三級防雷建筑物設計施工中的問題

［摘要］對IEC、GB50057－94、JGJ/T16－92等建筑物防雷規(guī)范進行對比，指出對三級防雷建筑物的防直擊雷設計與施工中存在的誤區(qū)以及應采用的相應措施，論述建筑物防雷設計中應計算的設計參數(shù)，安全、經(jīng)濟地實現(xiàn)設計標準。
［關(guān)鍵詞］建筑物 防雷設施 裝置間距 跨步電壓 埋地深度 接地電阻
一、前言
在建筑物防雷設計中，設計人員對一、二級防雷建筑物的防雷設計比較重視，疏漏差錯很少，但對大量的三級防雷建筑物的防雷設計卻常有忽視。由于設計質(zhì)量管理規(guī)定：對于一般工程的電氣設計允許可以不要計算書，因此許多設計人員對三級防雷建筑物的防雷設計，不再進行設計計算，僅憑經(jīng)驗而設計。對于防雷設施的是否設置及防雷設施的各種安全間距未進行計算、驗算，因此造成大量的三級防雷的建筑物的防雷設計、施工存在較大的的盲目性，使有些工程提高了防雷級別，增加了工程造價，而有些工程卻未按規(guī)范設計、施工，造成漏錯，帶來很大隱患和不應有的損失。
二、建筑物防雷規(guī)范的概述及比較
現(xiàn)今建筑物防雷標準有1993年8月1日起實施的《民用建筑電氣設計規(guī)范》?JGJ/T16－92?推薦性行業(yè)標準，1994年11月1日起實施的《建筑物防雷設計規(guī)范》?GB50057－94?強制性國家標準。GB50057－94使建筑物的防雷設計、施工逐步與國際電工委員會?IEC?防雷標準接軌，設計施工更加規(guī)范化、標準化。
GB50057－94將民用建筑分為兩類，而JCJ/T16－92將民用建筑防雷設計分為三級，分得更加具體、細致、避免造成使某些民用建筑物失去應有的安全，而有些建筑物可能出現(xiàn)不必要的浪費。為更好的掌握IEC、GB50057－94、JCJ/T16－92三者的實質(zhì)，特擇其主要條款列于表1。且后面的分析、計算均引自JCJ/T16－92中的規(guī)定。
三、預計的年雷擊次數(shù)確定設置防雷設施
除少量的一、二級防雷建筑物外，數(shù)量眾多的還是三級防雷及等級以外的建筑物防雷，而對此類建筑物大多設計人員不計算年預計雷擊次數(shù)N，使許多不需設計防雷的建筑物而設計了防雷措施，設計保守，浪費了人、材、物。現(xiàn)計算舉例說明：
例1：在地勢平坦的住宅小區(qū)內(nèi)部設計一棟住宅樓：6層高?層數(shù)不含地下室，地下室高2.2m?，三個單元，其中：長L=60m，寬W=13m，高H=20m，當?shù)啬昶骄�雷暴日Td=33.2d/a，由于住宅樓處在小區(qū)內(nèi)部，則校正系數(shù)K=1。
據(jù)JCJ/T16－92中公式?D?2－1?、?D?2－2?、?D?2－3?、?D?2－4?得：與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積?km2?：Ae=?L?W＋2?L＋W?H?200－H?＋πH?200－H??×10－6=?60×13＋2（60＋13）20（200－20）＋3.14×20（200－20）?×10－6=0.02084?km2?
建筑物所處當?shù)氐睦讚舸蟮氐哪昶骄�密度�?br />Ng=0.024Td1.3=0.024×33.21.3=2.28次/?km2?a?
建筑物年預計雷擊次數(shù)：
N=KNgAe=1×2.28×0.02084=0.0475?次/a?
據(jù)JCJ/T16－92第12.3.1條，只有在N≥0.05?GB50057－94中：N≥0.06?才設置三級防雷，而本例中：N=0.0475<0.05，且該住宅樓在住宅樓群中不是最高的也不在樓群邊緣，故該住宅樓不需做防雷設施。
根據(jù)以上計算步驟，現(xiàn)以L=60m，W=13m，分別以H=7m、10m、15m、20m四種不同的高度，K值分別取1，1.5，1.7，2，Ng=2.28?km2?a?進行計算N值，計算結(jié)果見表2。
從表2中的數(shù)據(jù)可知，在本區(qū)內(nèi)：①當K=1時，舉例中的建筑物均N<0.05，不需設置防雷設施。②當K=1.5時，即建筑物在河邊、湖邊、山坡下或山地中土壤電阻率較小處、地下水露頭處、土山頂部、山谷風口等處的或特別潮濕的建筑物，在高度達15m或以上者，必須設置三級防雷措施。③當K=1.7時，即金屬的磚木結(jié)構(gòu)的建筑物，高度達7m及以上者，必須設置三級防雷措施。④當K=2時，即建筑物位于曠野孤立的位置，高度達7m?兩層以上者，均設置三級防雷措施。
可見，有的建筑物在20m的高度，卻不需設置防雷措施，而有的建筑物高度在7m，就必須設置三級防雷措施。關(guān)鍵因素在于建筑所處的地理位置、環(huán)境、土質(zhì)和雷電活動情況所決定。
同時在峻工的工程中，我們也看到，例1中的民用建筑物，有許多類似的工程不該設置防雷卻按三級防雷設計施工了，施工后的防雷接地裝置如圖1所示。
其中8組引下線均利用結(jié)構(gòu)中的構(gòu)造柱的4?12主筋，水平環(huán)路接地體埋深1m，距樓外墻1m。以上鋼材均為鍍鋅件，則共需鍍鋅鋼材0.192t，人工費2950元，定額預算工程直接費約0.75萬元。類似這種三級防雷以外的住宅樓、辦公樓及其他民用建筑，在我們地區(qū)1998年約竣工600～800棟，僅增設的防雷設施其工程直接費約為450～600萬元。以此類推，在全省、全國因提高防雷等級而提高工程造價?浪費?的數(shù)字是巨大的。因此，設計人員對民用建筑物的防雷設計必須對建筑物年預計雷擊次數(shù)進行計算，根據(jù)計算結(jié)果，結(jié)合具體條件，確定是否設置防雷設施。
四、防雷設施與人、金屬管道等的安全距離
1.雷電流反擊電壓與引下線間距的關(guān)系
當建筑物遭受雷擊時，雷擊電流通過敷設在樓頂?shù)谋芾拙W(wǎng)，經(jīng)接地引下線至接地裝置流入地下，在接地裝置上升高的電位等于電流與電阻的乘積，在接地引下線上某點?離地面的高度為h?的對地電位則為 
Uo=UR＋UL=IkRq＋L ?1?
式中Ik―雷電流幅值?kA?
Rq―防雷裝置的接地電阻?Ω?
L―避雷引下線上某點?離地面的高度的為h?到接地裝置的電感?μH?
雷電流的波頭陡度?kA/μH?
?1?式中右邊第一項?UR即IkRq?為電位的電阻分量，第二項?UL?即 ?為電位的電感分量，據(jù)GB50057－94有關(guān)規(guī)定，三類?級?防雷建筑物中，可取雷電流Ik=100kA，波頭形狀為斜角形，波頭長度為10μs，則雷電流波頭陡度 = =10kA /μs，取引下線單位長度電感Lo=1.4μH/m，則由?1?式可得出
Uo=100Rq＋1.4×h×10=100Rq＋14h?kV? ?2?
根據(jù)?2?式，在不同的接地電阻Rq及高度h時，可求出相應的Uo值，但引下線數(shù)量不同，則Uo的數(shù)值有較大差異。下面以例1中引下線分別為4、8根?假定每根引下線均流過相同幅度的雷擊電流，且忽略雷電流在水平避雷上的電阻及電感壓降?，計算出的UR/UL值列于表3。
由表3中可知，接地電阻?Rq?即使為零，在不同高度的接地引下線由于電感產(chǎn)生的電位?電感分量?也是相當高的，同樣會產(chǎn)生反擊閃絡。
2.引下線與人體之間的安全間距
雷擊電流流過引下線及接地體上產(chǎn)生的雷擊電壓，其電阻分量存在于雷電波的持續(xù)時間?數(shù)十μs?內(nèi)，而電感分量只存在于波頭時間5μs內(nèi)，因此兩者對

空氣絕緣作用有所不同，可取空氣擊穿強度：電感UL=700kV/m，電阻ER=500kV/m�；炷�土墻的擊穿強度等于空氣擊穿強度，磚墻的擊穿強度為空氣擊穿強度的一半。
據(jù)表3計算的數(shù)據(jù)，下面計算引下線與人體之間的安全距離。因每組引下線利用構(gòu)造柱中的4?12鋼筋，可以認為引下線與人體、金屬管道、金屬物體之間為空氣間隔，且認為引下線與空氣之間間隔層為抹灰層，可忽略不計。
?1?當引下線為4組時，人站在一層，h1=3m，Rq=30Ω，則URI=750kV?UL1=10.5kV?人體與引下線之間安全距離L安全1>
?方可產(chǎn)生的反擊。人站在5層，h2 =15m，Rq=30Ω，則：UR2=750kV?U12=52.5kV?則安全距離L安全2>
1.575m<1.83m。在上述兩個房間內(nèi)，保持如此的距離是很難做到的，因此存在很危險的雷電壓反擊。
（2）當引下線為8組時，當站在一層房間內(nèi)，h1=3m，Rq=30Ω，則UL1=5.25kV?UR1=3.75kV? 則安全間距L安全1>
0.757m。人站在5層時，h2=15m?則UL2=26.25kV?UR2=375kV?則安全間距L安全2> 
可見，引下線數(shù)量增加一倍，安全間距則減小一半。因此設置了防雷設施后，應嚴格按照規(guī)范設置引下線的數(shù)量及間距。同時建議可縮短規(guī)范內(nèi)規(guī)定的引下線間距，多設一定數(shù)量的引下線，可減少雷電壓反擊現(xiàn)象。這樣處理，對增加工程造價微乎其微。 
3.引下線與室內(nèi)金屬管道、金屬物體的距離
?1?當防雷接地裝置未與金屬管道的埋地部分連接時，按例一中數(shù)據(jù)：樓頂?shù)囊�下線高度h=Lx=20m，Rq=30Ω時，據(jù)JCJ/T16－92第12.5.7條規(guī)定，Lx<5Rq=5×30=150m，則
Sal≥0.2Kc?Ri＋0.1Lx?
式中Kc―分流系數(shù)，因多根引下線，取0.44
Ri―防雷接地裝置的沖擊電阻，因是環(huán)路接地體，Ri=Rq=30Ω
Sal―引下線與金屬物體之間的安全距離/m
則
Sal≥0.2×0.44×?30＋0.1×20?=2.816m。
?2?當防雷接地體與金屬管道的埋地部分連接時，按式?12.3.6－3?，Sa2≥0.075KcLx=0.075×0.44×20=0.66
由以上計算的Sal≥2.816m，Sa2≥0.66m，在實際施工時，均很難保證以上距離，因為金屬管道靠墻0.1m左右安裝，又由于Sa2≤Sal，因此可將防雷接地裝置與金屬管道的埋地部分連接起來，同時，在樓層內(nèi)應將引下線與金屬管道?物體?連接起來，防止雷電反擊。
4.引下線接地裝置與地下多種金屬管道及其它接地裝置的距離Sed
據(jù)JCJ/T16－92第12.5.7條及公式?12.3.6－4?：Sed≥0.3KcRi=0.3×0.4×30=3.96m，而在實際施工中，地下水暖管道交錯縱橫，先于防雷及電氣接地裝置施工，等施工后者時，已經(jīng)很難保證Sed≥3.96m了，也難于保證不應小于2m的規(guī)定，因此可將防雷接地裝置與各種接地裝置共用，即實行一棟建筑一個接地體。將接地裝置與地下進出建筑物的各種金屬管道連接起來，實行總等電位聯(lián)結(jié)。
綜上所述，在實行一棟建筑一個總帶電位聯(lián)結(jié)、一個共用接地體的措施后，在樓頂部應將避雷帶?針?與伸出屋面的金屬管道金屬物體連接起來，在每層內(nèi)的建筑物內(nèi)應實行輔助等電位聯(lián)結(jié)，即引下線在經(jīng)過各個樓層時，將它與該樓層內(nèi)的鋼筋、金屬構(gòu)架全部聯(lián)結(jié)起來，于是不論引下線的電位升到多高，同樓層建筑物內(nèi)的所有金屬物?包括地面內(nèi)鋼筋、金屬管道、電氣設備的安全接地?都同時升到相同電位，方可消除雷電壓反擊。 
五、跨步電壓與接地裝置埋地深度
跨步電壓是指人的兩腳接觸地面間兩點的電位差，一般取人的跨距0.8m內(nèi)的電位差�？绮诫妷旱拇笮∨c接地體埋地深度、土壤電阻率、雷電位幅值等諸多因素。當接地體為水平接地帶時，
?3?
式中ρ―土壤電阻率/?Ω.m?
L―水平接地體長度m
Ik―雷電流幅值kA
K―接地裝置埋深關(guān)系系數(shù)，見表4
Ukmax―跨步電壓最大值?kV?
按例一中的接地裝置計算，接地體長度L=146m，取Ik=150k，土質(zhì)為砂粘土，ρ=300Ω.m，則按埋深深度0.3m，0.5m，0.8m，1m時相應的K值取2.2，1.46，0.97.0.78。按?3?式計算： 
其Ukmax值分別為107.97，71.66，47.61，38.28/kV。
世界各國根據(jù)發(fā)生的人身沖擊觸電事故分析，認為相當于雷電流持續(xù)時間內(nèi)人體能承受的跨步電壓為90～110kV。從計算結(jié)果可知，該工程的防雷接地體埋深0.8m時，跨步電壓已在安全范圍內(nèi)。JCJ/T16－92第12.9.4規(guī)定接地體埋設深度不宜小于0.6m，第12.9.7條規(guī)定：防擊雷的人工接接地體距建筑物入口處及人行道不應小于3m，當小于3m時，接地體局部埋深不應小于1m，或水平接地體局部包以絕緣物。包以絕緣物易增大其接地電阻，因此還是以埋深大于1m時為好。這樣處理，只增加少量工程造價，卻將接地裝置處理得更加安全可靠，起到事半功倍的效果。
若采用基礎(chǔ)和圈梁內(nèi)鋼筋作為環(huán)形接地體，但由于三級防雷的建筑物大多為毛石基礎(chǔ)，毛石基礎(chǔ)上的圈梁埋地一般為0.3m左右，較淺根本達不到防止危險的跨步電壓需將接地裝置埋深1m的要求，因此不宜采用圈梁做為環(huán)形接地體?指三級防雷建筑物?。
六、區(qū)別工頻、沖擊接地電阻
工頻、沖擊接地電阻兩者的區(qū)別及關(guān)系，許多施工技術(shù)人員不能區(qū)別與明晰，使部分工程的防雷裝置接地電阻已達到設計值，而仍然盲目采用降阻措施，增加了工程造價。 
工頻接地電阻是按通過接地體流入地中工頻電流求得的電阻。可以認為是接地體20m以內(nèi)土壤的流散電阻，距接地體20m以外的大地是電氣上的零電位點。用接地電阻測量儀測量的電阻，即為工頻接地電阻。
自表4中可知，當接地體為環(huán)繞建筑物的環(huán)路接地體與敷設于陶粘土、沼澤地、黑土、砂質(zhì)粘土等電阻率ρ≤100Ω的土壤內(nèi)的接地體，其工頻接地電阻與沖擊電阻相等。但當敷設于砂、砂礫、礫石、碎石、多巖山地的環(huán)境時，其工頻接地電阻是沖擊接地電阻的2～3倍。因此如在上所述地面內(nèi)敷設接地體時，如用接地電阻儀測出的工頻接地電阻，只要不超過設計要求的沖擊接地電阻值的2～3倍，即可為符合設計要求，不需再采取降阻措施。如不分析接地裝置敷設地點的土質(zhì)、接地環(huán)境條件，發(fā)現(xiàn)接地電阻儀搖測值大于設計要求值，就盲目再增加人工接地體或采用降阻劑來追求達到設計值，必須造成人力、物力浪費，提高了工程造價，而這一現(xiàn)象卻有普遍性。
七、結(jié)束語
沖擊接地電阻是按通過接地體流入地中沖擊
摘自：建筑電氣資訊

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