淺析三級(jí)防雷建筑物設(shè)計(jì)施工中的問(wèn)題

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www.fdcew.com,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。現(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+2L+WH200-H+πH200-H×10-6=60×13+2(60+13)20(200-20)+3.14×20(200-20)×10-6=0.02084km2建筑物所處當(dāng)?shù)氐睦讚舸蟮氐哪昶骄芏?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≥0.05GB50057-94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=2.28km2·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412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+L1　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+14hkV2　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。混凝土墻的擊穿強(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0.44Ri—防雷接地裝置的沖擊電阻,因是環(huán)路接地體,Ri=Rq=30ΩSal—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。跨步電壓的大小與接地體埋地深度、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mIk—雷電流幅值kAK—接地裝置埋深關(guān)系系數(shù),見(jiàn)表4Ukmax—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)www.fdcew.com,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。可以認(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.