三級防雷建筑物施工論文

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［摘要］對IEC、GB50057－94、JGJ/T16－92等建筑物防雷規范進行對比，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，安全、經濟地實現設計標準。

［關鍵詞］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。由于設計質量管理規定：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、建筑物防雷規范的概述及比較

現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范》?JGJ/T16－92?推薦性行業標準，1994年11月1日起實施的《建筑物防雷設計規范》?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不必要的浪費。為更好的掌握IEC、GB50057－94、JCJ/T16－92三者的實質，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中的規定。

三、預計的年雷擊次數確定設置防雷設施

除少量的一、二級防雷建筑物外，數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。現計算舉例說明：

例1：在地勢平坦的住宅小區內部設計一棟住宅樓：6層高?層數不含地下室，地下室高2.2m?，三個單元，其中：長L=60m，寬W=13m，高H=20m，當地年平均雷暴日Td=33.2d/a，由于住宅樓處在小區內部，則校正系數K=1。

據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?

建筑物所處當地的雷擊大地的年平均密度：

Ng=0.024Td1.3=0.024×33.21.3=2.28次/?km2?a?

建筑物年預計雷擊次數：

N=KNgAe=1×2.28×0.02084=0.0475?次/a?

據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。

根據以上計算步驟，現以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，計算結果見表2。

從表2中的數據可知，在本區內：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，即金屬的磚木結構的建筑物，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。關鍵因素在于建筑所處的地理位置、環境、土質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組引下線均利用結構中的構造柱的4?12主筋，水平環路接地體埋深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進行計算，根據計算結果，結合具體條件，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系

當建筑物遭受雷擊時，雷擊電流通過敷設在樓頂的避雷網，經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GB50057－94有關規定，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?2?式，在不同的接地電阻Rq及高度h時，可求出相應的Uo值，但引下線數量不同，則Uo的數值有較大差異。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生的電位?電感分量?也是相當高的，同樣會產生反擊閃絡。

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生的雷擊電壓，其電阻分量存在于雷電波的持續時間?數十μs?內，而電感分量只存在于波頭時間5μs內，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。混凝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。

據表3計算的數據，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，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，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，應嚴格按照規范設置引下線的數量及間距。同時建議可縮短規范內規定的引下線間距，多設一定數量的引下線，可減少雷電壓反擊現象。這樣處理，對增加工程造價微乎其微。

3.引下線與室內金屬管道、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，按例一中數據：樓頂的引下線高度h=Lx=20m，Rq=30Ω時，據JCJ/T16－92第12.5.7條規定，Lx<5Rq=5×30=150m，則

Sal≥0.2Kc?Ri＋0.1Lx?

式中Kc―分流系數，因多根引下線，取0.44

Ri―防雷接地裝置的沖擊電阻，因是環路接地體，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，已經很難保證Sed≥3.96m了，也難于保證不應小于2m的規定，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，實行總等電位聯結。

綜上所述，在實行一棟建筑一個總帶電位聯結、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，在每層內的建筑物內應實行輔助等電位聯結，即引下線在經過各個樓層時，將它與該樓層內的鋼筋、金屬構架全部聯結起來，于是不論引下線的電位升到多高，同樓層建筑物內的所有金屬物?包括地面內鋼筋、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―接地裝置埋深關系系數，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。

世界各國根據發生的人身沖擊觸電事故分析，認為相當于雷電流持續時間內人體能承受的跨步電壓為90～110kV。從計算結果可知，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。JCJ/T16－92第12.9.4規定接地體埋設深度不宜小于0.6m，第12.9.7條規定：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。

若采用基礎和圈梁內鋼筋作為環形接地體，但由于三級防雷的建筑物大多為毛石基礎，毛石基礎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形接地體?指三級防雷建筑物?。

六、區別工頻、沖擊接地電阻

工頻、沖擊接地電阻兩者的區別及關系，許多施工技術人員不能區別與明晰，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，當接地體為環繞建筑物的環路接地體與敷設于陶粘土、沼澤地、黑土、砂質粘土等電阻率ρ≤100Ω的土壤內的接地體，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、接地環境條件，發現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，而這一現象卻有普遍性。

七、結束語

沖擊接地電阻是按通過接地體流入地中沖擊