三級防雷建筑物設計施工中的問題

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［摘　要］對IEC,、GB50057－94,、JGJ/T16－92等建筑物防雷規(guī)范進行對比,，指出對三級防雷建筑物的防直擊雷設計與施工中存在的誤區(qū)以及應采用的相應措施，論述建筑物防雷設計中應計算的設計參數(shù),，安全,、經濟地實現(xiàn)設計標準。

［關鍵詞］建筑物 防雷設施 裝置間距 跨步電壓 埋地深度 接地電阻

一,、前言

在建筑物防雷設計中,，設計人員對一、二級防雷建筑物的防雷設計比較重視,，疏漏差錯很少,，但對大量的三級防雷建筑物的防雷設計卻常有忽視。由于設計質量管理規(guī)定：對于一般工程的電氣設計允許可以不要計算書,，因此許多設計人員對三級防雷建筑物的防雷設計,，不再進行設計計算，僅憑經驗而設計,。對于防雷設施的是否設置及防雷設施的各種安全間距未進行計算,、驗算，因此造成大量的三級防雷的建筑物的防雷設計,、施工存在較大的的盲目性,，使有些工程提高了防雷級別，增加了工程造價,，而有些工程卻未按規(guī)范設計,、施工，造成漏錯,，帶來很大隱患和不應有的損失,。

二、建筑物防雷規(guī)范的概述及比較

現(xiàn)今建筑物防雷標準有1993年8月1日起實施的《民用建筑電氣設計規(guī)范》JGJ/T16－92　推薦性行業(yè)標準,，1994年11月1日起實施的《建筑物防雷設計規(guī)范》GB50057－94　強制性國家標準,。GB50057－94使建筑物的防雷設計,、施工逐步與國際電工委員會IEC　防雷標準接軌，設計施工更加規(guī)范化,、標準化,。

GB50057－94將民用建筑分為兩類，而JCJ/T16－92將民用建筑防雷設計分為三級,，分得更加具體,、細致、避免造成使某些民用建筑物失去應有的安全,，而有些建筑物可能出現(xiàn)不必要的浪費,。為更好的掌握IEC、GB50057－94,、JCJ/T16－92三者的實質,，特擇其主要條款列于表1。且后面的分析,、計算均引自JCJ/T16－92中的規(guī)定,。

三、預計的年雷擊次數(shù)確定設置防雷設施

除少量的一,、二級防雷建筑物外,，數(shù)量眾多的還是三級防雷及等級以外的建筑物防雷，而對此類建筑物大多設計人員不計算年預計雷擊次數(shù)N,，使許多不需設計防雷的建筑物而設計了防雷措施,，設計保守，浪費了人,、材,、物。現(xiàn)計算舉例說明：

例1：在地勢平坦的住宅小區(qū)內部設計一棟住宅樓：6層高層數(shù)不含地下室,，地下室高2.2m　,，三個單元，其中：長L=60m,，寬W=13m，高H=20m,，當?shù)啬昶骄妆┤誘d=33.2d/a,，由于住宅樓處在小區(qū)內部，則校正系數(shù)K=1,。

據(jù)JCJ/T16－92中公式D·2－1　,、D·2－2　、D·2－3　,、D·2－4　得：與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積km2?。篈e=L·　　W＋2L＋W　H200－H?。蠬200－H　×10－6=60×13＋2（60＋13）20（200－20）＋3.14×20（200－20）×10－6=0.02084km2

建筑物所處當?shù)氐睦讚舸蟮氐哪昶骄芏龋?

Ng=0.024Td1.3=0.024×33.21.3=2.28次/km2·a

建筑物年預計雷擊次數(shù)：

N=KNgAe=1×2.28×0.02084=0.0475次/a

據(jù)JCJ/T16－92第12.3.1條，只有在N≥0.05GB50057－94中：N≥0.06　才設置三級防雷,，而本例中：N=0.0475<0.05,，且該住宅樓在住宅樓群中不是最高的也不在樓群邊緣，故該住宅樓不需做防雷設施,。

根據(jù)以上計算步驟,，現(xiàn)以L=60m，W=13m,，分別以H=7m,、10m、15m,、20m四種不同的高度,，K值分別取1，1.5,，1.7,，2，Ng=2.28km2·a　進行計算N值,，計算結果見表2,。

從表2中的數(shù)據(jù)可知，在本區(qū)內：①當K=1時,，舉例中的建筑物均N<0.05,，不需設置防雷設施。②當K=1.5時,，即建筑物在河邊,、湖邊、山坡下或山地中土壤電阻率較小處,、地下水露頭處,、土山頂部、山谷風口等處的或特別潮濕的建筑物,，在高度達15m或以上者,，必須設置三級防雷措施。③當K=1.7時,，即金屬的磚木結構的建筑物,，高度達7m及以上者，必須設置三級防雷措施,。④當K=2時,，即建筑物位于曠野孤立的位置，高度達7m兩層　　以上者，均設置三級防雷措施,。

可見,，有的建筑物在20m的高度，卻不需設置防雷措施,，而有的建筑物高度在7m,，就必須設置三級防雷措施。關鍵因素在于建筑所處的地理位置,、環(huán)境,、土質和雷電活動情況所決定。

同時在峻工的工程中,，我們也看到,，例1中的民用建筑物，有許多類似的工程不該設置防雷卻按三級防雷設計施工了,，施工后的防雷接地裝置如圖1所示,。

其中8組引下線均利用結構中的構造柱的412主筋，水平環(huán)路接地體埋深1m,，距樓外墻1m,。以上鋼材均為鍍鋅件，則共需鍍鋅鋼材0.192t,，人工費2950元,，定額預算工程直接費約0.75萬元。類似這種三級防雷以外的住宅樓,、辦公樓及其他民用建筑,，在我們地區(qū)1998年約竣工600～800棟，僅增設的防雷設施其工程直接費約為450～600萬元,。以此類推,，在全省、全國因提高防雷等級而提高工程造價浪費　的數(shù)字是巨大的,。因此,，設計人員對民用建筑物的防雷設計必須對建筑物年預計雷擊次數(shù)進行計算，根據(jù)計算結果,，結合具體條件,，確定是否設置防雷設施。

四,、防雷設施與人,、金屬管道等的安全距離

1.雷電流反擊電壓與引下線間距的關系

當建筑物遭受雷擊時，雷擊電流通過敷設在樓頂?shù)谋芾拙W,，經接地引下線至接地裝置流入地下，在接地裝置上升高的電位等于電流與電阻的乘積，在接地引下線上某點離地面的高度為h　的對地電位則為

Uo=UR＋UL=IkRq＋L 1

式中Ik—雷電流幅值kA

Rq—防雷裝置的接地電阻Ω

L—避雷引下線上某點離地面的高度的為h　到接地裝置的電感μH

雷電流的波頭陡度kA/μH

1　式中右邊第一項UR即IkRq　為電位的電阻分量,，第二項UL即 　為電位的電感分量,，據(jù)GB50057－94有關規(guī)定，三類級　防雷建筑物中,，可取雷電流Ik=100kA,，波頭形狀為斜角形，波頭長度為10μs,，則雷電流波頭陡度 = =10kA /μs,，取引下線單位長度電感Lo=1.4μH/m，則由1　式可得出

Uo=100Rq＋1.4×h×10=100Rq＋14hkV　 2

根據(jù)2　式,，在不同的接地電阻Rq及高度h時,，可求出相應的Uo值，但引下線數(shù)量不同,，則Uo的數(shù)值有較大差異,。下面以例1中引下線分別為4、8根假定每根引下線均流過相同幅度的雷擊電流,，且忽略雷電流在水平避雷上的電阻及電感壓降　,，計算出的UR/UL值列于表3。

由表3中可知,，接地電阻Rq　即使為零,，在不同高度的接地引下線由于電感產生的電位電感分量　也是相當高的，同樣會產生反擊閃絡,。

2.引下線與人體之間的安全間距

雷擊電流流過引下線及接地體上產生的雷擊電壓,，其電阻分量存在于雷電波的持續(xù)時間數(shù)十μs　內，而電感分量只存在于波頭時間5μs內,，因此兩者對空氣絕緣作用有所不同,，可取空氣擊穿強度：電感UL=700kV/m，電阻ER=500kV/m,?；炷翂Φ膿舸姸鹊扔诳諝鈸舸姸龋u墻的擊穿強度為空氣擊穿強度的一半,。

據(jù)表3計算的數(shù)據(jù),，下面計算引下線與人體之間的安全距離。因每組引下線利用構造柱中的412鋼筋,，可以認為引下線與人體,、金屬管道、金屬物體之間為空氣間隔,，且認為引下線與空氣之間間隔層為抹灰層,，可忽略不計,。

1　當引下線為4組時，人站在一層,，h1=3m,，Rq=30Ω，則URI=750kVUL1=10.5kV人體與引下線之間安全距離L安全1>

方可產生的反擊,。人站在5層,，h2 =15m，Rq=30Ω,，則：UR2=750kVU12=52.5kV則安全距離L安全2>

1.575m<1.83m,。在上述兩個房間內，保持如此的距離是很難做到的,，因此存在很危險的雷電壓反擊,。

（2）當引下線為8組時，當站在一層房間內,，h1=3m,，Rq=30Ω，則UL1=5.25kVUR1=3.75kV 則安全間距L安全1>

0.757m,。人站在5層時,，h2=15m則UL2=26.25kVUR2=375kV則安全間距L安全2>

可見，引下線數(shù)量增加一倍,，安全間距則減小一半,。因此設置了防雷設施后，應嚴格按照規(guī)范設置引下線的數(shù)量及間距,。同時建議可縮短規(guī)范內規(guī)定的引下線間距,，多設一定數(shù)量的引下線，可減少雷電壓反擊現(xiàn)象,。這樣處理,，對增加工程造價微乎其微。

3.引下線與室內金屬管道,、金屬物體的距離

1　當防雷接地裝置未與金屬管道的埋地部分連接時,，按例一中數(shù)據(jù)：樓頂?shù)囊戮€高度h=Lx=20m，Rq=30Ω時,，據(jù)JCJ/T16－92第12.5.7條規(guī)定,，Lx<5Rq=5×30=150m，則

Sal≥0.2KcRi＋0.1Lx

式中Kc—分流系數(shù),，因多根引下線,，取0.44

Ri—防雷接地裝置的沖擊電阻，因是環(huán)路接地體,，Ri=Rq=30Ω

Sal—引下線與金屬物體之間的安全距離/m

則

Sal≥0.2×0.44×30＋0.1×20　=2.816m,。

2　當防雷接地體與金屬管道的埋地部分連接時,，按式12.3.6－3　，Sa2≥0.075KcLx=0.075×0.44×20=0.66

由以上計算的Sal≥2.816m,，Sa2≥0.66m,，在實際施工時，均很難保證以上距離,，因為金屬管道靠墻0.1m左右安裝，又由于Sa2≤Sal,，因此可將防雷接地裝置與金屬管道的埋地部分連接起來,，同時，在樓層內應將引下線與金屬管道物體　連接起來,，防止雷電反擊,。

4.引下線接地裝置與地下多種金屬管道及其它接地裝置的距離Sed

據(jù)JCJ/T16－92第12.5.7條及公式12.3.6－4　：Sed≥0.3KcRi=0.3×0.4×30=3.96m,，而在實際施工中,，地下水暖管道交錯縱橫，先于防雷及電氣接地裝置施工,，等施工后者時,，已經很難保證Sed≥3.96m了，也難于保證不應小于2m的規(guī)定,，因此可將防雷接地裝置與各種接地裝置共用,，即實行一棟建筑一個接地體。將接地裝置與地下進出建筑物的各種金屬管道連接起來,，實行總等電位聯(lián)結,。

綜上所述，在實行一棟建筑一個總帶電位聯(lián)結,、一個共用接地體的措施后,，在樓頂部應將避雷帶針　與伸出屋面的金屬管道金屬物體連接起來，在每層內的建筑物內應實行輔助等電位聯(lián)結,，即引下線在經過各個樓層時,，將它與該樓層內的鋼筋、金屬構架全部聯(lián)結起來,，于是不論引下線的電位升到多高,，同樓層建筑物內的所有金屬物包括地面內鋼筋、金屬管道,、電氣設備的安全接地　都同時升到相同電位,，方可消除雷電壓反擊。

五,、跨步電壓與接地裝置埋地深度

跨步電壓是指人的兩腳接觸地面間兩點的電位差,，一般取人的跨距0.8m內的電位差,。跨步電壓的大小與接地體埋地深度,、土壤電阻率,、雷電位幅值等諸多因素。當接地體為水平接地帶時,，

3

式中ρ—土壤電阻率/Ω.m

L—水平接地體長度m

Ik—雷電流幅值kA

K—接地裝置埋深關系系數(shù),，見表4

Ukmax—跨步電壓最大值kV

按例一中的接地裝置計算，接地體長度L=146m,，取Ik=150k,，土質為砂粘土，ρ=300Ω.m,，則按埋深深度0.3m,，0.5m，0.8m,，1m時相應的K值取2.2,，1.46，0.97.0.78,。按3　式計算：

其Ukmax值分別為107.97,，71.66，47.61,，38.28/kV,。

世界各國根據(jù)發(fā)生的人身沖擊觸電事故分析，認為相當于雷電流持續(xù)時間內人體能承受的跨步電壓為90～110kV,。從計算結果可知,，該工程的防雷接地體埋深0.8m時，跨步電壓已在安全范圍內,。JCJ/T16－92第12.9.4規(guī)定接地體埋設深度不宜小于0.6m,，第12.9.7條規(guī)定：防擊雷的人工接接地體距建筑物入口處及人行道不應小于3m，當小于3m時,，接地體局部埋深不應小于1m,，或水平接地體局部包以絕緣物。包以絕緣物易增大其接地電阻,，因此還是以埋深大于1m時為好,。這樣處理，只增加少量工程造價,，卻將接地裝置處理得更加安全可靠,，起到事半功倍的效果。

若采用基礎和圈梁內鋼筋作為環(huán)形接地體,，但由于三級防雷的建筑物大多為毛石基礎,，毛石基礎上的圈梁埋地一般為0.3m左右,，較淺根本達不到防止危險的跨步電壓需將接地裝置埋深1m的要求，因此不宜采用圈梁做為環(huán)形接地體指三級防雷建筑物　,。

六,、區(qū)別工頻、沖擊接地電阻

工頻,、沖擊接地電阻兩者的區(qū)別及關系,，許多施工技術人員不能區(qū)別與明晰，使部分工程的防雷裝置接地電阻已達到設計值,，而仍然盲目采用降阻措施,，增加了工程造價。

工頻接地電阻是按通過接地體流入地中工頻電流求得的電阻,。可以認為是接地體20m以內土壤的流散電阻,，距接地體20m以外的大地是電氣上的零電位點,。用接地電阻測量儀測量的電阻，即為工頻接地電阻,。

自表4中可知,，當接地體為環(huán)繞建筑物的環(huán)路接地體與敷設于陶粘土、沼澤地,、黑土,、砂質粘土等電阻率ρ≤100Ω的土壤內的接地體，其工頻接地電阻與沖擊電阻相等,。但當敷設于砂,、砂礫、礫石,、碎石,、多巖山地的環(huán)境時，其工頻接地電阻是沖擊接地電阻的2～3倍,。因此如在上所述地面內敷設接地體時,，如用接地電阻儀測出的工頻接地電阻，只要不超過設計要求的沖擊接地電阻值的2～3倍,，即可為符合設計要求,，不需再采取降阻措施。如不分析接地裝置敷設地點的土質,、接地環(huán)境條件,，發(fā)現(xiàn)接地電阻儀搖測值大于設計要求值，就盲目再增加人工接地體或采用降阻劑來追求達到設計值,，必須造成人力,、物力浪費,，提高了工程造價，而這一現(xiàn)象卻有普遍性,。

七,、結束語

沖擊接地電阻是按通過接地體流入地中沖擊