电气安全第3版.pptx
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1、第一节 雷电与雷电参数一、雷电的形成与危害 1、形成 形成过程:雷云,先导(向下先导、迎面先导)放电,主放电,余辉放电。雷电形式:直击雷;感应雷,又分静电感应和电磁感应两种形式;球形雷(不讨论)。直击雷是始于雷电先导的放电。感应雷是在直击雷条件下继发的次生雷害。雷云对大地放电(直击雷)示意图雷云对大地放电(直击雷)示意图a)负雷云出现在大地建筑物上方时负雷云出现在大地建筑物上方时 b)负雷云对建筑物顶部尖端放电时负雷云对建筑物顶部尖端放电时 2、危害 热效应。雷电流(几至几百千安培)通过雷击点,发热量可达(50020000)MJ。电磁效应。雷电流量值大、波形陡,在周围空间产生强大且变化剧烈的磁
2、场,磁场中导体被感应出电动势,使闭合金属导体产生感应电流,或使开口金属导体产生开口电压,引发火花放电危险。机械效应。被击物阻性热效应引发的水分气化压强产生内部机械力破坏;电磁力效应产生机械力破坏;电弧热效应引发的空气冲击波产生外部机械力破坏。二、对地雷闪的雷击形式与组合形式 1.雷闪、雷击及其基本类型 对地雷闪(lightning flash to earth):雷电向大地或地表附着物的放电称为对地雷闪,又称闪击。雷击:雷闪过程中的单次对地放电称为雷击(lightning stroke)。通常一个雷闪过程包含有若干次雷击。雷闪又分为由雷云向建筑物发展向下雷闪和由建筑物向雷云发展的向上雷闪。雷闪
3、中雷击的3种基本形式:首次短时雷击;后续短时雷击;首次或后续长时间雷击。2.雷闪的雷击组合形式 一般和低暴露地点(如平原、低矮建筑)多为下行雷闪,高暴露点(如山峰)多为上行雷闪。通常上行雷闪的所有雷击能量都小于下行雷闪。下行雷闪可能的雷击组合上行雷闪可能的雷击组合 三、雷电参数 1、气象参数 直接观测参数如:雷暴日,雷暴小时。计算参数如:年平均雷暴日。按年平均雷暴日可划分雷击强度区域:少雷区:少于15;多雷区:4090;强雷区:大于90。2、电气参数 (1)雷电流波形及参数定义。O1称为视在原点。1)雷电流幅值I,又称雷电峰值电流。与雷电机械效应有关,主要影响电动力大小。还影响波头陡度,继而间
4、接与雷电电磁效应相关。2)T1波头时间。又称视在波前时间,是短时雷击电流波的一个虚拟参数。3)T2波头时间。又称波尾半峰时间,是短时雷击电流波的一个虚拟参数。4)长时间雷击电流持续时间T。5)波头平均陡度。是短时雷击电流波的一个导出参量,表明了雷电流波头上升速率,量值为I/T 1。与雷电流产生的电磁感应有关,如感应过电压。6)雷电流的电荷量QS(短时雷击)、QL(长时间雷击)和 QFLASH(雷闪)。统称雷电荷量,直观理解为雷电流波形下的面积。雷击装置发生电弧时,其热效应与电荷量有关。7)单位能量W/R。,i(t)是雷电流,W/R是雷电流热脉冲,表明雷电流在1被击负载电阻上产生的能量损耗。单位
5、能量与雷电流引起的阻性发热有关,继而间接与雷电的机械效应相关。可比对短路电流热脉冲理解 (2)雷电参数量值的统计特征及标准雷电流波。统计特征,以及统计特征差异性特征(地区、技术组织、年代)。1)雷闪的极性。指雷闪电荷的极性。典型数据:约10%为正极性,90%为负极性,随地域不同。首次短时雷击中,正极性雷击的威胁更严重。2)雷电流幅值。雷电流幅值范围很大,电力系统和建筑物防雷工程中数据有所不同。电力工程为:建筑防雷工程取值见后续介绍。例:电力工程中超过100kA雷电流,出现的概率按该式计算为0.073,而建筑防雷工程中取值为0.05。3)时间。短时雷电流波用T1/T2形式表示。首次短时雷击按正极
6、性雷击考虑,取T1=10s,T2=350 s。(负极性T1=1s,T2=200 s)后续短时雷击按负极性雷击考虑,取T1=0.25s,T2=100 s。长时间雷击取T=0.5s。4)短时雷击标准波形函数。16 标准短时雷击雷电流波形下雷电参数关系:以上关系是雷电流时间积分和雷电流平方时间积分的结果。电荷单位:C;电流单位:kA;时间单位:s;单位能量单位:MJ/。17 (3)雷电波的表述 通常用T1/T2波形表达,这里符号“/”没有除法运算的含义,仅指雷电波波头时间与半峰时间的一种组合。例如,常用的试验波形有10/350s电流波、8/20s电流波、1.2/50s电压波等。(T1又称为视在波前时
7、间,以两个规定点间直线所确定的波前时间替代实际波前时间,如1.2/50s电压波以30%和90%峰值点为规定点,10/350s电流波以10%和90%峰值点为规定点等。这一做法原因在于实测雷电波中,起始量值较小部分时间长短相差较大,甚至起点位置都不好确定,但这一部分对绝缘的影响程度很小;峰值部分也有类似情况。为了表明对绝缘起主要作用的波前主升段时间,引入了视在波前概念和视在波前时间参数。)第二节 雷电能量在导体上的传输 一、传输线 1、集中与分布参数电路 关键:电路尺寸与电磁波波长的相对大小。电路尺寸 远小于 电磁波波长集中参数电路 电路尺寸 可比于 电磁波波长分布参数电路 为什么几何尺寸如此重要
8、?2、传输线简介 (1)集中与分布参数电路的主要区别 集中参数电路:电流、电压只是时间的函数,在一个支路范围内与位置无关。u=u(t),i=i(t)分布参数电路:电流、电压不仅是时间的函数,还是位置的函数,即:u=u(x,t),i=i(x,t)因此,分布参数电路中没有节点、支路等概念,KCL、KVL不再成立。(2)传输线的波阻抗。传输线上某一点同向传输的电压电流之比,叫做该点的波阻抗。Z(x)=u(x,t)/i(x,t)波阻抗也是一个位置的函数。解释线性传输线,均匀传输线,传输线波阻抗。波阻抗只表明某一点上电压和电流的比例关系,但并不表明能量消耗,因此与集中参数电路中的阻抗有本质的差异。(3)
9、传输线的等效电路。如何用集中参数电路的方法去分析实为分布参数电路的传输线?“长”与“短”的相对性及条件转换。传输线上某一点和紧邻的下一点上电流都可能不同,说明传输线上可以有净电荷的集聚。传输线的集中参数等效电路无限分割级联组合 二、传输线上的行波 (1)对行波的理解。整体看:传输线比作铁路,行波就好比火车。就传输线上任一固定点看:该点上电压、电流随时间的变化,看到的是不同时刻通过该点的电压、电流行波的瞬时值。行波实际表明了有能量在空间的传输。(2)行波波速。v 2=1/(L0C0)=1/(00)(3)行波的折射与反射。当传输路径上波阻抗变化时,由于电场与磁场能量的重新分配,会产生波的折射与反射
10、现象。电流波:表明了磁场能量的传播。电压波:表明了电场能量的传播。波阻抗:表明了磁场与电场能量的比例。根据能量守恒定律,波阻抗变化时,会发生电场和磁场能量的转换,使电流波和电压波发生变化。(4)示例。末端短路末端开路电压加倍电流为零电流加倍电压为零 三、导体上雷电能量传输与传输线的关系 雷电波中能量不可忽略的谐波频率达MHz级,对应的波长为几十到几百米,已小于一般电力或信息线路长度,达到与建筑物尺度可比拟的程度。讨论线路上雷电能量传输时,可将其看作为行波。讨论建筑物上雷电能量传输时,有时仍可近似将导体当作集中参数电路处理。第三节 综合防雷体系 建筑防雷从目标到措施都不是单一的,需要一系列防护措
11、施相互配合与协作,才能达到各方面所需要的防护效果。由此形成的防护规则,就是所谓的综合防雷体系。本章所介绍的防雷都不包括电力系统和信息系统露天架空干线部分,而只包括建筑物本体、内部物体与系统,以及进出建筑物的公共管线。一、与建筑物防雷相关的主要技术领域 1.建筑物防雷与电气工程其他技术领域的关联 (1)电气绝缘与配合。主要与建筑物内的电气电子系统绝缘特性有关联。建筑物防雷系统对雷电能量的衰减导致其对绝缘的危害程度降低,但可能增加新的危害途径。(2)电气和电子信息系统。主要与建筑物内低压配电系统和电子信息系统的电涌保护有关联。雷电作为加害源,其危害程度和传递路径都与建筑物防雷相关,内部系统电涌保护
12、是在建筑物防雷基础上实施的。(3)电磁兼容。涉及雷电作为骚扰源对电子信息系统安全与正常工作的影响,及对电气系统电能质量的影响。建筑物防雷与雷电骚扰源的形式、量值和耦合路径有关联。(4)电击防护与火灾预防。建筑防雷可以降低直接的雷电电击和雷电火灾的概率,但可能产生新的雷电电击和雷电火灾的途径。2.与建筑物防雷相关的IEC技术委员会简介 IEC/TC81雷电防护技术委员会。1980,制定建筑物防雷相关标准的最主要技术委员会,确定工程防雷体系的框架及措施。IEC/TC37避雷器和电涌保护器技术委员会。1951,制定避雷器相关标准的主要技术委员会。1988成立TC37A,1992成立TC37B,制定电
13、涌保护器和电涌保护器元件标准。TC37负责中高压及架空线避雷器。IEC/TC64电气装置和电击防护技术委员会。1967,在接地与等电位联结、大气过电压防护、低压电气装置绝缘配合、过电流保护、导体选择、布线系统等很多方面与建筑物防雷产生关系。IEC/TC28绝缘配合技术委员会。1939,主要制定标称电压工频交流1000V和直流1500V以上电力系统绝缘配合的相关标准。IEC/TC77电磁兼容技术委员会。?,主要制定电磁兼容相关标准,建筑物雷击电磁脉冲防护就是从电磁兼容的角度提出的,并成为建筑物防雷一个新的重要组成部分。另外在接地装置、接地技术、等电位联结、导体选择等诸多方面,建筑物防雷与电磁兼容
14、都有关联,二、综合防雷体系结构 1.综合防雷体系的形成 (1)按伤害对象归纳。(2)按照防护措施所保护的部位归纳。(3)对综合防雷体系的理解 LPS(lightning protection system):传统建筑物防雷。含外部与内部防雷两部分,以及LPS引起的生命伤害危险的防范。防护目标是物理损害,其中外部防雷针对建筑物实体,内部防雷针对室内空间电火花,需附加防生命伤害的措施。SMP(surge protection measures):雷击电磁脉冲防护,起源于电子信息系统从电磁兼容角度提出的防护要求。由建筑物上LEMP防护和内部系统电涌保护两道防线组成。防护对象是建筑物内电气、电子系统,
15、目标是避免内部系统失效。关系:LPS是SMP的既有条件;内部LPS与建筑物上LEMP防护措施有交叉重叠。2.建筑物防雷标准 综合防雷体系的框架、内容和措施都体现在防雷工程标准中。变化较大、较频繁,规定不尽一致。IEC标准国家标准标准名称制定(或发布)机构IEC62305GB/T 21714雷电防护IEC/TC81,国标等同采用IEC61643GB/T 18802低压电涌保护器IEC/TC37-SC37A,国标等同采用GB 50057 建筑物防雷设计规范住房与城乡建设部GB 50343建筑物电子信息系统防雷设计规范住房与城乡建设部三、工程防雷系统的形成 工程防雷系统是综合防雷体系的技术实现。工作
16、流程:雷电威胁的确定,风险管理,雷电防护措施的实施。1.雷电损害与雷电损失 雷电威胁包括加害者、受害者及其相互关系。加害者的加害结果称为雷电损害,包括损害源、损害成因与损害类型。损害源指雷电流,损害成因指损害是由雷击发生在哪个部位带来的,损害类型指雷击造成了何种破坏。受害者的受害结果称为雷电损失,雷电损失指雷电损害对个人、团体和社会等带来的后果,归纳为若干种损失类型。类型类型符号符号解释解释损害成因损害成因S1符号含义符号含义可能造成的破坏可能造成的破坏雷击建筑物雷击建筑物电电弧弧发发热热、导导体体过过热热、电电弧弧烧烧蚀蚀引引起起直直接接机机械械损损坏坏、火火灾灾及及爆爆炸炸;过过电电压压引
17、引起起的的火火花花触触发发火火灾灾及及爆爆炸炸;接接触触及及跨跨步步电电压压造造成成电电击击伤伤害害;雷雷击击电电磁磁脉脉冲冲导导致致内内部系统失效部系统失效S2雷击建筑物附近雷击建筑物附近雷击电磁脉冲导致内部系统失效雷击电磁脉冲导致内部系统失效S3雷击连接到建筑物的线路雷击连接到建筑物的线路过过电电压压和和雷雷电电流流产产生生的的火火花花触触发发火火灾灾及及爆爆炸炸;雷雷电电流流产产生生的的接接触触电电压压造造成成电电击击伤害;过电压使内部系统失效伤害;过电压使内部系统失效S4雷击连接到建筑物的线路附近雷击连接到建筑物的线路附近感感应应到到线线路路上上的的过过电电压压传传输输到到建建筑筑物物
18、使使内部系统失效内部系统失效损害类型损害类型D1电击使人或动物受到伤害电击使人或动物受到伤害D2包包括括有有火火花花的的雷雷电电流流效效应应引引起起的的物物理理损损害害(火火灾灾、爆爆炸炸、机机械械损损坏坏、化化学学品泄露等)品泄露等)D3雷击电磁脉冲导致内部系统失效雷击电磁脉冲导致内部系统失效损失类型损失类型L1人身生命的损失(包括永久性伤残)人身生命的损失(包括永久性伤残)L2公共服务的损失(指水、电、气、通信等公共服务)公共服务的损失(指水、电、气、通信等公共服务)L3文化遗产的损失文化遗产的损失L4经济损失(建筑物及其内部物体、业务损失)经济损失(建筑物及其内部物体、业务损失)雷电损害
19、源与损害及损失类型的关系雷电损害源与损害及损失类型的关系损害成因损害成因S1S2S3S4损害类型损害类型D1D2D3D3D1D2D3D3损失类型损失类型 L1、4L14L1、2、4L1、2、4L1、4L14L1、2、4L1、2、4仅对可能有动物的地方。仅对可能有动物的地方。仅对有爆炸危险的建筑物,以及可能因内部系统失效而危及人身安全的建筑物(如仅对有爆炸危险的建筑物,以及可能因内部系统失效而危及人身安全的建筑物(如医院等)。医院等)。通常将L1、L2、L3理解为社会价值损失,L4理解为纯经济价值损失。2.风险管理 风险:雷电可能造成的年均损失(人和物)与被保护建筑物总价值(人和物)之比,用R表
20、示。与损失L1L4相对应的风险为R1R4。R1R3社会价值损失风险用于确定是否需要雷电防护,R4用于评估雷电防护的经济合理性。R1R3风险评估结果记作R,其最大允许值为RT。若R RT,则雷电防护不是必须的,是否实施取决于经济合理性评估,反之则必须实施雷电防护。风险管理:在风险评估的基础上对雷电防护的必要性和经济合理性作出决策。对于必要性:已基本转化为标准条款,反映在建筑物雷电防护等级中;对于经济合理性,需要根据具体项目和相关条件分析确定。3.雷电防护系统的构成及防护措施的确定 对确定需要雷电防护的建筑物,按综合防雷体系的构架实施雷电防护LP(lightning protection),它包括
21、雷电防护系统LPS和雷击电磁脉冲防护措施SPM。雷电防护系统的形成过程步骤工作内容成果1雷电威胁确定确定危害成因、损害和损失类型为风险管理提供依据。部分既有成果为专家工作结果,如雷电参数统计值、年预计雷击次数计算公式、雷电防护等级划分的依据、防雷区划分的规定等2风险管理风险计算、评估确定建筑物所需的雷电防护等级,进而确定防雷工程雷电参数取值,确定建筑物防雷区划分等3雷电防护LPLPS含外部LPS和内部LPS设计,防物理损害和生命伤害确定外部防雷系统形式、布置、参数要求,确定接闪器、引下线、接地装置等防雷装置的材料和结构尺寸,确定防闪电电涌侵入、防感应过电压和防反击的措施,确定防跨步电压和接触电
22、压的措施,等等SPM含建筑物雷击电磁脉冲防护设计和电涌保护系统设计,防内部系统失效或故障,以及特定条件下的人身伤害确定建筑物内防雷击电磁脉冲措施的实施部位和方法,确定电气电子系统电涌保护的布局和保护模式,确定SPD类型和参数,等等第四节 雷电防护等级与建筑物防雷类别划分一、雷电防护等级与建筑物防雷类别的概念 1.雷电防护等级 雷电防护等级LPL(lightning protection level):对建筑物允许遭受的雷电威胁程度的一种划分,以一组雷电流参数的规定范围为依据,以建筑物遭受这一参数范围内雷击的概率为划分标准。因此,雷电防护等级表明雷电防护应该达到的要求,与具体建筑物无关,又称为雷
23、电防护水平。GB21714.1-2015雷电防护 第1部分:总则将雷电防护等级规定为I、II、III、IV四个等级。雷电参数表1各LPL对应的首次短时雷击的雷电流参数最大值及概率雷电流参数及出现概率雷电防护等级LPLIIIIIIIVI幅值kA200150100T1波头时间s101010T2波头时间s350350350QS电荷量C1007550WR单位能量(MJ)105.62.5雷电流参数小于以上数据的概率0.990.980.95雷电参数表2各LPL对应的后续短时雷击的雷电流参数最大值及概率雷电流参数及出现概率雷电防护等级LPLIIIIIIIVI幅值kA5037.525T1波头时间s0.250.
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