引言
如今,城市中的高层建筑越来越多,而高层建筑遭受雷击的概率远高于低矮建筑物。又由于高层建筑内设备和线路密集,雷电对这些设备及线路的破坏威胁也大大增加。如何解决高层建筑的雷电防护问题成为广大电气设计人员目前面临的重要课题。
一、雷电压的形成及其危害
大气中的饱和水蒸气在上下气流的强烈摩擦和碰撞过程中,形成了带不同电荷的雷云。当带电的云块临近地面时,由于静电感应,大地感应出与雷云极性相反的电荷。云层与大地之间就像一个巨大的极板电容器,当云层中电荷密集处对大地的电场强度达到25 ～30 kv / cm时,就会击穿空气绝缘,云层对大地便发生先导放电。当先导放电的通路到达大地时,大地上的电荷与雷云中的电荷就会发生强烈的中和,出现特大电流,时间大约为50～100μs,雷电流可达几十万安,其能量巨大,可损坏建筑物,中断通信,危害人身安全。雷过电压分为两种:直击雷过电压及雷电感应过电压。
1．直击雷过电压(传导过电压) 。架空线路直接遭受雷击后,高压冲击波形成的过电压沿线路传播损坏设备称为传导过电压,传导过电压会导致设备与大地间的绝缘损坏。
2．雷电感应过电压。由于雷电是高频脉冲电流,持续时间不超过100μs,雷击点附近的线路由于电磁感应会产生脉冲浪涌。脉冲浪涌通过线路侵入设备系统,会造成设备失灵或永久性损坏。此外,雷电流流入大地时,由于存在散流电阻,该区域不同地点会有不同的电位,即使在很短的距离内也会产生电位差,在低压配电装置中也会产生过电压。
二、防雷方面要注意的问题
1．防直击雷的保护装置
避雷针、避雷线、避雷网和避雷带，都是经常采用的防止直接雷击的防雷装置。
一套防雷装置都是由接闪器、引下线和接地装置三部分组成的。接闪器是专门直接接受雷击的金属导体。 避雷针、避雷线、避雷网和避雷带实际上都只是接闪器。引下线是连接接闪器和接地装置的金属导体，宜采用圆钢或扁钢，宜优先采用圆钢。接地装置包括接地线和接地体，接地体分水平和垂直两部分。水平部分宜采用扁钢或圆钢，垂直部分宜采用角钢、钢管或圆钢。
2．几种特殊建筑物的防雷
微波站、电视台的防雷：天线塔的接地电阻不大于4欧姆，接地体埋深不应小于1米，所有连接点均要求焊接。塔上的照明灯电源线应采用带金属外皮的电缆，或把导线穿入金属管。机房外地下应围绕机房敷设闭合环形水平接地体，机房内应沿墙壁敷设环形接地母线，机房的接地网与塔体的接地网间，至少应有两根水平接地体连接，总接地电阻不大于1欧姆。由机房引出的金属管、线也应埋地，在机房外埋地长度不应小于10米。引向机房的电力线、通信线应有金属外皮或敷设在金属管内，并埋地敷设。
卫星地面站得防雷：用独立避雷针，引下线可利用钢筋混凝土构件内的钢筋防雷接地、电子设备接地、保护接地可共用接地装置。接地体围绕建筑物四周敷设成闭合环形，接地电阻不大于1欧姆。
广播发射台的防雷：桅杆天线应敷设地网，地网埋设深度为300米，发射机房采用避雷针或避雷网防直击雷，接地装置采用水平接地体围绕建筑物敷设成闭合环形，接地电阻不大于10欧姆。
雷达站的防雷：雷达站的天线本身可作为接闪器，引入雷达主机的线均应埋地敷设。
三、防雷措施设计
1．完整的防雷方案
一个完整的防雷方案包括两个方面,即直接雷的防护和感应雷的防护,两者缺一不可。
（1）直击雷
直击雷防护主要是使用避雷针、女儿墙避雷带、导地体和接地网,再加上主体钢筋而形成一个笼式框架及所谓“法拉第网”笼式的框架,如果要达到理想的效果,在没有避雷针的情况下,必须在最高位布有不大于10 m ×10 m的金属网络,整座建筑物的金属体(如水管、天线等)都要与这个笼式框架相连接,以达到理想的防雷保护作用。
（2）感应雷
感应雷主要通过电源线、信号线或数据线入侵而破坏电子设备,所以感应雷的防护是要在各种线路的进出口安装适当的防雷器。防雷器应具备以下条件:
① 动作时间快,小于25 ns。
② 相容性。它不会对其所保护的设备或线路造成任何干扰和中断。
③ 能承受高电流。防雷器必须能承受10 ka以上的雷电电流。
④ 全面保护。电源防雷器必须能提供相线对地线、中线对地线及相线对中线的全面保护。
⑤ 反复使用。在正常情况下可承受多次感应雷击,而自动恢复原始保护状态。
⑥安装简易。
2．电源系统的分级保护措施
对于低压供电系统,浪涌引起的瞬态过压保护,最好采用分级保护的方式来完成。从供电系统的入口(如大楼的配电总房)开始逐步进行浪涌能量的吸收,对瞬态过电压进行分阶段抑制,通常采用三级保护。
(1)第一级保护。第一级保护是连接在智能建筑供电系统入口进线各相和大地之间的大容量电源防浪涌保护器( spd) 。一般要求该级电源浪涌保护器具备每相25 ka以上的最大冲击容量,要求的限制电压应小于2 400 v,称为ⅰ级电源防浪涌保护器。这级电源防护器是专为承受雷击的大电流和高能量浪涌能量吸收而设计的,可将大量的浪涌电流分流到大地。它仅提供限制电压(冲击电流流过spd时,线路上出现的最大电压成为限制电压)为中等级别的保护。因为该级的保护主要是对大浪涌电流的吸收,仅靠它们是不能完全保护供电系统内部的敏感用电设备的。
(2)第二级保护。第二级保护是安装在重要或敏感用电设备供电的分路配电设备处的电源防浪涌保护器。这些spd对于通过建筑供电入口浪涌防护器的剩余浪涌量进行更完善的吸收,对于瞬态过电压具有极好的抑制作用。该处使用的电源浪涌保护器的最大冲击容量为每相45 ka以上,要求的限制电压应小于1 200 v,称为ⅱ级电源防浪涌保护器。一般的建筑供电系统做到第二级就可以达到用电设备的要求。
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