雷击和静电防护技术

注安·技术 · 2024-10-07 · 347 人浏览

雷电防护技术

种类

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  1. 直击雷

    带电积云与地面建筑等目标之间的强烈放电

  2. 感应雷

    闪电感应，分为静电感应和电磁感应

  3. 球雷

    雷电放电时形成发红、橙、白光或其他颜色光的火球

    1. 球雷存在时间为数秒到数分钟，是一团处在特殊状态下的带电气体
    2. 雷雨季节球雷能从门、窗、烟囱等通道侵入室内
    3. 直击雷和感应雷都能在架空线路或空中金属管道上产生沿线路的两个方向迅速传播的闪电冲击波，两者都能在空间产生辐射电磁波

参数

  1. 雷暴日

    一天之内能听到雷声的就算一个雷暴日（单位为d/a），年均雷暴日不超过15d/a的地区为少雷地区，超过40d/a的为多雷地区

  2. 雷电流幅值

    主放电时冲击电流的最大值，可达数十千安至数百千安

  3. 雷电流陡度

    1. 电流随时间上升的速度，雷电流冲击波波头陡度可达50$kA/\mu s$
    2. 由于雷电流陡度很大，雷电具有高频特征

  4. 雷电冲击过电压

    1. 直接雷冲击过电压高达数千千伏；感应雷过电压也高达数百千伏
    2. 雷电流和陡度很大，放电时间很短，从而表现出极强的冲击性

危害（重点）

雷电有电性质、热性质、机械性质等多方面的破坏作用

热性质：电弧高温、电流产生热量累积、球雷既有热性质也有电性质

电性质：高电压、冲击电压导致导致击穿后放电或设备损坏

机械性质：机械应力做功、力的体现

火灾和爆炸

  • （热）直击雷放电的高温电弧能直接引燃邻近的可燃物
  • （电）高压电造成二次放电可能引起爆炸性混合物爆炸
  • （热）雷电流通过导体转换出大量热能可能烧毁导体
  • （热）球雷侵入可能引起火灾
  • （电）冲击电压的高压性击穿电气设备绝缘导致短路引起火灾

触电

  • （电）雷电直接对人体放电会使人遭到致命电击
  • （电）二次放电对人体造成的电击
  • （电）球雷打击使人致命
  • （电）雷击点的高电压能直接导致接触电压和跨步电压电击
  • （电）电气设备绝缘损坏，导致高压窜入低压造成触电

设备和设施毁坏

  • （电）高电压毁坏电气设备绝缘、烧断电线或劈裂电杆
  • （机）雷电流瞬间产生的热使雷电流通道中液体急剧蒸发
  • （机）静电力和电磁力也有很强的破坏作用

大规模停电

  • （电）电力设备或电力线路破坏后可能导致大规模停电

防雷分类（重点）

建筑物按其火灾和爆炸的危险性、人身伤亡的危害性、政治经济价值分为三类

建筑物类型 第一类 第二类 第三类
制造、使用或储存
火炸药及其制品		 爆炸会造成巨大破坏
和人身伤亡的建筑物		 不易爆炸或不致造成
巨大破坏和人身伤亡		 —
具有火灾爆炸危险性 具有0区或20区爆炸
危险环境的建筑物		 具有2区或22区爆炸
危险环境的建筑物		 —
具有1区或21区
爆炸危险环境		 引起爆炸造成巨大破坏
和人身伤亡的建筑物		 不易爆炸或不致造成
巨大破坏和人身伤亡		 —
具有重要经济或政治价值 — 国家级重点文物保护建筑、
国家级特别重要建筑、
大型对国民经济有重要意义建筑、
国家特级和甲级大型体育馆		 省级重点文物保护
建筑物及省级档案馆
具有气罐和油管的储存建筑 — 有爆炸危险的露天
钢制封闭气罐和油罐

防雷装置（重点）

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：主要指防雷等电位联结及防雷间距

⚠️接闪器所用的材料应能满足力学强度和耐腐蚀的要求，还应有足够的热稳定性

接闪器

接闪针、接闪线、接闪网、接闪带都可作为接闪器

建筑物的金属屋面可作为除第一类工业建筑以外其他建筑的接闪器

接闪器保护范围计算方法（着重注意概念和数字，计算非重点）

  1. （重点）对于电力装置，保护范围可按折线法计算
    折线法是将避雷针或避雷线保护范围的轮廓看作是折线，折点在避雷针或避雷线高度的$\mathbf{\Large{\frac{1}{2}}}$处

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$$ \begin{gather} \begin{aligned} r_x&=& &\begin{cases} (h-h_x)p,&\quad h_x\ge\large\frac{h}{2}\\ (1.5h-2h_x)p,&\quad h_x\lt\large\frac{h}{2}\\ \end{cases}\\ \\ p&=& &\begin{cases} 1,&\quad h\leq30m\\ \large{\frac{5.5}{\sqrt{h}}},&\quad30m\lt h\le120m \end{cases} \end{aligned}\\ \tiny{r_x—保护半径}\\ \tiny{h—避雷针高度}\\ \tiny{h_x—当前高度h_x上保护半径为r_x}\\ \tiny{p—高度修正系数}\\ \end{gather} $$

对于高度30m以上的避雷针，上部折线与垂线的夹角$\mathbf{\large{\theta}}$不超过45$\mathbf{^\circ}$，下部折线与地面的交点至垂足的距离不超过避雷针高度的1.5倍

  1. （重点）对于建（构）筑物，保护范围可按滚球法计算
    1. 第一类防雷建筑物：滚球半径30m
    2. 第二类防雷建筑物：滚球半径45m
    3. 第三类防雷建筑物：滚球半径60m
  2. 接闪线采用截面不小于50$\mathbf{mm}^2$的热镀锌钢绞线或铜绞线
  3. 金属屋面做接闪器时，金属板之间的搭接长度$\ge$100$mm$
  4. 接闪器焊接处应途防腐漆，截面锈蚀30%以上应予以更换

避雷器和电涌保护器

  1. 避雷器装设在被保护设施的引入端
  2. 避雷器主要用来保护电力设备和电力线路，也用作防止高电压侵入室内的安全措施
  3. 电涌保护器是低压阀型避雷器，当（重点）无冲击波时都表现为高阻抗，冲击到来时急剧转变为低电阻

引下线

引下线截面锈蚀30%以上者也应予以更换

防雷接地装置

除独立接闪针外，在接地电阻满足要求的前提下，防雷接地装置可以和其他接地装置共用

  1. 独立接闪针的冲击接地电阻一般不应大于10$\mathbf{\Omega}$
  2. 阀型避雷器的接地电阻一般不应大于5$\Omega$

防雷技术（重点）

直击雷防护（重点）

  1. 第一类、第二类以及第三类防雷建筑物的易受雷击部位应采取防直击雷防护措施
  2. （重点）严禁在装有接闪针的构筑物上架设通讯线、广播线或低压线
  3. 独立接闪针不应设在人经常通行的地方
  4. 附设接闪针其接地装置可与其他接地装置共用，宜沿建（构）筑物四周敷设

二次放电防护

  1. 第一类防雷建筑物防止二次放电的最小距离不得小于3m
  2. 第二类防雷建筑物防止二次放电的最小距离不得小于2m
  3. 当不能满足间距要求时应予以跨接，即进行等电位联结

感应雷防护

  1. 为防止静电感应产生的高电压，应将建筑物内的金属结构与防雷电感应的接地装置相连
  2. 屋面结构钢筋宜绑扎或焊接成闭合回路

雷电冲击波防护（重点）

对于建筑物，为防止雷电冲击波沿低压线进入室内，可以采取的措施

  1. 全长直埋电缆供电者，入户处电缆金属外皮接地
  2. 架空线转电缆供电者，架空线与电缆连接处装设阀型避雷器
  3. 架空线供电者，入户处装设阀型避雷器或保护间隙

电涌防护

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电涌防护指对室内浪涌电压的防护，方法是应在配电箱或开关箱内安装电涌保护器

电磁脉冲防护

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建筑物所有正常时不带电的导体进行充分的等电位联结，并予以接地，同时在配电箱或开关箱内安装电涌保护器

人身防雷

  1. 在户外避雨时要注意离开墙壁或树干8m以外
  2. 雷暴时，应停止高空作业不应持有高出人体的金属器具
  3. 雷暴时，人体最好离开可能传来雷电冲击波的线路和设备1.5m以上
  4. 雷雨天气，应防止球雷进入室内造成伤害

静电防护技术

产生、影响与特点（实务）

静电产生

最常见的方式是接触—分离起电，感应起电也是比较常见的方式。除上述两种起电方式外，破断、挤压、吸附也能产生静电

比较容易产生和积累静电的过程

  1. 固体物质大面积摩擦或在压力下接触后分离，过滤器摩擦
  2. 粉体筛分、过滤、输送、干燥、悬浮粉尘高速运动
  3. 在混合器中搅拌各种高电阻率物质
  4. 液体注入容器后发生冲击、冲刷和飞溅
  5. 液化气体、压缩气体或高压蒸汽在管道中高速流动
  6. 穿化纤布料衣服、穿高绝缘鞋的人员操作、走动

影响因素（重点）

  1. 材质和杂质

    1. 容易得失电子，且电阻率很高的材料容易产生和积累静电
    2. 杂质对静电有很大影响，一般情况杂质有增强静电的趋势

  2. 工艺设备和工艺参数

    1. 接触面积越大，双电层正负电荷越多，产生的静电越多
    2. 接触压力越大或摩擦越强烈，产生较多静电
    3. 平皮带与皮带轮的滑动位移比三角皮带大，产生静电较强烈
    4. 过滤器会增加接触分离程度，使液体静电增加十几倍到100倍以上

  3. 环境条件

    1. 湿度对静电泄漏的影响很大，随着湿度增加，使绝缘体表面电阻降低，从而加速静电泄漏
    2. 导电性材料接地能加强静电的泄放，减少静电的积累

静电特点

  1. 电压高
  2. 泄漏慢
  3. （实务）多种放电形式
    1. 电晕放电：放电电流小、能量密度不高、引燃危险小
    2. 刷形放电：放电产生高密度的火花，引燃危险性较大
    3. 火花放电：有短促的爆裂声很明亮的闪光，引燃危险性较大
    4. 云形放电：云形放电的引燃危险性也很大

危害与防治（重点）（必考）

危害（重点）

火灾和爆炸

  1. 静电能量虽然不大，但因其电压很高而容易发生放电
  2. 有爆炸性混合的场所可能由静电火花引起爆炸或火灾
  3. （重点）带静电的人体接近接地导体或其他导体，以及接地的人体接近带电的物体时，均可能发生火花放电，导致爆炸或火灾

静电电击

  1. 生产工艺过程中积累的静电能量不大，静电电击不会使人致命
  2. 静电电击还可能引起工作人员紧张而妨碍工作

妨碍生产

生产过程中产生的静电，可能妨碍生产或降低产品质量

如引起电子元件误动作，对无线设备干扰，击穿集成电路

防护措施（重点）（实务）

  1. 环境危害控制
  2. 工艺控制
  3. 接地
  4. 增湿
  5. 抗静电添加剂
  6. 静电消除器

工艺控制

  1. 对材料选用、摩擦速度或流速进行限制，避免静电产生
  2. 为有利于静电的泄漏，可采用导电性工具
  3. 液体灌装、循环或搅拌过程中不得取样、检测或测温操作
  4. 对灌装液体操作前，应使液体静置一段时间
  5. 应将注油管延伸至容器底部，避免喷射和溅射
  6. 装油前清除罐底积水和污物，减少附加静电

接地

  1. 接地的主要作用是消除导体上的静电
  2. 防止感应静电的危险，不仅产生静电的金属部分应接地，而且与其不相连接但邻近的其他金属物体也应接地
  3. 对于感应静电，接地只能消除部分危险

增湿

  1. 吸湿性强的聚合型材料相对湿度应提高到80%—90%
  2. 增湿的方法不宜用于消除高温绝缘体上的静电

抗静电添加剂

加入抗静电添加剂后，能降低材料的体积电阻率或表面电阻率以加速静电的泄漏，消除静电的危险

静电消除器

静电消除器主要用来消除非导体上的静电

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