建筑物屋面金屬設備及連通室內(nèi)金屬管道雷電隱患的分析研究

朱 國 華

(浙江鴻翔建設集團股份有限公司, 浙江 嘉興 314400)

0 引 言

按建筑設計的基本要求,除某些性能要求必須設置在室外露天場所的設備(如風冷式空調(diào)室外機(組)、冷卻塔、室外照明(立面、泛光、彩燈、航空障礙燈)等)以外,一般設備宜設置在室內(nèi)。一方面,避免設備長期日曬雨淋而加速老化,有利于維護設備;另一方面,如果設備(主要是金屬設備和管道)設置在室外露天場所,不利于防雷措施的實施,會存在一定的安全隱患。

現(xiàn)在的實際情況是,由于種種原因導致建筑設備在屋面上大量設置,甚至少數(shù)建筑物堆積。曾有某建筑物屋面堆積大量設備,甚至連通道都堵塞。主要原因是建設方在規(guī)劃設計階段,在一定容積率的條件下,為了更多地獲得室內(nèi)使用面積,對設計方提出減小設備用房面積或直接把設備設置在室外的要求所致。因此,屋面防雷存在一定的安全隱患。

1 研究的內(nèi)容

現(xiàn)代建筑尤其是高層建筑,屋面設備越來越多,并有較多相連的金屬管道直通室內(nèi)。國家標準GB 50057—2010《建筑物防雷設計規(guī)范》第4.5.7條對第二類和第三類防雷建筑物不處在接閃器保護范圍內(nèi)的屋頂導電、非導電物體的條件作了規(guī)定,即不符合此條規(guī)定的屋頂導電、非導電物體均應設置在防雷保護區(qū)內(nèi)。但在實際工程應用中,該條文往往沒有得到足夠的重視,存在著實施不到位的情況,而且還帶有普遍性。這樣就產(chǎn)生如下的隱患:本來外部防雷、內(nèi)部防雷是隔開的,由于屋面金屬設備和相連通的金屬管道,在發(fā)生雷擊時容易把雷電引入室內(nèi),存在安全隱患。

以建筑物屋面設備的設置及連通室內(nèi)金屬管道為切入點,主要依據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設計規(guī)范》及建筑電氣相關教程,進行建筑物屋面金屬設備及連通室內(nèi)金屬管道雷電隱患的分析研究。

2 GB 50057—2010《建筑物防雷設計規(guī)范》相關條文的分類歸納

(1) 建筑物的防雷措施。

第一類防雷建筑物:外部防雷裝置、內(nèi)部防雷裝置、防閃電電涌侵入、防閃電感應。

第二類防雷建筑物:外部防雷裝置、內(nèi)部防雷裝置、防閃電電涌侵入、部分防閃電感應、防雷電流產(chǎn)生的高電位反擊、部分防雷擊電磁脈沖。

第三類防雷建筑物:外部防雷裝置、內(nèi)部防雷裝置、防閃電電涌侵入、防雷電流產(chǎn)生的高電位反擊。

(2) 有總接地,包括外部防雷裝置的接地(直擊雷接地)、內(nèi)部防雷裝置接地(防雷等電位連接接地)、防閃電感應接地、電氣保護接地(PE)和電子系統(tǒng)接地;無總接地,包括防閃電電涌侵入、防雷擊電磁脈沖。

(3) “建筑物屋面金屬設備及進出屋面的相連金屬管道”的相關條文是第4.3.2(4.4.2)條2款1)項:金屬物體可以不裝接閃器,但應和屋面防雷裝置相連。

3 直擊雷瞬態(tài)過電壓估算

當雷電直接擊中地面物體或防雷裝置時,強大的雷電流(50%～100%)流經(jīng)防雷接地裝置時,會在引下線及接地體上產(chǎn)生極高的瞬態(tài)過電壓U(kV):

U=UR+UL=IRi+LOhxdi/dt

(1)

式中:UR——雷電流流過防雷裝置時,在接地裝置上的電阻電壓降,kV;

UL——雷電流流過防雷裝置時,在引下線上距地hx高度的電感電壓降,kV;

I——雷電流幅值,kA;

Ri——接地裝置的沖擊電阻,Ω;

LO——引下線的單位長度電感(μH/m),一般可取1.5 μH/m;

hx——防雷裝置引下線上過電壓計算點的地上高度,m;

di/dt——電流陡度,kA/μs。

考慮到屋面金屬設備及金屬管道與接閃器相互連通,成閉合環(huán)狀或網(wǎng)狀的多根引下線起到分流作用。根據(jù)GB 50057—2010附錄E,分流系數(shù)kc取值0.44。

因此,式(1)改寫為

(2)

選擇按表F.0.1-1:I選擇,一類,200 kA,二類,150 kA,三類,100 kA;di/dt選擇,一類,200 kA/10 μs(20 kA/μs),二類,150 kA/10 μs(15 kA/μs),三類,100 kA/10 μs(10 kA/μs)。

所以,直擊雷瞬態(tài)過電壓如下:一類,U=0.44(200Ri+30hx);二類,U=0.44(150Ri+22.5hx);三類,U=0.44(100Ri+15hx)。

通過接地極流入地中工頻交流電流求得的接地電阻,稱為工頻接地電阻R～;通過接地極流入地中沖擊電流(雷電流)求得的接地電阻,稱為沖擊接地電阻Ri。一般情況下,沖擊接地電阻小于工頻接地電阻,即Ri

根據(jù)附錄C中C.0.4條及條文說明,對于基礎接地體,Ri=R～,R～≤1 Ω,故Ri=R～=0.6 Ω;選擇防雷建筑物類別:二類,典型hx=50 m,因此U=0.44×(150×0.6+22.5×50)=534.6 kV。

建筑物屋面直擊雷瞬間產(chǎn)生過電壓(典型),并引向建筑物內(nèi)。建筑設計的防雷引下線是柱內(nèi)鋼筋或專設引下線。如果屋面未在避雷保護范圍內(nèi)的金屬設備及其貫通的金屬管道直接連通到室內(nèi)各部位,會產(chǎn)生一定的安全隱患。

4 消除或減小雷擊危害的方案和建議

雷電過電壓包括直接雷擊、雷電流高電位反擊和閃電感應過電壓。消除或減小雷擊危害的方案和建議:

(1) 雷電流高電位反擊,是指雷電流通過引下線和接地裝置時產(chǎn)生的高電位通過防雷等電位聯(lián)結帶、連接線至金屬物和電氣PE端、電子接地端的反擊。解決方案見GB 50057—2010《建筑物防雷設計規(guī)范》第4.3.8條、第4.4.7條,采用內(nèi)部防雷裝置。

(2) 閃電感應是指閃電放電時,在附近導體上產(chǎn)生的閃電靜電感應和閃電電磁感應,可能使金屬部件之間產(chǎn)生火花放電。解決方案見GB 50057—2010《建筑物防雷設計規(guī)范》第4.2.2條、第4.3.7 條,采用防閃電接地裝置。

由雷電流高電位反擊、閃電感應過電壓產(chǎn)生的機理可知,過電壓電源內(nèi)阻很大,只能產(chǎn)生過電壓,而不能產(chǎn)生一定的電流以維持過電壓。所以,運用上述的解決方案基本上能消除危害。

直擊雷是雷云與大地之間放電產(chǎn)生的(巨大的電源瞬間放電),過電壓電源內(nèi)阻很小,有很大的過電流(雷電流),不僅在接地裝置引下線上產(chǎn)生高電位,而且還產(chǎn)生接觸電壓和跨步電壓。所以,通過內(nèi)部防雷裝置(防雷等電位間隔距離)、防閃電接地等措施是無法消除危害。內(nèi)部防雷等電位聯(lián)結只是對內(nèi)阻很大的雷電流高電位反擊、閃電感應過電壓起作用,而對內(nèi)阻很小的直擊雷放電幾乎沒有作用。

因此,對直擊雷只能避。最理想的方案是建筑物屋面外部防雷裝置與建筑內(nèi)部防雷裝置之間完全隔離,沒有電氣通道、金屬物或金屬管道的連通。

從給水排水專業(yè)可知:室內(nèi)消火栓臨時高壓供水系統(tǒng)、噴淋有壓供水系統(tǒng)的高位水箱水泵和管道必須設置在單體建筑屋頂,并與室內(nèi)連通;太陽能光熱系統(tǒng)與室內(nèi)連通。

從通風空調(diào)專業(yè)可知:風冷式空調(diào)機組的冷媒管、冷水管,中央空調(diào)系統(tǒng)冷卻塔的給水管、冷卻水管等,與室內(nèi)連通;防排煙系統(tǒng)的風機、金屬風管等與室內(nèi)連通。

從建筑電氣專業(yè)可知:室外照明(彩燈、節(jié)日燈、航空障礙燈、泛光、立面照明等),各專業(yè)設備的電氣配電和控制裝置以及相應的管線等,與室內(nèi)連通;太陽能光伏系統(tǒng)與室內(nèi)連通。

上述各專業(yè)設備與管道設置在屋面,不利于防雷,在一定程度上對建筑物內(nèi)部的安全帶來影響,給專業(yè)設備造成損害。所以,應該采取措施,以規(guī)范的形式加于限制。

GB 50057—2010《建筑物防雷設計規(guī)范》應通過條文(甚至強制性條文)把直擊雷的危害降至最小。

5 結 語

在現(xiàn)有GB 50057—2010《建筑物防雷設計規(guī)范》基礎上,建議如下:

(1) 建筑設計中應明確規(guī)定,除某些性能要求必須設置在室外露天場所的設備(如風冷式空調(diào)室外機(組)、冷卻塔等)以外,在屋頂高處的設備應設置設備用房(如屋面泵房、屋面風機房等),其屋面按要求設置外部防雷裝置。

(2) 屋面露天設備、金屬物和金屬管道等必須在外部防雷裝置的保護范圍內(nèi),且不應與外部防雷裝置直接相連。