三級(jí)防雷建筑物設(shè)計(jì)施工中的問(wèn)題

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［摘　要］對(duì)IEC,、GB50057－94,、JGJ/T16－92等建筑物防雷規(guī)范進(jìn)行對(duì)比,，指出對(duì)三級(jí)防雷建筑物的防直擊雷設(shè)計(jì)與施工中存在的誤區(qū)以及應(yīng)采用的相應(yīng)措施,，論述建筑物防雷設(shè)計(jì)中應(yīng)計(jì)算的設(shè)計(jì)參數(shù)，安全,、經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),。

［關(guān)鍵詞］建筑物 防雷設(shè)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(shè)計(jì)中,，設(shè)計(jì)人員對(duì)一,、二級(jí)防雷建筑物的防雷設(shè)計(jì)比較重視，疏漏差錯(cuò)很少,，但對(duì)大量的三級(jí)防雷建筑物的防雷設(shè)計(jì)卻常有忽視,。由于設(shè)計(jì)質(zhì)量管理規(guī)定：對(duì)于一般工程的電氣設(shè)計(jì)允許可以不要計(jì)算書(shū)，因此許多設(shè)計(jì)人員對(duì)三級(jí)防雷建筑物的防雷設(shè)計(jì),，不再進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,，僅憑經(jīng)驗(yàn)而設(shè)計(jì),。對(duì)于防雷設(shè)施的是否設(shè)置及防雷設(shè)施的各種安全間距未進(jìn)行計(jì)算,、驗(yàn)算,，因此造成大量的三級(jí)防雷的建筑物的防雷設(shè)計(jì)、施工存在較大的的盲目性,，使有些工程提高了防雷級(jí)別,，增加了工程造價(jià)，而有些工程卻未按規(guī)范設(shè)計(jì),、施工,，造成漏錯(cuò)，帶來(lái)很大隱患和不應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)有1993年8月1日起實(shí)施的《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ/T16－92　推薦性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，1994年11月1日起實(shí)施的《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057－94　強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),。GB50057－94使建筑物的防雷設(shè)計(jì),、施工逐步與國(guó)際電工委員會(huì)IEC　防雷標(biāo)準(zhǔn)接軌，設(shè)計(jì)施工更加規(guī)范化,、標(biāo)準(zhǔn)化,。

GB50057－94將民用建筑分為兩類，而JCJ/T16－92將民用建筑防雷設(shè)計(jì)分為三級(jí),，分得更加具體,、細(xì)致、避免造成使某些民用建筑物失去應(yīng)有的安全,，而有些建筑物可能出現(xiàn)不必要的浪費(fèi),。為更好的掌握IEC、GB50057－94,、JCJ/T16－92三者的實(shí)質(zhì),，特?fù)衿渲饕獥l款列于表1。且后面的分析,、計(jì)算均引自JCJ/T16－92中的規(guī)定,。

三、預(yù)計(jì)的年雷擊次數(shù)確定設(shè)置防雷設(shè)施

除少量的一,、二級(jí)防雷建筑物外,，數(shù)量眾多的還是三級(jí)防雷及等級(jí)以外的建筑物防雷，而對(duì)此類建筑物大多設(shè)計(jì)人員不計(jì)算年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)N,，使許多不需設(shè)計(jì)防雷的建筑物而設(shè)計(jì)了防雷措施,，設(shè)計(jì)保守，浪費(fèi)了人,、材,、物?，F(xiàn)計(jì)算舉例說(shuō)明：

例1：在地勢(shì)平坦的住宅小區(qū)內(nèi)部設(shè)計(jì)一棟住宅樓：6層高層數(shù)不含地下室，地下室高2.2m　,，三個(gè)單元,，其中：長(zhǎng)L=60m，寬W=13m,，高H=20m,，當(dāng)?shù)啬昶骄妆┤誘d=33.2d/a，由于住宅樓處在小區(qū)內(nèi)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　：Ae=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(dāng)?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(yù)計(jì)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(shè)置三級(jí)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(shè)施。

根據(jù)以上計(jì)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(jìn)行計(jì)算N值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2,。

從表2中的數(shù)據(jù)可知,，在本區(qū)內(nèi)：①當(dāng)K=1時(shí)，舉例中的建筑物均N<0.05,，不需設(shè)置防雷設(shè)施,。②當(dāng)K=1.5時(shí)，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(fēng)口等處的或特別潮濕的建筑物,，在高度達(dá)15m或以上者，必須設(shè)置三級(jí)防雷措施,。③當(dāng)K=1.7時(shí),，即金屬的磚木結(jié)構(gòu)的建筑物，高度達(dá)7m及以上者,，必須設(shè)置三級(jí)防雷措施。④當(dāng)K=2時(shí),，即建筑物位于曠野孤立的位置,，高度達(dá)7m兩層　　以上者，均設(shè)置三級(jí)防雷措施,。

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

同時(shí)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(shè)置防雷卻按三級(jí)防雷設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)中的構(gòu)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(fèi)2950元,，定額預(yù)算工程直接費(fèi)約0.75萬(wàn)元。類似這種三級(jí)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(shè)的防雷設(shè)施其工程直接費(fèi)約為450～600萬(wàn)元,。以此類推,，在全省,、全國(guó)因提高防雷等級(jí)而提高工程造價(jià)浪費(fèi)　的數(shù)字是巨大的。因此,，設(shè)計(jì)人員對(duì)民用建筑物的防雷設(shè)計(jì)必須對(duì)建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)進(jìn)行計(jì)算,，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合具體條件,，確定是否設(shè)置防雷設(shè)施,。

四、防雷設(shè)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(guān)系

當(dāng)建筑物遭受雷擊時(shí),，雷擊電流通過(guò)敷設(shè)在樓頂?shù)谋芾拙W(wǎng)，經(jīng)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(diǎn)離地面的高度為h　的對(duì)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(diǎn)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(xiàng)UR即IkRq　為電位的電阻分量，第二項(xiàng)UL即 　為電位的電感分量,，據(jù)GB50057－94有關(guān)規(guī)定,，三類級(jí)　防雷建筑物中，可取雷電流Ik=100kA,，波頭形狀為斜角形,，波頭長(zhǎng)度為10μs，則雷電流波頭陡度 = =10kA /μs,，取引下線單位長(zhǎng)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(shí),，可求出相應(yīng)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(guò)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(jì)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(chǎn)生的電位電感分量　也是相當(dāng)高的,，同樣會(huì)產(chǎn)生反擊閃絡(luò)。

2.引下線與人體之間的安全間距

雷擊電流流過(guò)引下線及接地體上產(chǎn)生的雷擊電壓,，其電阻分量存在于雷電波的持續(xù)時(shí)間數(shù)十μs　內(nèi),，而電感分量只存在于波頭時(shí)間5μs內(nèi)，因此兩者對(duì)空氣絕緣作用有所不同，可取空氣擊穿強(qiáng)度：電感UL=700kV/m,，電阻ER=500kV/m,。混凝土墻的擊穿強(qiáng)度等于空氣擊穿強(qiáng)度,，磚墻的擊穿強(qiáng)度為空氣擊穿強(qiáng)度的一半,。

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

1　當(dāng)引下線為4組時(shí),，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(chǎn)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(gè)房間內(nèi)，保持如此的距離是很難做到的,，因此存在很危險(xiǎn)的雷電壓反擊,。

（2）當(dāng)引下線為8組時(shí)，當(dāng)站在一層房間內(nèi),，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(shí),，h2=15m則UL2=26.25kVUR2=375kV則安全間距L安全2>

可見(jiàn)，引下線數(shù)量增加一倍,，安全間距則減小一半,。因此設(shè)置了防雷設(shè)施后，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范設(shè)置引下線的數(shù)量及間距,。同時(shí)建議可縮短規(guī)范內(nèi)規(guī)定的引下線間距,，多設(shè)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(duì)增加工程造價(jià)微乎其微,。

3.引下線與室內(nèi)金屬管道、金屬物體的距離

1　當(dāng)防雷接地裝置未與金屬管道的埋地部分連接時(shí),，按例一中數(shù)據(jù)：樓頂?shù)囊戮€高度h=Lx=20m,，Rq=30Ω時(shí)，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(dāng)防雷接地體與金屬管道的埋地部分連接時(shí),，按式12.3.6－3　，Sa2≥0.075KcLx=0.075×0.44×20=0.66

由以上計(jì)算的Sal≥2.816m,，Sa2≥0.66m,，在實(shí)際施工時(shí)，均很難保證以上距離,，因?yàn)榻饘俟艿揽繅?.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(lái),，同時(shí),，在樓層內(nèi)應(yīng)將引下線與金屬管道物體　連接起來(lái)，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?。篠ed≥0.3KcRi=0.3×0.4×30=3.96m，而在實(shí)際施工中,，地下水暖管道交錯(cuò)縱橫,，先于防雷及電氣接地裝置施工，等施工后者時(shí),，已經(jīng)很難保證Sed≥3.96m了,，也難于保證不應(yīng)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(shí)行一棟建筑一個(gè)接地體,。將接地裝置與地下進(jìn)出建筑物的各種金屬管道連接起來(lái)，實(shí)行總等電位聯(lián)結(jié),。

綜上所述,，在實(shí)行一棟建筑一個(gè)總帶電位聯(lián)結(jié)、一個(gè)共用接地體的措施后，在樓頂部應(yīng)將避雷帶針　與伸出屋面的金屬管道金屬物體連接起來(lái),，在每層內(nèi)的建筑物內(nèi)應(yīng)實(shí)行輔助等電位聯(lián)結(jié),，即引下線在經(jīng)過(guò)各個(gè)樓層時(shí)，將它與該樓層內(nèi)的鋼筋,、金屬構(gòu)架全部聯(lián)結(jié)起來(lái),，于是不論引下線的電位升到多高，同樓層建筑物內(nèi)的所有金屬物包括地面內(nèi)鋼筋,、金屬管道,、電氣設(shè)備的安全接地　都同時(shí)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(diǎn)的電位差，一般取人的跨距0.8m內(nèi)的電位差,?？绮诫妷旱拇笮∨c接地體埋地深度、土壤電阻率,、雷電位幅值等諸多因素,。當(dāng)接地體為水平接地帶時(shí)，

3

式中ρ—土壤電阻率/Ω.m

L—水平接地體長(zhǎng)度m

Ik—雷電流幅值kA

K—接地裝置埋深關(guān)系系數(shù),，見(jiàn)表4

Ukmax—跨步電壓最大值kV

按例一中的接地裝置計(jì)算,，接地體長(zhǎng)度L=146m，取Ik=150k,，土質(zhì)為砂粘土，ρ=300Ω.m,，則按埋深深度0.3m,，0.5m，0.8m,，1m時(shí)相應(yīng)的K值取2.2,，1.46，0.97.0.78,。按3　式計(jì)算：

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

世界各國(guó)根據(jù)發(fā)生的人身沖擊觸電事故分析，認(rèn)為相當(dāng)于雷電流持續(xù)時(shí)間內(nèi)人體能承受的跨步電壓為90～110kV,。從計(jì)算結(jié)果可知,，該工程的防雷接地體埋深0.8m時(shí)，跨步電壓已在安全范圍內(nèi)。JCJ/T16－92第12.9.4規(guī)定接地體埋設(shè)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(yīng)小于3m,，當(dāng)小于3m時(shí)，接地體局部埋深不應(yīng)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(shí)為好,。這樣處理,，只增加少量工程造價(jià)，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(chǔ)和圈梁內(nèi)鋼筋作為環(huán)形接地體，但由于三級(jí)防雷的建筑物大多為毛石基礎(chǔ),，毛石基礎(chǔ)上的圈梁埋地一般為0.3m左右,，較淺根本達(dá)不到防止危險(xiǎn)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(jí)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(guān)系,，許多施工技術(shù)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(dá)到設(shè)計(jì)值,，而仍然盲目采用降阻措施,，增加了工程造價(jià)。

工頻接地電阻是按通過(guò)接地體流入地中工頻電流求得的電阻,?？梢哉J(rèn)為是接地體20m以內(nèi)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(diǎn),。用接地電阻測(cè)量?jī)x測(cè)量的電阻,，即為工頻接地電阻。

自表4中可知,，當(dāng)接地體為環(huán)繞建筑物的環(huán)路接地體與敷設(shè)于陶粘土,、沼澤地、黑土,、砂質(zhì)粘土等電阻率ρ≤100Ω的土壤內(nèi)的接地體,，其工頻接地電阻與沖擊電阻相等。但當(dāng)敷設(shè)于砂,、砂礫,、礫石,、碎石、多巖山地的環(huán)境時(shí),，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(nèi)敷設(shè)接地體時(shí)，如用接地電阻儀測(cè)出的工頻接地電阻,，只要不超過(guò)設(shè)計(jì)要求的沖擊接地電阻值的2～3倍,，即可為符合設(shè)計(jì)要求，不需再采取降阻措施,。如不分析接地裝置敷設(shè)地點(diǎn)的土質(zhì),、接地環(huán)境條件，發(fā)現(xiàn)接地電阻儀搖測(cè)值大于設(shè)計(jì)要求值,，就盲目再增加人工接地體或采用降阻劑來(lái)追求達(dá)到設(shè)計(jì)值,，必須造成人力、物力浪費(fèi),，提高了工程造價(jià),，而這一現(xiàn)象卻有普遍性。

七,、結(jié)束語(yǔ)

沖擊接地電阻是按通過(guò)接地體流入地中沖擊