電的起源1、雷電的起源1、雷電的起源

在全球范圍內雷電發(fā)生的頻率很高大廈，任何時刻大約有2000個地點遇上雷暴，每秒鐘就有上百次雷電，每天約有800多萬次雷電，一年中平均發(fā)生30多億次雷電，每次閃電在微秒級的瞬間釋放出約55kW.h的能量。森林火災有50％以上因雷電引發(fā)；人們居住生活的建筑物屢遭雷擊破壞；電力、石化等工業(yè)設施常因雷擊而發(fā)生災難性事故。在全球范圍內雷電發(fā)生的頻率很高大廈，任何時刻大約有2000雷電過電壓的產生及弱電系統(tǒng)防雷技術課件1.1雷云的產生感應起電說凍結起電說電離起電說溫差起電說破碎起電說摩擦起電說1.1雷云的產生感應起電說溫差起電說感應起電說地球是一個帶電的大電容，電離層帶正電，地殼表面帶負電，帶電量約為50萬庫侖。水滴（也可能是冰晶、雹粒）在垂直大氣電場中感應電荷，下端為正、上端為負，與大氣中上升的負離子的電荷中和，使水滴帶負電，形成雷（雨）云起電后的電荷分布。感應起電說地球是一個帶電的大電容，電離層帶正電，地殼表面帶溫差起電說冰塊中同時存在氫離子（H+

）和氫氧根離子（OH

），由于冰塊兩端溫度不同，會產生發(fā)生離子擴散現(xiàn)象。氫離子質量輕，擴散快，冷端呈現(xiàn)帶正電。在對流氣流和重力的作用下，形成雷（雨）云起電后的電荷分布溫差起電說冰塊中同時存在氫離子（H+）和氫氧根離子凍結起電說在云層重有許多過冷水滴，當過冷水滴與霰粒碰撞時，會立即凍結，這叫撞凍。當發(fā)生撞凍時，過冷水滴外部立即凍成冰殼，但它的內部仍暫時保持著液態(tài)，并且由于外部凍結放的潛熱傳到內部，其內部液態(tài)過冷水的溫度比外面的冰殼高。溫度的差異使得凍結的過冷水滴外部帶上正電，內部帶上負電。凍結起電說在云層重有許多過冷水滴，當過冷水滴與霰粒碰撞時，會1.2雷電的種類閃電的類型：從閃電的形狀分類，則可分為：線狀閃電片狀閃電帶狀閃電聯(lián)珠狀閃電球狀閃電線狀閃電

片狀閃電

帶狀閃電

1.2雷電的種類閃電的類型：線狀閃電片狀閃電鏈珠狀閃電

球狀閃電

鏈珠狀閃電球狀閃電從閃電的空間位置分類云空閃云際閃云內閃云地閃從閃電的空間位置分類云空閃云際閃云內閃

云與大地之間的閃電簡稱地閃，對人類的關系最密切，是防雷研究的主要對象大地被雷擊時，多數(shù)是負電荷從雷雨云向大地放電，稱之為負地閃；少數(shù)是正電荷從雷雨云向大地放電，稱之正地閃?？臻g位置（性質）晴天放電雷云閃電云內閃電云際閃電云地閃電空間位置（性質）晴天放電雷云閃電云內閃電云際閃電云地閃電1.3地閃的發(fā)展過程流光放電梯級下行先導上行先導回擊后續(xù)閃擊1.3地閃的發(fā)展過程流光放電梯級下行先導上行先導回擊后續(xù)雷電通道的參數(shù)每級通道變化范圍約3~200m平均速度約1.5

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cm/s間隙時間約30~125us每一級的推進速度約5

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cm/s通道直徑約1~10m每一級的擊穿方向是不確定的折線雷電通道的參數(shù)每級通道變化范圍約3~200m2、雷電的主要參數(shù)2、雷電的主要參數(shù)雷電流波形2.1雷電的波形雷電流波形2.1雷電的波形-40-20002004006008001000μskA100300500700900兩次雷擊時間相差幾百微秒首次雷擊后續(xù)雷擊i10/350μs-40-20002004006008001000μskA10

波頭時間及波長

雷電流是一個非周期的瞬態(tài)電流，通常是很快上升到峰值，然后較為緩慢的下降。雷電流的波頭時間【T1】是指雷電流從零上升到峰值的時間，又稱為波前時間；波長時間【T2】是指從零上升到峰值，然后下降到峰值的一半的時間，又稱為半峰值時間。由于在雷電流波的起始和峰值處常常疊加有振蕩，很難確定其真實零點和到達峰值的時間，因此，我們常用視在波頭時間T1和視在波長時間T2來表示雷電流的上升時間和半峰值寬度，一般記為T1/T2，如下圖所示：波頭時間及波長正極性雷電流波形負極性雷電流波形正極性雷電流波形負極性雷電流波形標準波形

[英]R.H.Golde《雷電》一書的記載和近年來大量的觀測表明：雷電流具有單極性的脈沖波形，大約有80-90%的雷電流是負極性的，常見的負電流波形前沿呈拱形。國外在圣薩爾瓦托山、紐約州府大廈、意大利和其它高建筑物等觀測點觀測獲得的電流波記錄都顯示出有相似的拱形前沿，到達峰值雷電流的中值時間有的是5.5μs，有的是7μs。在IEC標準、國標中規(guī)定的雷擊測試波形主要有：8/20us、10/350us（電流波）、10/700us以及1.2/50us（電壓波）等。標準波形在IEC標準、國標中規(guī)定的雷擊測試波形主要有：8/2標稱放電電流In

標稱放電電流In2.2雷電流的分布概率IEC61024-105101520250-1010-2020-3030-4040-5050-6060-7070-8080-9090-100100-110110-120120-130130-140140-150150-160160-170170-180180-190190-200雷擊幅度[kA],正閃擊和負閃擊雷擊概率,%2.2雷電流的分布概率IEC61024-10510152雷暴日與雷暴小時

雷電放電涉及到氣象、地形、地質等許多自然因素，有一定的隨機性，因而表征雷電特性的參數(shù)也帶有一定的統(tǒng)計性質。在防雷設計中，雷暴日、雷電流波形、幅值等參數(shù)是我們比較關心的幾個參數(shù)。1）雷暴日為了表征雷電活動的頻率，采用年平均雷暴日【Td】作為計算單位。無論一天內聽到幾次雷聲，只要有一次，該天就記為一個雷暴日，一天有多次，仍記為一個雷暴日。

2）雷暴小時一年中發(fā)生雷電放電的小時數(shù)，在一個小時內只要有一次雷電，即計為一個雷電小時（Th）2.3雷電活動區(qū)域的劃分雷暴日與雷暴小時2.3雷電活動區(qū)域的劃分雷電活動區(qū)域的劃分根據(jù)雷電活動的頻度和雷害的嚴重程度，我國根據(jù)年平均雷暴日數(shù)分類：

T~>90的地區(qū)叫做強雷區(qū)

T≥40的地區(qū)為多雷區(qū)

15≤T≤40的地區(qū)為中雷區(qū)

T≤15的地區(qū)為少雷區(qū)海口市平均年雷暴日105天，屬強雷區(qū)。雷電活動區(qū)域的劃分雷電過電壓的產生及弱電系統(tǒng)防雷技術課件我國一些重要城市的年平均雷暴日

地名雷暴日數(shù)（d/a）地名雷暴日數(shù)（d/a）地名雷暴日數(shù)（d/a）地名雷暴日數(shù)（d/a）北京市36.3蘇州市28.1鄭州市21.4自貢市37.6天津市29.3南通市35.6洛陽市24.8貴陽市49.4上海市28.4徐州市29.4三門峽市24.3遵義市53.3重慶市36.0杭州市37.6武漢市34.2昆明市63.4石家莊市31.2寧波市40.0宜昌市44.6拉薩市68.9太原市34.5溫州市51.0長沙市46.6西安市15.6呼和浩特市36.1合肥市30.1衡陽市55.1蘭州市23.6包頭市34.7蚌阜市31.4廣州市76.1漢中市31.4沈陽市26.9安慶市44.3深圳市73.9西寧市31.7大連市19.2福州市53.0湛江市94.6銀川市18.3長春市35.2廈門市47.4南寧市84.6烏魯木齊市9.3吉林市40.5南昌市56.4柳州市67.3?？谑?04.3哈爾濱市27.7濟南市25.4桂林市78.2瓊中115.5南京市32.6青島市20.8北海市83.1香港34.0常州市35.7煙臺市23.2成都市34.0臺北市27.9我國一些重要城市的年平均雷暴日地名雷暴日數(shù)（d/a）地3、雷電過電壓的類型3、雷電過電壓的類型3.1雷擊對電氣設備的危害3.1雷擊對電氣設備的危害雷電過電壓的產生及弱電系統(tǒng)防雷技術課件直擊雷3.2雷擊過電壓的類型感應雷傳輸雷地電位反擊電磁脈沖直擊雷3.2雷擊過電壓的類型感應雷傳輸雷地電位反擊電磁脈●天線遭受直接雷擊或接收感應雷擊；●電源供電線路在遠端遭受直接或感應雷擊，沿供電線路進入設備；●有線通信線路在遠端遭受直接或感應雷擊，沿通信線路進入設備；●網絡數(shù)據(jù)線路在遠端遭受直接或感應雷擊，沿網絡線路進入設備；●雷擊發(fā)生在1000米范圍內時（包括臨近建筑物避雷針接閃或云中放電）產生電磁輻射a.建筑物內的電源回路感應雷擊電磁脈沖輻射，進入設備；b.建筑物內的通信線路感應雷擊電磁脈沖輻射，進入設備；c.建筑物內的網絡線路感應雷擊電磁脈沖輻射，進入設備；●建筑物、附近的避雷針遭受雷擊或雷電直接擊中附近樹或地面時，由地線引入設備；●天線遭受直接雷擊或接收感應雷擊；直擊雷雷擊建筑物直擊雷雷擊建筑物雷擊建筑物雷擊建筑物地電位反擊地電位反擊傳輸雷雷擊架空電力線傳輸雷雷擊架空電力線雷擊架空電力線雷擊架空電力線感應雷電磁感應與耦合感應雷電磁感應與耦合雷電電磁感應雷電電磁感應電磁脈沖對信號及通信系統(tǒng)造成干擾，并損壞敏感電子元件電磁脈沖（LEMP）電磁脈沖對信號及通信系統(tǒng)造成干擾，并損壞敏感電子元件電磁脈沖操作過電壓操作過電壓操作過電壓操作過電壓4、雷電過電壓的防護4、雷電過電壓的防護高空防雷區(qū)4.1防雷體系的劃分高空防雷區(qū)4.1防雷體系的劃分低

空

防

雷

區(qū)低

空

防

雷

區(qū)地下防雷區(qū)地下防雷區(qū)定義：避雷針是人為設立的最突出的良導體。在雷云的感應下，針的頂端形成的電場強度最大，所以最容易把雷電流吸引過來，完成避雷針的接閃作用。結構避雷針一般用鍍鋅圓鋼或焊接鋼管制成，圓鋼截面不得小于100mm2，鋼管厚度不得小于3mm。問題：避雷針越高，保護范圍越大？

避雷針4.2直擊雷的防護定義：避雷針是人為設立的最突出的良導體。避雷針4.2直雷電過電壓的產生及弱電系統(tǒng)防雷技術課件雷電過電壓的產生及弱電系統(tǒng)防雷技術課件避雷帶通過試驗發(fā)現(xiàn)，不論屋頂坡度多大，都是屋角和檐角的雷擊率最高。屋頂坡度愈大。則屋脊的雷擊率也大。通過對不同屋頂坡度建筑物的雷擊分布情況調查發(fā)現(xiàn)，對于那些屋頂平整，又沒有突出結構（如煙囪等）的建筑物，雷擊部位是有一定規(guī)律性的。避雷帶就是對建筑物雷擊率高的部位，進行重點保護的一種接閃裝置。避雷帶雷電過電壓的產生及弱電系統(tǒng)防雷技術課件避雷針（線）的原理引雷：定向作用當雷云的先導向下發(fā)展到離地面一定高度(定向高度)時，避雷針(線)頂端有可能產生局部游離而形成向上的迎面先導，影響下行先導的發(fā)展方向，使其僅對避雷針(線)放電，從而使得避雷針(線)附近的物體受到保護，免遭雷擊。泄放：將雷電流導入大地為了使雷電流順利地泄入大地，避雷針(線)應有良好的接地裝置。避雷針(線)上或接地裝置上產生幅值很高的過電壓。要防止避雷針(線)與被保護物之間的間隙擊穿（也稱為反擊）。避雷針的結構避雷針（線）的原理接閃器（避雷針、避雷帶、避雷線）是防直擊雷的主要方法，傳統(tǒng)建筑屋防雷采用滾球法確定接閃器的防護范圍，防護等級不同，采用的滾球半徑不同。接閃器（避雷針、避雷帶、避雷線）是防直擊雷的主雷電過電壓的產生及弱電系統(tǒng)防雷技術課件4.3感應雷與電磁脈沖的防護感應雷與電磁脈沖的防護主要通過法拉第籠的原理進行屏蔽，空曠地區(qū)通過建立避雷網來構成法拉第籠，建筑物通過結構鋼筋構成法拉第籠。4.3感應雷與電磁脈沖的防護感應雷與電磁脈沖的防護主要雷電過電壓的產生及弱電系統(tǒng)防雷技術課件雷電過電壓的產生及弱電系統(tǒng)防雷技術課件4.4地電位反擊的防護接地電阻過高是造成地電位反擊的主要因素，因此防止地電位反擊的主要措施是降低接地電阻，如增加垂直接地極，用建筑物的地基部分鋼筋作為接地體等。4.4地電位反擊的防護接地電阻過高是造成地電位反擊的主在有可能的情況下，強弱電分開接地可以避免地電位反擊在有可能的情況下，強弱電分開5、浪涌的防護5、浪涌的防護5.1浪涌的類型過電壓雷擊線路浪涌電磁感應靜電感應直擊雷雷電感應傳輸雷操作過電壓雷電電磁干擾/無線電干擾雷電靜電/摩擦靜電等5.1浪涌的類型過電壓雷擊線路浪涌電磁感應靜電感應直擊5.2避雷器的發(fā)展歷史5.2避雷器的發(fā)展歷史金屬陶瓷放電管（1）金屬陶瓷二極放電管正常情況下不導電，出現(xiàn)過電壓時電極間很快被擊穿，過電壓消失后立即恢復，但其在兩線間容易產生橫向沖擊電壓。（2）金屬陶瓷三極放電管良好的對稱性能，沖擊放電電壓低、通流容量大、遮光性能好、極間電容小、絕緣電阻高。金屬陶瓷放電管（1）金屬陶瓷二極放電管氣體放電管的內部結構氣體放電管的內部結構氧化鋅壓敏電阻器（1）氧化鋅壓敏電阻器在低電場強度下，其電阻率為1010---1011，當電場強度達到106---107時，其電阻驟然下降進入低阻狀態(tài)，即壓敏電阻的阻值隨所加電壓而改變。具有通流量大，非線性特性好、殘壓低、響應時間快抑制過電壓能力強；但可能出現(xiàn)短路故障。（2）劣化指示氧化鋅壓敏電阻器通流量更大，并具有熱熔斷器和報警裝置，使其在失效時能自動脫離使用線路，給出明顯標志，并進行報警。免測試。（3）壓敏電阻器的型號命名。如：MYL47/3（4）主要電器參數(shù)起始動作電壓、標稱電壓、泄露電流、殘壓、沖擊通流容量（5）壓敏電阻器的選用.U1mA標稱值≈2.2U氧化鋅壓敏電阻器（1）氧化鋅壓敏電阻器雷電過電壓的產生及弱電系統(tǒng)防雷技術課件雷電過電壓的產生及弱電系統(tǒng)防雷技術課件壓敏電阻的工作原理壓敏電阻的工作原理氧化鋅壓敏電阻的失效機理氧化鋅壓敏電阻的失效機理抑制二極管抑制二極管又稱瞬變電壓抑制器是一種齊納二極管。它與普通穩(wěn)壓二極管相比，功率更大，影響速度快，保護性能好，但通流容量小。抑制二極管抑制二極管又稱瞬變電壓抑制器是一種齊納二極管。它與1．標稱電壓Un與被保護系統(tǒng)的額定電壓相符，在信息技術系統(tǒng)中此參數(shù)表明了應該選用的保護器的類型，它標出交流或直流電壓的有效值。

2．額定電壓Uc能長久施加在保護器的指定端，而不引起保護器特性變化和激活保護元件的最大電壓有效值。

3．額定放電電流Isn給保護器施加波形為8/20μs的標準雷電波沖擊10次時，保護器所耐受的最大沖