避雷線保護(hù)范圍

1緒論雷電是一種大氣自然現(xiàn)象，對(duì)人類社會(huì)而言，雷電有時(shí)也會(huì)造成自然災(zāi)害。人與自然總體上是和諧發(fā)展的，這是社會(huì)進(jìn)步的前提，雷電災(zāi)害的范圍和表現(xiàn)形式在這發(fā)展過程中也在發(fā)生變化，于此同時(shí)，雷電防護(hù)科學(xué)技術(shù)也在人類認(rèn)識(shí)自然，抵御自然災(zāi)害過程中不斷發(fā)展。從久遠(yuǎn)的過去開始，雷電就對(duì)人類、人類賴以生存的自然資源和人類創(chuàng)造的物質(zhì)文明構(gòu)成巨大的威脅，例如，森林火災(zāi)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(shè)施常因雷擊而發(fā)生災(zāi)難性事故。不難看出，雷電災(zāi)害的范圍隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展而擴(kuò)大，其表現(xiàn)形式隨其范圍擴(kuò)大而復(fù)雜。因此，提高雷電防護(hù)科技水平勢(shì)在必行。富蘭克林發(fā)明避雷針之后，這一防雷工程技術(shù)延續(xù)了百余年毫無發(fā)展，不僅是由于人類對(duì)雷電的認(rèn)識(shí)停滯不前，而且還由于實(shí)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(yīng)雷產(chǎn)生的或電壓波沿線侵入建筑物內(nèi)造成設(shè)備損壞、破壞房屋和人身傷亡等現(xiàn)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(zāi)，當(dāng)然富蘭克林的避雷針無法對(duì)付它，需要一種完全不同的思路來防止這種雷災(zāi)，那就是在過電壓波入建筑物之前把它倒入地，為此而設(shè)計(jì)出來的避雷裝置就是避雷線。近年來，國(guó)外超高壓線路有采用良導(dǎo)線避雷線的趨勢(shì)，主要采用鉛包鋼線，它具有強(qiáng)度較高、不生銹、又有適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電率的優(yōu)點(diǎn)。一般用絕緣子使之與桿塔相互絕緣，利用間隙引導(dǎo)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(yīng)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(duì)單支避雷線進(jìn)行了有效的安全防護(hù)范圍的計(jì)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(xiàn)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(dāng)水滴聚積很多時(shí)即成為云，云層很厚時(shí)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(yīng)起電，即①水滴破裂效應(yīng)：云中水滴被強(qiáng)氣流吹襲，會(huì)分成兩個(gè)以上水滴，而較大水滴帶正電，較小水滴帶負(fù)電，于是云層帶有不同的電荷（正電及負(fù)電）；②吸收電荷效應(yīng):宇宙射線作用下，大氣中存在正負(fù)兩種離子，且空間存在自上而下的電場(chǎng)，該電場(chǎng)使云層上部聚負(fù)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(yīng)：云滴在氣流作用下升入高空，遇冷結(jié)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(fù)電而水膜帶正電。在上述過程反復(fù)進(jìn)行下，水膜不斷加厚，在較強(qiáng)氣流吹動(dòng)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(tuán)頂部帶正電，云團(tuán)底部帶負(fù)電。2.2雷電的危害雷擊對(duì)地面造成危險(xiǎn)主要從對(duì)物體（如設(shè)施、設(shè)備及房屋、樹木等）及對(duì)人身傷害來考慮。在雷電向地面放電時(shí)，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(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)，使房屋和建筑物發(fā)生火災(zāi)和被擊毀。閃電通路與不燃物（磚、混凝土）接觸時(shí)，產(chǎn)生部分破壞，易燃和易爆的液體和固體就會(huì)發(fā)生著火和爆炸。在沒有雷電防護(hù)的目的物，雷電直接擊中目標(biāo)，是使雷電擊中目的物所在地區(qū)的電位勢(shì)，達(dá)到了極高值。結(jié)果，沿介質(zhì)強(qiáng)度最小的路，從被擊中地區(qū)向房屋內(nèi)的地面放電，這樣形成的放電（火花）可使保管在房?jī)?nèi)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(nèi)被雷電擊死等。在與建筑物有一定距離處雷電放電時(shí)，雷電不與房屋和建筑物直接作用，表現(xiàn)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(yīng)和電磁感應(yīng)引起的。除了雷電一次作用和二次作用外，高電位蓄積對(duì)有爆炸危險(xiǎn)的保護(hù)物，也能夠引起很大的危險(xiǎn)。由于靜電感應(yīng)或雷電直接擊中到架空線上，以及當(dāng)雷電從被擊毀樹木附近樹干移到線上時(shí)，高電位勢(shì)就能呈現(xiàn)在架空線上（動(dòng)力線、照明線、電路線、信號(hào)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(chǎn)生。這種電位勢(shì)可以從架空線向被保護(hù)對(duì)象附近物體發(fā)生放電，當(dāng)電流經(jīng)過避雷裝置接地極板擴(kuò)散的瞬間，接地極板獲得了極高的電位勢(shì)，如果與保護(hù)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(shí)，則高電勢(shì)能夠沿著金屬物體進(jìn)入有爆炸危險(xiǎn)保護(hù)的內(nèi)部，有可能引起火花。防止高電位勢(shì)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(dāng)雷擊通過避雷針或高壓線路落地時(shí)，由于電流在地中擴(kuò)散，會(huì)在地面上沿半徑各點(diǎn)形成不同電位，當(dāng)附近人員跨開兩腳，在兩腳間會(huì)受到很高的跨步電壓作用，它也會(huì)造成對(duì)人員及爆破工程的危險(xiǎn)。在雷擊條件下，為避免接觸電壓及跨步電壓對(duì)人的危險(xiǎn)，人應(yīng)離開避雷針3?5m。3對(duì)雷擊的防護(hù)3.1概述在當(dāng)今世界上，對(duì)雷擊的防護(hù)大多國(guó)家仍沿用富蘭克林避雷針的原理。特點(diǎn)為利用自身高度使雷云下的電場(chǎng)發(fā)生畸變，使雷電吸引于自身，代替被保護(hù)物受雷擊。防雷的主要設(shè)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(dǎo)體型和半導(dǎo)體型兩類。3.2防雷建筑物分類雷電對(duì)大地上目標(biāo)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(jié)構(gòu)與性質(zhì)不同，建筑物內(nèi)存放物不同，物質(zhì)狀態(tài)不同等。因此，在防雷設(shè)施上也實(shí)施分類指導(dǎo)的原則。在民用建筑物中，根據(jù)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(guó)家級(jí)大型建筑，如國(guó)家級(jí)會(huì)堂、辦公建筑、火車站、航空港、通訊樞紐、國(guó)賓館、旅游建筑、重點(diǎn)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(jí)辦公室、體育、廣播與通訊、商廈及劇場(chǎng)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(shù)平均為0.01以上的建筑物。3.3防雷措施雷電對(duì)地面目標(biāo)危害表現(xiàn)有三個(gè)方面，①直接雷擊即直擊雷；②雷電感應(yīng)，即表現(xiàn)為各種靜電積聚及升高；③雷電波侵入，即表現(xiàn)為各種電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)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(dǎo)線；接地極板是埋入地中，并將雷電電流導(dǎo)入地中。避雷線防雷電是通過防護(hù)對(duì)象的制高點(diǎn)向另外制高點(diǎn)或地面接引金屬線的防雷電。根據(jù)防護(hù)對(duì)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(hù)對(duì)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(hù)作用等同于在孤垂上每一點(diǎn)都是一根等高的避雷針。3.4國(guó)內(nèi)外防雷技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)3.4.1標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)在針對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行防護(hù)的電源防雷器的開發(fā)設(shè)計(jì)中，廠商基本統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)的模塊化設(shè)計(jì)，全部采用35mm標(biāo)準(zhǔn)電氣導(dǎo)軌的安裝方式，比起最初簡(jiǎn)單的防護(hù)方法，此種設(shè)計(jì)安裝更方便，也可實(shí)現(xiàn)更好的防爆防火安全需求。3.4.2針對(duì)性的專業(yè)設(shè)計(jì)隨著科技技術(shù)的發(fā)展，越來越多的高科技新型設(shè)備的出現(xiàn)，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(shè)備的更高技術(shù)要求，所以針對(duì)每一種高科技新型設(shè)備，將會(huì)有更具針對(duì)性的專業(yè)化防雷產(chǎn)品出現(xiàn)。3.4.3精細(xì)化隨著現(xiàn)代化高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)一一電子技術(shù)的迅速發(fā)展，新型設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越集中化，元件越來越精細(xì)化，使得設(shè)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(chǎn)品的殘壓要更低，保護(hù)要更精細(xì)。防雷是一個(gè)永久話題，仍在不斷發(fā)展中，應(yīng)該說現(xiàn)在尚無萬試萬靈的產(chǎn)品。防雷技術(shù)還有許多待探索的東西，目前雷云起電的機(jī)理還不清楚，雷電感應(yīng)的定量研究也很薄弱，因此防雷產(chǎn)品也在發(fā)展中，一些防雷產(chǎn)品所聲稱的新效果，需以科學(xué)的態(tài)度在實(shí)踐中檢驗(yàn)，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(zhǎng)期的統(tǒng)計(jì)分析才能得到有益的結(jié)果，這需要各方的通力合作才能實(shí)現(xiàn)。4避雷線概述避雷線又稱架空地線，架設(shè)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(shè)。架空送電線著累時(shí)，可能打在導(dǎo)線上，也可能打在桿塔上。雷擊導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線上將產(chǎn)生遠(yuǎn)高于線路額定電壓的所謂“過電壓”，有時(shí)達(dá)幾百萬伏。它超過線路絕緣子串的抗電強(qiáng)度時(shí)，絕緣子將“閃絡(luò)”，往往引起線路跳閘，甚至造成停電事故。避雷線可以遮住導(dǎo)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(shè)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(shí)，在桿塔和導(dǎo)線間的電壓超過絕緣子串的抗電強(qiáng)度時(shí)，絕緣子串也將閃絡(luò)，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(hù)效果還同它下方的導(dǎo)線與它所成的角度有關(guān)，角度較小時(shí)，保護(hù)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(hù)角，線路運(yùn)行時(shí)的雷擊跳閘故障也較少，但建設(shè)投資較大。我國(guó)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(yán)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(nèi)裝設(shè)避雷線，作為變電所進(jìn)線的防雷措施。避雷線一般使用鍍鋅鋼絞線架設(shè)，常用的截面是25、35、50、70平方毫米。導(dǎo)線的截面越大，使用的避雷線截面也越大。避雷線也會(huì)因風(fēng)吹而振動(dòng)，常易發(fā)生振動(dòng)的地方通常裝有防振錘。近年來，國(guó)外超高壓線路有采用良導(dǎo)線架空地線的趨勢(shì)，主要采用鉛包鋼線，它具有強(qiáng)度較高、不生銹、又有適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電率的優(yōu)點(diǎn)。一般用絕緣子使之與桿塔相互絕緣，利用間隙引導(dǎo)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(yīng)損耗。5避雷線的防雷保護(hù)原理在雷電先導(dǎo)階段，避雷線頂部聚積電荷，在發(fā)展先導(dǎo)和避雷線頂端之間的通道中建立了很大的電場(chǎng)強(qiáng)度，避雷線迎面先導(dǎo)的產(chǎn)生和發(fā)展大大加強(qiáng)這個(gè)通道中的電場(chǎng)強(qiáng)度，最好選定擊中避雷線，靠近避雷線的被保護(hù)物比避雷線低，由于避雷線的屏蔽和迎面先導(dǎo)作用，使被保護(hù)物遭受雷擊的概率很小。利用避雷線可實(shí)現(xiàn)直擊雷保護(hù)。雖然這種方法不是主動(dòng)的，但能提供99.5%?99.9%的保護(hù)效果。對(duì)密閉在完全金屬殼體（或金屬網(wǎng)）內(nèi)的被保護(hù)物才能提供完全保護(hù)。例如，人在金屬殼體內(nèi)或在停放的金屬殼體汽車內(nèi)，能安全免遭雷擊傷害。按引雷的性能，避雷線的確切名稱應(yīng)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(hù)作用，除要在保護(hù)范圍內(nèi)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(hù)的必要條件。因?yàn)樵诶纂娭睋舯芾拙€時(shí)，很高的引流線電抗和接地電阻可能產(chǎn)生很高的電壓，引起避雷線在空氣中、絕緣物或地面上對(duì)被保護(hù)物反擊。避雷線在受雷擊向大地泄放電流時(shí)，產(chǎn)生的高電壓對(duì)金屬、磚石或混凝土結(jié)構(gòu)一般不會(huì)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(gòu)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(duì)于易燃、易爆和敏感電子設(shè)備和低壓電器設(shè)備，很可能因出線火花或發(fā)生電阻或設(shè)置獨(dú)立避雷線等措施來顯出這種危險(xiǎn)。6避雷線的保護(hù)范圍所謂保護(hù)范圍是指被保護(hù)物在此空間內(nèi)可遭受雷擊的概率在可接受值之內(nèi)。各種文獻(xiàn)規(guī)定的保護(hù)范圍內(nèi)不同是指允許遭受雷擊的概率不同。中華人民共和國(guó)和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《DL/T620-1997交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》中規(guī)定，避雷線保護(hù)范圍可接受雷擊概率為0.1%，即保護(hù)范圍可靠率達(dá)0.999.美國(guó)推薦性標(biāo)準(zhǔn)IEEEStd142-1991規(guī)定，避雷針擊距(或球半徑)為30m時(shí)，保護(hù)范圍內(nèi)遭受雷擊概率(饒幾率)大約為0.1%；擊距(或球半徑)采用45m時(shí)，雷擊概率大約為0.5%。國(guó)內(nèi)對(duì)避雷線的保護(hù)范圍空間內(nèi)雷電繞幾率，或保護(hù)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(jīng)濟(jì)。避雷線保護(hù)范圍截面建立類似避雷針，僅系數(shù)不同，這是因避雷線的引雷功能沒有避雷針強(qiáng)。6.1單支避雷線的保護(hù)范圍避雷線保護(hù)范圍大小同數(shù)目、高度、相互位置、雷云高度及對(duì)雷云相對(duì)位置有關(guān)。某危險(xiǎn)工房高度為9m，安裝有避雷線，架空避雷線高20米，計(jì)算單只避雷線的保護(hù)范圍。單支避雷線保護(hù)范圍見圖6.1。在被保護(hù)物物高度hx水平上保護(hù)半徑為當(dāng)hx>0.5h時(shí)，r=0.47(h-h)p (6.1)x當(dāng)hxV0.5h時(shí)，r=(h-1.53hx)p (6.2)式中：r——每側(cè)保護(hù)范圍寬度，m；hx 被保護(hù)物高度，m；p——高度影響系數(shù)。h<30m，p=130m<h<12Qm30m<h<12Qm，P=5.5?th圖6.1單根避雷線的保護(hù)范圍由于工房高度為9m,架空避雷線高為20m，由于被保護(hù)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(hù)半徑為6.23m。7結(jié)論本文通過對(duì)雷電的形成及危害的描述引出避雷線，并且介紹了對(duì)雷擊的防護(hù)，國(guó)內(nèi)外避雷裝置發(fā)展趨勢(shì)以及避雷線的防雷原理。對(duì)避雷線在實(shí)際中的應(yīng)用做了簡(jiǎn)述，并用折線法對(duì)單支避雷線的保護(hù)范圍進(jìn)行了計(jì)算。通過計(jì)算得出當(dāng)危險(xiǎn)工房高度為9m時(shí)，高度為20米的單支避雷線在水平上的保護(hù)半徑為6.23m。由于時(shí)間倉(cāng)促加之本文水平有限，論文中難免有不足之處，還請(qǐng)老師、同學(xué)予以指出幫助。參考文獻(xiàn)[1]虞吳.現(xiàn)代防雷技術(shù)基礎(chǔ)[M].第一版.氣象出版社，199