南阳酒店防雷设计方案的缺陷分析

2011-08-08庞传贵山东意匠建筑设计有限公司山东济南500中国建筑设计研究院机电院北京00044

智能建筑电气技术 2011年6期

陈谦 / 庞传贵 . 山东意匠建筑设计有限公司，山东济南 500. 中国建筑设计研究院机电院，北京 00044

“南文”的接地采用接地井方案，利用刚性铜质接地棒作为垂直接地极，此为BS 6651-1999对待有防水层的阀板基础的标准接地做法，此方法在国内很少采用。《EWR》6.8.3条要求，除防雷系统不接入电气装置总接地端子（Main Earthing Terminal 简称MET）外，

0 引言

《南阳酒店项目防雷设计优化方案》（发表于《建筑电气》2011年第6期，以下简称“南文”）虽然是国外的防雷工程优化案例，但因为采用BS EN 62305：2006（idt IEC62305：2006）标准，和中国的防雷标准联系非常紧密；同时，他山之石可以攻玉，研究此案例对我们的防雷设计有一定的意义。

根据“南文”介绍，南阳酒店工程是位于阿联酋阿布扎比市区的四星级酒店，地下4层，裙房4层，“L”形塔楼最高处104.75m，总建筑面积47900m2。方案执行英国BS EN 62305：2006（idt IEC62305：2006）和阿布扎比质监局（RSB）发布的《The Electricity Wiring Regul-ations 2007》（以下简称《EWR》）等标准。

1 接地体的选择

1.1 防雷接地体

雷电保护系统的设计、安装和维护均应按BS EN 62305执行。按照BS EN 62305-3，此类垂直接地极做法（标准称为A型接地体）仅适用于“小型建筑物（如家庭房屋）或已有建筑物”等耐受冲击电流能力较高的场所。对于有较多敏感电子系统或者有较高火灾危险的建筑物，适合采用B 型接地装置（即环形接地体）。

虽然，“南文”图4接地井大样图中，接地棒上端标有“φ50 PVC管用于环形接线”的工艺要求，但是，BS EN 62305特别注明，在环状导体与土壤的接触部分少于接地体总长度的80%时，该接地体的布置仍为A型接地体。

与A型接地体相比，B型接地体的突出优点在于：

1) 能更好地在各引下线之间建立等电位连接，以均衡电位；

2) 与土壤有较大的接触面积，能更快地泄放雷电流；

3) 有利于在导电建筑物墙体附近实行电位控制，避免接触电压和跨步电压伤害的风险（例如，本案例的玻璃幕墙铝合金框架等）；

4) 有利于防电磁脉冲（LEMP）的需要。

对于此类设有防水层的建筑物，BS EN 62305环形接地体的标准做法见图1，在防水层下方的100mm～200mm厚素混凝土内设置环形接地体（可采用25mm×3mm裸铜带）。根据分析，潮湿的素混凝土内一般含有超过4%的水份，其内部做为接地体的裸铜带可按与土壤直接接触对待；同时，由于有混凝土的保护，接地体的防腐和防机械损伤都有保障。

1 防雷引下线；2 测试点；3 环形接地体；4 加强防水措施；5 防水层；6 素混凝土层；7 土壤层

1.2 电气装置接地体

“南文”的图1中电气装置接地共设置了20处垂直接地极，分别为：

1) 发电机中性点接地井，共1处；

2) 发电机外壳接地井，共2处；

3) 变压器中性点接地井，共4处；

4) 变压器外壳接地井，共2处；

5) 高压柜接地井，共2处；

6) 低压柜接地井，共4处；

7) 电信接地井，共4处；

8) UPS接地井，共1处。

与其他形式接地极相比，垂直接地极的效率相对较高，且能提供较低的接地电阻。按照《EWR》6.3.2条，“电气装置的接地极均应连接到MET”，便于电气装置和配电的接地测量，便于均衡电位。“南文”中从MET引出接地极20处（且各类接地极之间无连接线）没有必要。按《EWR》6.4.6和A5（k），主进线断路器为500～2500A时，只需设置两处截面为70～150mm2的垂直接地极即能满足电气装置的接地要求。

即使对于敏感设备的功能性接地，《EWR》6.9.3只要求从MET引出专用接地干线，以避免单一接地线受损时，设备发生间接接触故障而产生的电气干扰。

因此，电气装置没有必要单独设置那么多垂直接地极，较少的接地极也易于实现《EWR》所规定的与防雷接地极的隔离要求，且可节约投资。笔者认为，本案例可仅设置2～4处φ15铜质接地棒作为电气装置的接地极。

2 引下线的设置

2.1 风险评估

BS EN 62305-2防雷系统的防护等级（LPL）需要进行风险评估，总的风险计算公式为：

Rx=NPxLx（X=A，B，C…）式中：N——危险事件的数目；

Px——损害的概率；Lx——导致的损失。具体到雷击建筑物的风险Rx=RA+RB+RC

式中：RA——活体损坏的风险；

RB——实体损坏的风险；

RC——内部系统受损坏的风险。

把总风险组成R=∑Rx与可承受的值RT进行比较，RT典型值见表1。

表1 可承受风险的典型值RT

1）如果R ≤RT，则不需进行雷电防护；

2）如果R＞RT，且RB＞RT，被评估建筑物应选用适当防护等级的LPS类型，使得RB≤RT；进一步选择适当的内部系统电磁脉冲防护系统（LPMS）等保护措施，可以实现R ≤RT。

经过风险评估确定LPS类型后，其建筑物防雷引下线的间距可以根据表2确定。建筑物某一侧设置引下线的情况，其“L”形塔楼部分可以再增设9处（11～19 号）引下线，参见图2。也可以依据BS EN 62305-3 E4.3.6的条款，利用圈梁内环形自然钢筋的绑扎即可满足分流目的。

图3 分流系数

表2 不同防护系统的引下线间距

BS EN 62305-2风险评估的内容繁多，过程复杂，“南文”中未见相应的内容。国际上有一个基本原则，在未采取风险评估，或者不可能做详细调查时，LPS应按最高防雷等级选取[1]（实际上，该方案的引下线间距正是小于等于10m）。“南文”优化设计图2中共设置了10处防雷接地井，均设置在 “L”形塔楼建筑靠外墙处。按照BS EN 62305 5.3.6条和5.4.2.1款，每处人工垂直接地极、与其相连的引下线，以及相应的测试点应一一对应，以便于检测接地极的接地电阻和防雷引下线的电气导通情况。因此，该方案的防雷引下线应只有此10处。

1 原方案防雷引下线；2 新增防雷引下线；3 环形接地体；4 避雷网格接闪器；5 防雷引下线外引连接线（与防雷引下线同材质，同规格）

3 防雷等电位连接带（均压环）的功能

2.2 引下线设置

BS EN 62305-3 5.3.1注2和F5.3.1强调，“应围绕建筑物周边等距离，尽可能多地设置防雷引下线。通过周边引下线分流，可以减少雷电流对建筑物内人员和设备的闪击，以及对敏感设备电磁干扰的风险。如大跨距建筑物等无法在某一侧设置引下线时，可在其它侧额外设置补偿引下线，使得引下线的平均间距满足要求”。首先，本案例中已设置的引下线平均间距并不满足要求；其次，本建筑不属于无法在

3.1 分流系数

BS EN 62305增加了“防雷等电位连接” 的术语；对于高度大于20m的大型建筑物通常需要在楼层上设置防雷等电位连接带（即我国标准中的均压等电位连接环，以下简称均压环）。

“南文”要求在建筑物楼层上部设置均压环，认为均压环能“有效减小引下线的电感，不仅起到分流作用，还能降低火花或者闪击的概率、均衡电位、降低反击电压。”

网格型接闪器配合均压环和环形接地体的分流模型参见BS EN 62305-3图C.3（即图3）。分流系数kc随均压环的增加而逐步减小，当建筑物楼层上设置3层环形导体（满足h1取值5m～20m）后，kc4达到最小，引下线之间实现均流。当然，

本案例设置均压环是否有“降低火花或者闪击的概率、均衡电位、降低反击电压”的功能呢？分析如下：

在建筑物h1高度处，防雷引下线上的电位按下式计算：U=U0+UL=I×R0+L1×h1×di/dt

U0——雷电流流过防雷装置时，接地装置上的电阻电压降( kV) ；

UL——雷电流流过防雷装置时，引下线上的电感电压降( kV) ；

I——雷电流幅值(kA) ；

R0——接地装置的冲击接地电阻(Ω) ；

di/dt——雷电流陡度( k A /μs ) ；

L1——引下线的单位长度电感(μH/m) ，一般取定值，等于1.5μH/m；

h1——计算点到接地体（或最近的等电位连接环）之间的距离。

3.2 防雷系统和电气装置接地系统隔离

当按“南文”的做法将防雷系统和电气装置接地系统隔离时，见图4。

当发生雷击建筑物时，因防雷接地极和电气装置接地极隔离，理想情况下，可认为电气装置MET的电位接近为0V。无论是否设置均压环，闪络电压均接近为：

图4 防雷系统和电气装置接地系统隔离时的闪络

图5 防雷系统和电气装置接地系统连接时的闪络

由此可见，由于防雷系统和电气装置接地系统隔离，雷电流引起的高电位与电气装置接近于0V的低电位之间有很大电位差，使得均压环没有产生明显的优化效果，未实现“南文”中所预想的“降低火花或者闪击的概率、均衡电位、降低反击电压”等功能。

3.3 防雷和电气装置共用接地系统

当防雷系统和电气装置共用接地系统时，如图5所示，设置均压环，并采用等电位连接后，闪络电压为Uab=Uae=L1×hx1×di/dt。通常hx1远小于h1，使得引下线的雷电闪络电压大大减小，有利于设备安全运行，以及人员的生命安全。

3.4 防侧击措施

由于“南文”未介绍本案例的楼层高度104.75m×80%=83.8m以上部位的防侧击措施，本文不宜猜测，也不做讨论。

4 标准问题及其影响

“南文”认为“BS EN 62305:2006和我国的防雷接地标准截然不同”。实际上，我国防雷规范一直和国际电工组织TC81委员会的标准有着密切的联系，如，GB 50057-94是基于对IEC 61024的修改；GB 50057-94（2000版）修订时增加了IEC 61312防电磁脉冲的相关内容；GB 50057-2010主要引用了IEC 62305系列规范的内容。我国的建筑物防雷国家标准如果能像欧洲电工标准化委员会那样，直接将IEC 62305引进为欧洲标准供成员国执行，相信会消除很多误解。

和我国的防雷接地标准截然不同的是《EWR》。其标准中要求“防雷保护系统和电气装置接地系统应做隔离”和“防雷接地极和电气装置的接地极应有7m间距”等规定不合理，落后于中国标准，由此导致了“南文”中部分方案的先天不足。

特别需要注意的是，由于要求防雷系统和电气装置接地系统隔离，直接产生上文3.2中防雷系统接地极对MET及其所连接的电气装置的反击电压I×R0的存在，此反击电压在整个建筑物内普遍存在、如影随形；即使当防雷接地体的接地电阻R0=1Ω，I×R0仍有达到几百千伏的可能，这是极大的安全隐患。