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建筑电气:防雷设计

2018-12-26 23:15:47 luckfishtao 0

自然界,对于人类来说,是司空见惯的,同时也是陌生的。就拿雷电现象来说,每个人都不陌生。但是,雷电机理和雷电的防护研究,却又是如此高深莫测!

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放电类型:

90%云对地放电是负极性

总的来说,放电开始于云端的负电荷而扩展到正电荷的地面。

然而,大量的放电现象发生在云层之间。

雷电波幅:

80%雷击不超过40kA

GB 50057显示,对于一类防雷建筑物,首次负极性雷击波幅是100kA。

实际上,80%的雷击波幅仅仅在30kA-40kA。

电压漏斗:

接触电压和跨步电压

当雷击建筑、树木、甚至地面,雷电流进入地面,形成电压漏斗,产生电压的梯度。

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上图形象的解释了跨步电压的危害,也间接解释了GB 50057合理要求"防直击雷的专设引下线距出人口或人行道边沿不宜小于3m",并做特殊处理。

反思一下:GB 50057提倡把所有柱子钢筋作为引下线,内部的引下线有何隐患?雷电流真的会乖乖的按照中国人的想象分流?国外标准为何规定引下线沿建筑外围(perimeter)?

再反思:在户外开阔地带,人穿戴金属笼子就可以防止直击雷吗?就可以保人身安全吗?

SPD:

雷电电磁脉冲防护

暂态过电压、操作过电压、感应过电压 、雷击过电压,都可以产生浪涌电流,雷击产生的过电压最高能达到额定电压的100倍!配电系统和弱电系统安装SPD刻不容缓。

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雷击损失类型:

基本和GB 50057相同

对比GB 50057,IEC 62305把雷击损失分为四类。相应的,GB 50057把防雷建筑物分为三类,IEC 62305分为四类。

大体上,GB 50057第一类防雷建筑物相当于IEC 62305的第一类,GB 50057第二类防雷建筑物相当于IEC 62305的第二类,GB 50057第三类防雷建筑物相当于IEC 62305的第三类及第四类。

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直击雷电磁耦合半径

当雷击建筑物附近时,产生强大的附加电磁场,在电气系统感应出高压。所以,GB 50343(本规范严格引用IEC 62305-2)要求的建筑物雷击风险评估在工程设计阶段显得特别重要,既是防直击雷措施的基础,也是电气系统设置SPD系统的重要依据。可以回放我的公众号文章,点击链接:设计计算-5:建筑物雷击风险评估成果、反思与展望。

那么,雷击影响的半径有多大呢?最大2km。不可掉以轻心哇。

两种电磁脉冲波形

波形1:10/350us波形是针对直击雷,I型SPD和外部防雷元件按照波形1测试。

波形2:8/20us波形针对非直击雷以及操作过电压。II型和III型SPD都按照波形2测试脉冲。

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在同样的波幅下,而波形1的测试电能是波形2的20倍。

防雷理论六大法宝

说到防雷理论和措施,不得不提我国当代防雷界的元老人物王时煦老人家。如果您读过他的作品(没有的,可以开尊口问我要),一定会找到防雷六大法宝:

——接闪功能;

——分流影响;

——均衡电位;

——屏蔽作用;

——接地效果;

——合理布线。

请死死记在脑海里!中外防雷理论都脱不了这个套路。研究雷电理论和雷电防护最NB的德国人,对应的外部/内部防雷系统几乎一模一样:

——Interception system;

——Down conductor system;

——Lightning protection equipotential bonding;

——Area shielding;

——Earthing system;

——Separation distance.

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滚球法

接闪系统的设计,有滚球法、保护角法和网格法。其中,滚球法是唯一一个建立在物理原则基础上的确定电磁场的雷击模型方法,能够解决保护角法和网格法的不确定性。

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为了对付“测漏”的侧击雷,中国的电气工程师可真操碎了心!屋顶避雷带有这么安装的:

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那不是最骚的,还有这个姿势的:

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问题是,上述做法真的能防住侧击雷吗?还得打个问号。

只要比滚球半径高的建筑物部位,都可能发生雷击。下图是滚球法的三维图:

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当建筑物超过60m,防直击雷雷怎么做呢?戳下图:

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对于上图中剩余的80%部分,IEC 62305提倡从地面层开始,每隔20m做均压环,目的是防止侧击雷(lateral impact)。

考个问题:为什么国际标准要对超过60m的建筑做这个规定?为什么是60m而不是其他数值?

保护角

保护角法虽然简单,但是只能用于简单的、小型的建筑或者建筑群的局部。

此时,避雷针像混社会的大佬,庇荫着那些小混混。换言之,避雷针不是“专门”为这些小众的对象设置,只是有些对象“碰巧”落在了避雷针的保护范围。

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各防雷专业分包商对于避雷针的保护角,数据稍有差别。以2m避雷针为例,对应于I,II,III,IV类保护对象,OBO提供的保护角分别为70度,72度,76度,79度,而DEHN提供的数据为71度,74度,77度,79度,差别不明显。

伸缩段

温度会引起避雷带长度变化,因此必须考虑伸缩段,而不是仅仅在建筑物的伸缩缝处考虑。这点,GB 50057似乎忽视了!

一般来讲,钢质避雷带直线段每隔15m、铜质/不锈钢/铝质避雷带每隔10m就要考虑伸缩段。

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