建筑物引下線防接觸電壓和跨步電壓的措施

紀(jì) 名 祥

(上海建科檢驗(yàn)有限公司, 上海 201108)

0 引 言

GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(簡(jiǎn)稱《雷規(guī)》)對(duì)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,良好的引下線能將雷電流從接閃器上迅速傳導(dǎo)至接地裝置并流散入大地,保護(hù)建筑物內(nèi)系統(tǒng)(包括電氣系統(tǒng)和電子系統(tǒng))和附近居民的人身安全。當(dāng)雷擊直接擊于安裝在建筑物上的防雷裝置時(shí),在極短的時(shí)間(通常為微秒級(jí))內(nèi)雷電流便流經(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(huì)瞬間升高數(shù)萬伏至數(shù)十萬伏,所以在引下線附近為了保護(hù)人身安全必須采取防接觸電壓和跨步電壓的措施,否則會(huì)危及附近居民的人身及財(cái)產(chǎn)安全,甚至造成嚴(yán)重的人身傷亡事故。因此,對(duì)建筑物引下線防接觸電壓和跨步電壓的措施進(jìn)行研討有著重要的意義。

1 接觸電壓和跨步電壓的定義

接觸電壓:當(dāng)人體的兩個(gè)部位(一般常指人體的手指與接觸地面的腳)同時(shí)接觸到具有不同電位的兩處時(shí),在人體內(nèi)就會(huì)有電流通過,這時(shí)加在人體兩個(gè)部位之間的電位差稱為接觸電壓[1]。

跨步電壓:當(dāng)土壤中存在較大接地電流時(shí),人的兩只腳分別站在具有不同電位的兩處時(shí),在人的兩腳之間所產(chǎn)生的電位差稱為跨步電壓[1]。

2 《雷規(guī)》中防接觸電壓和跨步電壓措施的判斷與防護(hù)整改措施

《雷規(guī)》第4.5.6條規(guī)定:在建筑物引下線附近保護(hù)人身安全需采取的跨步電壓的措施,應(yīng)符合下列規(guī)定。

(1) 防接觸電壓應(yīng)符合下列規(guī)定之一:① 利用建筑物金屬構(gòu)架和建筑物互相連接的鋼筋在電氣上是貫通且不少于10根柱子組成的自然引下線,作為自然引下線的柱子包括位于建筑物四周和建筑物內(nèi)的柱子。② 引下線3 m范圍內(nèi)地表層的電阻率≥50 kΩ·m,或敷設(shè)5 cm厚瀝青層或15 cm厚礫石層。③ 外露引下線,其距地面2.7 m以下的導(dǎo)體用耐1.2/50 μs沖擊電壓100 kV的絕緣層隔離,或用至少3 mm厚的交聯(lián)聚乙烯層隔離。④ 用護(hù)欄、警告牌使接觸引下線的可能性降至最低限度[2]。

(2) 防跨步電壓應(yīng)符合下列規(guī)定之一:① 利用建筑物金屬構(gòu)架和建筑物互相連接的鋼筋在電氣上是貫通且少于10根柱子組成的自然引下線,作為自然引下線的柱子包括位于建筑物四周和建筑物內(nèi)的柱子。② 引下線3 m范圍內(nèi)土壤地表層的電阻率≥50 kΩ·m,或敷設(shè)5 cm厚瀝青層或15 cm厚礫石層。③ 用網(wǎng)狀接地裝置對(duì)地面作均衡電位處理。④ 用護(hù)欄、警告牌使進(jìn)入距引下線3 m范圍內(nèi)地面的可能性降至最低限度[2]。

3 防接觸電壓和跨步電壓措施條款的理解

《雷規(guī)》第4.5.6條強(qiáng)制條款規(guī)定,凡在設(shè)計(jì)或施工中達(dá)到了其中任意一條的規(guī)定要求,就符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求,而不是要求所有條件全部都必須滿足。當(dāng)然,為了提高可靠性和安全性,應(yīng)能盡量多地滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的要求。

防接觸電壓和跨步電壓的核心精髓為均衡和絕緣。防接觸電壓的第①條措施,防跨步電壓的第①條措施和第③條措施都屬于均衡措施;防接觸電壓的第②條措施和第③條措施,防跨步電壓的第②條措施都屬于絕緣措施。

防接觸電壓的第①條措施和防跨步電壓的第①條措施是針對(duì)新建建筑物,不適用于古建筑,不少于10根引下線,通過分流,每根引下線分到的雷電流大大減小,產(chǎn)生的危害迅速降低至可接受水平。

防接觸電壓的第②條措施和防跨步電壓的第②條措施,地表層的電阻率≥50 kΩ·m在現(xiàn)實(shí)中很難做到,即便實(shí)現(xiàn),也加大成本投入。通過查資料知,混凝土在干燥大氣中的電阻率為12～18 kΩ·m,而礫石只有3 kΩ·m,所以該條措施一般都采取后半句條款,即“敷設(shè)5 cm厚瀝青層或15 cm厚礫石層”,這容易實(shí)現(xiàn)且成本較低。

防接觸電壓的第③條措施的前半句“外露引下線,其距地面2.7 m以下的導(dǎo)體用耐1.2/50 μs沖擊電壓100 kV的絕緣層隔離”,這是用絕緣套管作保護(hù)的防接觸電壓技術(shù)措施,避免人體直接接觸到裸露的引下線而發(fā)生觸電的危險(xiǎn)情況。至于為什么是2.7 m,在《雷規(guī)》第4.5.6條的條款說明中給出解釋:2.7 m是按人垂直向上伸手后人高2.5 m(根據(jù)IEC 62305-3:2010第67頁圖E.2),沖擊電壓100 kV擊穿空氣間隙按0.2 m考慮的,故2.5+0.2=2.7 m。引下線防接觸電壓示意圖如圖1所示。

圖1 引下線防接觸電壓示意圖

防跨步電壓的第③條措施“用網(wǎng)狀接地裝置對(duì)地面作均衡電位處理”,這條條款目的是均衡電壓,不會(huì)出現(xiàn)某處電壓明顯偏大的情況,有利于減小跨步電壓。

防接觸電壓的第④條措施和防跨步電壓的第④條措施是用護(hù)欄、警告牌使接觸或進(jìn)入距引下線3 m范圍內(nèi)地面的可能性降至最低限度。如果上述條件均不能滿足,為避免接觸電壓或跨步電壓導(dǎo)致的人身損傷,應(yīng)采取防護(hù)措施,如活動(dòng)限制(臨時(shí)措施,如增加護(hù)欄;持久措施,如砌筑花壇)和(或)警告(如張貼危險(xiǎn)警示標(biāo)識(shí))提示,使引下線被接觸或接近跨步的概率最小化,將危險(xiǎn)降低至最小限度。引下線危險(xiǎn)警示標(biāo)識(shí)示意圖如圖2所示。

針對(duì)防跨步電壓的第④條措施,對(duì)3 m數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析。雷擊產(chǎn)生的跨步電壓可以通過如下公式表示[3]:

圖2 引下線危險(xiǎn)警示標(biāo)識(shí)示意圖

式中:US——雷電流產(chǎn)生的跨步電壓,kV;

Id——入地處的雷電流,kA;

ρ——土壤電阻率,取100 Ω·m;

s——人行走時(shí)兩腳之間的距離,取0.8 m;

d——入地處雷電流與人靠近的那只腳之間距離,取3 m。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《雷規(guī)》第81頁表F.0.1-1,取第二類防雷建筑物,雷電流幅值I=150 kA;第三類防雷建筑物,雷電流幅值I=100 kA,由Id=I/n,n為引下線數(shù)量,取2根、4根和10根情況(2根為防雷建筑物引下線最少數(shù)量要求,10根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)分別代入計(jì)算。第二、三類防雷建筑物不同引下線數(shù)量時(shí)雷擊產(chǎn)生的跨步電壓如表1所示。

表1 第二、三類防雷建筑物不同引下線數(shù)量時(shí)雷擊產(chǎn)生的跨步電壓

IEEE觀點(diǎn):雷電沖擊情況下,人身耐受的沖擊電流強(qiáng)度在百安數(shù)量級(jí)。我國(guó)研究者也認(rèn)為:雷電流的危險(xiǎn)值為100 A,雷電沖擊情況下人體沖擊電阻(即近似人體內(nèi)阻抗)為300～500 Ω[4],由U=IR知,人體能承受的跨步電壓為30～50 kV(在進(jìn)行工頻電壓安全設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),在干燥的環(huán)境條件下人體電阻一般取1 000～1 500 Ω,但在雷電流沖擊下人體電阻在不同的幅值和頻率時(shí)將呈現(xiàn)不同的阻值[5],所以在核算雷擊情況時(shí),人體沖擊電阻不應(yīng)取1 000～1 500 Ω)。

通過上述計(jì)算可知,第二、三類防雷建筑物在只有2根引下線的情況下,在距引下線3 m處最大幅值的雷電流產(chǎn)生的跨步電壓足以致命。當(dāng)引下線數(shù)量達(dá)到4根,或者建筑物引下線敷設(shè)方式為結(jié)構(gòu)(引下線數(shù)量≥10根),則距引下線3 m處產(chǎn)生的跨步電壓比較小,不足以導(dǎo)致人身傷亡事故,但是跨步電壓產(chǎn)生的熱效應(yīng)作用可能會(huì)灼傷人的腳、腿部皮膚等。目前,我國(guó)大多防雷建筑物引下線數(shù)量>4根,且幅值雷電流占整體雷電流的比重非常小,雷擊建筑物頂部接閃器后經(jīng)分流,入地處的雷電流已經(jīng)大大減小,所以距離引下線3 m處還是比較安全的。

4 結(jié) 語

GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)“建筑物的防雷引下線附近保護(hù)人身安全需采取的防接觸電壓和跨步電壓的措施”的條款要求,只要認(rèn)真去落實(shí)滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè)(多個(gè)更好)要求即可有效地防接觸電壓和跨步電壓。本文對(duì)建筑物防雷引下線防接觸電壓和跨步電壓等選用的技術(shù)要求作了歸納與總結(jié),并結(jié)合多年的防雷檢測(cè)工作經(jīng)驗(yàn),對(duì)部分條款進(jìn)行了較深層次的解釋,供防雷減災(zāi)工作者參考。