【防雷地极】防雷接地系统与在建筑工程上的应用

闪电现象的基础

1.闪电现象：雷云闪电线灵雷线主放电阶段余辉阶段。

主放电阶段：电流很大，高达几百千安，但持续时间极短，一般只有50～100μs。

余辉放电阶段：电流较小，约几百安，持续时间约为0.03～0.15s。

2.雷电流的特性

3.雷电过电压的基本形式

直击雷：雷电直接击中电气设备、线路、建筑物等物体。

感应雷：由雷电对线路、设备或其他物体的静电感应或电磁感应而引起的过电压。

雷电波侵入：架空线路遭到直接雷击或感应雷而产生的高电位雷电波，沿架空线侵入变电所或其他建筑物而造成危险。

4.雷电活动强度及直击雷的规律

雷暴日：一天中只要出现过雷电活动（包括看到雷闪和听到雷声），就算一个雷暴日。我国各地区的雷暴日数如表所示：

雷电活动的规律：热而潮湿的地区比冷而干燥的地区雷暴多，且山区大于平原，平原大于沙漠，陆地大于湖海。雷击区的形成与地质结构（即土壤电阻率）、地面上的设施情况及地理条件等因素有关。建筑物的雷击部位与建筑物的高度、长度及屋顶坡度等因素有关。

5.雷电的危害：雷电流的热效应可烧断导线和烧毁电力设备；雷电流的机械效应产生的电动力可摧毁设备、杆塔和建筑，伤害人畜；雷电流的电磁效应可产生过电压，击穿电气设备绝缘，甚至引起火灾爆炸，造成人身伤亡；雷电的闪络放电可烧坏绝缘子，使断路器跳闸或引起火灾，造成大面积停电。

防雷装置

防雷装置由接闪器、引下线和接地装置三部分组成。

接闪器（受雷装置）：是接受雷电流的金属导体，常用的有避雷针、避雷线和避雷网（带）三种类型。

引下线：应保证雷电流通过时不致熔化，一般用直径不小于10mm的圆钢或截面不小于80mm2的扁钢制成。

接地装置：埋在地下的接地导线和接地体的总称。

1.避雷针：避雷针通常采用镀锌圆钢或镀锌焊接钢管制成。

针长1m以下时，圆钢直径不小于12 mm，钢管直径不小于20 mm；

针长1～2m时，圆钢直径不小于16mm，钢管直径不小于25mm。

避雷针的保护范围，以它能够防护直击雷的保护空间来表示，可按“滚球法”来确定。

滚球法：选择一个半径为hr（滚球半径）的球体，沿需要防护直击雷的部位滚动。如果球体只接触到避雷针（线）与地面，而不触及需要保护的部位，则该部位就在避雷针（线）的保护范围之内。

单支避雷针的保护范围

2.避雷线：用截面不小于35mm2的镀锌钢绞线。

单根避雷线的保护范围，当避雷线高度h≥2hr时，无保护范围。当避雷线高度h＜2hr时，按下列方法确定：

电气装置的接地

1.接地装置

接地：电气设备的某部分与大地之间做良好的电气连接。

接地体：直接与大地接触的金属导体。

接地线：连接接地体与电气设备接地部分的金属导体。

接地装置：接地体与接地线的总和。

接地网：由若干个接地体在大地中相互用接地线连接起来的一个整体。

2．地和对地电压

当电气设备发生接地故障时，接地电流IE通过接地体向大地作半球形散开。

3.接触电压和跨步电压

接触电压：当电气设备发生接地故障时，人体触及的电气设备和大地上任意两点之间的电位差，称为接触电压Utou 。

跨步电压：人在接地故障点附近行走时，两脚之间的电位差，称为跨步电压Ustep 。

4. 接地电阻

流散电阻：接地体的对地电压与通过接地体流入地中的电流之比，称为流散电阻。

接地电阻：电气设备接地部分的对地电压与接地电流之比，称为接地装置的接地电阻。

工频接地电阻：工频接地电流流经接地装置所呈现的接地电阻，称为工频接地电阻，用RE表示；

冲击接地电阻：雷电流流经接地装置所呈现的电阻，称为冲击接地电阻，用Rsh表示。

接地的类型

工作接地：根据电力系统运行的需要，人为地将电力系统中性点或电气设备的某一部分进行接地。

保护接地：为保证人身安全、防止触电事故，将电气设备的外露可导电部分与地作良好的连接。

TN系统：TN系统的电源中性点直接接地，并引出有中性线（N线）、保护线（PE线）或保护中性线（PEN线），电气设备的外露可导电部分与PE线或PEN线相连。

TN-C系统：N线与PE线合为一根PEN线，所有设备的外露可导电部分均接PEN线。（图a）

接地装置的装设

自然接地体：与大地有可靠接触的金属导体，如埋入地下的金属管道、建筑物的钢结构和钢筋、行车的钢轨、电缆金属外皮等都可作为自然接地体。

人工接地体：采用钢管、圆钢、角钢、扁钢等钢材制成。

垂直埋设的接地体：用φ38～50mm的钢管或∠40 ×40 ×4mm～∠50×50×5mm的角钢。

水平埋设的接地体：用φ16mm的圆管或40×4mm的扁钢。

接地线：用20×4mm～40×4mm的扁钢。

说明：接地装置由多根接地体组成，可成排布置，也可以环形布置。每根接地体长2.5m左右，接地体之间的距离约5m，将各接地体打入地中后，用圆钢或扁钢连成一体。

接地网的布置：应使接地装置附近的电位分布尽可能均匀，以降低接触电压和跨步电压，保证人身安全。

接地电阻的计算

地电阻的最大允许值：见书中表。

自然接地体接地电阻的计算：可查阅有关设计手册。

人工接地体接地电阻的计算

降低土壤电阻率的措施

采用外引式接地装置：将接地体引至附近的水井、泉眼、水沟、河边、水库边、大树下等土壤电阻率较低的地方，或者敷设水下接地网，以降低接地电阻。

深埋地极法：如果地下较深处的土壤电阻率较低，可用深埋式接地体。

换土法：用电阻率较低的土壤（如粘土、黑土等）替换原有电阻率较高的土壤，置换范围在接地体周围0.5m以内和接地体的1/3处。

化学处理法：在接地体周围加入低电阻率的减阻剂来增加土壤的导电性，从而降低其接地电阻。

防雷电击与电气安全

电气安全的有关概念

伤害程度与电流大小的关系：通过人体的电流愈大，人体的生理反应愈明显，伤害愈严重。

感知电流：指电流通过人体时可引起感觉的最小电流。感知电流值与时间因素无关。

摆脱电流：指人在触电后能够自行摆脱带电体的最大电流。摆脱电流值也与时间无关。

室颤电流：指引起心室颤动的最小电流。室颤电流与电流持续时间关系密切。

图是国际电工委员会（IEC）提出的人体触电时间和通过人体电流对人身肌体反应的曲线。

防雷电击与电气安全

我国一般采用30mA（50Hz）作为安全电流值，但其触电时间不得超过1s，因此这安全电流值也称为30mA·s。

伤害程度与电流持续时间的关系：通过人体电流的持续时间愈长，愈容易引起心室颤动，危险性就愈大。

伤害程度与电流通经的关系：

电流通过心脏会引起心室颤动，电流较大时会使心脏停止跳动；

电流通过中枢神经，会引起中枢神经严重失调而导致死亡；

电流通过头部会使人昏迷，电流较大时会对脑组织产生严重损坏而导致死亡；

电流通过脊髓会使人瘫痪等。

伤害程度与电流种类的关系：直流电流、交流电流、高频电流、静电电荷以及特殊波形电流对人体都有伤害作用，通常以50～60Hz的工频电流对人体的危害最为严重。

人体电阻：人体电阻包括体内电阻和皮肤电阻。体内电阻约500Ω，与接触电压有关。皮肤电阻较大，集中在角质层，正常时可达104-105Ω。

皮肤的潮湿、多汗、有损伤等会降低人体电阻；

通过电流加大，通电时间加长，会增加发热出汗，也会降低人体电阻；

接触电压增高，会击穿角质层，也会降低人体电阻。

一般情况下，人体电阻可按1000～2000Ω考虑。

安全电压：是指不致使人直接致死或致残的电压。它取决于人体允许的电流和人体电阻。

我国规定的安全电压等级为：42V、36V、24V、12V和6V。

凡手提照明灯、在危险环境和特别危险环境中使用携带式电动工具，如无特殊安全结构或安全措施，应采用42V或36V的安全电压；

金属容器内、隧道内、矿井内等工作地点狭窄、行动不便，以及周围有大面积接地导体的环境，应采用24V或12V的安全电压；

水下作业等场所采用6V的安全电压。

在一般的正常环境条件下，通常称交流50V电压为可允许持续接触的“安全特低电压”。

漏电保护器的基本结构和原理

安全用电的一般措施

建立电气安全管理机构，确定管理人员和管理方式。

严格执行各项安全规章制度。

对电气设备定期进行电气安全检查，以便及时排除设备事故隐患。

加强电气安全教育，以便提高工作人员的安全意识，充分认识安全用电的重要性。

妥善收集和保存安全资料。

按规定使用电工安全用具。

加强检修安全制度。

普及安全用电知识，使用户和广大群众都能了解安全用电的基本常识。

按建筑物的防雷类别确定滚球半径和避雷网尺寸

阀型避雷器与被保护设备之间的最大允许距离

雷电对建筑物及构筑物的危害

雷电对建筑物的危害：雷电是常见的一种自然现象，即天空云层间一种放电现象，雷击时释放可观的能量，从而使受雷击的物体遭到严重损害，具体表现在以下几个方面：

①雷电对地面产生的直接雷击；

②感应雷击；

③雷击产生机械力；

④雷击产生跨步电压跨步电压。

建筑物易受雷击部位：建筑物的性质、结构及所处的位 置等决定受雷击的程度。如：屋面、屋脊及突出高的建筑物等。

建筑物的防雷措施

建筑物的防雷措施是根据工程性质和发生雷击部位后所产生的后果来分类。

民用建筑：是依据建筑物、构筑物的重要程度和建筑物、构筑物的高度不同划分为一级 、二级、三级三类。并分别采用一级、二级、三级防雷建筑物的保护措施。

工业建筑：是依据生产特点和发生雷击部位后可能产生的后果划分为一类 、二类、三类。并分别采用一类、二类、三类工业建筑物和构筑物的防雷措施。

防雷设施：用来消除雷击和雷电产生的过电压对建筑物和变电所及设备绝缘的危害所采取的保护设施，即接闪器和避雷器（经过引下线与接地体可靠的连接）。

防雷措施：①建筑物的防雷； ②变电所的防雷； ③高压电动机的防雷；④架空线路的防雷；⑤消雷器。

建筑物防雷的主要措施：

①装设独立避雷针，通过引下线接地。

②装设避雷网、避雷带，通过引下线接地。

③利用建筑物的结构组成避雷网及引下线。

④利用电缆进线以防雷电波的侵入。

防雷装置的组成：由接闪器、引下线、接地体三部分。

①接闪器：避雷针、避雷网、避雷带及均压环；

②引下线：引下线及保护管、断接卡、接线板、支架；

③接地体：接地母线、接地支线、接地极、接地板。

建筑物防雷平面图

避雷针保护范围图：

① 折线法表示避雷针保护范围；② 滚球法表示避雷针保护范围。（暖通南社编辑）

按建筑物类别布置接闪器及滚球半径

避雷针保护范围图的阅读

避雷带或避雷网平面布置图

建筑物接地平面图

接地装置的构成：

①人工接地体：一般是将型钢或钢管打入地下，形成有效接地，常用的一般有钢管接地极和角钢接地极；钢管接地极一般用2.5m长φ40~50壁厚不小于4mm的钢管，顶部打入地下深度不小于0.7m，形成接地极，角钢接地极一般用L50×5角钢，顶部打入地下不小于0.7m，形成接地极。钢管、角钢接地极一般成组敷设。单根接地极间用-40×4镀锌扁钢接地母线连接形成一组。具体根数由计算确定，每组中接地极间距应为2~3倍的接地极长度，一般为5m。

②自然接地体：利用建筑物的结构作为接地体。经常作为接地体的建筑物的结构有钢结构、钢筋混凝土结构、钢筋混凝土基础、钢轨、金属管道等埋入地中的金属构件，这些构件只要安装正确，都是很好的接地体。

③接地母线、跨接线：接地母线一般采用-40×4镀锌扁钢或φ8镀锌圆钢制成。接地母线遇有障碍时，须跨越而相连接头。跨接一般会出现在建筑物的变形缝处，钢轨作为接地体时每节钢轨相连处，通风管道法兰盘连接处等。

建筑防雷与接地工程

建筑物防雷与接地工程图：一般包括防雷工程图和接地工程图。它主要由建筑防雷平面图、立面图和接地平面图表示。

工程概况：该建筑避雷带沿屋面女儿墙敷设，支持卡子间距1m，东西两面墙设2根引下线，距地面2m设断接卡子，引下线固定支架间距1.5m。接地体沿建筑物基础四周埋设，埋设深度0.68m，距基础中心距离为0.65m。

施工说明：

1、避雷带、引下线均采用－25×4扁钢，镀锌或作防腐处理。

2、引下线自－0.3米到1.7米用φ50硬塑料管保护。

3、采用－25×4扁钢作水平接地体，围建筑物一周埋设，其电阻不大于10欧，达不到时，可增加接地极。

接地系统

接地装置由接地体、接地干线、接地支线组成，并和自然接地体连成一个整体。

接地装置埋入土中的深度为0.8M，与设备基础的距离大于1M。

接地装置接地电阻按电气规范规定不得大于4Ω，若实测大于4Ω ，则需另外处理。

接地装置安装与调试

接地装置的安装：

①金属构件支架的接地极；（人工接地）

②利用建筑物结构作接地极。（自然接地）

接地装置的调试：

①建筑物防雷接地电阻≤10Ω；

②变电所保护接地电阻≤4Ω；

③独立避雷针接地电阻≤25Ω。

接地电阻的检测方法是：用摇表检测 。

降低接地体电阻的方法：

①外引式接地；（增加人工接地极根数）。

②接地体深埋；（把接地体埋入更深的较湿土层中）。

③换土；（把电阻率高的土壤换掉）。

④增加化学降阻剂（在接地极附近土层浇氯化钠溶液等等）。

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