电气安全教材-第七章雷电和静电防护

第七章雷电和静电防护

雷电和静电有许多相似之处。例如,雷电和静电都是相对于观察者静止的电荷聚积的结果；雷电放电与

静电放电都有一些相同之处；雷电和静电的主要危害都是引起火灾和爆炸等。但雷电与静电电荷产生和聚积的方式不同、存在的空间不同、放电能量相差甚远，其防护措施也有很多不同之处。本章将分别介绍雷电和静电的特点及防护技术。

第一节雷电安全雷电是一种自然现象，雷击是一种自然灾害。雷击房屋、电力线路、电力设备等设施时，会产生极高的过电压和极大的过电流，在所波及的范围内，可能造成设施或设备的毁坏，可能造成大规模停电，可能造成火灾或爆炸，还可能直接伤及人畜。

一、雷电的种类带电积云是构成雷电的基本条件。当带不同电荷的积云互相接近到一定程度，或带电积云与大地凸出

物接近到一定程度时，发生强烈的放电，发出耀眼的闪光。由于放电时温度高达20000 C,空气受热急剧

膨胀，发出爆炸的轰鸣声。这就是闪电和雷鸣。

1. 直击雷带电积云与地面目标之间的强烈放电称为直击雷。带电积云接近地面时，在地面凸出物顶部感应出异性电荷，当积云与地面凸出物之间的电场强度达到25~30kV/cm 时，即发生由带电积云向大地发展的跳跃式先导放电，持续时间约

5~10ms,平均速度为100~1000km/s，每次跳跃前进约50m，并停顿30~50卩s。当先导放电达到地面凸出物时，即发生从地面凸出物向积云发展的极明亮的主放电，其放电时间仅50~100卩s, 放电速度约为光速的1/5~1/3，即约为60000~100000km/s。主放电向上发展，至云端即告结束。主放电结束后继续有微弱的余光，持续时间约为30~150ms。

大约50%的直击雷有重复放电的性质。平均每次雷击有三四个冲击，最多能出现几十个冲击。第一个冲击的先导放电是跳跃式先导放电，第二个以后的先导放电是箭形先导放电，其放电时间仅为10ms 。一次雷击的全部放电时间一般不超过500ms。

2. 感应雷感应雷也称为雷电感应或感应过电压。它分为静电感应雷和电磁感应雷。

静电感应雷是由于带电积云接近地面，在架空线路导线或其他导电凸出物顶部感应出大量电荷引起的。在带电积云与其他客体放电后，架空线路导线或导电凸出物顶部的电荷失去束缚，以大电流、高电压冲击波的形式，沿线路导线或导电凸出物极快地传播。近20年来人们的研究表明，放电流柱也会产生强烈

的静电感应。

电磁感应雷是由于雷电放电时，巨大的冲击雷电流在周围空间产生迅速变化的强磁场引起的。这种迅速变化的磁场能在邻近的导体上感应出很高的电动势。如系开口环状导体，开口处可能由此引起火花放电；如系闭合导体环路，环路内将产生很大的冲击电流。

3. 球雷球雷是雷电放电时形成的发红光、橙光、自光或其他颜色光的火球。球雷出现的概率约为雷电放电次数的2%，其直径多为20cm左右，运动速度约为2m/s或更高一些，存在时间为数秒钟到数分钟。球雷是

一团处在特殊状态下的带电气体。有人认为，球雷是包有异物的水滴在极高的电场强度作用下形成的。在雷雨季节，球雷可能从门、窗、烟囱等通道侵入室内。

此外，直击雷和感应雷都能在架空线路或空中金属管道上产生沿线路或管道的两个方向迅速传播的雷电侵入波。雷电侵入波的传播速度在架空线路中约为300m/卩s,在电缆中约为150m/卩s。

二、雷电参数雷电参数是防雷设计的重要依据之一。雷电参数系指雷暴日、雷电流幅值、雷电流陡度、冲击过电压等电气参数。

1. 雷暴日

为了统计雷电活动的频繁程度，经常采用年雷暴日数来衡量。只要一天之内能听到雷声的就算一个雷暴日。通常说的雷暴日都是指一年内的平均雷暴日数，即年平均雷暴日，单位d/a。雷暴日数愈大，说明雷

电活动愈频繁。山地雷电活动较平原频繁，山地雷暴日约为平原的3倍。我国广东省的雷州半岛（琼州半岛）

和海南岛一带雷暴日在80d/a以上，长江流域以南地区雷暴日约为40~80d/a，长江以北大部分地区雷暴日约

为20~40d/a，西北地区雷暴日多在20d/a以下。西藏地区因印度洋暧流沿雅鲁藏布江上溯，很多地方雷暴日高达到

50~80d/a。就几个大城市来说，广州、昆明、南宁约为70~80d/a，重庆、长沙、贵阳、福州约为50 d/a，

北京、上海、武汉、南京、成都、呼和浩特约为40d/a，天津、郑州、沈阳、太原、济南约为30d/a等。

我国把年平均雷暴日不超过15d/a的地区划为少雷区，超过40d/a划为多雷区。在防雷设计时，应考虑当地雷暴日条件。

我国各地雷雨季节相差也很大，南方一般从二月开始，长江流域一般从三月开始，华北和东北延迟至四月开始，西北延迟至五月开始。防雷准备工作均应在雷雨季节前做好。

2. 雷电流幅值

雷电流幅值是指主放电时冲击电流的最大值。雷电流幅值可达数十至数百千安。根据实测，可绘制雷电流概率曲线。我国年平均雷暴日为20d/a以上地区的雷电流幅值的概率可用下式表达：

lgP=-l sJ108 （7.1）

式中:P --------- 雷电流幅值的概率，％;

I SM —

例如，对于100kA的雷电流幅，按式（7.1）可求得其概率为11.9%，

即每100次雷击中，大约有12次雷击的雷电流幅值达到100kA。做防雷设

计时，雷电流幅值可按100kA考虑。

年平均雷暴日为20d/a以下的地区，雷电流幅值的概率可用下式表达：

lgP=-I sM54 （7.2）

雷电放电时，先导放电电流不超过400A，余光电流为

100~1000A。

图7-1雷电流波形图

3. 雷电流陡度

雷电流陡度是指雷电流随时间上升的速度。雷电流冲击波波头陡度可达到50kA/卩s,平均陡度约为30

kA/卩s。雷电流陡度与雷电流幅值和雷电流波头时间的长短有关，雷电流波头时间仅数微秒。做防雷设计时，一般取波头形状为斜角波，时间按2.6卩s考虑。雷电流陡度越大，对电气设备造成的危害也越大。因此，在防雷要求较高的场合，波头形状宜取为半余弦波（见图7-1）。这时，

i 鸟1 si nt @1 cos」（7.3）

2 2 t

式中：T t――雷电流波头时间，T t= n / 3。

不难证明，半余弦波波头的最大陡度为斜角波陡度的n /2倍。按余弦波波头考虑的防雷设计显然是偏于

安全的。

4. 雷击冲击过电压

雷击时的冲击过电压很高，直击雷冲击过电压可用下式表达：

d i

U D iR IE L」（7.4 ）

d t

式中U D直击雷冲击过电压，

i ――雷电流，kV ;

R IE――防雷接地装置的冲击接地电阻，Q ；

d.

—――雷电流陡度,kV /卩s;

d t

L ――雷电流通路的电感,卩H。如通路长度以m为单位，贝U L =1.3显然，直击雷冲击过电压由两部分组成（如图7-2所示）。前一部分决定于雷流的大小和雷电流通道的

电阻；后一部分决定于雷电流通道的电感。直击雷冲击电压可高达数千千伏。

雷电感应过电压决定于被感应导体的空间位置及其与带电积云之间的几何关系。雷电感应过电压可达数百千伏。

三、雷电的危害

由于雷电具有电流很大、电压很高、冲击性很强等特点，有多方面的破坏作用，且破坏力很大。雷电可造成设备和设施的损坏，可造成大规模停电，造成人员生命财产的损失。就其破坏因素来看，雷电具有电性质、热性质和机械性质等三方面的破坏作用。

1. 电性质的破坏作用

电性质的破坏作用表现为数百万伏乃至更高的冲击电压，可能毁坏发电机、电力变压、断路器、绝缘子等电气设备的绝缘，烧断电线或劈裂电杆，造成大规模停电；绝缘损坏可引起短路，导致火灾或爆炸事故；二次放电的电火花也可能引起火灾或爆炸，二次放电也能造成电击。绝缘损坏后，可能导致高压窜入低压，在大范围内带来触电的危险。数十至百千安的雷电流流入地下，会在雷击点及其连接的金属部分产生极高的对地电压，可能直导致接触电压电击和跨步电压的触电事故。

2. 热性质的破坏作用

热性质的破坏作用表现在直击雷放电的高温电弧能直接引燃邻近的可燃物，从而造成火灾。巨大的雷电流通过导体，在极短的时间内转换出大量的热能，可能烧毁导体，并导致燃品的燃烧和金属熔化、飞溅，从而引起火灾或爆炸。球雷侵入可引起火灾。

3. 机械性质的破坏作用

机械性质的破坏作用表现为被击物遭到破坏，甚至爆裂成碎片。这是由于巨大的雷电通过被击物时，在被击物缝隙中的气体剧烈膨胀，缝隙中的水分也急剧蒸发为大量气体，致使被击物破坏和爆炸。此外，同性电荷之间的静电斥力、同方向电流或电流转弯处的电磁作用力也有很强的破坏力，雷电时的气浪也有一定的破坏作用。

图7-2 直击雷冲击过电压

（a）斜角波（b）半余弦波

四、防雷分类建筑物按其重要性、生产性质、遭受雷击的可能性和后果的严重性分为三类：

1. 第一类防雷建筑物凡制造、使用或储存炸药、火药、起爆药、火工品等大量危险物质的建筑物，遇电火花会引起爆炸，从而造成巨大破坏或人身伤亡的建筑物，应划为第一类防雷建筑物。例如，火药制造车间、乙快站、电石库、汽油提炼车间等。0区、10区及某些1区属于第一类防雷建筑物。

2. 第二类陈雷建筑物下列建筑物应划为第二类防雷建筑物：

(1) 国家级重点文物保护的建筑物；

(2) 国家级的会堂、办公楼、档案馆、大型展览馆、国际机场、大型火车站、国际港口客运站、国宾馆、大型旅游建筑和大型体育场等。

(3) 国家级计算中心、通信枢纽，以及对国民经济有重要意义的装有大量电子设备的建筑物。

(4) 制造、使用和储存爆炸危险物质, 但电火花不易引起爆炸，或不致造成巨大破坏和人身伤亡的建筑物，如油漆制造车间、氧气站、易燃品库等。2 区、11 区及某些1区属于第二类防雷建筑物。

(5) 有爆炸危险的露天气罐和油罐。

(6) 年预计雷击次数大于0.06 次的部、省级办公楼及其他重要的或人员密集的公共建筑物。

(7) 年预计雷击次数大于0.3 次的住宅、办公楼等一般性民用建筑物。

3. 第三类防雷建筑物下列建筑物应划为第三类防雷建筑物：

(1) 省级重点文物保护的建筑物和省级档案馆。

(2) 年预计雷击次数等于和大于0.012 次，小于和等于0.06 次的部、省级办公楼及其他重要的或人员密集的公共建筑物。

(3) 年预计雷击次数大于和等于0.06 次，小于和等于0.3 次的住宅、办公楼等一般性民用建筑物。

(4) 年预计雷击次数大于和等于0.06 次的一般性工业建筑物。

(5) 考虑到雷击后果和周围条件等因素，确定需要放雷的21 区、22 区、23 区火灾危险环境的建筑物。

(6) 年平均雷暴日15d/a 以上地区，高度为15m 及其以上的烟囱、水塔等孤立高耸的建筑物。年平均雷暴日15d/a 及15d/a 以下地区，高度为20m 及20m 以上的烟囱、水塔等孤立高耸的建筑物。

五、防雷装置避雷针、避雷线、避雷网、避雷带、避雷器都是经常采用的防雷装置。一套完整的防雷装置包括接闪器、引下线和接地装置。上述的针、线、网、带都只是接闪器，而避雷器是一种专门的防雷装置。

1. 接闪器避雷针、避雷线、避雷网和避雷带都可作为接闪器，建筑物的金属屋面可作为第一类工业建筑物以外其他各类建筑物的接闪器。这些接闪器都是利用其高出被保护物的突出地位，把雷电引向自身，然后通过引下线和接地装置，把雷电流泄入大地，以此保护被保护物免受雷击。

(1) 接闪器保护范围。接闪器的保护范围可根据模拟实验及运行经验确定。由于雷电放电途径受很多因素的影响，要想保证被保护物绝对不遭受雷击是很困难的，一般只要求保护范围内被击中的概率在0.1% 以

下即可。接闪器的保护范围现有两种计算方法：对于建筑物闪器的保护范围按滚球法计算；对于电力装置，接闪器的保护范围按折线法计算。

滚球法是设想一定直径的球体沿地面(或与大地接触且能承受雷击的导体) 由远及近向被保护设施滚

动，如该球体触及接闪器( 避雷针等) 或其引下线之后才能触及被保护设施，则该设施在接闪器保护范围之内。球面线即保护范围的轮廓线。滚球的半径按防雷级别确定，各级别的滚球半径见表8-1 。除滚球半径外，表7-1 中还给出了避雷网网格的要求。

建筑物防雷类别滚球半径/m避雷网网格/m x m

第一类防雷建筑物30s二5 x 5或46X 4

第二类防雷建筑物45sg10x 10或运12x 8

第三类防雷建筑物60运20 x 20或主运24 x 16

①单支避雷针的保护范围按图7-3确定。图中，h为避雷针高度，hr为滚球半径。先在距地面高度hr上作一条地面的平行线AB，再以避雷针针尖(h< hr)或避雷针正下方hr高度点(h>hr)为圆心、以hr为半径

作弧线与该水平线相交A、B,然后以该交点为圆心、以hr为半径作圆弧与避雷针和地面相接。弧线以下

即单支避雷针的保护范围。该保护范围是一个圆锥体。在hx高度上和地面上的保护半径分别为

r x, h 2h r h . h x 2h r h x(7.5)

r0h 2h r h (7.6)

②双支等高避雷针的保护范围按图7-4确定。图中，D为两避雷针之间的水平距离。当D>.. h2h r h

时，分别按两支单针计算其保护范围。当 D < h 2h r—h 时，按以下方法计算其保护范围：

a. ACBE外侧保究范围按单支避雷针计算。

弧线高度为

b. A、B连线垂直面上的保护高度线为圆心(O')，高度为hr半径为丫h r

2

D的居中圆孤,

2

式中:x

h x (7.7 )

距两针中心点的水平距离。

图7-3

h r

地面上每侧最小保护宽度为

b0CO EO h 2h r h 2(7.8 )

c. ACBE 范围内，圆弧两侧的保护范围将弧线顶点作为假想单支避雷针针尖，按滚球法确定（见图

8-6的1-1 剖面）。

d. hx高度地面平行平面上保护范围的确定：以A、B为圆心，r x 为半径作弧线与四边形ACBE相交,

再以C、E为圆心、（r o-「x）为半径作弧线与上一弧线相交。四条弧线限定的范围即为平面上的保护范围。

图7-4 双支等高避雷针的保护范围

（2）接闪器材料。接闪器所用材料应能满足机械强度和耐腐蚀的要求，还应有足够的热稳定性，以能承受雷电流的热破坏作用。

避雷针一般用镀铸圆钢或钢管制成。避雷网和避雷带用镀铸圆钢或扁钢制成。接闪器最小尺寸见表

7-2。接闪器装设在烟囱上方时，由于烟气有腐蚀作用，应适当加大尺寸。

避雷线一般采用截面积不小于35mm的镀铸钢绞线。

用金属屋面作接闪器时，金属板之间的搭接长度不得小于100mm。金属板下方无易燃物品时，其厚度不应小于

0.5mm金属板下方有易燃物品时，为了防止雷击穿孔，所用铁板、铜板、铝板厚度分别不得小于4mm 5mm和7mm所有金

属板不得有绝缘层。接闪器焊接处应涂防腐漆，其截面锈蚀30%以上时应予更换。