建筑物防雷設(shè)計要點及防雷檢測常見問題概述*

謝亞雄, 陳小塵, 段 煥, 張 偉, 魏 慶

(四川省防雷中心, 四川 成都 610072)

0 引 言

雷電是大氣中的超長距離放電過程,具有時空間分布范圍廣、隨機(jī)性強(qiáng)等特點[1]。雷電對建筑物的危害主要分為直擊雷、閃電感應(yīng)、閃電電涌侵入和雷電電磁脈沖,其直接擊中建筑物外部會產(chǎn)生電效應(yīng)、熱效應(yīng)或機(jī)械力者;雷電對建筑物內(nèi)部系統(tǒng)的影響主要為電磁感應(yīng)和閃電電涌對電氣系統(tǒng)及電子信息系統(tǒng)的損害。防雷接地系統(tǒng)能夠在雷擊災(zāi)害發(fā)生時將大量的電流導(dǎo)入地下,以此避免雷電對建筑物設(shè)施造成破壞[2],而防雷檢測能夠科學(xué)客觀地判斷出防雷裝置是否符合規(guī)范要求、防護(hù)性能是否正常,從而降低雷擊事故隱患、確保人員財產(chǎn)安全。因此,建筑物的防雷設(shè)計和防雷裝置檢測顯得尤為重要。

1 建筑物防雷設(shè)計要點

1.1 外部防雷設(shè)計

1.1.1 直擊雷防護(hù)

建筑物外部防雷裝置主要用于直擊雷防護(hù),由接閃器、引下線和接地裝置組成。一般而言,建筑物防雷設(shè)計多利用混凝土內(nèi)鋼筋、鋼柱作為自然引下線,而專設(shè)引下線的規(guī)格和敷設(shè)方式較為固定;接地裝置可利用建筑物基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋網(wǎng)作為接地體,加之可額外采用水平、垂直或環(huán)形接地體進(jìn)行綜合布設(shè),因此通常情況下滿足接地電阻標(biāo)準(zhǔn)要求較為容易。接閃器作為直擊雷防護(hù)中的關(guān)鍵部分,其對材料、規(guī)格、敷設(shè)方式和適用范圍要求較多,設(shè)計中應(yīng)當(dāng)注意的地方主要為以下幾點。

(1) 接閃器規(guī)格。

接閃器類型分為接閃桿、接閃帶、接閃線等,多采用熱鍍鋅鋼制成。按照GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》要求,熱鍍鋅圓鋼材質(zhì)的接閃桿長度在1 m以下時,圓鋼直徑不應(yīng)小于12 mm;桿長在1 m～2 m時,圓鋼直徑不應(yīng)小于16 mm[3]。設(shè)計中圓鋼直徑通常能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)(多為φ12 mm～φ16 mm),但桿長可能不滿足要求,如采用φ12 mm的圓鋼,其設(shè)計桿長卻超過1 m。當(dāng)接閃帶、接閃線等為熱鍍鋅圓鋼材質(zhì)時,其直徑不應(yīng)小于8 mm,扁鋼截面則不應(yīng)超過50 mm2。

(2) 屋面附屬設(shè)施。

除第一類防雷建筑物以及第二類防雷建筑物突出屋面的放散管、風(fēng)管和煙囪外,屋頂上永久性金屬物宜作為接閃器[3]。然而在實際項目實施中發(fā)現(xiàn)諸如消防管道、護(hù)欄、爬梯等金屬物容易忽略其和防雷裝置的等電位連接,造成雷擊事故隱患。若出于臨時需要在屋面安裝或搭建附屬設(shè)施,則應(yīng)將其與附近的接閃設(shè)施實行最短距離的電氣連接,屋面無用的金屬設(shè)施應(yīng)當(dāng)及時拆除。此外,不得利用安裝在接收無線電視廣播天線桿頂上的接閃器保護(hù)建筑物,該情況下應(yīng)當(dāng)采用專設(shè)接閃器保護(hù)建筑物屋面。

(3) 金屬屋面/外墻。

除第一類建筑物外,具有金屬屋面/外墻的建筑物宜利用其屋面作為接閃器。但設(shè)計中應(yīng)當(dāng)注意,金屬板間的連接應(yīng)為持久的電氣貫通,可采用銅鋅合金焊、熔焊、卷邊壓接等連接方式;金屬板的厚度應(yīng)當(dāng)視其材料而定,當(dāng)金屬板下無易燃物時,不銹鋼、熱鍍鋅鋼、鈦和銅板的厚度不應(yīng)小于0.5 mm,鋁板的厚度不應(yīng)小于0.65 mm,鋅板的厚度不應(yīng)小于0.7 mm;金屬下有易燃物時,不銹鋼、熱鍍鋅鋼和鈦板的厚度不應(yīng)小于4 mm,銅板的厚度不應(yīng)小于5 mm,鋁板的厚度不應(yīng)小于7 mm[3]。此外,金屬板應(yīng)無絕緣被覆層(薄的油漆保護(hù)層、瀝青層或聚氯乙烯層除外)。

1.1.2 側(cè)擊雷防護(hù)

除直擊雷外,建筑物還容易受到側(cè)擊雷的雷擊,當(dāng)建筑物的高度超過其對應(yīng)的滾球半徑時,便可能產(chǎn)生側(cè)擊雷閃擊。相較直擊雷而言,人們對側(cè)擊雷更易疏于防范,且側(cè)擊雷帶給建筑物的破壞可能不遜于直擊雷[4]。

在設(shè)計中,側(cè)擊雷防護(hù)措施與建筑物防雷類別有關(guān),第一類建筑物應(yīng)從建筑物高度30 m起每隔不大于6 m,沿建筑物四周設(shè)水平接閃帶并應(yīng)與引下線相連,且30 m以上外墻上的欄桿、門窗等較大金屬物應(yīng)與防雷裝置相連;第二、第三類建筑物對水平突出外墻的物體應(yīng)采取防雷措施,在建筑物上部占高度的20%,并超過對應(yīng)滾球半徑的部位做好防側(cè)擊雷措施,接閃器應(yīng)重點布置在墻角、邊緣和顯著突出的物體等易遭受雷擊的部位。除此之外,外墻內(nèi)或沿外墻豎直敷設(shè)的金屬管道及金屬物的底端和頂端均應(yīng)與防雷裝置做等電位連接。

1.2內(nèi)部防雷設(shè)計

建筑物內(nèi)部防雷措施主要由等電位連接、共用接地裝置、屏蔽、合理布線、浪涌保護(hù)器組成,用于減小和防止雷電流在需防護(hù)空間內(nèi)產(chǎn)生的電磁效應(yīng),以下主要針對屏蔽措施、等電位連接和浪涌保護(hù)器設(shè)計要點做分析。

1.2.1 屏蔽措施

屏蔽措施分為建筑物屏蔽、機(jī)房屏蔽、線纜屏蔽、合理布線等,實際應(yīng)用中這些措施一般是綜合使用的[5]。建筑物的屏蔽宜利用建筑物的金屬框架、混凝土中的鋼筋、金屬屋頂?shù)茸匀唤饘俨考c防雷裝置連接構(gòu)成格柵形大空間屏蔽;當(dāng)利用建筑物自身形成的大空間屏蔽不能滿足機(jī)房內(nèi)電子信息系統(tǒng)的電磁環(huán)境要求時,應(yīng)增加機(jī)房的屏蔽措施。

值得注意的是,進(jìn)出建筑物的專用線纜一般自帶屏蔽層,該屏蔽層多由屏蔽線制成,這種屏蔽線是一種帶有金屬編織外殼的導(dǎo)線,專門用于減少電磁場對電源或信號線路的影響。當(dāng)線纜對屏蔽要求較高時,還應(yīng)當(dāng)采用雙層屏蔽或穿鋼管埋地敷設(shè),以取得更佳的屏蔽效果。在布置線纜尤其是電子信息機(jī)房的線纜時,還應(yīng)注意盡量減小由線纜自身形成的電磁感應(yīng)環(huán)路面積。

1.2.2 等電位連接

等電位連接是建筑物內(nèi)部防雷系統(tǒng)的重要組成部分,其基本原理為將分開的各金屬物體直接用連接導(dǎo)體或經(jīng)電涌保護(hù)器連接到防雷裝置上以減小雷電流引發(fā)的電位差。首先,建筑物內(nèi)部的局部電氣/電子系統(tǒng)的金屬組件須通過等電位連接導(dǎo)體連接至局部電氣/電子系統(tǒng)的接地基準(zhǔn)點(ERP)上,此類情況一般出現(xiàn)在配電房、機(jī)房、各類設(shè)備間的等電位連接上;其次,接地基準(zhǔn)點(ERP)應(yīng)當(dāng)通過建筑物柱筋與主要供電氣/電子系統(tǒng)使用的總接地、總接地母線、總等電位連接帶進(jìn)行電氣相連;最后,所有外來導(dǎo)電物、電子或電氣系統(tǒng)的線路在進(jìn)入建筑物時均應(yīng)就近連接到環(huán)形接地體、內(nèi)部環(huán)形導(dǎo)體或基礎(chǔ)接地體的鋼筋上。在設(shè)計電子系統(tǒng)的等電位網(wǎng)絡(luò)時,還應(yīng)綜合考慮接地效果和線路頻率,以確定采用何種等電位連接系統(tǒng)(M型網(wǎng)形結(jié)構(gòu)或S型星形結(jié)構(gòu))。

1.2.3 電涌保護(hù)器

本文主要討論電涌保護(hù)器的選型及安裝位置問題。對于建筑物的低壓電源系統(tǒng)而言,在電源線路引入的總配電箱或配電柜處應(yīng)裝設(shè)Ⅰ級試驗的電涌保護(hù)器,電涌保護(hù)器的電壓保護(hù)水平Up值應(yīng)不大于2.5 kV,每一保護(hù)模式的沖擊電流值Iimp應(yīng)大于或等于12.5 kA。對于需要保護(hù)的電子/電氣設(shè)備而言,需選用Ⅱ級或Ⅲ級試驗的電涌保護(hù)器,Ⅱ級試驗的電涌保護(hù)器,其標(biāo)稱放電電流In應(yīng)不小于5 kA;Ⅲ級試驗的電涌保護(hù)器,其標(biāo)稱放電電流應(yīng)不小于3 kA[5]。實際應(yīng)用中,In應(yīng)根據(jù)用電設(shè)備的耐沖擊電壓水平和同一線路上游的電涌保護(hù)器的能量耐受程度而定,取值一般在10 kA以上。

設(shè)計中應(yīng)重點關(guān)注低壓電源系統(tǒng)的電涌保護(hù)器,應(yīng)選擇高可靠性(低失效率)浪涌保護(hù)器以提高其運行質(zhì)量[6],切忌將沖擊電流Iimp與最大放電電流Imax混為一談。沖擊電流適用于10/350 μs直擊雷雷電流波形對電涌保護(hù)器的耐受性測試,而最大放電電流適用于8/20 μs感應(yīng)雷雷電流波形對電涌保護(hù)器的耐受性測試。電涌保護(hù)器對電氣/電子系統(tǒng)的保護(hù)等級一般分為三級,一級保護(hù)適用于建筑物電源引入的總配電設(shè)施處,如配電室里的總配電箱、總配電柜、變壓器旁進(jìn)線柜處,或園區(qū)內(nèi)的箱式變電站低壓端;二級保護(hù)適用于建筑物內(nèi)向某一特定區(qū)域供電的配電箱處,如樓層內(nèi)分配電箱;三級保護(hù)適用于用電設(shè)備處,如設(shè)備控制柜、列頭柜等。

2 防雷檢測常見問題及注意事項

2.1 測試儀器問題

防雷檢測中,使用的儀器主要為接地電阻測試儀,一般分為箱式儀器和手持儀器。箱式測試儀器除了測試接地電阻值外,某些還具有土壤電阻率測試功能,其優(yōu)點是測試結(jié)果較為精準(zhǔn),但攜帶不易,須配合測試線圈一同使用;手持儀器一般為鉗形接地電阻測試儀,其優(yōu)點是使用方便,但測試精準(zhǔn)度不如箱式儀器且使用條件受限。使用中應(yīng)注意的是,在條件允許的情況下,盡量使用箱式接地電阻測試儀,通過常用的三極法進(jìn)行測量[7],一般不用其代替等電位測試儀;鉗形接地電阻儀一般用于條件受限時判斷測試點是否接地,其測試點須為閉合回路中的一部分(若測試點為非閉合,則需要連接輔助導(dǎo)線)[8],且測試點應(yīng)被鉗口完全包圍,否則測試結(jié)果不準(zhǔn)確,甚至無法得出測試數(shù)值。

2.2 接地阻值不合格

實際檢測中,接地電阻分為獨立接地電阻與共用接地電阻,以共用接地居多。按照GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》和GB 50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求,當(dāng)采用共用接地裝置時,接地裝置的接地電阻必須按接入設(shè)備中要求的最小值確定,該值一般情況下不得超過4 Ω[3,5]。當(dāng)測試結(jié)果不合格時,首先應(yīng)判斷此次檢測參考的接地電阻取值標(biāo)準(zhǔn)是否正確,具體問題具體分析;其次檢查測試方法是否妥當(dāng),例如土壤成分、含水率是否適合三級法測試,地釘之間的間距是否達(dá)標(biāo)(一般應(yīng)不小于5 m),測試點表面是否有絕緣被覆層或防銹涂層,測試線是否破損或斷裂;再次可查閱建筑施工設(shè)計圖紙,確定其接地設(shè)計方式,以重新制定測試方案。

2.3 電涌保護(hù)器選型或運行問題

電涌保護(hù)器的選擇是由設(shè)計/使用方參照相關(guān)規(guī)范、制造商提供的技術(shù)參數(shù)、設(shè)備工作電壓等多種因素綜合決定的,檢測中應(yīng)重點關(guān)注電涌保護(hù)器的選型、安裝方式和運行狀態(tài)。判斷電涌保護(hù)器選型是否正確,可先看其保護(hù)對象是否為建筑物電源引入的配電系統(tǒng)處,在建筑物電源線路引入的總配電箱處應(yīng)裝設(shè)用于直擊雷防護(hù)的Ⅰ級試驗浪涌保護(hù)器(以沖擊電流Iimp的存在為判斷依據(jù)),除此之外建筑物內(nèi)部可裝設(shè)用于感應(yīng)雷防護(hù)的Ⅱ級或Ⅲ級試驗電涌保護(hù)器(一般以最大放電電流Imax的存在為判斷依據(jù));至于電涌保護(hù)器各電流、電壓參數(shù)取值大小,可參照GB 50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》中表5.4.3-3來確定。

檢測中應(yīng)注意檢查開關(guān)型電涌保護(hù)器是否已經(jīng)處于運行狀態(tài),可通過其開關(guān)狀態(tài)和指示燈進(jìn)行判斷,此外還應(yīng)檢查各級電涌保護(hù)器連接導(dǎo)線是否過長(不宜超過0.5 m),以及其接地端是否與安裝位置附近的等電位接地端子進(jìn)行有效連接。電涌保護(hù)器的劣化顯示狀態(tài)可直觀表現(xiàn)其運行狀態(tài)是否正常,正常工作時,其顯示窗多為綠色或透明色;電涌保護(hù)器劣化后,其顯示顏色為紅色(不論其紅色區(qū)域大小),此時應(yīng)檢查劣化原因并及時更換電涌保護(hù)器。

3 結(jié) 語

建筑物防雷接地設(shè)計應(yīng)綜合考慮外部防雷接地與內(nèi)部防雷接地。外部防雷接地分為直擊雷防護(hù)與側(cè)擊雷防護(hù);內(nèi)部防雷接地以等電位連接、屏蔽措施、合理布線、浪涌保護(hù)器防護(hù)為主。設(shè)計中應(yīng)嚴(yán)格參照國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),重點關(guān)注容易發(fā)生疏忽之處,如接閃器規(guī)格、等電位連接方式、電涌保護(hù)器選型等。防雷檢測是檢驗建筑物防雷接地設(shè)計是否合理有效的重要手段,現(xiàn)場測試中應(yīng)遵循檢測規(guī)范,注意儀器選擇和使用方法,并參考適用的接地阻值標(biāo)準(zhǔn),逐一排查問題并提出解決方案。