接闪装置与避雷器件_电力/水利_工程科技_专业资料。概述 ? 18世纪中叶美国科学家富兰克林通过大量实验(风筝引雷电)建立了 雷电学说,创立了避雷理论,发明了接闪杆。用接闪杆来保护高耸的 房屋、教堂等,其方法是在物体的最高顶上固定一支更高的磨尖铁棒,

  概述 ? 18世纪中叶美国科学家富兰克林通过大量实验(风筝引雷电)建立了 雷电学说,创立了避雷理论,发明了接闪杆。用接闪杆来保护高耸的 房屋、教堂等,其方法是在物体的最高顶上固定一支更高的磨尖铁棒, 在其下端通过一导线通到地下即通过避雷器来引雷放电。 ? 贝尔发明电话机以后,就出现了第二种避雷器--导雷器,它实际上 为一个火花隙。 ? 19世纪末出现了阀型避雷器的前身。 ? 到了20世纪,人们开始注意到感应雷击(静电感应和电磁感应)的危 害。 ? 1968年日本松下电器公司研制出了一种金属氧化物非线性电阻的新一 代无间隙避雷器--氧化锌避雷器。 ? 20世纪80年代以后,随着微电子技术的广泛应用与迅猛发展,由于微 电子器件对雷电电磁脉冲极端敏感,因而雷电产生的危害面就进一步 扩大,许多领域都需要防雷保护。 第一节 直击雷的防范措施 ? 防避直击雷装置: 接闪器、引下线 和接地装置三部 分组成。 接闪器又包括: 接闪杆、接闪线、 接闪带和接闪网。 它们都是用金属 做成,安装在建 筑物的顶端。 接地线 接闪器 建筑物 引下线 铁塔地网 接地体 ? 防避直击雷的方法: 通过接闪器尖雷电流接收下来,然后通过 引下线,接地体迅速的将其送往大地。 ? 防避直击雷的基本原理(P26) 结论:1)接地电阻越小,雷电压衰减的越快,雷击 时散流得越快。因而避雷装置的接地电阻越小越好。 2)避雷装置只能大大减少被雷击的可能性。 ?防直击雷的避雷装置:接闪器、引下线、接地装置。 ?防高电压引入(感应雷)的专用避雷器:电力避雷器、电信避雷器。 ?避雷器中的避雷元件(有些可独力使用):放电管、氧化锌压敏电阻、 半导体二极管等。 第二节 接闪杆 一、工作原理与结构 接闪杆是一种防直击雷的避雷装置,它是由两百多年前富兰克林发 明的,其最大优点是结构简单,安装方便,成本低廉,维护方便。 1、接闪杆工作原理:装设在比其他物体高得多的接闪杆,利用自身产 生的向上先导来改变雷云的向下先导的走向,将落雷点吸引到自己身 上来,以保护比它矮的物体不易遭受雷击。 2、接闪杆的结构 接闪杆是接闪器中的一种,采用热镀锌圆钢或度锌焊接的钢管制成, 接闪杆的接闪端宜做成半球状, 其弯曲半径为最小4 . 8 m m 至 最大1 2 . 7 m m 。 部分防直击雷接闪杆外形图 普通接闪杆 3A2型优化接闪杆 ZGU-5AB型E.S.E针 5A3型优化接闪杆 优化接闪杆: 它具有接閃、降低雷電流幅度及延長放電時間, 使di/dt減小的功能 。 提前预放电接闪杆(E.S.E): 接闪杆主要由激发器从自然界的电场中吸收并 贮存能量。反射器及避雷器针尖与大地有良好的 电气连接,处于等电位状态。所以通常情况下, 激发器与反射器之间有电场强度,每当雷闪发生 前,电场强度会迅猛增大,激光激发器与反射器 之间的电位差大致相当于雷云与大地之间的电位, 它们之间的电压降迅速增加会造成尖端打火,并 使尖端周围的空气离子化,形成尖端放电现象。 3、接闪杆接闪器的最小直径 直径 针型 针长1m以下 针长1-2m 烟囱顶上的针 圆钢(mm) 12 16 20 钢管(mm) 20 25 40 二、接闪杆的保护范围 建筑物类别 1、接闪杆保护范围的计算方法: 早期采用的有:改进折线法、曲线 法、直线法 第一类建筑物 第二类建筑物 现在国际上普遍采用:滚球法。 第三类建筑物 滚球法:指以某一定半径的球体, 在装有接闪器的建筑物上滚过, 滚球被建筑物上所装的接闪器撑 起,这时球体的弧与建筑物之间 的范围。 根据建筑物被雷击后引起后果的 严重程度,我国《防雷技术标准 规范》规定,把建筑物分为三类, 其滚球半径如表: 保护图: 滚球半径hr 30m 45m 60m 2、单支接闪杆保护范围的计算 (1)当接闪杆的高度h≤hr时: 说明:h:接闪杆到地的高度(m); hr:滚球半径(m) rx:接闪杆在高度hx的xx,平面上的保护半径(m)。 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A、B两点; ③以A、B为圆心,hr为半径作弧线,该弧线与地面相交并与地面相切从 弧线起到地面止就是保护范围。保护范围是一个对称的锥体。 ④接闪杆在hx高度的xx,平面上的保护半rx为: rx ? h?2hr ? h? ? hx ?2hr ? hx ? ⑤接闪杆在地面上的保护半ro为: r0 ? h?2hr ? h? 式中: rx 接闪杆在hx高度xx’平面的保护半径; hr 为滚球半径; hx 被保护物的高度(m); r0 接闪杆在地面上的保护半径 。 单支接闪杆的保护范围剖面立体图 例一:第二类防雷建筑物,计算 单支接闪杆的保护范围时,滚球半径 为45m,若接闪杆离地高度为45m,代 入公式得接闪杆在地面上的保护半径 为45m;若接闪杆的高度为8m,代入公 式得: r0 ? h?2hr ? h? ? 8?2 ? 45 ? 8? =25.6(m) (2)当接闪杆的高度h大于hr时,在接闪杆上取高度hr的一点代替单支 接闪杆针尖作为圆心。接闪杆在地面上的保护半径等于滚球半径,即: r0 = hr (3)单支接闪杆保护范围的计算程序已知输入量:rx、hx、hr; 程序输出量:h. 3、双支等高接闪杆的保护范围(讨论h≤hr的情况) (1)D≥ 2 h?2hr ? h? (或者D≥2ro)时,各按单支接闪杆的方法确定。 (2) D< 2 h?2hr ? h? (或者D<2ro)时, ①保护范围的确定:外侧按单支接闪杆的方法确定,两针之间先作出O,点,以 R为半径作经过两针间的弧线。 ②R的大小为: R ? (hr?h)2 ?(D / 2)2 ③C、E两点为两针间最外沿的保护点,在地面上每侧的最小保护宽度bo为: b0 ? CO ? EO ? h(2hr ? h) ?(D / 2)2 在高度为hx的xx,平面上,两针间最外沿每侧的最小保护宽度b为: b0 ? CO ? EO ? r 2 x ? (D / 2)2 ④在AOB线上,距中心线任意距离X处,在其保护范围上边线上的保护高度hx 为: hx ? hr ? ?hr ? h?2 ? ?? ? D ?2 ? 2? ?x2 4、双支不等高接闪杆的保护 5、方形布置的四支等高接闪 杆的保护 三、接闪杆的安装: ?砖木结构接闪杆的安装 ?平顶屋上接闪杆的安装 注:旧规范中,接闪器防腐可以涂漆,新规范已经不允许了 ,对材料作了相应 规定,除以往采用的热镀锌钢外,还有铜、镀锡铜、铝、铝合金、不锈钢、镀 铜钢。 四、引下线、引下线:将接闪器与接地装置连接起来,只有雷击时才载流的金属导 线。 ①引 下 线 宜采用热镀锌圆钢或扁钢, 宜优先采用圆钢。若用圆钢直 径不得小于8mm,若采用扁钢厚度不得小于4mm,宽度不得小于 12mm(截面为48m㎡); ②引下线应沿建筑物外墙外表明敷设,并经最短路径接地。建筑艺术 要求较高者可暗敷设,但截面积应加大,若用圆钢直径不得小于 10mm,若采用扁钢截面积不得小于80mm; ③采 用 多 根专设引下线时,应在各引下线 m 之间装设断接卡,便于测量接地电阻是否达到设计要求和检验引下 线。 ④引下线尽量装在行人不易碰撞的地方。 ⑤建 筑 物 的钢梁、钢柱、消防梯等金属构件以及幕墙的金属立柱宜 作为引下线, 但其各部件之间均应连成电气贯通。 2、接地装置:埋设在地中直接与大地接触作散流的金属导体。 ①若人工接地体采用垂直埋设,一般宜用热镀锌角钢、钢管等,若采 用水平埋设,一般宜采用热镀锌扁钢或圆钢; ②接地电阻一般要求小于10Ω。 防雷测试点(连接板) 当利用混凝土内钢筋、钢柱作为 自然引下线并同时采用基础接地体时 , 可不设断接卡, 但利用钢筋作引下线 时应在室内外的适当地点设若 干连接 板,这些连接板可供测量、接人工接 地体和作等电位连接用 。 引下线及断接卡 接地装置 接地系统 地面 >0.5m 接地总干线 总等电位接地端子板 接地总引出线m 水平人工接地体 垂直人工接地体 建筑物基础自然接地体 自然接地体与人工接地体连接线 第三节 接闪线 一、工作原理 接 ? 接闪线:架设在输电线的上方,以此来保 护输电线路免遭直接雷击的接闪器。(架 闪 线 空电力线最上面的地线) ? 工作原理:同接闪杆基本相同,但引雷作 用和保护宽度均比接闪杆小。 ? 接闪线)的热镀锌钢绞线(或铜绞 线)架设在被保护物上方而成。 二、保护范围的计算 计算方法:滚球法。 第四节 接闪带和接闪网 一、建筑物易受雷击部位及重点保护 1、建筑物易受雷击部位: 主要在:女儿墙、屋角、屋脊、屋檐、檐角等处。 2、重点保护部位: ? 以上易受雷击部位,在屋角除装暗设接闪带以外,还应加装接闪杆 (一般在50cm左右); ? 对屋顶上的特殊突出部位(如烟囱等)应另外采取保护措施; ? 对屋顶上的突出部位(如水箱、钢爬梯等)应加装接闪杆,并很好接 地(目前建筑物无需另设引下线,利用自身钢筋接地体焊接好即可)。 二、接闪带和接闪网 1、 接闪带:在平顶房子屋顶四周的 女儿墙或坡顶屋的屋脊、屋檐上装上金 属带(一般为Φ8的圆钢)作接闪器, 并将其与大地良好连接来起到避雷效果。 (见下图) 2、接闪网:分为明装和暗装两种, 暗装利用钢筋混凝土结构中的钢筋 网进行雷电保护(必要时还可在保 护物上加装辅助接闪网)。 第五节 避雷器件 避雷器件可分为电力避雷器和电涌保护器(SPD)两种。电力避雷器 又分为保护间隙、排气式避雷器、阀型避雷器和氧化锌避雷器;电涌保 护器(SPD)按用途不同可分为电源电涌保护器、天馈电涌保护器和信 号电涌保护器。 一、电力避雷器 电力避雷器是一种限制由输配电线路传播的雷电过电压的电压限 制器。它实质上是一种放电器,并联在被保护设备的附近,当作用电压 超过电力避雷器的放电电压时,避雷器放电,从而保护了其它电气设备 不被损坏。 ◆一般工作原理: 当电网由于雷击出现瞬时脉冲 设 电压时,防雷器在纳秒内导通,将脉 冲电压短路于地泄放,后又恢复为 备 高阻状态,从而不影响用户设备的 供电。 1、保护间隙 保护间隙是最简单,最经济的电力防雷设备,其结构简单, 造价低廉,维护方便,但其保护性能较差。 主间隙 ?等效电路 辅助间隙 主间隙 辅助 间隙 ?主要不足点:强大的冲击电流会造成三相变压器的相间绝缘损坏。 ?应用:常用于中性点不直接接地10KV 以下的配电网络中,一般安装 在高压熔断器的内侧,以减少变电所线路断器的跳闸次数。 2、阀型避雷器 阀型避雷器是由放电间隙和非线性电阻阀片组成,装 在密封的瓷管内。放电间隙的电极由黄铜材料冲压成小圆 盘状,中间以云母垫圈隔开,间隙距离为0.5~1mm。非线 性电阻阀片是由许多阀片串连而成的组合件,阀片是用碳 化硅加结合剂在300~3500C低温下烧结而成。 3、氧化锌避雷器 (1)氧化锌避雷器的工作原理 1972年,日本研制成无间隙氧化锌避雷器,主要用在电网的高、中、低压保 护,高压保护可达500KV以上,低压一般为220/380V,如图所示。 氧化锌避雷器主要由氧化锌压敏电阻构 成,每一块压敏电阻从制成时起就有它一定 的压敏电压(开关电压),当加在压敏电阻 两端的电压低于该数值时,压敏电阻呈现高 阻状态,如果把它并联在电路上,该阀片呈 现断路状态;当加在压敏电阻两端的电压高 于该数值时,压敏电阻即被击穿,呈现低电 阻,甚至接近短路状态。 当电力线被雷击时,雷电波的高电压使压敏电阻击穿,雷电流通过压敏电阻 流入大地,使电力线上的雷电压被箝制在安全范围内。当雷电流过后,压敏电阻 恢复高阻状态,电力线恢复正常输电。 高压避雷器 低压避雷器 (2)、避雷器的主要技术参数 ? (实测)限制电压(Um):在SPD试验中施加规定波形和辐值的冲 击电压时,在SPD接线端子间测得的最大电压峰值。 ? 最大持续运行电压(Uc):可持续加于电气系统电涌保护器保护模 式的最大方均根电压或直流电压;可持续加于电子系统电涌保护器 端子上,且不致引起电涌保护器传输特性减低的最大方均根电压或 直流电压。 ? 标称放电电流(In):流过电涌保护器8 / 2 0 μ s 电流波的峰值。 ? 残压(Ures):放电电流流过SPD时,在其端子间的电压峰值。 残压与所通过的雷电波峰值电流和波形有关。 ? 响应时间:避雷器两端加上的电压为压敏电压时,其延迟一定时间 才会导通,该延迟的时间就叫响应时间。响应时间越短,避雷器避 雷效果越好,品质越高。 ZGB148A-20型电源避雷器的技术指标: 额定电压AC 最高持续运行电压 冲击通流容量 8/20μs 220V 240V 20KA 限制电压 KV 1.0 二、电涌保护器(SPD) 1、电涌保护器的分类 (1)按使用非线性元件的特性来分,有电压开关型、电压限制型和组合型。 ① 电压开关型SPD:无浪涌出现时,SPD呈高阻状态;当冲击电压达 到一定值时(即火花放电电压),SPD的电阻突然下降为极低值。常用的 非线性元件有放电间隙、气体放电管、开关型SPD等。 电压开关型电涌保护器具有大通流容量(标称通流电流和最大通流电流) 的特点,适用于易遭受直接雷击部位的雷电过电压保护(LPZ0A区), 开关型SPD为间隙放电型器件,其雷电能量泻放能力大,在线路上使用的 主要作用是泄放雷电能量 。 ② 电压限制型SPD:当没有浪涌出现时, SPD呈高阻状态;随着冲击电流及电压的逐步提 高,SPD的电阻持续下降,当超过其起控电压时, 电阻突然下降为极低值。常用的非线性元件有压 敏电阻、瞬态抑制二极管等 。 限压型电涌保护器具有连续的电压/电流特 性限压型电涌保护器是较为常用的过电压保护器, 一般适用于LPZ0B区、LPZ 区或LPZ2…n等后 续防雷区的雷电过电压防护。 限压型SPD为氧化锌压敏电阻器件,其雷电能量 泻放能力小,但其过电压抑制能力好,在线路上使用 的主要作用是限制过电压。 ③组合型SPD:由电压开关型元件和电 压限制型元件混合而成。 (2)按使用的性质分类 由于雷电过电压可能沿供(配)电线路、信号线 路、或天馈线路侵入,因此安装在不同系统中的 SPD必须满足不同系统的特殊要求。按使用性质 将SPD可分为电源SPD、信号SPD和天馈SPD。 2、SPD在低压配电系统中技术参数的名称解释 ① 保护模式:SPD可连接在L(相线)、N(零线)、PE(保护线)间,如L-L、 L-N、L-PE、N-PE,这些连接方式就称为保护模式。(横向避雷和纵向避雷) ② 额定电压(标称电压)Un:制造厂商对SPD规定的电压值。在低压 配电系统中一般指220VAC、380VAC等。 ③点火电压(开关型SPD火花放电电压):在电涌冲击下开关型SPD 电极间击穿电压。 ④箝位电压Uas:使SPD进入箝位状态的浪涌电压。 ⑤电压保护水平Up:一个表征SPD限制电压的特性参数,它可以从一 系列的参考值中选取(如0.08、0.09、……1、1.2、1.5、1.8、 2、……8、10KV等)该值应比在SPD端子测得的最大限制电压大,与 设备的耐压一致。 ⑥额定放电电流In:在8/20μs电流波形作用下,通过SPD的额定电流值。 ⑦最大放电电流Imaxn:在8/20μs电流波形作用下,通过SPD的电流峰 值。 ⑧响应时间Tn:SPD两端施加的压敏电压到SPD箝位电压的时间。 3、电源SPD 在电子信息系统中,由现代微电子器件组成的电子电路对电网的质量要求较 高,对雷电过电压的承受能力较弱,因此必须有电压限制形式的精细保护。为了 抑制雷电过电压波的侵入,应安装相应的电源SPD。 当前电源SPD大多采用氧化锌压敏电阻作为主要元件,一般分为三级保护设 计,在8/20μs电流波形作用下,第一级采用通流容量为60~80KA的电源SPD保 护,第二级采用通流容量为40~60KA的电源SPD保护,第三级采用通流容量为 20~40KA的电源SPD保护。如图3.25、图3.26所示为中光公司生产的ZGG系列 电源SPD。 (1)、工作原理: 在正常工作情况下,防雷模块(压敏元件)处于高阻状态。当供电线路 有雷电侵入或出现瞬时过电压时,防雷模块将以纳妙级的响应速度立即 导通,将雷电过电压泄放到地。当雷电过电压结束以后,防雷模块又迅 速地恢复到高阻状态,不影响电网地正常工作。 (2)、安装方法(见图) ? 保护器在安装前应检查外 贴标记是否损坏,若记损 坏或显示窗口的颜色呈红 色,表示已不能使用。 ? 保护器应安装在供电线路 的保险丝之后, ? 应根据不同的供电系统按 下图进行安装接线,连接 线m㎡, 并应尽量短。 ZGB148A、ZGB14电源避雷器 (1)、产品实物 该电源避雷 器主要用于邮电 通信、银行、广 播电视、机场等 一切非爆炸区的 电源系统防雷, 保证各类电子设 备的安全运行。 (2)、工作原理 当有感应雷电波侵入电源传输线式,电源避雷器的防雷组件将以纳秒级 (50ns)的响应速度呈现低阻状态,迅速将雷电流泄放到地,将雷电流 引起的过电压限制在用电设备允许承受的耐压范围内,以确保电器设备的 安全运行。 (3)、安装与维护 1)安装接线)、安装方法: ? 安装前,先检查外观,应无明显损伤。然后用500型万用表RX10K档 (不能用摇表)测量A、B、C、N(或L、N)之间的电阻应为无穷大,A、 B、C(或L)对PE的阻值大于100K?,N对PE的阻值为无穷大。 ? 按照上图连接安装,连线m㎡以上,耐压不低于AC500V 的绝缘铜导线。 ? 连接完毕,接通电源,合上断路器,面板上的指示等呈绿色,表示该电 源避雷器开始工作。 3)、使用与维护: ?本避雷器在正常使用中无需特别维护,为防止避雷器失效,在雷电过后应 及时检查,当发现面板上的指示灯由绿色变为红色时,应立即更换。 ?本避雷器在损坏后,断路器会跳到“OFF”状态,,面板上的指示灯呈红 色。 4、天馈SPD 各种无线电通信设备(包括微波通信设备、卫星通信设备、短波及超 短波通信设备等),雷达设备、电视及其转播和发射设备、无线电广播设 备即使是在机房装有防直击雷的保护装置时,从天线的馈线上也可能侵入 感应产生的雷电流,而使电子设备遭到雷击。天馈SPD就是将感生的雷电 脉冲引入大地,而对射频信号却无干扰地保持正常的通信状态。 现在使用的几种天馈SPD其基本原理如图3.27所示。其中(1)是在 同轴线入的短接线,其原理是按天线入, 在支点对射频呈开路状态,而对雷电过电压呈短路状态。(2)是在导线 上直接并联电感及压敏电阻。电感起高频扼流作用,不让射频信号入地, 对雷电过电压,电感短路,压敏电阻在雷电过电压下导通。(3)是在同 轴线芯上并联气体放电管到地,对雷电流起泄放到地作用。 如图3.28所示为中光公司生产的ZGB003系列天馈SPD。 5、信号SPD 它主要用于通信系统各类信号线、控制线、数据线上进行过电压保护 的装置,如图3.29为计算机避雷器的原理图。该信号SPD是以三极气体放 电管和快速箝位二极管为主体构成的线、常见SPD连接示意图 图一 串联式SPD三相电源防雷箱 L1 L2 L3 SPD防雷箱 N 图二 并联式SPD单相电源防雷箱 非模块式 L1 L2 L3 N PE BX SPD防雷箱 模块式 L1 L2 L3 N PE BX 三、三相交流电源的连接方式 1、三相三线制 特点:电源只有三根相线输出,无接地中线,只给三相对称负载供电 2、三相四线制(负载为非对称的情况) 三相四线接中制:中线不接地。 三相四线、三相五线制 特点:在三相四线制的基础上,在建筑物总开关的接零点处,多引出 一条线到各用户,供室内的设备保安接地(保护地线PE),而零线用N表 示。 四、低电压配电系统的接地形式 1、TN系统:TN-S系统,TN-C系统,TN-C-S系统。 2、TT系统: 3、IT系统: 说明:第一部分T表示电源是直接接地,I表示通过阻抗接地;第二部分N 表示外露导电部分经中性点(N)接地,T表示外露导电部分单独接地; 第三部分C表示中性线(N)与保护线(PE)合用,S表示各分开用。 低压交流供电制式示意图 图一 TN-S系统 L1 L2 L3 N PE 图二 TN-C-S系统 L1 L2 L3 PEN N PE 图三 TN-C系统 L1 L2 L3 PEN 电源系统接地 外露导电部分 电源系统接地 外露导电部分 图四 TT系统 L1 L2 L3 N 电源系统接地 PE 外露导电部分 SPD在TN-C-S电源系统中的安装示意图 主配电柜 避雷器 SEB 电表 PEN kWh 分配电柜 避雷器 设备 避雷器 L1 L2 L3 PE N LPZ 0 EBB LPZ 1 EBB LPZ 2 LPZ = 防雷保护区 SEB =配电柜 EBB =等电位连接排

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