三級(jí)防雷設(shè)施建筑物設(shè)計(jì)施工中的問(wèn)題

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［摘要］對(duì)IEC、GB50057－94、JGJ/T16－92等建筑物防雷規(guī)范進(jìn)行對(duì)比，指出對(duì)三級(jí)防雷建筑物的防直擊雷設(shè)計(jì)與施工中存在的誤區(qū)以及應(yīng)采用的相應(yīng)措施，論述建筑物防雷設(shè)計(jì)中應(yīng)計(jì)算的設(shè)計(jì)參數(shù)，安全、經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

［關(guān)鍵詞］建筑物 防雷設(shè)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(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員對(duì)一、二級(jí)防雷建筑物的防雷設(shè)計(jì)比較重視，疏漏差錯(cuò)很少，但對(duì)大量的三級(jí)防雷建筑物的防雷設(shè)計(jì)卻常有忽視。由于設(shè)計(jì)質(zhì)量管理規(guī)定：對(duì)于一般工程的電氣設(shè)計(jì)允許可以不要計(jì)算書(shū)，因此許多設(shè)計(jì)人員對(duì)三級(jí)防雷建筑物的防雷設(shè)計(jì)，不再進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，僅憑經(jīng)驗(yàn)而設(shè)計(jì)。對(duì)于防雷設(shè)施的是否設(shè)置及防雷設(shè)施的各種安全間距未進(jìn)行計(jì)算、驗(yàn)算，因此造成大量的三級(jí)防雷的建筑物的防雷設(shè)計(jì)、施工存在較大的的盲目性，使有些工程提高了防雷級(jí)別，增加了工程造價(jià)，而有些工程卻未按規(guī)范設(shè)計(jì)、施工，造成漏錯(cuò)，帶來(lái)很大隱患和不應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)有1993年8月1日起實(shí)施的《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》?JGJ/T16－92?推薦性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，1994年11月1日起實(shí)施的《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》?GB50057－94?強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。GB50057－94使建筑物的防雷設(shè)計(jì)、施工逐步與國(guó)際電工委員會(huì)?IEC?防雷標(biāo)準(zhǔn)接軌，設(shè)計(jì)施工更加規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。 GB50057－94將民用建筑分為兩類，而JCJ/T16－92將民用建筑防雷設(shè)計(jì)分為三級(jí)，分得更加具體、細(xì)致、避免造成使某些民用建筑物失去應(yīng)有的安全，而有些建筑物可能出現(xiàn)不必要的浪費(fèi)。為更好的掌握IEC、GB50057－94、JCJ/T16－92三者的實(shí)質(zhì)，特?fù)衿渲饕獥l款列于表1。且后面的分析、計(jì)算均引自JCJ/T16－92中的規(guī)定。 三、預(yù)計(jì)的年雷擊次數(shù)確定設(shè)置防雷設(shè)施 除少量的一、二級(jí)防雷建筑物外，數(shù)量眾多的還是三級(jí)防雷及等級(jí)以外的建筑物防雷，而對(duì)此類建筑物大多設(shè)計(jì)人員不計(jì)算年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)N，使許多不需設(shè)計(jì)防雷的建筑物而設(shè)計(jì)了防雷措施，設(shè)計(jì)保守，浪費(fèi)了人、材、物?，F(xiàn)計(jì)算舉例說(shuō)明： 例1：在地勢(shì)平坦的住宅小區(qū)內(nèi)部設(shè)計(jì)一棟住宅樓：6層高?層數(shù)不含地下室，地下室高2.2m?，三個(gè)單元，其中：長(zhǎng)L=60m，寬W=13m，高H=20m，當(dāng)?shù)啬昶骄妆┤誘d=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(dāng)?shù)氐睦讚舸蟮氐哪昶骄芏龋?Ng=0.024Td1.3=0.024×33.21.3=2.28次/?km2?a? 建筑物年預(yù)計(jì)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(shè)置三級(jí)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(shè)施。 根據(jù)以上計(jì)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(jìn)行計(jì)算N值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。 從表2中的數(shù)據(jù)可知，在本區(qū)內(nèi)：①當(dāng)K=1時(shí)，舉例中的建筑物均N<0.05，不需設(shè)置防雷設(shè)施。②當(dāng)K=1.5時(shí)，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(fēng)口等處的或特別潮濕的建筑物，在高度達(dá)15m或以上者，必須設(shè)置三級(jí)防雷措施。③當(dāng)K=1.7時(shí)，即金屬的磚木結(jié)構(gòu)的建筑物，高度達(dá)7m及以上者，必須設(shè)置三級(jí)防雷措施。④當(dāng)K=2時(shí)，即建筑物位于曠野孤立的位置，高度達(dá)7m?兩層以上者，均設(shè)置三級(jí)防雷措施。 可見(jiàn)，有的建筑物在20m的高度，卻不需設(shè)置防雷措施，而有的建筑物高度在7m，就必須設(shè)置三級(jí)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(dòng)情況所決定。 同時(shí)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(shè)置防雷卻按三級(jí)防雷設(shè)計(jì)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(fèi)2950元，定額預(yù)算工程直接費(fèi)約0.75萬(wàn)元。類似這種三級(jí)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(shè)的防雷設(shè)施其工程直接費(fèi)約為450～600萬(wàn)元。以此類推，在全省、全國(guó)因提高防雷等級(jí)而提高工程造價(jià)?浪費(fèi)?的數(shù)字是巨大的。因此，設(shè)計(jì)人員對(duì)民用建筑物的防雷設(shè)計(jì)必須對(duì)建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合具體條件，確定是否設(shè)置防雷設(shè)施。 四、防雷設(shè)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(dāng)建筑物遭受雷擊時(shí)，雷擊電流通過(guò)敷設(shè)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(diǎn)?離地面的高度為h?的對(duì)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(diǎn)?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(xiàng)?UR即IkRq?為電位的電阻分量，第二項(xiàng)?UL?即 ?為電位的電感分量，據(jù)GB50057－94有關(guān)規(guī)定，三類?級(jí)?防雷建筑物中，可取雷電流Ik=100kA，波頭形狀為斜角形，波頭長(zhǎng)度為10μs，則雷電流波頭陡度 = =10kA /μs，取引下線單位長(zhǎng)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(shí)，可求出相應(yīng)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(guò)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(jì)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(dāng)高的，同樣會(huì)產(chǎn)生反擊閃絡(luò)。 2.引下線與人體之間的安全間距 雷擊電流流過(guò)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(shí)間?數(shù)十μs?內(nèi)，而電感分量只存在于波頭時(shí)間5μs內(nèi)，因此兩者對(duì)空氣絕緣作用有所不同，可取空氣擊穿強(qiáng)度：電感UL=700kV/m，電阻ER=500kV/m?；炷翂Φ膿舸?qiáng)度等于空氣擊穿強(qiáng)度，磚墻的擊穿強(qiáng)度為空氣擊穿強(qiáng)度的一半。 據(jù)表3計(jì)算的數(shù)據(jù)，下面計(jì)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(rèn)為引下線與人體、金屬管道、金屬物體之間為空氣間隔，且認(rèn)為引下線與空氣之間間隔層為抹灰層，可忽略不計(jì)。 ?1?當(dāng)引下線為4組時(shí)，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(gè)房間內(nèi)，保持如此的距離是很難做到的，因此存在很危險(xiǎn)的雷電壓反擊。 （2）當(dāng)引下線為8組時(shí)，當(dāng)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(shí)，h2=15m?則UL2=26.25kV?UR2=375kV?則安全間距L安全2>  可見(jiàn)，引下線數(shù)量增加一倍，安全間距則減小一半。因此設(shè)置了防雷設(shè)施后，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范設(shè)置引下線的數(shù)量及間距。同時(shí)建議可縮短規(guī)范內(nèi)規(guī)定的引下線間距，多設(shè)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(duì)增加工程造價(jià)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(dāng)防雷接地裝置未與金屬管道的埋地部分連接時(shí)，按例一中數(shù)據(jù)：樓頂?shù)囊戮€高度h=Lx=20m，Rq=30Ω時(shí)，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(dāng)防雷接地體與金屬管道的埋地部分連接時(shí)，按式?12.3.6－3?，Sa2≥0.075KcLx=0.075×0.44×20=0.66 由以上計(jì)算的Sal≥2.816m，Sa2≥0.66m，在實(shí)際施工時(shí)，均很難保證以上距離，因?yàn)榻饘俟艿揽繅?.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(lái)，同時(shí)，在樓層內(nèi)應(yīng)將引下線與金屬管道?物體?連接起來(lái)，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(shí)際施工中，地下水暖管道交錯(cuò)縱橫，先于防雷及電氣接地裝置施工，等施工后者時(shí)，已經(jīng)很難保證Sed≥3.96m了，也難于保證不應(yīng)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(shí)行一棟建筑一個(gè)接地體。將接地裝置與地下進(jìn)出建筑物的各種金屬管道連接起來(lái)，實(shí)行總等電位聯(lián)結(jié)。 綜上所述，在實(shí)行一棟建筑一個(gè)總帶電位聯(lián)結(jié)、一個(gè)共用接地體的措施后，在樓頂部應(yīng)將避雷帶?針?與伸出屋面的金屬管道金屬物體連接起來(lái)，在每層內(nèi)的建筑物內(nèi)應(yīng)實(shí)行輔助等電位聯(lián)結(jié)，即引下線在經(jīng)過(guò)各個(gè)樓層時(shí)，將它與該樓層內(nèi)的鋼筋、金屬構(gòu)架全部聯(lián)結(jié)起來(lái)，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(shè)備的安全接地?都同時(shí)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(diǎn)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(dāng)接地體為水平接地帶時(shí)， ?3? 式中ρ―土壤電阻率/?Ω.m? L―水平接地體長(zhǎng)度m Ik―雷電流幅值kA K―接地裝置埋深關(guān)系系數(shù)，見(jiàn)表4 Ukmax―跨步電壓最大值?kV? 按例一中的接地裝置計(jì)算，接地體長(zhǎng)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(shí)相應(yīng)的K值取2.2，1.46，0.97.0.78。按?3?式計(jì)算：  其Ukmax值分別為107.97，71.66，47.61，38.28/kV。 世界各國(guó)根據(jù)發(fā)生的人身沖擊觸電事故分析，認(rèn)為相當(dāng)于雷電流持續(xù)時(shí)間內(nèi)人體能承受的跨步電壓為90～110kV。從計(jì)算結(jié)果可知，該工程的防雷接地體埋深0.8m時(shí)，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(shè)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(yīng)小于3m，當(dāng)小于3m時(shí)，接地體局部埋深不應(yīng)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(shí)為好。這樣處理，只增加少量工程造價(jià)，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(jí)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(dá)不到防止危險(xiǎn)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(jí)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(dá)到設(shè)計(jì)值，而仍然盲目采用降阻措施，增加了工程造價(jià)。  工頻接地電阻是按通過(guò)接地體流入地中工頻電流求得的電阻?？梢哉J(rèn)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(diǎn)。用接地電阻測(cè)量?jī)x測(cè)量的電阻，即為工頻接地電阻。 自表4中可知，當(dāng)接地體為環(huán)繞建筑物的環(huán)路接地體與敷設(shè)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(dāng)敷設(shè)于砂、砂礫、礫石、碎石、多巖山地的環(huán)境時(shí)，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(shè)接地體時(shí)，如用接地電阻儀測(cè)出的工頻接地電阻，只要不超過(guò)設(shè)計(jì)要求的沖擊接地電阻值的2～3倍，即可為符合設(shè)計(jì)要求，不需再采取降阻措施。如不分析接地裝置敷設(shè)地點(diǎn)的土質(zhì)、接地環(huán)境條件，發(fā)現(xiàn)接地電阻儀搖測(cè)值大于設(shè)計(jì)要求值，就盲目再增加人工接地體或采用降阻劑來(lái)追求達(dá)到設(shè)計(jì)值，必須造成人力、物力浪費(fèi)，提高了工程造價(jià)，而這一現(xiàn)象卻有普遍性。 七、結(jié)束語(yǔ) 沖擊接地電阻是按通過(guò)接地體流入地中沖擊