第八章雷電和靜電

第八章雷電和靜電第1頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)雷電及防護雷電是一種自然現(xiàn)象。雷擊會產生：極高的過電壓(數(shù)千kV～數(shù)萬kV)極大的過電流(數(shù)十kA～數(shù)百kA)——造成設施或設備的毀壞，可能造成大規(guī)模停電，可能造成火災或爆炸，還可能直接傷及人身。有關資料表明，全球平均每年因雷電災害死亡人數(shù)超過3000人。直接損失80億元。第2頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三事故教訓1989年，山東黃島油庫雷擊事故，引發(fā)的大火燒了104小時才撲滅，死亡19人（其中消防人員17人）；燒掉原油3.6萬噸，油庫區(qū)淪為一片廢墟。直接和間接損失達7千萬元。1992年，北京氣象局16層氣象中心大樓遭受雷擊，樓內計算機、電子設備受損，中斷通訊24小時，損失達數(shù)十萬元。1994年4月，成都市周圍有12個郵電局被雷電擊中，損失達幾百萬元。第3頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三一、雷電的產生密集在大地上空的水霧稱為云，由于某種原因帶有正電或負電的云稱為雷云，當雷云中電荷量增加到使其所產生的電場強度達到一定值時，周圍空氣的絕緣性能就會遭到破壞，也就是被擊穿，于是正、負雷云之間或雷云對大地之間就會發(fā)生強烈的放電現(xiàn)象，形成大自然中的閃電和雷鳴。雷電的放電：先導放電、主放電、余輝階段第4頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三二、雷電的種類直擊雷——帶電積云與地面目標之間的強烈放電稱為直擊雷。直擊雷是雷電直接擊中電氣設備或線路，造成強大的雷電流通過擊中的物體泄放入地。感應雷——感應雷也稱為雷電感應或感應過電壓。感應雷是指附近發(fā)生雷擊時設備或線路產生靜電感應或電磁感應所產生的雷擊，它分為:靜電感應雷和電磁感應雷。第5頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三靜電感應雷——是由于帶電積云接近地面，在架空線路導線或其他導電凸出物頂部感應出大量電荷引起的?！趲щ姺e云與其他客體放電后，架空線路導線或導電凸出物頂部的電荷失去束縛，以大電流、高電壓沖擊波——雷電波的形式，沿線路導線或導電凸出物極快地傳播。又稱為感應過電壓（感應雷）。感應過電壓一般為200～300kV。最高可達400～500kV。雷電侵入波的傳播速度在架空線路中約為300m/μs，在電纜中約為150m/μs。第6頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三電磁感應雷——雷電放電時，巨大的沖擊雷電流在周圍空間產生迅速變化的強磁場→在鄰近的導體上感應出很高的電動勢。如系開口環(huán)狀導體，開口處可能由此引起火花放電；如系閉合導體環(huán)路，環(huán)路內將產生很大的沖擊電流；如閉合導體環(huán)路某處接觸不良，→局部發(fā)熱→危險溫度。第7頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三球雷球雷是雷電放電時形成的發(fā)紅光、橙光、白光或其他顏色光的火球。是一團處在特殊狀態(tài)下的帶電氣體。其直徑多為20cm左右，運動速度約為2m/s，存在時間為數(shù)秒鐘到數(shù)分鐘。出現(xiàn)概率——約為雷電放電次數(shù)的2%。在雷雨季節(jié)，球雷可能從門、窗、煙囪等通道侵入室內。第8頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三三、雷電參數(shù)1.雷暴日——只要一天之內能聽到雷聲的就算一個雷暴日。用年平均雷暴日數(shù)來衡量雷電活動的頻繁程度。單位d/a，我國把年平均雷暴日不超過15d/a的地區(qū)劃為少雷區(qū)，超過40d/a劃為多雷區(qū)。2.雷電流幅值IsM——主放電時沖擊電流最大值。3.雷電流幅值概率P

年平均雷暴日大于20的一般地區(qū)：第9頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三4.雷電流陡度

雷電流陡度是指雷電流隨時間上升的速度。雷電流陡度越大，對電氣設備造成的危害也越大。5.雷擊沖擊過電壓

前一部分決定于雷流的大小和雷電流通道的電阻；后一部分決定于雷電流通道的電感。

第10頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三四、雷電的危害1.電性質的破壞作用

(1)毀壞電氣設備的絕緣，燒斷電線或劈裂電桿，造成大規(guī)模停電；

(2)絕緣損壞可引起短路，導致火災或爆炸事故；(3)二次放電的電火花可能引起火災或爆炸，二次放電也能造成電擊；(4)絕緣損壞后可能導致高壓竄入低壓，在大范圍內帶來觸電的危險；(5)數(shù)十至百千安的雷電流流入地下，可能直導致接觸電壓電擊和跨步電壓的觸電事故。2.熱性質的破壞作用

表現(xiàn)在直擊雷放電的高溫電弧能直接引燃鄰近的可燃物，從而造成火災。3.機械性質的破壞作用

表現(xiàn)為被擊物遭到破壞，甚至爆裂成碎片。第11頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三五、建筑物防雷的分類建筑物按其重要性、生產性質、遭受雷擊的可能性和后果的嚴重性分為三類。第一類防雷建筑物會造成大量人員傷亡和巨大財產損失的易燃、易爆場所。2.第二類防雷建筑物國家級重要場所、樓堂館所，一般易燃易爆場所，年預計雷擊次數(shù)大于0.06的省部級辦公樓和人員密集場所，年預計雷擊次數(shù)大于0.3的普通民宅、辦公樓。3.第三類防雷建筑物省部級樓堂館所，火災危險區(qū)域的建筑物，年預計雷擊次數(shù)比較少的地方。第12頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三

雷電危害的防護一般采用避雷針、避雷器、避雷網、避雷線等裝置將雷電直接導入大地。

避雷針主要用來保護露天變配電設備、建筑物和構筑物；避雷線主要用來保護電力線路；避雷網和避雷帶主要用來保護建筑物；避雷器主要用來保護電力設備。

包括接閃器、引下線和接地裝置。

六、防雷裝置第13頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三接閃器接閃器都是利用其高出被保護物的突出地位，把雷電引向自身，然后通過引下線和接地裝置，把雷電流泄入大地，以此保護被保護物免受雷擊。接閃器所用材料應能滿足機械強度和耐腐蝕的要求，還應有足夠的熱穩(wěn)定性，以能承受雷電流的熱破壞作用。

接閃器的保護范圍——一般只要求保護范圍內被擊中的概率在＜0.1%即可。第14頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三保護范圍計算—滾球法

以過針尖并相切于地面的半徑為hr的圓弧，水平自旋一周所形成的曲面圓錐體內，為該避雷針的保護范圍。

nmnBAB線PhA

第15頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三單支（）單支（）第16頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三避雷器避雷器并聯(lián)在被保護設備或設施上，正常時處在不通的狀態(tài)。出現(xiàn)雷擊過電壓時，擊穿放電，將雷電流或過電壓引入大地，發(fā)揮保護作用。過電壓終止后，避雷器迅速恢復不通狀態(tài)，恢復正常工作。避雷器主要用來保護電力設備和電力線路，也用作防止高電壓侵入室內的安全措施。避雷器有保護間隙、管型避雷器和閥型避雷器和氧化鋅避雷器。

第17頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三閥型避雷器

閥型避雷器由火花間隙和閥片串聯(lián)組成，并聯(lián)于電氣設備的外側。

避雷器設備閥片接地裝置雷電波三相線路火花間隙第18頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三1、基本元件①火花間隙單個火花間隙由兩個圓蝶形黃銅電極中間夾一個絕緣用的云母墊圈構成。②閥片閥片由碳化硅和粘合劑在一定的溫度下燒結而成，形狀為扇形圓柱體，它的電阻具有較強的非線性。主要作用是限制工頻續(xù)流。2、保護原理雷電波到→間隙擊穿→閥片電阻↓→雷電流入地→設備被保護→雷電消失→閥片電阻↑→間隙恢復絕緣→線路恢復正常。

第19頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三引下線防雷裝置的引下線應滿足機械強度、耐腐蝕和熱穩(wěn)定的要求。引下線一般采用圓鋼或扁鋼，其尺寸和防腐蝕要求與避雷網、避雷帶相同。第20頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三防雷接地裝置接地裝置是防雷裝置的重要組成部分。接地裝置向大地泄放雷電流，限制防雷裝置對地電壓不致過高。除獨立避雷針外，在接地電阻滿足要求的前提下，防雷接地裝置可以和其他接地裝置共用。沖擊接地電阻的概念

第21頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三七、防雷技術1、直擊雷防護（1）應用范圍

①第一類防雷建筑物、第二類防雷建筑物和第三類防雷建筑物的易受雷擊部位應采取防直擊雷的措施；

②可能遭受雷擊，且一旦遭受雷擊后果比較嚴重的設施或堆料(露天油罐、露天儲氣罐等)也應采取防直擊雷的措施；

③高壓架空電力線路、發(fā)電廠和變電站等也應采取防直擊雷的措施。(2)基本措施

直擊雷防護的主要措施——裝設避雷針、避雷線、避雷網、避雷帶。第22頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三（3）二次放電防護避雷針落雷時，雷電流在引下線和接地電阻上產生很高的電壓降，可能在離被保護物最近處擊穿它們之間的空氣而損壞被保護物，這種現(xiàn)象叫作“反擊”（二次放電）直擊雷配電裝置反擊Ah越高越危險高壓母線最小間距的規(guī)定：空氣中：地中：（指變配電裝置）第一類建筑：第二類建筑：（民用建筑）

第23頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三2、感應雷防護防感應雷的措施主要是將建筑物或構筑物上的金屬體以及其保護范圍內的金屬體可靠接地?？蓡卧O接地裝置，接地電阻不大于10Ω，也可與電氣設備接地裝置共用。3.雷電侵入波防護

屬于雷電沖擊波造成的雷害事故很多。在低壓系統(tǒng)，這種事故占總雷害事故的70%以上。防雷電波的侵入，對于電力線路及變配電裝置主要采用避雷器和避雷線保護；對于各類建筑物則主要采用相應部位接地的措施，低壓線路有時也采用避雷器。

第24頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三4、人身防雷

雷暴時，由于帶電積云直接對人體放電，雷電流入地產生對地電壓，以及二次放電等都可能對人造成致命的電擊。

第25頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三

附：防雷九不要1）不要把羽毛球拍、鋤頭等扛在肩上和使用有金屬桿的雨傘。2）打雷時不要開窗、打手機和電話，離開照明線、電話線、電視和網絡線，不要拿噴頭洗澡。3）不要快速開摩托車、騎自行車，在野外要關閉手機。4）不要使用電器和水龍頭。5）不要接觸天線、金屬門窗等帶電設備或金屬裝置。6）不要躲入沒有防雷設施的建筑物和孤零零的棚屋、崗亭、路亭。7）不要游泳，不要站立于山頂、樓頂。8）不要站在空曠場地以及樹木、桅桿邊上。9）野外遇雷不要平躺地面，應兩腳并攏，雙手抱頭，蹲下身體，披上不透水的雨衣。

第26頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)靜電防護技術物體內部失去平衡的相對靜止的電荷叫靜電。靜電在工業(yè)民用中的應用叫靜電技術，靜電可能引起爆炸，靜電也可能造成二次事故。據統(tǒng)計，靜電災害目前已占整個事故的10%左右，個別領域高達34%之多。

第27頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三靜電災害事故案例某企業(yè)將小型汽油儲罐中的汽油用泵經底部閥門全部抽出來時，因閥門安裝在比罐底稍高的地方，為了稍稍提高油的水平面，往油罐里注水。水是從儲罐油面上約4.5m處自由落下的。在注水14min后……儲罐發(fā)生了——爆炸！原因？第28頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三一、

靜電的起電方式1、接觸-分離起電——不同物體原子得失電子的能力不同，當緊密接觸時將發(fā)生電子轉移，在分界面兩側出現(xiàn)大小相等、極性相反的兩層電荷，稱之為雙電層，形成接觸電位差，約為幾mV～幾百mV。

當突然分離時，便分別帶異號靜電。

雙電層絲綢（得電子）玻璃（失電子）第29頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三2破斷起電——可能因破斷而造成整體性正、負電荷分離產生靜電的現(xiàn)象叫破斷起電。如固體粉碎、液體分離所產生的靜電。3感應起電——當導體B與接地體C相連時，在帶電體A的感應下，B的端部出現(xiàn)正電荷，但B對地電位仍然為零；當B離開C時，B成為帶電體。4電荷遷移——當一個帶電體與一個非帶電體接觸時，電荷將重新分配，即發(fā)生電荷遷移而使非帶電體帶電。第30頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三二、靜電的種類固體靜電：固體物質大面積的接觸-分離或大面積的摩擦，以及固體物質的粉碎等過程中，都可能產生強烈的靜電。幾萬～幾十萬V，靜電火花可引起火花和爆炸；人體靜電：人在活動過程中，人的衣服、鞋以及所攜帶的用具與其他材料摩擦或接觸-分離時，均可能產生靜電。人體靜電可達10000V，能量小不會有致傷致死的危險。粉體靜電：粉體是處在特殊狀態(tài)下的固體，其靜電的產生也符合雙電層的基本原理。粉體具有分散性，與空氣的接觸面積增加，使得材料的穩(wěn)定度降低。由于懸浮狀態(tài)，顆粒與大地之間總是通過空氣絕緣的。靜電電壓可達幾萬V，部分物質容易被引爆；液體靜電：流動液體與管道內壁產生的雙電層，終端積累靜電；氣體靜電：高速噴出，因接觸－分離或分裂等原因產生靜電。第31頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三三、靜電的特點靜電從整體上來說，其特點是電壓高、能量小，而危害大。具體有：1、靜電的電量小，靜電電壓高。2、靜電的能量不大或者說放電后的電流不大。一般不大于毫焦級。3、絕緣體上的靜電消失或泄漏的很慢，因此，必須設置消除靜電的裝置。4、靜電會放電。人體或金屬體尖端放電都有極大的危險性，特別是在爆炸和火災危險場所。5、靜電會產生靜電感應?？赡軙趯w或人體上產生電荷而且電壓很高，而導致危險的火花放電。6、靜電是可以屏蔽的。第32頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三四、靜電的消失1、靜電中和是通過空氣發(fā)生的。由于空氣中存在帶電粒子，當帶電體在同空氣的接觸時，其所帶電荷逐漸得到中和。空氣中的自然存在的帶電粒子極為有限，中和是極為緩慢的，一般不會被覺察到。帶電體上的靜電通過空氣迅速的中和發(fā)生在放電時。第33頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三2、靜電泄漏絕緣體上較大的泄漏有兩條途徑：一條是絕緣體表面泄漏；（遇到的是表面電阻）；另一條是絕緣體內部泄漏。（遇到的是體積電阻）。半值時間——泄漏到Q=Q0/2時所用的時間。用于衡量靜電泄漏的快慢，亦即衡量危險性的大小。濕度對泄漏影響——隨著濕度增加絕緣體表面電阻大為降低靜電泄漏加速。第34頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三五、靜電的影響因素1、

的高阻材料容易產生和積累靜電，影響材料電阻率的雜質將影響其靜電特性。一般情況下，雜質有增加靜電的趨勢；但如雜質能降低原有材料的電阻率，則加入雜質有利于靜電的泄漏。2、接觸面積，接觸壓力越大，分離速度越高，靜電越強。管道內壁越粗糙，接觸面積越大，沖擊和分離的機會也越多，流動電流就越大。對于粉體，顆粒越小者，一定量粉體的表面積越大，產生靜電越多。3、干燥環(huán)境容易產生靜電（相對濕度低于30%）

第35頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三六、靜電的危害1.爆炸和火災

靜電能量雖然不大，但電壓高則易放電出現(xiàn)電火花，該火花在有爆炸性氣體、爆炸性粉塵或可燃性物質且濃度達到爆炸或燃燒極限時，可能發(fā)生爆炸和火災。靜電在一定條件下引起爆炸和火災，其充分和必要條件是：（1）周圍空間必須有可燃性物質存在；（2）具有產生和積累靜電的條件，包括物體本身和周圍環(huán)境有產生和積累靜電的條件；（3）靜電積累到足夠高的電壓后，發(fā)生局部放電，產生靜電火花；（4）靜電火花能量大于或等于可燃物的最小點火能量。第36頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三2.靜電電擊

當人體接近靜電體或帶靜電的人體接近接地體時，都可能遭到電擊，但由于靜電能量很小，電擊本身對人體不致造成重大傷害，然而很容易造成墜落等二次傷害事故。3.妨礙生產

有些生產工藝過程，靜電會妨礙生產或降低產品質量。如紡織、粉體加工、塑料、橡膠、印刷、膠片等行業(yè)，以及電子控制元件、自動化儀表由于靜電而誤動作，使其控制的生產線程序混亂，導致產品不合格。第37頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三七、防靜電的措施1．環(huán)境危險程度的控制靜電引起爆炸和火災的條件之一是有爆炸性混合物存在。為了防止靜電的危害，可采取以下控制所在環(huán)境爆炸和火災危險性的措施。取代易燃介質。在不影響工藝過程、產品質量和經濟許可的情況下，盡量用不可燃介質代替易燃介質。(2)降低爆炸性混合物的濃度。在爆炸和火災危險環(huán)境，采用通風裝置或抽氣裝置及時排出爆炸性混合物。(3)減少氧化劑含量。這種方法實質上是充填氮、二氧化碳或其他不活潑的氣體，減少爆炸性混合物中氧的含量不超過8%時即不會引起燃燒。第38頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三2．工藝控制材料的選用限制摩擦速度或流速改變注油方式

1）往油箱、油罐注油時，應從底部壓入。

2）從頂部往油箱、油罐注油時，可改變注油管頭的形狀或將注油管插到底部。清除油罐或管道內的雜質或積水，以利于減少靜電。

合理選用防爆設