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直击雷防护技术
(一)外部防雷装置及其作用:
在《建筑物防雷设计规范》GB50057-94中对防雷装置的名词解释是:“接闪器、引下线、接地装置、过电压保护器及其它连接导体的总合。”
在IEC标准中防雷装置定义是:“用于对需要防雷的空间做防雷电效应的整个装置,它由外部防雷装置和内部防雷装置组成。……外部防雷装置由接闪器、引下线和接地装置组成。……内部防雷装置是除外部防雷装置以外的全部附加措施。它们可能减小雷电流在需要防雷的空间内所产生的电磁效应。”
从上述定义,我们可以看出它们之间唯一的区别是IEC将防雷装置按不同的性能分为外部防雷装置和内部防雷装置。本章只对外部防雷装置发展做一介绍。
IEC61024-1:1990年标准的第一句话是:“防雷装置不能阻止雷闪的形成。”近日林维勇先生参加IEC61024-1的修改时(81/122/CD:1998-8-14),发现这句话做了如下修改“应该注意到,到目前为止还没有任何一种装置(或方法)能阻止雷电的产生,也没有能阻止雷击到建筑物上的器具和方法。”采用金属材料拦截雷电闪击(接闪),使用金属材料将雷电流安全的引下(引下线)并泄入大地(接地装置—GB规定使用金属材料),是目前唯一有效的外部防雷方法。
中科院电工研究所马宏达先生认为:防雷如同防洪,其原理是为雷电脉冲电流提供一条低阻抗的通道(注:指利用外部防雷装置),同时要采取措施防止通过磁场和电场对设备的干扰(注:指利用内部防雷装置)。中国电力科学院许颖先生也提出防雷保护是一个系统工程,其保护系统是由三个系统即三道防线组成的,其中第一道防线便是受雷(接闪)、引流、接地散流系统,也就是外部防雷装置。
(二)接闪器和非常规接闪装置:
避雷针(网、带、线)在日本标准中叫“受雷部”,说它是为遭受雷击所用的金属体。以英文译成日文的含义与IEC标准术语词典中Ligtning Conductor一词译为“避雷针:装在建筑物上,将雷电流释放到大地中去的金属棒或金属条”是一致的。在GB50057-94中说明:避雷针、避雷带(线)、避雷网是直接接受雷击的,统称为接闪器。在《中国大百科全书》中避雷针是“将雷电引向自身并泄入大地使被保护物免遭直接雷击的针形防雷装置。“在专业术语上,不使用“避雷”而称“雷电拦截”更为妥当。十年前有人以分析黄岛油库雷击火灾为例,提出”避雷针一般应当停用“,其原因之一便是避雷针不避雷,它是引雷的。其实这一观点并不新鲜,早在1774年富兰克林便指出:从避雷针引下的导线要接触到潮湿的土壤,埋的越深越好,避雷针能起引雷入地的作用。当然,为了实现认识自然,改造自然,变害为利的目的,几百年来人们在防雷技术上一直不断的试验和摸索着。比如使用带有放射性元素(镅241)的放射性(有源)避雷针能否通过源源不断的放射性粒子中和雷云中的电荷?使用密密麻麻的数百条短钢针布置成“消散阵列”能否屏蔽住建筑物而免遭雷击呢?使用非金属物体(又称半导体的木棍或碳素纤维材料涂以漆物,玻璃钢筒内置食盐水等高阻液体)接闪能否有效的阻止高层建筑物的上行先导(又称上行雷),并在承接雷电流时通过内置电阻或电感起到对电流和陡度的衰减作用呢?对这些非常规接闪装置(又称消雷器、电感型、电阻型避雷针)IEC目前不予认可,同时做为接闪器还应充分考虑到使用材料的物理强度、耐高能量的能力,否则会被风刮断,被雷电击裂,而酿成事故。江苏省电力所曾对半导体针进行试验,其通流能力仅为IEC标准的690万分之一。1999年3月在原电力部科技局主持下,对半导体消雷器特性试验证明,它在限流方面与铁棒无明显曲别,当600A电流(2/2000μs)通过时针体会发生闪络,闪络后的针体表面有局部裂口和小块脱落。
消雷是人类长期以来人工影响天气的愿望,到目前为止虽有激光、火箭等多种引雷试验,但尚未取得实用效果。
近年来,由法国领头,西班牙和南斯拉夫等国先后颁布了一种称为能明显提早放电产生迎面先导拦截下行先导的提前放电避雷针(国外一般称为E.S.E针)的国家标准。如法国国家标准NFC17-102列入试验和计算公式,认为这种针能有效的扩大保护范围,并广泛的在欧洲各地应用。1992年和1995年IEC/TC81会议上,法国代表提出将E.S.E列入IEC标准,未获通过。IEC对E.S.E采取即不否定,也不肯定,只是呼吁各国科学家对此类防雷装置作更深的研究。在国内,对E.S.E也有各种不同的看法。但从强制性国际GB50057-94的观点来看,各类接闪器,无论其几何外型如何,或是否产生提前放电(E.S.E),只要其材质和尺寸符合接闪器的规定,均属接闪器的范畴。从设计角度出发,为增大保险系数,建议在使用时仍按滚球法计算其保护半径。
(三)滚球法计算接闪器的保护范围
在接闪器之下的保护范围究竞如何计算是防雷技术上一直在讨论的问题。1777年5月伦敦附近的一座火药库因雷击而受损,该库的避雷针是由富兰克林等人组成的委员会设计的,事后发现该避雷针在雷击发生时没有截闪,从而提出了避雷针保护范围的局限性。在本世纪70年代德国、英国、法国、美国等欧美国家还在分别采取不同的计算方法,包括圆柱体、圆锥体、特殊圆锥体等等,有些甚至不提保护范围。我国当时执行GBJ57-83标准,使用了30°、45°、60°角的圆锥体。按此法计算,
高则其覆盖的保护范围就越大。而事实上却不是这样,许多高耸的铁塔或建筑物上的避雷针不但无法按圆锥体实现保护,往往自身的中部和底部还会遭遇雷击。在巴黎爱菲尔铁塔的中部还架设了向外水平伸出的避雷针,以防备侧面袭来或绕过铁塔顶部避雷针的“绕击雷”。从80年代起,经过讨论和研究,世界上大多数国家(除日本仍使用45°、60°保护角圆锥体外,见日本标准JISA4201-1992)均已采用滚球法计算保护范围。有人说“英国法规BS6551声明:‘经验显示,避雷针不能被依赖提供任何保护区内完整的保护’”,这无疑是错误的,1992年颁布的英国标准《构筑物避雷的实用规程》BS6651中明确指出,对20m以上的建(构)筑物,被保护空间应采用滚球法确定。
使用滚球法确定保护范围的模型请参看图1-图2。
 
                 
 
由闪电数学模型(电气几何模型)进行分析
式中hr为滚球半径,它在滚球法保护空间计算中起主导作用,实际上是雷闪的最后闪络距离(击距),它与I值是正相关的。I值是为与hr相对应的得到保护的最小雷电流幅值(kA)。当实际雷电流小于此值时,雷闪有可能穿过接闪器击于被保护物上,截闪失败;当等于和大于此值时,雷闪将击在接闪器上,又称截闪成功。由于第一类防雷建筑物确立I=5.7kA,二类为10.5kA三类为16.1kA,由此计算出第一类防雷建筑物的hr=30m。第二类hr=45m。第三类hr=60m。
用滚球法确定接闪器的保护范围计算方法如下:(仅以单支避雷针为例,详见GB50057-94的附录四)
当避雷针高度h小于或等于滚球半径hr时:(见图3)
1.  距地面hr处作一平行于地面的平行线;
2.  以针尖为圆心,hr为半径,作弧线交于平行线的A、B两点;
3.  分别以A、B为圆心,hr为半径作弧线与避雷针尖相交并与地面相切。此对称的锥体内即为保护范围;
4. 避雷针在hx高度的XX'平面上和地面上的保护半径;
可按下列计算式确定:
式中rx—避雷针在hx高度XX'平面上的保护半径(m);
ro—避雷针在地面上的保护半径(m);
h—避雷针高度(必须是h≤hr)(m);
hx—被保护物的高度(m);
hr—滚球半径(m),第一类防雷建筑物30m,第二类45m,第三类60m,在粮、棉及易燃物大量集中的露天堆场为100m。
2.当避雷针高度h大于hr时,在避雷针上取高度hr的一点代替避雷针为圆心,其余做法同上。(见图4)由此得出这样一个结论:当避雷针高度大于或等于相应的滚球半径时,再提高避雷针高度无助于扩大其保护范围。由此又带出了三个问题:
1)高于60m的第三类防雷建筑物和高于45m的第二类防雷建筑物及高于30m的第一类防雷建筑物如何防范直击雷?
GB50057-94规定,建筑物高于其相应的滚球半径高度以上部分,应使用水平避雷带(网)敷设于楼顶平面,同时在滚球高度以上部分每隔不大于6m沿建筑物四周设水平避雷带(均压环)并与引下线相连,将此高度以上的栏杆,门窗等较大的金属物与防雷装置连接。实质上是不期望在避雷针的“保护伞”下防雷,而采取自我防护的策略。
2)建筑物屋面上高于水平避雷带的物体如何保护?
在建筑物屋面上常安有广告牌,发射或接收天线等物体。这些物体往往会因先行接闪而损坏。GB50057-94规定:在屋面接闪器保护范围之外的非金属物体应装设接闪器实行保护,金属物体可不装接闪器,但应与屋面防雷装置相连。考虑到有些金属物体直接接闪可能会对屋内信息设备产生较大的过电压,因此最好采取既与屋面防雷装置相连又装接闪器的方式。在国标图97X700-7中标明突出屋面的天线应“加避雷针保护”。此时,接闪器的保护范围计算(条件是屋面有合格的避雷带)可从屋面避雷带算起,即以屋面为±0,之后做距避雷带hr的平行线,计算对屋面物体的保护范围(注:此保护锥体的下限在屋面避雷带高度,不得下延)。
3)在油库区安装高于30m的铁塔,在油罐上安装避雷针有什么作用?
在一些油罐区常可见到高耸的铁塔,塔上架设有避雷针或消雷器。江苏某输油泵站建立于1978年,内有2万m3浮顶式储油罐8座,投产后12年内一直正常。1990年6月底为完善防雷措施在罐区建了
一座65m高的铁塔,上边安装半导体消雷器BS-3型。安装后仅10天,于7月10日便遭雷击,1994年4月19日第二次遭雷击。此例一方面又一次证实了消雷器不能消雷,另一方面可以从滚球法得出解释:当铁塔高于30m时,不但不会扩大保护半径,且有造成大气电场畸变,诱发雷击的负面作用。
1999年8月,某市炼油厂一座直径40m,高15m的2万m3浮顶式储油罐雷击起火。在事故分析现场会上专家们一致认为是雷击点燃了从密封圈泄出的油蒸汽。但是在罐体四周有6支7m高的避雷针,间距均小于18m ,雷为什么不击在针上而穿过针击中了处于针包围的罐顶呢?笔者认为可能有两个原因:一、用滚球法计算,雷击在避雷针的保护范围之外,也就是说,避雷针保护范围无法有效的覆盖罐顶,二、点燃油蒸气的雷电流低于5.7KA,即其击距小于30m,从二支避雷针间隙中穿过击中罐顶部的油蒸气。石油库防雷专家从近年来外浮顶罐雷击次数统计说明,由于雷击起火只有万分之零点几的概率,从设计角度出发是在允许值内的。但对于人口高度集中的国际化大城市,只要发生一次事故后果便难于设想,从这一点出发应该适当加高避雷针的高度和密度,或采取其它有效的措施。
在使用滚球半径的尺度上,我国标准与国际标准是有差别的。IEC标准将防雷级别分为I~IV类,其滚球半径分别为20m、30m、45m和60m。GB50057-94标准将防雷级别分为第一类、第二类和第三类,其滚球半径分别为30m、45m和60m,均大于国际标准,露天堆场滚球半径则放宽到100m。对于国家标准与国际标准的分歧,起草人已在条文说明中进行了技术说明。我们认为这样修改除技术原因外,尚有经济上的原因。因为采用滚球法后,保护范围比过去小很多,对一些经常采用独立避雷针和架空避雷线的单位在经济上压力较大,因此折衷处理,在IEC标准中也认为:外部防雷是在绝对保护与耗费之间的折衷方案。
此外,一些行业标准尚采用保护角和折线法计算保护范围,可以认为:在一定高度范围内,使用保护角和折线法计算保护范围与用滚球法计算值是相近的,但超出一定高度后,两者差距较大。从维护国家标准的统一性和权威性出发,采用国家标准是必要的。
 (四)法拉第笼、引下线和接地装置
1876年英国防雷协会会议上马克斯威尔(J.C.Maxwell)为避免在建筑物上安装避雷针而可能吸引更多的雷云放电,提倡使用避雷带和法拉第笼。这一发展曾为富兰克林所预见,他曾建议在建筑物上装设“沿屋脊的中间线”。现代钢筋水泥的建筑物内有纵横交错的钢筋,在没有浇筑水泥前就象一个大铁笼子,完全可以将屋面的钢筋引到女儿墙以上明装避雷带,利用多根垂直钢筋为引下线,利用基础结构钢筋为接地装置。而且纵横交错、密密麻麻的钢筋还可以对雷电空间磁场起到初级屏蔽保护作用。但要注意到,有些特高层建筑的基础防水层使用了橡胶或其它合成物,有绝缘作用,此时宜在地面将主钢筋多条与水泥护坡桩内钢筋连接,最好是用一扁钢将护坡桩的钢筋连成一圈。
近年来,国内外均有一种双层金属屏蔽电缆出售,生产厂商的原意是用它代替钢筋为引下线,可能会减少雷电流沿引下线下泄过程的电磁感应。但是,厂商未考虑到在接闪器接闪引下时,同轴电缆的芯皮之间会产生107~108V的脉冲电压,没有十几米的绝缘距离必将在芯皮之间闪络放电。同时在芯线中通过雷电流时将在外导体中产生感应涡流(又称转移阻抗),这对引下线泄流是不利的。在广西一些微波站使用中发现电缆被击穿的现象。因此还应按GB和IEC标准使用多根引下线进行分流。
最近,一种用石墨制造的非金属接地模块进入市场,还挤进了某设计图集。生产厂商称其具有低电阻,耐腐蚀的优点。而实际上较常规金属接地体存在着易破碎(含运输过程中的破碎)难施工、价格高等缺点,经实测也无法达到给定的工频接地电阻值。详情可见林维勇先生“电感型接闪针和石墨接地体”、“石墨接地体工频接地电阻实测值”这两篇论文。因此仍应按GB要求使用金属材料接地。对易腐蚀地区,可采取阴极保护的方法。
(五)国外防雷技术标准简介
我们可从IEC61024系列标准的标题上得知,目前已颁布和尚属草案的61024-1、2、3和1-1、1-2都是外部防雷标准,但均与内部防雷关联。如1998年5月颁布的IEC61024--1-2附录B的标题为:“内部装置中抗感应电流影响的防护。”内容涉及到除外部防雷装置之外的线路屏蔽,适合的内部线缆布线路径和内部电气与通信装置的定位。同时示例说明一个建筑物上一次雷击造成的电压和能量的估算方法。IEC61024-2对高于60m的建筑物提出了防雷的附加条件,IEC61024-3对易燃易爆场所提出了附加条件。
IEC外部防雷标准给人总的感觉是比较细,有些国外标准如美国防火协会(NFPA780:1992)的“雷电防护规程”,英国标准(BS6651:1992)的“构筑物避雷的实用规程”,日本工业标准J15(JISA4201-1992)“构筑物等的避雷设备”也同样细致的对船舶、风力发电站、体育场、大帐篷、树木、桥梁、停泊的飞机、储罐、海滨游乐场、码头乃至露天家畜养殖场的外部防雷做出规定。特别要提出的是,一些标准对石头山地的接地装置在很难达到规定的低阻值时做出这样的规定:在地面平铺环型扁钢,并与被保护物的引下线在四个方向连接,环型地的半径不应小于5m,这种等电位连接方式同样能起作用。
单支避雷针的保护范围如图1所示,它的具体计算通常采取下列方法(这种方法是从实验室用冲击电压发生器作模拟试验获得的)。
避雷针在地面上的保护半径为
r=1.5h。
式中r——保护半径(米);h——避雷针高度(米)。在被保护物高度hx水平面上的保护半径为rx=(h-hx)p=hap;rx=(1.5h-2hx)p。
式中rx—避雷针在hx水平面上的保护半径(米);
hx—被保护物的高度(米);
ha—避雷针的有效高度(米);
p——高度影响系数(考虑避雷针太高时,保护半径不按正比例增大的系数)。
h≤30米时,p=1

图1中顶角α称为避雷针的保护角.对于平原地区α取45°;对于山区,保护角缩小,α取37°。
我们通过一个具体例子来计算单支避雷针的保护范围。一座烟囱高hx=29m,避雷针尖端高出烟囱1m。那么避雷针高度=30m
避雷针在地面上的保护半径
r=1.5h=1.5×30=45(m),
避雷针对烟囱顶部水平面的保护半径
rx=(h-hx)p=(30-29)×1=1(m)。
随着所要求保护的范围增大。单支避雷针的高度要升高,但如果所要求保护的范围比较狭长(如长方形),就不宜用太高的单支避雷针,这时可以采用两支较矮的避雷针。两支等高避雷针的保护范围如图2所示。
每支避雷针外侧的保护范围和单支避雷针的保护范围相同;两支避雷针中间的保护范围由通过两避雷针的顶点以及保护范围上部边缘的一最低点O作一圆弧来确定。这个最低点O离地面的高度为
式中h0——两避雷针之间保护范围上部边缘最低点的高度(m)
h——避雷针的高度(m);
D——两避雷针之间的距离(m);
p——高度影响系数。
两避雷针之间高度为hx水平面上保护范围的一侧的最小宽度
bx=1.5(h0—hx)
当两避雷针间距离D=7hp时,h0=0,这意味着此时两避雷针之间不再构成联合保护范围.
当单支或双支避雷针不足以保护全部设备或建筑物时,可装三支或更多支形成更大范围的联合保护,其保护范围在此不再赘述。
需要注意的是,雷电时期内,在避雷针接地装置附近,由于跨步电压甚高,人员接近时有触电的危险,一般在避雷针接地装置附近约10米的范围内是比较危险的。
 
 
 
 

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