關(guān)于農(nóng)居房防雷保護(hù)幾個問題的探討

俞軍華 孫 穎 江 濤 辛燕萍 李 志

(桐廬縣氣象局，浙江桐廬311501)

0 引言

據(jù)不完全統(tǒng)計自1996—2011年桐廬縣共發(fā)生雷災(zāi) 69 起［1］，如表 1。

表1 1996—2011年桐廬縣雷災(zāi)統(tǒng)計表 起

由表1所示農(nóng)村共發(fā)生雷災(zāi)41起，占全縣雷災(zāi)總數(shù)的59.4%;農(nóng)村農(nóng)居房發(fā)生雷災(zāi)24起，占農(nóng)村雷災(zāi)總數(shù)58.5%，占全縣雷災(zāi)總數(shù)34.8%。可見，農(nóng)村農(nóng)居房的防雷安全工作應(yīng)引起重視。

1 農(nóng)居房防直擊雷裝置設(shè)置的問題

自1996—2011年桐廬縣共發(fā)生農(nóng)居房雷擊被損24起，受損農(nóng)居房房屋類型統(tǒng)計如表2。

表2 1996—2011年遭直擊雷雷擊農(nóng)居房類型統(tǒng)計表 起

雷災(zāi)調(diào)查記錄表明，24幢受損農(nóng)居房都為坡屋面，坡度為0.48～0.50;屋頂都未設(shè)置防雷裝置。

受損農(nóng)居房部位統(tǒng)計如表3。

表3 1996—2011年農(nóng)居房遭直擊雷雷擊受損部位統(tǒng)計表 起

24幢受損農(nóng)居房除2起因爆炸致建筑物全毀無法確定損壞部位外，其余都為屋角(馬頭)受損;而3起墻體受損雷擊事故，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查表明，都因為直擊雷擊到屋角，經(jīng)墻面電纜泄放雷電流所致。由此可見，24幢受損農(nóng)居房盡管建筑結(jié)構(gòu)性質(zhì)不同、高度不同，屋角都受到直擊雷的閃擊，因此坡屋面農(nóng)居房屋角是防直擊雷的關(guān)鍵部位。

《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB 50057—2010(以下簡稱“10版規(guī)范”)說明，坡屋面建筑物其“坡度大于1/10且小于1/2的屋面的屋角、屋脊、檐角、屋檐”和“坡度不小于1/2的屋面的屋角、屋脊、屋檐”是易遭雷擊部位。桐廬縣典型農(nóng)居房的建筑尺寸為長(L)10 m、寬(W)8 m、高(H)11 m(即落地面積80 m2，樓高3層)，屋頂為0.45～0.50坡度的坡屋面，如圖1所示。通過應(yīng)用滾球法［2］計算，我們認(rèn)為:根據(jù)雷擊風(fēng)險環(huán)境因子，對于3層(高度11 m)以下農(nóng)居房，在屋角分別設(shè)置一支長為1.0 m的接閃桿就可滿足防直擊雷要求(農(nóng)居房高度增加，則按滾球法計算，適當(dāng)增加接閃桿長度)，一般在其屋脊、屋檐、檐角可以不設(shè)置接閃器。

圖1 農(nóng)居房防直擊雷裝置設(shè)置示意圖

2 農(nóng)居房電纜線路防雷屏蔽的問題

自1996—2011年桐廬縣農(nóng)村發(fā)生的41起雷災(zāi)中，電子(電器)設(shè)備受損事故有10起，是農(nóng)村第二多雷災(zāi)。我們對桐廬縣農(nóng)村農(nóng)居房進(jìn)行調(diào)查，絕大部分已建農(nóng)居房未采取電纜線路屏蔽措施，而近些年新建的農(nóng)居房進(jìn)出的電纜線路防雷僅注重于設(shè)置電涌保護(hù)器，電纜線路屏蔽存有未做設(shè)計的缺陷(見表4)。

表4 2010—2012年3月建筑物線路屏蔽設(shè)計情況統(tǒng)計表

即79%新建農(nóng)居房防雷設(shè)計仍未采取線路屏蔽措施，已設(shè)計線路屏蔽的類型如表5。

表5 2010—2012年3月線路屏蔽設(shè)計類型統(tǒng)計表

“10版規(guī)范”說明，進(jìn)出建筑物的線路應(yīng)采用鎧裝電纜或穿金屬管并兩端接地，以起到屏蔽與散流作用，線路屏蔽層的截面積應(yīng)滿足“10版規(guī)范”附錄“H.0.1”要求，即:

Sc—線路屏蔽層的截面(mm2);

If—流入屏蔽層的雷電流(kA);

ρc—屏蔽層的電阻率(Ω·m)，鋼取138×10－9Ω·m;

Lc—線路長度(m)，按“10版規(guī)范”附錄表H.0.1-1 的規(guī)定取值;

Uw—電纜所接的電氣或電子系統(tǒng)的耐沖擊電壓額定值(kV)，農(nóng)居房內(nèi)主要為用戶電氣設(shè)備，取值為2.5 kV。

設(shè)某農(nóng)居房有電源鎧裝電纜一支，從共用配電箱至農(nóng)居房分配箱埋地引入，桐廬縣域農(nóng)居房實測土壤電阻率為(ρ)為81.3 ～ 331.6 Ω·m，以最小值81.3Ω·m計算，線路屏蔽長度(Lc)為:

參照公式(1)計算有:

式中:If=Iimp(即“10版規(guī)范”附錄“4.2.4”第9款)

I—雷電流，農(nóng)居房劃為三類防雷建筑，幅值電流以100 kA計;

n—地下和架空引入的外來金屬管道和線路的總數(shù)，實際值為1;

m—每一線路內(nèi)導(dǎo)體芯線的總根數(shù)，實際值為2;

Rs—屏蔽層埋地長度部分的電阻(Ω);

Rc—對應(yīng)屏蔽層埋地部分長度芯線的電阻(Ω);4 mm2銅芯電纜取 4.56 × 10－3Ω/m［3］。

因Rs=ρc/Sc(其中Sc中含有電纜屏蔽層的長度，對應(yīng)芯線的Rc需要乘以18.3)，則有

農(nóng)居房所用的4 mm2兩芯電纜外徑為10 mm，按 GB/T12706.1—2008 電纜屏蔽層封裝要求0.2×2其截面積計算結(jié)果為7.54 mm2。使用“10版規(guī)范”公式計算結(jié)果屏蔽層截面積為7.58 mm2，兩者基本吻合。表6為國標(biāo)(GB/T 12706.1—2008)關(guān)于鎧裝電纜金屬帶規(guī)格［4］的規(guī)定。

表6 國標(biāo)(GB/T12706.1—2008)關(guān)于鎧裝電纜金屬帶規(guī)格［4］的規(guī)定

3 農(nóng)居房防雷接地體的防腐蝕保護(hù)問題

埋于土壤中的金屬，在電化學(xué)作用下必然發(fā)生腐蝕。鋼在土壤中的自腐蝕速度(k)、鋼腐蝕所損失的量(ΔW)為［5］:

其中:i—陽極區(qū)電流密度(A/m2);

A—鋼的克原子量(56 g);

n—鋼的原子價(2);

F—即法拉第常數(shù)(96500 C/mol)。ΔW=k·s·t

式中:s—鋼材與腐蝕介質(zhì)接觸面積(m2);

l—鋼材支數(shù);t為腐蝕作用時間(h);

r—基礎(chǔ)鋼筋半徑(m)。

防雷接地體即使在混凝土基礎(chǔ)保護(hù)下也存在自腐蝕現(xiàn)象，基礎(chǔ)鋼筋由直徑(2r)腐蝕至直徑(2r0)，鋼筋的損失量ΔW為:

式中:σ—鋼的比重(7.8×106g/m3)。

由(4)、(5)式有:

由(6)式可見，接地體腐蝕作用時間t與接地體鋼筋的半徑r成正比，與腐蝕電流密度i成反比。

“10版規(guī)范”表“5.4.1”規(guī)定，接地裝置以圓鋼為材料時其截面積不應(yīng)小于78 mm2，即其直徑(2r0)不應(yīng)小于10 mm。農(nóng)居房防雷接地體一般設(shè)計采用4根直徑(2r)?14 mm的鋼筋，設(shè)接地體的鋼材、混凝土均勻，混凝土周圍土壤性質(zhì)PH值為6 ～ 7，土壤電阻率在81.3 ～ 331.6Ω·m，則農(nóng)居房建造穩(wěn)定后，混凝土內(nèi)基礎(chǔ)鋼筋的自腐蝕電流密度 i約為3 μA/cm2［6］，根據(jù)(6)式有:

可見農(nóng)居房基礎(chǔ)鋼筋即使在混凝土環(huán)境保護(hù)下，按上述計算，有可能在49 a內(nèi)因自腐蝕導(dǎo)致防雷接地體不符防雷安全要求，其有效性時間只滿足國家關(guān)于房屋建筑使用壽命70 a的69.6%。

4 結(jié)語

4.1 農(nóng)居房屋頂多為木支架，屋面敷設(shè)瓦片，按照建筑物防雷規(guī)范要求在屋脊、檐角、屋檐設(shè)置防直擊雷裝置，施工有相當(dāng)難度，眾多雷災(zāi)發(fā)生情況表明，農(nóng)居房屋角才是遭直擊雷打擊的最主要部位，在其屋角敷設(shè)小型接閃器就以滿足建筑物的防直擊雷要求，這可大幅度降低施工難度，節(jié)省建造成本。

4.2 由雷災(zāi)調(diào)查情況表明，農(nóng)居房除直擊雷危害外，線路防雷不滿足或缺失是造成雷災(zāi)的另一主要原因。為防止雷擊電磁脈沖和閃電電涌危害，線路采取屏蔽措施是必要的，且對應(yīng)4 mm2銅芯電纜其金屬屏蔽層截面應(yīng)大于等于7.58 mm2。屏蔽層 Rs與芯線 Rc取值，“10 版規(guī)范”定義為每公里的電阻，對照IEC 62305-1原版說明，我們認(rèn)為應(yīng)取帶屏蔽層銅芯電纜實際埋地長度的電阻值。

另外，上述對農(nóng)居房電纜線路防雷屏蔽的問題探討，僅針對“國標(biāo)(GB/T12706.1—2008)關(guān)于鎧裝電纜金屬帶規(guī)格”所對應(yīng)金屬屏蔽層厚度采用0.2×2 mm封裝的2×4 mm2銅芯電纜。生產(chǎn)廠家對2×4 mm2銅芯電纜封裝工藝可能會有所差異，其鋼帶屏蔽層截面積也會不同。對于防雷工作者在圖審中要注意電纜線路是否已做屏蔽電纜設(shè)計;在跟蹤檢測過程要注重電纜線路是否符合埋地距離要求，如果穿鋼管或屏蔽層是否接地。

4.3 本文在民用居住房接地體腐蝕計算中，沒有考慮引下線等與其相連金屬物的作用，實際中這些金屬物與接地體存在同步的金屬離子轉(zhuǎn)移，自腐蝕的長期作用對建筑物的結(jié)構(gòu)也將產(chǎn)生一定的影響。農(nóng)居房的基礎(chǔ)鋼筋應(yīng)適當(dāng)加大規(guī)格或采取防腐措施，如進(jìn)行鍍鋅［7］、在建筑物基礎(chǔ)周圍土壤加入緩蝕劑［8］，能對接地體自腐蝕的防護(hù)起到很好的作用。

4.4 目前農(nóng)居房存在較多的防雷安全隱患，其主要原因在于絕大部分農(nóng)居房都為自行建造，沒有經(jīng)過完善的施工圖設(shè)計審核和工程監(jiān)管，因此，只有加強農(nóng)居房的防雷管理與技術(shù)服務(wù)，加強農(nóng)村防雷知識的宣傳與普及，才能切實保障農(nóng)村的防雷安全。

［1］ 桐廬縣雷災(zāi)記錄統(tǒng)計［Z］.1996-2011.

［2］ 中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會.建筑物防雷設(shè)計規(guī)范GB 50057—2010［S］.北京:中國計劃出版社，2011:67-68.

［3］ 王春江.電線電纜手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009:285-287.

［4］ 上海電纜研究所.額定電壓1 kV(Um=1.2 kV)到35 kV(Um=40.5 kV)擠包絕緣電力電纜及附件第1部分:額定電壓1 kV(Um=1.2 kV)和 3 kV(Um=3.6 kV)電纜GB/T12706.1-2008［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009:10.

［5］ 陳匡民.過程裝備腐蝕與防護(hù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2001:24-25.

［6］ 李文才，周麗娟，曾艷霞，等.鋼筋銹蝕所導(dǎo)致的混凝土損傷過程分析［J］.中國西部科技，2010，9(15):10—11.

［7］ 胡士信.陰極保護(hù)工程手冊［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2001:64-68.

［8］ 陳先祿，劉渝根，黃勇.接地［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，2001:159-160.