屋面設(shè)備直擊雷防護(hù)的探討

余昌松　殷春生　王華卿　裘文君

(1.淳安縣氣象局,浙江 淳安311700；2.富陽區(qū)氣象局,浙江 富陽311400)

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屋面設(shè)備直擊雷防護(hù)的探討

余昌松1殷春生2王華卿1裘文君2

(1.淳安縣氣象局,浙江 淳安311700；2.富陽區(qū)氣象局,浙江 富陽311400)

摘要：簡(jiǎn)要分析了屋面設(shè)備防直擊雷的必要性 ,根據(jù)建筑物幾何形狀及接閃桿相對(duì)位置對(duì)屋面設(shè)備防直擊雷的影響程度,選取不同的滾球基準(zhǔn)平面, 用定量計(jì)算的方法推導(dǎo)出修正公式, 確定屋面接閃桿對(duì)設(shè)備直擊雷保護(hù)范圍。

關(guān)鍵詞：滾球法；屋面；基準(zhǔn)平面

0引言

隨著建筑智能化的逐步深入,屋面上安裝的設(shè)備,特別是太陽能集熱器、各類監(jiān)測(cè)設(shè)備、衛(wèi)星通信設(shè)施等呈逐年增多趨勢(shì)；誠(chéng)然這些設(shè)備、設(shè)施所處位置暴露,但若保護(hù)到位,應(yīng)當(dāng)不會(huì)遭受直接雷擊。之所以另裝了接閃裝置也時(shí)有雷害,是因?yàn)榻娱W桿保護(hù)范圍不夠,在設(shè)計(jì)加裝屋面設(shè)備保護(hù)接閃器的時(shí)候,用滾球法直接從屋頂平面套算高度有誤,致使防雷裝置對(duì)屋面設(shè)備、設(shè)施不能完全保護(hù)。實(shí)際上接閃桿的保護(hù)范圍在屋面上會(huì)遇到需要修正的情況,本文就屋面滾球基準(zhǔn)平面的確定方法,以及對(duì)接閃桿保護(hù)范圍造成影響的因素進(jìn)行探討,推導(dǎo)出保護(hù)范圍的修正公式。

1屋面設(shè)備須有直擊雷防護(hù)

現(xiàn)行GB 50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》4.5.4條及其第1款和第2款規(guī)定,“固定在建筑物上的節(jié)日彩燈、航空障礙信號(hào)燈及其他用電設(shè)備和線路應(yīng)根據(jù)建筑物的防雷類別采取防止閃電電涌侵入的措施”并應(yīng)符合下列規(guī)定：“無金屬外殼或保護(hù)網(wǎng)罩的用電設(shè)備應(yīng)處在接閃器的保護(hù)范圍內(nèi)……用電設(shè)備外殼……應(yīng)就近與屋頂防雷裝置相連”。就是說,有金屬外殼或保護(hù)網(wǎng)罩的用電設(shè)備其內(nèi)部器件已經(jīng)被其金屬外殼或保護(hù)網(wǎng)罩保護(hù),滿足防閃電電涌侵入的要求,而無金屬外殼或保護(hù)網(wǎng)罩的用電設(shè)備有必要加裝接閃器,才能滿足防閃電電涌侵入的要求。這僅僅是防止閃電電涌侵入的措施,我們不能誤認(rèn)為有保護(hù)電設(shè)備的金屬外殼或保護(hù)網(wǎng)罩不需再防直擊雷。本規(guī)范4.5.7條及其第1款規(guī)定,對(duì)第二類和第三類防雷建筑物,“沒有得到接閃器保護(hù)的屋頂孤立金屬物”,當(dāng)“尺寸不超過”限定值要求時(shí)“可不要求附加的保護(hù)措施”。這里是特指孤立的金屬物。用電設(shè)備通過線纜進(jìn)入室內(nèi)連接到電源,是完整的供用電系統(tǒng)的末端器件,全然不是“孤立”的金屬物。但是,如若該金屬物未得到直擊雷防護(hù),當(dāng)遭到雷擊后,雷電流必然會(huì)通過導(dǎo)電管線進(jìn)入建筑物內(nèi),使室內(nèi)設(shè)備或人身的安全受到威脅。

由以上分析得知,連接突出屋面固定裝置的可導(dǎo)電裝置,借助各種途徑通向建筑物內(nèi)部,如果沒有直擊雷防護(hù),突出屋面的固定裝置被雷擊時(shí),有可能使建筑內(nèi)“關(guān)聯(lián)”的屋面金屬設(shè)備和設(shè)施遭受損壞。因此,屋面設(shè)備防直擊雷措施應(yīng)在進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)時(shí)一并考慮進(jìn)去。

2屋面設(shè)備防直擊雷保護(hù)范圍計(jì)算方法探討

2.1屋面滾球基準(zhǔn)平面的確定

由滾球法的定義可知,要使屋面上的防雷設(shè)施能夠滿足對(duì)屋面設(shè)備或設(shè)施防直擊雷的保護(hù)作用,則滾球球體在該設(shè)備或設(shè)施需要防直擊雷部位滾動(dòng)時(shí),只有球體被屋面上的接閃桿和屋面支撐或被屋面上的接閃桿和地面支撐兩種情況。而對(duì)于一些特殊的情況(如山坡等)滾球的基準(zhǔn)平面可能是地面、屋面或地面和屋面之間的某個(gè)平面。因此,對(duì)于屋面設(shè)備設(shè)施來說,地面或屋面并非一定是滾球的基準(zhǔn)平面,在實(shí)際應(yīng)用上,一定要具體分析,區(qū)別對(duì)待。在這方面雖然有人作過一些研究和探討,但仍然存在一些誤區(qū)。下面就如何確定一些特殊情況下滾球的基準(zhǔn)平面進(jìn)行探討。

把屋頂平面接閃桿到屋面設(shè)備方向作為X軸,屋頂平面接閃桿豎直向上方向作為Y軸,建立一個(gè)平面坐標(biāo)系,則滾球在XY平面的投影就是一個(gè)圓,圓的圓心設(shè)為O1(a,b),圓與Y軸的交點(diǎn)設(shè)為A(0,hZ),圓與X軸的交點(diǎn)設(shè)為C(r,0),A、C的中點(diǎn)為B點(diǎn),坐標(biāo)原點(diǎn)O(0,0),屋面距離地面的高度為h1,球體與平面EE'相切于D點(diǎn),D點(diǎn)到X軸的距離為h2=hr-b(hr為滾球半徑),如圖1。

圖1　滾球在XY平面的兩個(gè)支撐點(diǎn)(基準(zhǔn)面和接閃桿)

從圖1中看出：滾球球心距離地面的高度大于滾球半徑時(shí),滾球只能與接閃桿相交并與在地面和屋面之間的平面EE′相切于D點(diǎn),這個(gè)EE′平面就是我們所稱的滾球基準(zhǔn)平面。

如果建筑物的高度比較低(圖略),滾球球心距離地面的高度小于或等于滾球半徑時(shí),滾球只有與接閃桿相交,同時(shí)與地面相切,這時(shí)我們稱地面是滾球的基準(zhǔn)平面。

如果建筑物的寬度比較寬(圖略),滾球球心往上移,滾球球心距離建筑屋面的高度正好等于滾球半徑時(shí),滾球與接閃桿相交且與屋面相切,這時(shí)我們稱屋面是滾球的基準(zhǔn)平面。

由此可見,滾球的基準(zhǔn)平面就是球體最低點(diǎn)與其相切的平面。首先要求出滾球球心的位置坐標(biāo),再根據(jù)建筑物的高度和寬度,確定滾球的基準(zhǔn)平面的位置,再根據(jù)接閃桿保護(hù)范圍公式計(jì)算,而不能“絕對(duì)化”。

2.2接閃器高度的確定

從圖1可知,滾球在XY平面是一個(gè)圓,設(shè)圓的方程為：

(1)

將圖1點(diǎn)A和點(diǎn)C代入(1)式得

a2+(hz+b)2=(r+a)2+b2

(2)

(3)

在直角三角形AOC中,設(shè)AC=d,聯(lián)立(2)式和(3)式,得

(4)

由計(jì)算求得的圓心位置為O1(a,b),確定圓心離地面高度,判定滾球基準(zhǔn)平面的位置,用修正公式對(duì)接閃桿和要保護(hù)的設(shè)備高度進(jìn)行修正,其修正公式如下：

當(dāng)屋面是滾球基準(zhǔn)平面時(shí)：h=hz,hx=ha

當(dāng)?shù)孛媸菨L球基準(zhǔn)平面時(shí)：h=hz+h1,hx=ha+h1

當(dāng)屋面與地面之間的平面是滾球基準(zhǔn)平面時(shí)：h=hz+h2,hx=ha+h2。

再用滾球法確定接閃桿的保護(hù)范圍的計(jì)算公式,計(jì)算確定接閃桿的保護(hù)范圍才能完整。

2.3應(yīng)用舉例

滾球的基準(zhǔn)平面就是距離坐標(biāo)原點(diǎn)距離-25.2m的一個(gè)平面,即：

h=hz+h2=33.2m,hx=ha+h2=29.2m

解得rx=0.98m,計(jì)算得出屋面上8m的獨(dú)立接閃桿,是不能對(duì)屋面4m高的設(shè)備、設(shè)施起到防直擊雷保護(hù)的。如果我們不加思考,簡(jiǎn)單地把屋面當(dāng)作滾球的基準(zhǔn)平面,其計(jì)算結(jié)果如下：

初看起來上述的計(jì)算方法是正確的,屋面鋼筋混凝土內(nèi)鋼筋是與引下線、基礎(chǔ)地梁焊接連接,符合滾球法定義中的“地面”,計(jì)算結(jié)果顯示屋面4 m高的設(shè)備有7.06 m的保護(hù)半徑。但其實(shí)不然,因?yàn)槲菝娌皇菨L球的基準(zhǔn)平面,不能盲目地用計(jì)算公式得出結(jié)果。如果沒有考慮建筑物自身幾何形狀對(duì)防雷設(shè)施的影響,使設(shè)計(jì)的防雷設(shè)施不能起到“名副其實(shí)”的防雷效果。

3屋面設(shè)備防護(hù)重點(diǎn)

3.1接閃防護(hù)

應(yīng)分辨屋面設(shè)備的雷電流傳導(dǎo)特性,即“孤立不傳導(dǎo)、傳導(dǎo)并引向室內(nèi)、傳導(dǎo)但不引向室內(nèi)”,來確定是否裝設(shè)接閃器。

1)除滿足《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》4.5.7條第1款規(guī)定的尺寸以下的“孤立金屬物”可不安裝接閃器, 但應(yīng)和屋面防雷裝置相連。

2)有可導(dǎo)電連接與建筑內(nèi)構(gòu)成關(guān)聯(lián)的固定裝置,例如太陽能集熱器、防排煙風(fēng)機(jī)以及航空障礙燈等電氣或非電氣設(shè)備都不是孤立的金屬裝置,應(yīng)該處在接閃器的保護(hù)范圍內(nèi)。

3.2保護(hù)范圍確定

應(yīng)充分考慮建筑物自身的高度、屋面的寬度、接閃桿及接閃線的高度等環(huán)境因素對(duì)屋面設(shè)備直擊雷保護(hù)范圍產(chǎn)生的影響程度,準(zhǔn)確確定滾球基準(zhǔn)平面,再根據(jù)滾球法計(jì)算公式確定接閃器尺寸規(guī)格。

3.3連接線作為引下線

在電氣貫通的鋼筋混凝土框架第二、三類防雷建筑物中,屋面電氣設(shè)備的金屬外殼不必

為防止引下線對(duì)其反擊而作等電位連接,但必須與防雷裝置相連,其連接線主要作為引下線參與分配和傳導(dǎo)雷電流,防止PE線對(duì)帶電導(dǎo)體的反擊。

4結(jié)語

根據(jù)相關(guān)防雷標(biāo)準(zhǔn)和諸多雷災(zāi)案例,屋面金屬設(shè)備和設(shè)施單獨(dú)采取防雷設(shè)施是必要的,也是可行的。用滾球法確定接閃桿保護(hù)范圍的規(guī)定適用于任何場(chǎng)合,但在一些特殊情況中,應(yīng)當(dāng)充分考慮被保護(hù)物周圍的環(huán)境因素,綜合考慮防護(hù)措施,只有這樣才能解決實(shí)際工作中各種各樣的問題。

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收稿日期：2015-10-09