《建筑防雷设计》PPT课件.ppt

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1、建筑物防雷设计,原理标准规范技术装置措施IEC ANSI GB 行标,I.建筑物防雷设计规范基本体系一、新标准(GB 50057-2010)的内容覆盖面,二、新标准GB506012010的内容覆盖面,三、防雷系统的基本构成,四、防雷系统 的基本设 计流程,II.建筑防雷设计用雷电参数指标 规定涉及新标准条款：；6.3.2(表6.3.2-1)；附录A；附录F(表 表 F.0.1-3)；,一、雷云带电1.雷云形成的可能机制,2.雷云的带电(1)水滴分裂效应,(2)感应起电效应,(3)水滴结冰效应冰晶粒带正电，水滴带负电，热气流将冰晶上面水分带走，产生电荷分离。,二、雷电放电,.雷电放电机理(1)雷

2、云电荷分布,+,-,+,负雷云中,电荷中心分布,(2)雷云放电形式,+,-,+,-,云内放电,云间放电,-,云地放电(地闪),+,主放电,i,t,35 km,雷云,地面,+,下行先导,(3)对地放电过程,+,+,+,+,+,下行先导,上行先导,上行雷,(4)对地面高结构的放电与上行雷,()对地放电的多重性,12重雷放电记录图象,(6)对地放电的选择,a.土壤电阻率b.结构体的形状c.大气条件,(7)正极性雷,2.地闪形态,2.闪电通道(1)单闪,(2)多闪,3.雷闪形态,线状雷(2)球雷,(3)珠雷与片雷,三、雷电参数1.雷暴日、雷暴小时,地面落雷密度 Ng：每年每平方公里地面平均落雷次数(次

3、/km2 a)物体的年受雷次数:,k修正系数，考虑建筑物结构特征，所 在地地理、地质特征；建筑物周围环境特征的修正AeNg=0.1 T d(次/km2/a)(A.0.2),3.雷电流,(1)雷电流测量,(2)波形参数规定,我国雷电流幅值累积概率,IEEE,CIGRE,(3)幅值累积概率,第一类：200kA，P=0.53%第二类：150kA，P=1.97%第三类：100kA，P=7.3%,长时间的雷电流参量,(4)几种波形参数,4.雷击距,对应电流第二类：I=5.42kA P=86.8%第二类：I=10.1kA P=76.8%第三类：I=15.8kA P=66.1%,先导取向角,先导通道,电气几

4、何模型,III.雷电破坏作用指标规定,1.综述,涉及新标准条款：；6.3.2(表6.3.2-1)；附录A；附录F(表 表 F.0.1-3)；,.热效应,(1)雷电流注入产生的热能,(2)雷电流注入引起的温升,注入单位电荷时常用金属的熔化体积当量铝：mm3/C铜：5.4mm3/C钢：4.4mm3/C,2.机械力与冲击波效应,(1)机械力电磁力,(2)冲击波,3.静电感应与电磁感应,(1)静电感应,金属屋面,+,线路,雷云,下行先导,s,h,+,雷云,回击,s,h,+,过电压波,过电压波,线路,B,S,u,B,i,(2)电磁感应,H0,H1,H2,i0,Sa,（3）新标准中关于空间磁场的估算方法,

5、H,L,R,H,R-H,Sa,R=1 0(i 0)0.6 5,当 H R 时,当H R 时,Sa=R+L/2,当有屏蔽时，在格栅形大空间屏蔽内，即在L P Z 1 区内的磁场强度应按下式计算:,注：1 适用于首次雷击的磁场；2 适用于后续雷击的磁场；3 相对磁导系数 r 2 0 0；4 w 格栅形屏蔽的网格宽(m)；r 格栅形屏蔽网格导体的半径(m)；5 当计算式得出的值为负数时取S F=0；若建筑物具有网格形等电位 连 接网络，S F 可增加6 d B。,在 闪电直接击在位于L P Z 0 A 区的格栅形大空间屏蔽或 与其连接的接闪器上的情况下，其内部L P Z 1 区内安全空间内某点的磁场

6、强度应按下式计算,i0,地面,墙壁,屋顶,LPZ1,dw,dr,H1,H 1=k Hi 0w/(d w dr)kH一般取,(4)新标准关于环路中感应电压、电流的计算方法,1屋顶；2墙；3电力线路；4信号线路；5信号设备；6等电位连接带,(1)格栅形屏蔽建筑物附近遭雷击时在LPZ 1 区内环路的感应电压和 电 流,H1,H1,i,h,A,Rg,L0取为1.21.5H/m电位抬高幅值可近似估算为,(5)暂态电位抬高与高电位传递,暂态电位抬高,当(h+l/2)5Ri时，Sa20.2Ri+0.03(h+l/2),当(h+l/2)5Ri时，Sa20.05Ri+0.06(h+l/2),当hx5Ri时，Sa

7、10.1(Ri+hx),地上部分：当hx5Ri，Sa10.4(Ri+0.1hx),Sa1,Sa2,地下部分：Sel0.4Ri,电阻压降击穿场强ER=500kV/m,电感压降的空气击穿场强,新标准中Sa1计算公式的推导：,取L0=1.5H/m,第一类防雷建筑，首次雷击I=200kA，10/350 sEL=600(1+1/10)=660kV/m,后续雷击I=50kA，0.25/100 sEL=600(1+1/0.25)=3000kV/m,新标准中Sa2计算公式的推导：,L 0 1=1.6 9 H/mL 0 2=1.8 9 H/m,暂态高电位传递,(6)接触电压与跨步电压,4.5.6 在建筑物外引下

8、线附近保护人身安全而要防接触电压和跨步电压的措施是：1 防接触电压应符合下列规定之一：1)利用建筑物金属构架和建筑物互相连接的钢筋在电气上是贯通且不少于1 0 根柱子组成的自然引下线，这些柱子包括位于建筑物四周和建筑物内。2)引下线3 m 范围内土壤地表层的电阻率不小于50k.m。注：例如，采用5 c m 厚沥青层或1 5 c m 厚砾石层的这类绝缘材料层通常符合本 要 求。3)外露引下线，其距地面2.7 m 以下的导体用耐1.2/50s冲击电压100kV的绝缘层隔离，例如用至少3mm厚的交联聚乙烯层。4)用护栏、警告牌使接触引下线的可能性降至最低限度。2 防跨步电压应符合下列规定之一：1)利

9、用建筑物金属构架和建筑物互相连接的钢筋在电气上是贯通且不少于10根柱子组成的自然引下线，这些柱子包括位于建筑物四周和建筑物内。2)引下线3m范围内土壤地表层的电阻率不小于50k.m。注：例如,采用5cm厚沥青层或15cm厚砾石层的这类绝缘材料层通常符合本要求。3)用网状接地装置对地面作均衡电位处理。4)用护栏、警告牌使进入距引下线3m范围内地面的可能性减小到最低限度。,涉及新标准条款：；5.25.3；附录D,一、接闪器避雷针与避雷线(1)引雷机制,IV.外部防雷系统,(2)保护范围,(3)针体的改进,平头,钝头,圆头,尖头,距针中心轴距离,针头附近场强,钝头针尖头针,头部扩展针,O,(4)避雷

10、线保护角,2.避雷带与避雷网,(1)避雷带,10m,2.避雷网,明设,暗设,3.滚球法确定建筑物上直接雷击部位,r,r,r,r,r,r,(2)侧击防护,和规定：高 于 6 0 m 的建筑物，其上部占高度20%并超过6 0 m 的部位 应 防侧击,(3)滚球修正,(4)避雷网格渗透深度,IEC 标准,GB 50057-2010标准,V.电子信息系统防雷,一、主要保护器件,二极放电管 三极放电管,1.气体放电管,涉及新标准条款：；附录J,实际器件,伏安特性,U,I,A,B,C,D,E,F,响应时间微秒(s)级；动作放电分散性较大,G,B,A,被保护电子设备,uAG,uBG,uAB,t1,t3,t2

11、,t4,t1 t2,t3 t4,uB1,uA1,uA2,uB2,uA1 uB1,uA2 uB2,O,O,O,t,t,t,限压电路,G,B,A,被保护电子设备,保护应用中存在的缺陷动作时延续流,动作截波及短路反射技术参数及使用选择技术参数a直流放电电压b.冲击放电电压c.冲击耐受电流绝缘电阻与极间电容使用选择直流放电电压选择功率选择,2.压敏电阻（1）结构简介,实际器件,(2)伏安特性,泄漏区,限压区,过载区,参考电压,u,i,O,响应特性纳秒(ns)级，引头线使响应时间加长(3)压敏电阻参数压敏电压(参考电压，U1mA)残压(残压比k=U1kA/U1mA)通流容量泄漏电流额定运行电压(4)使用

12、选择a.压敏电压选择,b.通流容量选择(5)并联及与放电管合用a.多个压敏电阻并联,b.与放电管合用,3.暂态抑制二极管(1)伏安特性,u,i,击穿区,反向区,正向区,正向+,反向+,O,(2)实际器件,响应时间:皮秒(ps)级(3)寄生电容及其减小方法,(4)主要参数：额定击穿电压;最大箝位电压 反向变位电压;最大泄漏电流4 PTC正温度系数电阻,PTC,被保护设备,PTC实际器件,5.半导体放电管(暂态抑制晶闸管),u,i,Is,IDRM,VT,VDRM,Vs,实际器件,伏安特性,半导体放电管(也称固体放电管)是一种PNPN组件,它中以被看作一个无门电极的自由电压控制的可控硅,当电压超过它

13、的断态峰值电压(或称雪崩电压)时，半导体放电会将瞬态电压箝制到组件的开关电压(或称转折电压)值之内。电压继续增大时，半导体放电管由于负阻效应进入导通状态，只有在当电流小于维持电流时，组件才复位并恢复到它的高阻抗状态。特点:多次重复，快速响应（1纳秒）；启动电压范围5V-550V，瞬间冲击电流50A-3000A 使用原则：a.VDRM最大断态峰值电压VDRM必须大于被保护电路的最大工作电压。2.VS开关电压VS必须小于被保护所允许的瞬间峰值电压。b.IPP最大瞬间峰值电流IPP必须大于通讯设备标准的规定,二、防雷区划分与电涌过电压防护,通讯系统,雷电电涌,雷电电涌,电源线路,信号线路,1.防雷区

14、划分(1)LPZ0A区：本区内各种物体均可能遭受直接雷击，内电磁场没有受到衰减。(2)LPZ0B区：本区内各种物体均不可能遭到大于所选滚球半径对应的直接雷击，,本区内电磁场也没有受到衰减。(3)LPZ1区：本区内各种物体均不可能遭受到大于所选滚球半径对应的直接雷击，流经本区内各导体的雷电流比LPZ0B区减小，区内电磁场受到屏蔽体的衰减。(4)LPZn(n=2,3,)后续防雷区：当需要进一步减小流入的雷电流和衰减电磁场时，应设置后续防雷区，并根据需要保护设备所要求的电磁环境来选择后续防雷区的保护指标。,LPZ0A,LPZ0A,LPZ0B,LPZ0B,LPZ1,LPZ2,LPZ0B,LPZ0B,L

15、PZ0A,LPZ0A,LPZn,进入线路,电涌过电压保护装置设置原则在各防雷区的交界面上设置避雷器或电涌保护器(SPD),避雷器,电涌保护器SPD,屏蔽室,电源线,信号线,终端单元,钢筋网格,(2)界面标称放电电流规定值,等电荷量Q判据，即两种冲击电流传输给被试物的电荷量相等,等能量W/R判据，即两种冲击电流传输给被试物的能量相等,以上关系适用于线性电阻，而压敏电阻是非线性电阻，其情况更为复杂些,注：两种波形电流之间的等效性,3.电源系统电涌防护,(1)配电变压器保护,610kV,220380V,变压器外壳,10,MY-470,FS-610,M1,M2,M3,L,N,PE,220V,（2）单级

16、交流电源保护器,（3）两级交流电源保护,M1,M2,M3,L1,L2,C2,C5,C6,C1,L,N,PE,（4）两级直流电源保护,稳压电路,标称放电电流Iimp最大放电电流Imax保护水平p,（5）电气设备的冲击耐受指标,()两级保护器,R,D1,D2,GDT,3.信号系统电涌防护(1)单级保护器,R,R,D1,D2,D3,D4,D5,D6,两级信号保护电路,发送器,接受器,保护器,保护器,接地母线,放电间隙,电源线,信号线,通讯电缆,保护器,保护器,（3）对信号保护器的要求指标,插入损耗（Ae）在信号系统中插入一个保护器所引起的损耗。该参数表示在规定的工作频率范围内和负载阻抗下保护器接入前

17、负载吸收的功率P1与接入后负载吸收的功率P2之比，以分贝数表示 如果把保护器接入前、后负载两端的电压分别记为U1和U2，负载电阻记为R，则负载在保护器接入前、后的功率可分别表示为和，将这些关系带入上式可得上式表明，插入损耗也等于保护器接入前、后负载端电压之比。保护器的插入损耗主要由其横向元件的等值阻抗所造成的，但在高频情况下，它也与保护器中纵向元件的寄生电容有关。,电压驻波比(VSWR)在高频信号线路上设置保护器后，由于保护器自身的特性阻抗ZS难以做到与信号线路特性阻抗Z0的匹配，于是在沿信号线路的入射波传输到保护器安装点处时，就会发生折、反射，产生与入射波反向的反射波。在信号线路上入射波电压

18、与反射波电压相位相同的地方，电压幅值相加为最大值Umax，形成波腹；在信号线路上入射波电压与反射波电压相位相反的地方，电压的幅值相减为最小值Umin，形成波节。,信号线上其它各处的电压合成幅值将介于波腹和波节之间，这种由入射波和反射波合成的波称为驻波，驻波比VSWR的定义为波腹（最大）电压与波节（最小）电压之比，即 VSWR可以用波的反射系数来表示 这里的反射系数定义为,(4)保护距离,GB506012010第条款,(5)安装连线长度的影响,GB506012010 D.0.7,图 SPD安装在或靠近电气装置电源进线端的示例bSPD（电涌保护器）与等电位连接带之间的连接导线长度，不宜 大于0.5

19、m；F安装在电源进线端的剩余电流保护器；E/I被保护的电子设备,VI.接地技术,涉及新标准条款：；附录C,一、接地分类工作接地 根据系统正常运行需要而设置的接地。2.保护接地 为保证人身安全而设置的接地。3.防雷接地 为防雷保护需要而设置的接地。4.防静电接地 将静电荷引入大地，防止静电荷积累而设置的接地。,二、工频接地电阻,I,U,Rg=U/I,1.接地电阻的定义,2.组合接地体,3.冲击接地电阻,=Rim/Rg,(1)冲击效应,(2)分布参数效应,(3)地网冲击接地电阻的工程计算,L全部水平接地体总长(m),n垂直接地体的根数，l垂直接地体长度(m),S地网所占的总面积(m2),B系数,按

20、下表取值：,2.0,1.6,1.2,0.8,0.4,0,20,40,60,1234,土壤电阻率=100600m；区域12，I=10kA；区域34，I=10kA,地网冲击系数i的取值,三、接地测量接地电阻测量(1)直线法,被测接地体,电压极,电流极,地电位分布曲线,C,P,实际零电位点,2D,2D,2D,30,(2)等腰三角形法(30法),(3)任意角度法,(4)冲击接地电阻测量,2土壤电阻率的测量,A,V,0,1,2,a,a,a,h,不均匀土壤电阻率的多层模型,A,V,0,1,2,a,a,a,h,温度对土壤电阻率的影响,四、降阻措施,1.优化接地系统结构,2.降阻剂(1)种类：化学降阻剂以电解质为主料 物理降阻剂以强碱弱酸盐为主料 导电水泥在水泥中加入导电的无机盐 稀土类降阻剂膨润土(2)指标：电阻率；吸水性；pH值；对接 地体的腐蚀率,VII.国外信息系统防雷技术的研 发动态（1）接闪器的改进（2）高频保护器（3）设计软件-PSCAD,CDEGS,