避雷線保護范圍

1緒論雷電是一種大氣自然現象，對人類社會而言，雷電有時也會造成自然災害。人與自然總體上是和諧發(fā)展的，這是社會進步的前提，雷電災害的范圍和表現形式在這發(fā)展過程中也在發(fā)生變化，于此同時，雷電防護科學技術也在人類認識自然，抵御自然災害過程中不斷發(fā)展。從久遠的過去開始，雷電就對人類、人類賴以生存的自然資源和人類創(chuàng)造的物質文明構成巨大的威脅，例如，森林火災有50%以上因雷電引發(fā)；人們居住生活的建筑物屢遭雷電破壞；電力、石化等工業(yè)設施常因雷擊而發(fā)生災難性事故。不難看出，雷電災害的范圍隨社會經濟發(fā)展而擴大，其表現形式隨其范圍擴大而復雜。因此，提高雷電防護科技水平勢在必行。富蘭克林發(fā)明避雷針之后，這一防雷工程技術延續(xù)了百余年毫無發(fā)展，不僅是由于人類對雷電的認識停滯不前，而且還由于實際需要沒有變化，避雷針還未顯出其局限性[1]。架空電線上直擊雷和感應雷產生的或電壓波沿線侵入建筑物內造成設備損壞、破壞房屋和人身傷亡等現象，這是富蘭克林年代不可能見到的。這是科技發(fā)展帶來的新的雷災，當然富蘭克林的避雷針無法對付它，需要一種完全不同的思路來防止這種雷災，那就是在過電壓波入建筑物之前把它倒入地，為此而設計出來的避雷裝置就是避雷線。近年來，國外超高壓線路有采用良導線避雷線的趨勢，主要采用鉛包鋼線，它具有強度較高、不生銹、又有適當的導電率的優(yōu)點。一般用絕緣子使之與桿塔相互絕緣，利用間隙引導雷電流入地，這樣，可利用避雷線作為載波通道并減少電能感應損耗。本文主要介紹了雷電的形成、危害、防雷原理和防雷措施，還對單支避雷線進行了有效的安全防護范圍的計算。2雷電的形成及其危害2.1雷電的形成雷電是自然界的一種靜電放電現象。在陽光照射地面后，地面水分蒸發(fā)成水蒸汽，受熱變輕上升。上升氣流中水汽遇冷氣凝成小水滴，當水滴聚積很多時即成為云，云層很厚時便形成烏云。云層中可帶有不同電荷。烏云可通過如下三種效應起電，即①水滴破裂效應：云中水滴被強氣流吹襲，會分成兩個以上水滴，而較大水滴帶正電，較小水滴帶負電，于是云層帶有不同的電荷（正電及負電）；②吸收電荷效應:宇宙射線作用下，大氣中存在正負兩種離子，且空間存在自上而下的電場，該電場使云層上部聚負電，下部聚正電，在氣流作用下使云層分離，從而使云層帶不同種電荷；③水滴凍冰效應：云滴在氣流作用下升入高空，遇冷結成冰晶后開始下降，在下降中又遇到云滴，在冰晶周圍形成水膜，在冰晶及水膜間形成了電位差，其冰晶帶負電而水膜帶正電。在上述過程反復進行下，水膜不斷加厚，在較強氣流吹動下，水膜被吹散，形成許多帶正電的小水滴，且吹到云層頂部，形成云團頂部帶正電，云團底部帶負電。2.2雷電的危害雷擊對地面造成危險主要從對物體（如設施、設備及房屋、樹木等）及對人身傷害來考慮。在雷電向地面放電時，又可以分成兩種破壞方式即雷擊的一次作用及雷擊的二次作用。雷電直接擊中地面建筑物等所造成的擊毀，稱為雷電第一次作用。在擊中的地面上伴隨著極大的機械效應和熱效應，使房屋和建筑物發(fā)生火災和被擊毀。閃電通路與不燃物（磚、混凝土）接觸時，產生部分破壞，易燃和易爆的液體和固體就會發(fā)生著火和爆炸。在沒有雷電防護的目的物，雷電直接擊中目標，是使雷電擊中目的物所在地區(qū)的電位勢，達到了極高值。結果，沿介質強度最小的路，從被擊中地區(qū)向房屋內的地面放電，這樣形成的放電（火花）可使保管在房內炸藥引起爆炸。雷擊在雨季中常有發(fā)生，如房屋被雷擊破壞，樹木被雷擊斷裂及失火，人員在屋內被雷電擊死等。在與建筑物有一定距離處雷電放電時，雷電不與房屋和建筑物直接作用，表現出一系列的間接作用，這種雷電作用稱為雷電二次作用，雷電二次作用是由靜電感應和電磁感應引起的。除了雷電一次作用和二次作用外，高電位蓄積對有爆炸危險的保護物，也能夠引起很大的危險。由于靜電感應或雷電直接擊中到架空線上，以及當雷電從被擊毀樹木附近樹干移到線上時，高電位勢就能呈現在架空線上（動力線、照明線、電路線、信號線）,也能沿著與避雷裝置接地極板連接的或接地極板附近的地下管子、電纜而產生。這種電位勢可以從架空線向被保護對象附近物體發(fā)生放電，當電流經過避雷裝置接地極板擴散的瞬間，接地極板獲得了極高的電位勢，如果與保護物相連接管子或其他金屬物體同接地極板連接起來，或者位于其附近時，則高電勢能夠沿著金屬物體進入有爆炸危險保護的內部，有可能引起火花。防止高電位勢蓄積的方法是，將接地極板與地下金屬物隔開一定距離⑵。當雷擊通過避雷針或高壓線路落地時，由于電流在地中擴散，會在地面上沿半徑各點形成不同電位，當附近人員跨開兩腳，在兩腳間會受到很高的跨步電壓作用，它也會造成對人員及爆破工程的危險。在雷擊條件下，為避免接觸電壓及跨步電壓對人的危險，人應離開避雷針3?5m。3對雷擊的防護3.1概述在當今世界上，對雷擊的防護大多國家仍沿用富蘭克林避雷針的原理。特點為利用自身高度使雷云下的電場發(fā)生畸變，使雷電吸引于自身，代替被保護物受雷擊。防雷的主要設備可以分為兩大類，即避雷裝置和消雷裝置。屬于避雷裝置系統(tǒng)的有傳統(tǒng)的富蘭克林避雷針、避雷線和法拉第籠。屬于消雷裝置系統(tǒng)有導體型和半導體型兩類。3.2防雷建筑物分類雷電對大地上目標的危害隨其條件狀況的不同而不同，如地理位置不同，建筑物結構與性質不同，建筑物內存放物不同，物質狀態(tài)不同等。因此，在防雷設施上也實施分類指導的原則。在民用建筑物中，根據其用途及重要性不同分為3類。即第一類防雷民用建筑物，這類建筑物具有特殊用途的屬國家級大型建筑，如國家級會堂、辦公建筑、火車站、航空港、通訊樞紐、國賓館、旅游建筑、重點文物等。第二類防雷民用建筑物是重要的或人員密集的大型建筑，如省、部級辦公室、體育、廣播與通訊、商廈及劇場等。第三類防雷民用建筑是高度超出20m的建筑；超過15m的煙囪及塔等孤立建筑；歷史上雷害多的地區(qū)等，以及雷擊次數平均為0.01以上的建筑物。3.3防雷措施雷電對地面目標危害表現有三個方面，①直接雷擊即直擊雷；②雷電感應，即表現為各種靜電積聚及升高；③雷電波侵入，即表現為各種電磁感應現象產生。防止直擊雷的方法是采用避雷裝置。避雷裝置通常主要由三部分組成，即雷電承受器、接地引線及接地極板。雷電承受器用于直接承受雷擊；接地引線是雷電承受器和接地極板的連接導線；接地極板是埋入地中，并將雷電電流導入地中。避雷線防雷電是通過防護對象的制高點向另外制高點或地面接引金屬線的防雷電。根據防護對象的不同避雷線分為單根避雷線、雙根避雷線或多根避雷線?？筛雷o對象的形狀和體積具體確定不同截面積的避雷線。避雷線一般采用截面積小于35mm2的鍍鋅鋼絞線。它的防護作用等同于在孤垂上每一點都是一根等高的避雷針。3.4國內外防雷技術發(fā)展趨勢3.4.1標準化、模塊化設計在針對電源系統(tǒng)進行防護的電源防雷器的開發(fā)設計中，廠商基本統(tǒng)一采用標準的模塊化設計，全部采用35mm標準電氣導軌的安裝方式，比起最初簡單的防護方法，此種設計安裝更方便，也可實現更好的防爆防火安全需求。3.4.2針對性的專業(yè)設計隨著科技技術的發(fā)展，越來越多的高科技新型設備的出現，防雷的種類也在不斷推陳出新，為的是更好的滿足這些高科技新型設備的更高技術要求，所以針對每一種高科技新型設備，將會有更具針對性的專業(yè)化防雷產品出現。3.4.3精細化隨著現代化高新技術產業(yè)基礎一一電子技術的迅速發(fā)展，新型設備的內部結構越來越集中化，元件越來越精細化，使得設備耐受過電壓、過電流的能力不斷下降，更易遭受雷電破壞。所以要求未來的防雷產品的殘壓要更低，保護要更精細。防雷是一個永久話題，仍在不斷發(fā)展中，應該說現在尚無萬試萬靈的產品。防雷技術還有許多待探索的東西，目前雷云起電的機理還不清楚，雷電感應的定量研究也很薄弱，因此防雷產品也在發(fā)展中，一些防雷產品所聲稱的新效果，需以科學的態(tài)度在實踐中檢驗，在理論上發(fā)展完善。由于雷電本身是小概率事件，需要大量長期的統(tǒng)計分析才能得到有益的結果，這需要各方的通力合作才能實現。4避雷線概述避雷線又稱架空地線，架設在桿塔頂部，一根或二根，用于防雷， 110-220千伏線路一般沿全線架設。架空送電線著累時，可能打在導線上，也可能打在桿塔上。雷擊導線時，在導線上將產生遠高于線路額定電壓的所謂“過電壓”，有時達幾百萬伏。它超過線路絕緣子串的抗電強度時，絕緣子將“閃絡”，往往引起線路跳閘，甚至造成停電事故。避雷線可以遮住導線，使雷盡量落在避雷線本身上，并通過桿塔上的金屬部分和埋設在地下的接地裝置，使雷電流流入大地。雷擊桿塔或避雷線時，在桿塔和導線間的電壓超過絕緣子串的抗電強度時，絕緣子串也將閃絡，而造成雷擊事故。通常用降低桿塔接地電阻的辦法，來減少這類事故。避雷線的保護效果還同它下方的導線與它所成的角度有關，角度較小時，保護效果較好。在架有兩根避雷線的情況下，容易獲得較小的保護角，線路運行時的雷擊跳閘故障也較少，但建設投資較大。我國近年來新建的 220千伏以下線路，多采用一根避雷線。在雷擊不嚴重的110千伏及較低電壓的線路上，通常僅在靠近變電所兩公里左右范圍內裝設避雷線，作為變電所進線的防雷措施。避雷線一般使用鍍鋅鋼絞線架設，常用的截面是25、35、50、70平方毫米。導線的截面越大，使用的避雷線截面也越大。避雷線也會因風吹而振動，常易發(fā)生振動的地方通常裝有防振錘。近年來，國外超高壓線路有采用良導線架空地線的趨勢，主要采用鉛包鋼線，它具有強度較高、不生銹、又有適當的導電率的優(yōu)點。一般用絕緣子使之與桿塔相互絕緣，利用間隙引導雷電流入地，這樣，可利用架空地線作為載波通道并減少電能感應損耗。5避雷線的防雷保護原理在雷電先導階段，避雷線頂部聚積電荷，在發(fā)展先導和避雷線頂端之間的通道中建立了很大的電場強度，避雷線迎面先導的產生和發(fā)展大大加強這個通道中的電場強度，最好選定擊中避雷線，靠近避雷線的被保護物比避雷線低，由于避雷線的屏蔽和迎面先導作用，使被保護物遭受雷擊的概率很小。利用避雷線可實現直擊雷保護。雖然這種方法不是主動的，但能提供99.5%?99.9%的保護效果。對密閉在完全金屬殼體（或金屬網）內的被保護物才能提供完全保護。例如，人在金屬殼體內或在停放的金屬殼體汽車內，能安全免遭雷擊傷害。按引雷的性能，避雷線的確切名稱應是“引雷線”，因避雷線這一名稱已被廣泛使用，所以成為慣用名詞［3］。避雷線的可靠防雷保護作用，除要在保護范圍內有引雷作用外，還要求避雷線的泄流通道（回路）的阻抗（包括引流線電抗和接地電阻）很小，這也是保護的必要條件。因為在雷電直擊避雷線時，很高的引流線電抗和接地電阻可能產生很高的電壓，引起避雷線在空氣中、絕緣物或地面上對被保護物反擊。避雷線在受雷擊向大地泄放電流時，產生的高電壓對金屬、磚石或混凝土結構一般不會造成破壞，所以像煙囪、冷水塔、架空線路桿塔、高壓配電裝置架構的避雷線及其引流線，均可固定在其本體上。但上述這種高電壓，對于易燃、易爆和敏感電子設備和低壓電器設備，很可能因出線火花或發(fā)生電阻或設置獨立避雷線等措施來顯出這種危險。6避雷線的保護范圍所謂保護范圍是指被保護物在此空間內可遭受雷擊的概率在可接受值之內。各種文獻規(guī)定的保護范圍內不同是指允許遭受雷擊的概率不同。中華人民共和國和國電力行業(yè)標準《DL/T620-1997交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》中規(guī)定，避雷線保護范圍可接受雷擊概率為0.1%，即保護范圍可靠率達0.999.美國推薦性標準IEEEStd142-1991規(guī)定，避雷針擊距(或球半徑)為30m時，保護范圍內遭受雷擊概率(饒幾率)大約為0.1%；擊距(或球半徑)采用45m時，雷擊概率大約為0.5%。國內對避雷線的保護范圍空間內雷電繞幾率，或保護可靠率研究較少［3~7］。在一些情況下，用避雷線比避雷針更方便和經濟。避雷線保護范圍截面建立類似避雷針，僅系數不同，這是因避雷線的引雷功能沒有避雷針強。6.1單支避雷線的保護范圍避雷線保護范圍大小同數目、高度、相互位置、雷云高度及對雷云相對位置有關。某危險工房高度為9m，安裝有避雷線，架空避雷線高20米，計算單只避雷線的保護范圍。單支避雷線保護范圍見圖6.1。在被保護物物高度hx水平上保護半徑為當hx>0.5h時，r=0.47(h-h)p (6.1)x當hxV0.5h時，r=(h-1.53hx)p (6.2)式中：r——每側保護范圍寬度，m；hx 被保護物高度，m；p——高度影響系數。h<30m，p=130m<h<12Qm30m<h<12Qm，P=5.5?th圖6.1單根避雷線的保護范圍由于工房高度為9m,架空避雷線高為20m，由于被保護物高度小于避雷線高度的半，所以帶入公式6.2,p取1，r=(h-1.53hx)p=(20-1.53x9)x1=6.23m所以避雷線在hx水平上的保護半徑為6.23m。7結論本文通過對雷電的形成及危害的描述引出避雷線，并且介紹了對雷擊的防護，國內外避雷裝置發(fā)展趨勢以及避雷線的防雷原理。對避雷線在實際中的應用做了簡述，并用折線法對單支避雷線的保護范圍進行了計算。通過計算得出當危險工房高度為9m時，高度為20米的單支避雷線在水平上的保護半徑為6.23m。由于時間倉促加之本文水平有限，論文中難免有不足之處，還請老師、同學予以指出幫助。參考文獻[1]虞吳.現代防雷技術基礎[M].第一版.氣象出版社，199