雷电的防护及数值计算

1.6雷电的防护GB50057-94中对雷防提出的总则（第1.0.1条）规定:“为使建筑物(含构筑物,下同)放雷设计因地制宜地采取放雷措施,防止或减少雷击建筑物所发生的人身伤亡和文物、财产损失，做到安全可靠、技术先进、经济合理，制定本规范。

”————注意，这里提的是“防止或减少”而不是一概要求“防止”，同时也提出考虑安全可靠、技术先进和经济的合理要同时考虑。

在标准的条文说明中指出：“有人认为，建筑物安装防雷装置后就万无一失了。

从经济的观点出发，要达到这点是太浪费了，因此特指出“或减少”，以示不是万无一失，因为按照本规范设计的防雷装置的安全度不是100% 。

1.6.1直击雷的防护防直击雷的外部装置包括接闪器（避雷针、避雷带、避雷线、避雷网）、引下线、接地装置，另外也包括屏蔽措施，通过这些装置迅速地将把雷电流泄放放入地。

1.6.2 电涌的防护为保护设备安全和抑制各种雷电感应引起的浪涌过电压，必须采取系统有效的保护措施，即在电源线信号线上加装浪涌抑制器。

1.6.3等电位连接为防护雷电流引起电磁感应和地电位反击的破坏作用，所有允许连接的设备金属外壳，接地的金属管线和导体间应进行的等电位连接。

是防雷电引起的电磁感应、地电位反击的重要措施(但不允许连接的导体之间防反击是以保持足够的距离实现——防闪络)。

从实质上讲电涌保护也是一种瞬间的等电位连接，是用SPD器件把不能连续与地连接的通电导体（电源线、信号线）与地连接起来。

1.6.4屏蔽用于防护雷电引起的电磁脉冲辐射的破坏作用。

1.6.5防闪络措施对于不能采取等电位连接和使用点涌保护器防护时，通过保持距离抑制雷电引起的地点位反击和电磁感应等的破坏作用。

（下图为基站防雷系统图）1.7 雷电流的特性● 每次雷击的电流波形是随机的，差别很大。

● 雷电流波形一般都是前沿陡而后沿时间相对较长的波形，一般前沿时间在几个微秒到几十个微秒，后沿的半值值时间一般在几十到几百微秒。

● 雷击有正闪击或负闪击，负闪击占多数（约占80~90%）。

正闪击平均的电流强度比负闪击要大（负闪击的电流峰值以20~50KA 居多，而正闪击的峰值往往在100KA 以上），一次雷击大多数分成3~4次放电（但正闪击通常由一个单闪击构成）。

一般第一次闪击的电流峰值值最大，但首次雷击以后的负闪击的前沿更陡。

雷电流近似于典型曲线是双指数函数曲线双指数函数： ＝Ｉ0 （ eI 0 —— 雷电流值峰α —— 波前衰减系数；β—— 波尾衰减系数；-αte-βt)i另外，还有等值斜角波、等值余弦、幂指数波形等（略）●雷电流的电荷量雷电流的电荷量的近似计算公式：Q= ( 1/0.7)·I·T2T2：雷电流半值时间，单位：秒（S）式中, Q: 电荷量,单位：库仑（c ）I：雷电流幅值，单位：安培（A）●雷电流的单位能量（即流过1欧姆电阻消耗的能量），近似计算公式：W/R = 0.5·(1/0.7) ·I 2·T2式中, W/R：单位能量，单位：焦耳/ 欧姆（J /Ω）I：雷电流幅值，单位：安培（A ）T2：雷电流形的半值时间，单位：秒（S）1.建筑物防雷工程2.1名词术语解释见下表2.2 防雷建筑物的分类及要求分类的根据：按GB50057-94的规定进行划分“建筑物应根据其重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，按防雷要求分为三类”，具体分类见标准，概括为：第一类是爆炸危险大，后果严重的建筑物第二类是特别重要建筑物，或爆炸危险但较小、后果不太严重的；或年预计雷击次数较高、较重要和人员密集的建筑；第三类，相对于第二类各因素次之但也属需加强防雷要求的建筑物。

2.3建筑物的年预计雷击次数N = kN g A e式中：N——建筑物年预计雷击次数（次/a）k ——校正系数，在一般情况下取1，在下列情况取相应数值：位于旷野孤立的建筑物取2；金属屋面的砖木结构建筑物取1.7;位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、山谷风口等处以及特别潮湿的建筑物取为1.5 。

N g——建筑物所处地区雷击大地的年平均密度[ 次/(km2·a )] 。

1.3N g = 0.024T（式中：T d——当地年平均雷暴日）A e——与建筑物截收相同雷击次数的等效面积。

计算方法如下：1）当建筑物高度小于100米时，其每边扩大宽度D按下式计算：D =√H（200 —H）对于长、宽、高为L×W×H 长方体形建筑，有：A e = [ LW + 2（L+W）·√H（200 —H）+ πH（200—H）]·10-6（km2）2) 当建筑物高度等于或大于100米时，其每边扩大的宽度应按等于建筑物的高度H进行计算。

这时有：A e = [ LW + 2（L+W）·H +πH2 ]·10-6（km2）3）当建筑物各部位的高度不同时，应按建筑物周边逐点算出最大扩大宽度，其等效面积A e应按每点最大扩大宽度外端的连接线所包围的面积计算。

( 参考公式: 国防科工委研究得出的计算公式：N = 0.015TK1 K2H2·10 – 4式中：T——年平均雷暴日；N—雷击概率（次/年）；K1—落雷不均匀系数，易受雷击的建筑物K1=1.5~2.0 ；K2—建筑材料影响系数，金属材料K2=1.5，非金属材料K2=0.15；H—避雷针高度(m)]。

)2.4接闪器的保护范围（滚球法）2.4.1 滚球法：滚球法是以h r为半径的的一个球体，沿需要防直击雷的部位滚动，当球只触及接闪器（包括被利用做接闪器的金属物），或只触及接闪器和地面（包括与大地接触并能承收雷击的金属物），而不触及需要保护的部位时，则该部位就得到接闪器的保护，滚球法确定的接闪器保护范围应符合本规范（GB50057-94）附录四的规定。

2.4.2单支避雷针的保护范围有关的计算公式：r x = √ h(2h r- h) - √ h x(2h r- h x)r0 = √ h(2h r- h)式中：h r —————滚球半径，按防雷级别确定（见下附表）；h ——建筑物的高度（当h≥h r时，取h=h r）h x———避雷针高度中间的的某个高度；r x———相对于h x高度的保护范围（圆形）的半径；r0———相对于地面上保护范围（圆形）的半径。

各类建筑物的滚球半径见附表附表2.4.3双支等高避雷针的保护范围（当两针h≤h r，两针距离小于2 r0时, r0 =√ h(2h r- h) ）●两针外侧的保护范围按单支避雷针计算。

●两针之间保护范围的上边线是以中心线距局地面h r的的一点O,为圆心，以√（h r——h）2 + ( D/2)2为半径所做的圆弧。

●两针之间的保护范围，在任一高度hχ处和C（或E点）所处的垂直平面上以hχ做假想针，按单支避雷针的方法逐点确定的。

●χ—χˊ平面上保护范围（略）2.4.4 参考：IEC1024-1规定避雷针布置的保护角（我国标准规定用滚球法，不用保护角法，表中规定的防雷级别和滚球半径也与我国规定不同）见下表：注：表中滚球半径、避雷针高度、避雷网格的单位为米，2.4.5雷电流参量的规定表首次雷击参量首次雷击以后的负雷击参量注：当计算导线的寄生电感引起的电压时应按此表参数计算。

表长时间雷击的雷电流参量注：平均电流 I = Q L/T2.5接地装置的工频接地电阻与冲击接地电阻2.5.1 冲击接地电阻计算公式：R～＝ A R i式中，R～——在接地装置各支线的长度取值小于或等于接地体有效长度l e ，或者有支线大于l e 而取其等于l e时的工频接地电阻。

（注：用接地电阻测试仪测量出的是工频接地电阻。

对一般形状的接地体有给定的公式可计算工频电阻）R～≥R i .（l e————有效长度，按公式l e= 2√ρ计算，ρ为该处的土壤电阻率）A——换算系数，其数值宜按附图3.1确定（略，见标准），A的数值与比值l/ l e 成反比（l是接地体最长支线的实际长度），还与ρ成反比。

R i——所要求的接地装置的冲击接地电阻。

2.5.2环绕建筑物的环形接地体应按以下方法确定冲击接地电阻：a)当环形接地体周长的一半大于或等于接地体的有效长度l e时，引下线的冲击接地电阻应为从与该引下线的连接点起沿两侧接地体各取l e长度算出的工频接地电阻（换算系数A等于1）。

b)当环形接地体周长的一半小于接地体的有效长度l e时，引下线的冲击接地电阻应为以接地体的实际长度算出工频接地电阻再除以A值。

2.5.3与引下线连接的基础接地体，当其钢筋从引下线的连接点量起大于20米时，其冲击接地电阻应为以换算系数A等于1和以连接点为圆心、20米为半径的半球体范围内的钢筋体的工频接地电阻。

2.5.4工频接地电阻的计算公式a)单根垂直安装的棒形接地体的接地电阻计算公式（引自GBJ 79-85，见“汇编”第190页）R c = (ρ/2πl)·L n[4l（l+2h）/d(l+4h)]注：近似计算时可用：R = (ρ/2πl)·L n（4l/d）式中, R c：工频接地电阻，单位：欧姆（Ω）；h 接地体顶面埋深，单位：米（m）;ρ：大地电阻率，单位：欧姆·米（Ω·m）；l：接地体长度，单位：米（m ）；d接地体等效直径，单位：米（m ）。

确定如下表：表d 等效直径 d 值表b) n根并联的相同的垂直接地体R n c = R c /nηc式中, R c：单根垂直安装的接地体的接地电阻n : 相同的垂直接地体个数ηc ：垂直接地体的利用系数，具体可查阅GBJ 79-85《工业企业通信接地设计规范》中附表2.1 、 2.2、 2.3 。

附表见后面c)单根水平安装的接地体的接地电阻计算公式（引自GBJ 79-85，见“汇编”第190页）R P = (ρ/2πl)·[ L n（l2/ hd）+ A ]式中，R P：单根水平安装的接地体的工频电阻，单位：欧姆（Ω）；h 接地体顶面埋深，单位：米（m）ρ：大地电阻率，单位：欧姆·米（Ω·m）；l：接地体长度，单位：米（m）；d：接地体等效直径，单位：米（m），确定同上面表d 。

A：水平接地体的形状系数。

见下表A表A 水平接地体的形状系数分析:上表说明,对水平接地体，在同样的L、h、d 的情况下，不同的形状接地电阻不同，而形状越复杂，接地电阻越大（但有时受可用面积限制而不得不采用复杂形状）。

2.5.4.d) n根并联的相同水平接地体的接地电阻R nP= R P / nηp式中，R P：单根水平安装的接地体的接地电阻；n ：相同的水平接地体个数；ηp：水平接地体的利用系数，具体可查阅GBJ 79-85《工业企业通信接地设计规范》中附表2.1 、 2.2,附表附后。