建筑物防雷引下線探討

(上海建科檢驗有限公司, 上海 201108)

0 引 言

GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》[1](簡稱《雷規(guī)》)對引下線給出的定義為:將雷電流從接閃器傳導(dǎo)至接地裝置的導(dǎo)體。引下線的作用非常重要,當(dāng)雷擊直接擊于安裝在建筑物上的防雷裝置時,在極短的時間(通常為微秒級)內(nèi)雷電流流經(jīng)引下線并通過接地裝置泄放到大地中。在雷電流流經(jīng)引下線過程中,引下線在微秒之內(nèi)電位會瞬間升高數(shù)萬伏至數(shù)十萬伏,同時在引下線周圍空間產(chǎn)生瞬變的強電磁場,使附近導(dǎo)體感應(yīng)出很高的電動勢,可能擊穿附近的電氣、電子系統(tǒng),從而造成財產(chǎn)損失,有時危及附近的人身安全,甚至造成人身傷亡事故。

1 引下線的選用

1.1 引下線選用的技術(shù)要求

對《雷規(guī)》中涉及到引下線的條款進行總結(jié)與匯總。引下線選用的技術(shù)要求如表1所示。

1.2 引下線與建筑物內(nèi)金屬設(shè)施的安全間隔距離

為了防止雷電流流經(jīng)引下線時產(chǎn)生的高電位對附近金屬物或電氣和電子系統(tǒng)的反擊,《雷規(guī)》第4.3.8條給出第二類防雷建筑物金屬物或線路與引下線之間的間隔距離為

Sa≥0.06kclx

式中:Sa——空氣中的間隔距離;

kc——計算點處的分流系數(shù);

lx——引下線計算點到連接點的長度,連接點即是金屬物或電氣和電子系統(tǒng)線路與防雷裝置之間直接或通過電涌保護器相連之點。

《雷規(guī)》第4.4.7條給出第三類防雷建筑物金屬物或線路與引下線之間的間隔距離為

Sa≥0.04kclx

對于分流系數(shù)kc的取值,《雷規(guī)》附錄E.0.1給出分流系數(shù)的取值,即2根引下線及接閃器不成閉合環(huán)的多根引下線時,分流系數(shù)kc=0.66;接閃器成閉合環(huán)或網(wǎng)狀的多根引下線時,分流系數(shù)kc=0.44?！独滓?guī)》附錄E.0.2模型中分流系數(shù)取值如圖1所示,其中h1～hm為連接引下線的各環(huán)形導(dǎo)體之間或各層地面金屬體之間的距離,cs、cd為某引下線頂雷擊點至兩側(cè)最近引下線之間的距離,c取二者的最小值,c、h1的取值范圍為3～20 m。

表1 引下線選用的技術(shù)要求

圖1 《雷規(guī)》附錄E.0.2模型中分流系數(shù)取值

第二類建筑物防雷引下線間距取18 m,第三類建筑物防雷引下線間距取25 m,最不利情況為雷電擊在2根引下線正中間,即c取1/2引下線間距,第二類為9 m,第三類為12.5 m,環(huán)形導(dǎo)體之間或各層地面金屬體之間的距離(即各樓層高度h1～hm)取值為3～20 m,引下線數(shù)量分別取2根、4根和10根情況(2根為引下線最少數(shù)量要求,10根引下線為防接觸電壓和跨步電壓的第一條要求中引下線數(shù)量最小值)時,計算結(jié)果如表2所示。

由以上計算知,不被反擊的主要影響因素是引下線的數(shù)量、連接引下線至環(huán)形導(dǎo)體之間的距離雷擊點位置,引下線數(shù)量越多,連接引下線至環(huán)形導(dǎo)體之間的距離越小,雷擊點越靠近引下線,得到的不被反擊的安全間隔距離越小,即引下線附近的金屬物或電力電子線路越安全,反之,則安全間隔距離越大,引下線附近的金屬物或電力電子線路越容易遭到雷電流引起的反擊。對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)式建筑物,當(dāng)引下線數(shù)量n≥10,第二類防雷建筑物,安全間隔距離Sa=36.4 cm,第三類防雷建筑物,安全間隔距離Sa=25.7 cm,即當(dāng)建筑物內(nèi)的金屬物或電氣、電子系統(tǒng)線路距離防雷引下線36.4 cm以上時,即不會遭受到雷電流引起的反擊。

表2 計算結(jié)果

1.3 混凝土中引下線最小直徑條款的理解

《雷規(guī)》第4.3.5條第3款要求:“敷設(shè)在混凝土中作為防雷裝置的鋼筋或圓鋼,當(dāng)僅為一根時,其直徑不應(yīng)小于10 mm。被利用作為防雷裝置的混凝土構(gòu)件內(nèi)有箍筋連接的鋼筋時,其截面積總和不應(yīng)小于一根直徑10 mm鋼筋的截面積?！?/p>

JGJ/T 16—2008《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》[2]第11.7.7條也做了相應(yīng)的規(guī)定,即“利用建筑鋼筋混凝土中的鋼筋作為防雷引下線時,其上部應(yīng)與接閃器焊接,下部在室外地坪下0.8～1.0 m處宜焊出一根直徑為12 mm或40 mm×4 mm鍍鋅鋼導(dǎo)體,此導(dǎo)體伸出外墻的長度不宜小于1 m,作為防雷引下線的鋼筋應(yīng)符合下列要求:(1) 當(dāng)鋼筋直徑大于或等于16 mm時,應(yīng)將兩根鋼筋綁扎或焊接在一起,作為一組引下線;(2) 當(dāng)鋼筋直徑大于或等于10 mm且小于16 mm時,應(yīng)利用四根鋼筋綁扎或焊接作為一組引下線?！?/p>

通過比較,以上標(biāo)準(zhǔn)對單根鋼筋最小直徑的規(guī)定是相同的,即都是10 mm。針對此數(shù)據(jù),運用導(dǎo)體溫升公式計算,結(jié)果驗證規(guī)范的正確性和合理性。單根圓鋼引下線最小直徑不應(yīng)小于10 mm的表面溫度升高理論計算如下。

導(dǎo)體即鋼筋引下線的升高溫度為

式中:α——電阻的溫度系數(shù),取6.5×10-31/K;

W/R——沖擊電流的單位能量,根據(jù)《雷規(guī)》表F.0.1-1,第二類防雷建筑物,取5.6×106J/Ω,第三類防雷建筑物,取2.5×106J/Ω;

ρ0——導(dǎo)體在環(huán)境溫度下的電阻率,取138×10-9Ω·m;

q——導(dǎo)體的截面積,直徑φ10 mm的鋼筋,取78.5 ×10-6m2;

γ——物質(zhì)的密度,取7 700 kg/m3;

Cw——熱容量,取469 J/(kg·K)。

因此,對于第二類防雷建筑物,θ-θ0=38.9 K。對于第三類防雷建筑物,除W/R值不同外,其他值都相同,同理計算得θ-θ0=16.3 K。

綜上,對于單根φ10 mm的鋼筋構(gòu)件,以最大雷電流(即使不分流、不衰減的情況)沖擊引下線,對于第二類、第三類防雷建筑物,得到的溫升都小于40 ℃。實際上,鋼筋混凝土構(gòu)件內(nèi)通常是2根或者4根并聯(lián)一起使用(鋼筋直徑等于16 mm時,要求將2根鋼筋并在一起使用,截面積為402 mm2;當(dāng)鋼筋直徑為10 mm時,要求將4根鋼筋并在一起使用,截面積為314 mm2,比雷擊最嚴(yán)重的截面積300 mm2(日本規(guī)定)還要大,并且經(jīng)過分流后每根鋼筋的W/R值大大減小。因此,鋼筋的溫升更遠小于鋼構(gòu)件屈服疲勞規(guī)定的溫升值,所以非常安全、可靠[3]。

此外,利用建筑物鋼筋混凝土中的鋼筋作為引下線,不僅節(jié)約鋼材,還比較安全。因框架結(jié)構(gòu)的本身就將梁和柱內(nèi)的鋼筋連成一體,形成一個法拉第籠,這對平衡建筑物內(nèi)的電位和防止側(cè)擊都起到良好的作用。

2 專設(shè)引下線的界定

《雷規(guī)》中對設(shè)引下線的表述有明確的強制性條文,第4.3.3條:“專設(shè)引下線不應(yīng)少于2根,并應(yīng)沿建筑物四周和內(nèi)庭院四周均勻?qū)ΨQ布置,其間距沿周長計算不應(yīng)大于18 m。當(dāng)建筑物的跨度較大,無法在跨距中間設(shè)引下線時,應(yīng)在跨距兩端設(shè)引下線并減小其他引下線的間距,專設(shè)引下線的平均間距不應(yīng)大于18 m”;第4.4.3條:“專設(shè)引下線不應(yīng)少于2根,并應(yīng)沿建筑物四周和內(nèi)庭院四周均勻?qū)ΨQ布置,其間距沿周長計算不應(yīng)大于25 m。當(dāng)建筑物的跨度較大,無法在跨距中間設(shè)引下線時,應(yīng)在跨距兩端設(shè)引下線并減小其他引下線的間距,專設(shè)引下線的平均間距不應(yīng)大于25 m”。但是理解和界定專設(shè)引下線都非常得難。通過多年的防雷工作和實踐經(jīng)驗,認(rèn)為界定第二(三)類防雷建筑物設(shè)置專用引下線主要可分為以下3種情況[4]:

① 當(dāng)?shù)诙?三)類防雷建筑物為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時,應(yīng)采用建筑物鋼筋混凝土中的鋼筋作為自然引下線,即利用建筑物四周和內(nèi)庭院四周結(jié)構(gòu)柱內(nèi)不少于2根主筋作引下線,其間距沿周長計算不應(yīng)大于18 m(25 m)。當(dāng)建筑物的跨度較大,無法在跨距中間設(shè)引下線時,應(yīng)在跨距兩端設(shè)引下線,并減小其他引下線的間距,使引下線的平均間距不應(yīng)大于18 m(25 m)。

② 當(dāng)?shù)诙?三)類防雷建筑物為木質(zhì)結(jié)構(gòu)時,應(yīng)設(shè)專設(shè)引下線,并不應(yīng)少于2根,其間距沿周長計算不應(yīng)大于18 m(25 m)。

③ 當(dāng)?shù)诙?三)類防雷建筑物為磚混結(jié)構(gòu)、礫石基礎(chǔ)時,應(yīng)設(shè)專設(shè)引下線,并不應(yīng)少于2根。

3 暗設(shè)引下線的判斷

明設(shè)的引下線肉眼可見,容易判斷。對于已經(jīng)建成的建筑物(多數(shù)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)),引下線為暗設(shè),如果僅簡單地用接地電阻測試儀進行接地電阻測試(忽略過渡電阻影響),由于接閃帶已經(jīng)連接成環(huán)各環(huán)路都連通,所以即使被測引下線已經(jīng)大部分遭破壞,只要有一根引下線完好仍可以測得電阻。這樣就無法直觀判斷這根引下線是否安全、可靠。通過多年的防雷工作經(jīng)驗,發(fā)現(xiàn)一個既簡單又可靠的方法:首先目測引下線的引上點處是否有彎頭,有彎頭的,初步確認(rèn)為引下線(彎頭主要是考慮搭接倍數(shù)和焊接工藝要求),無彎頭的,肯定不是引下線(因為不符合搭接倍數(shù)和焊接工藝的要求),一般為支撐架;其次對有彎頭的引上點處可用鉗形環(huán)路電阻測試儀(基于電流互感器原理)驗證,將鉗形環(huán)路電阻測試儀鉗口打開后夾在引上點處,若測得出環(huán)路電阻,則這根引下線與接地裝置可靠連接,是真正的引下線,如圖2所示。若測不出環(huán)路電阻,或者顯示“OL”,則說明此“引下線”是虛設(shè)的或者已經(jīng)損壞,沒有與接地裝置可靠連接,不是真正的引下線,如圖3所示。若測得的環(huán)路電阻很大,則搭接不可靠。

圖2 測出環(huán)路電阻值(真正引下線)

圖3 測不出環(huán)路電阻值(虛假引下線)

4 結(jié) 語

GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》對建筑物的防雷引下線提出的條款要求,對新建建筑物的設(shè)計、既有建筑物防護措施的判斷與整改都具有普遍的意義。本文對建筑物防雷引下線等選用的技術(shù)要求作了歸納與總結(jié),并結(jié)合多年的防雷檢測工作經(jīng)驗,對部分條款進行較深層次的解釋,以期為防雷減災(zāi)工作者提供參考。

[1]建筑物防雷設(shè)計規(guī)范:GB50057—2010[S].

[2]民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范:JGJ/T16—2008[S].

[3]李慧,徐建兵.裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑雷電防護裝置設(shè)計[J].建筑電氣,2017,36(6):7-12.

[4]中國建筑學(xué)會建筑電氣專業(yè)委員會.建筑電氣分會就新《雷規(guī)》專設(shè)引下線深入研討——中國建筑學(xué)會建筑電氣分會2012年年會附件[J].建筑電氣,2012,31(12):59.