关于农居房防雷保护几个问题的探讨

俞军华 孙 颖 江 涛 辛燕萍 李 志

(桐庐县气象局，浙江桐庐311501)

0 引言

据不完全统计自1996—2011年桐庐县共发生雷灾 69 起［1］，如表 1。

表1 1996—2011年桐庐县雷灾统计表 起

由表1所示农村共发生雷灾41起，占全县雷灾总数的59.4%;农村农居房发生雷灾24起，占农村雷灾总数58.5%，占全县雷灾总数34.8%。可见，农村农居房的防雷安全工作应引起重视。

1 农居房防直击雷装置设置的问题

自1996—2011年桐庐县共发生农居房雷击被损24起，受损农居房房屋类型统计如表2。

表2 1996—2011年遭直击雷雷击农居房类型统计表 起

雷灾调查记录表明，24幢受损农居房都为坡屋面，坡度为0.48～0.50;屋顶都未设置防雷装置。

受损农居房部位统计如表3。

表3 1996—2011年农居房遭直击雷雷击受损部位统计表 起

24幢受损农居房除2起因爆炸致建筑物全毁无法确定损坏部位外，其余都为屋角(马头)受损;而3起墙体受损雷击事故，经现场调查表明，都因为直击雷击到屋角，经墙面电缆泄放雷电流所致。由此可见，24幢受损农居房尽管建筑结构性质不同、高度不同，屋角都受到直击雷的闪击，因此坡屋面农居房屋角是防直击雷的关键部位。

《建筑物防雷设计规范》GB 50057—2010(以下简称“10版规范”)说明，坡屋面建筑物其“坡度大于1/10且小于1/2的屋面的屋角、屋脊、檐角、屋檐”和“坡度不小于1/2的屋面的屋角、屋脊、屋檐”是易遭雷击部位。桐庐县典型农居房的建筑尺寸为长(L)10 m、宽(W)8 m、高(H)11 m(即落地面积80 m2，楼高3层)，屋顶为0.45～0.50坡度的坡屋面，如图1所示。通过应用滚球法［2］计算，我们认为:根据雷击风险环境因子，对于3层(高度11 m)以下农居房，在屋角分别设置一支长为1.0 m的接闪杆就可满足防直击雷要求(农居房高度增加，则按滚球法计算，适当增加接闪杆长度)，一般在其屋脊、屋檐、檐角可以不设置接闪器。

图1 农居房防直击雷装置设置示意图

2 农居房电缆线路防雷屏蔽的问题

自1996—2011年桐庐县农村发生的41起雷灾中，电子(电器)设备受损事故有10起，是农村第二多雷灾。我们对桐庐县农村农居房进行调查，绝大部分已建农居房未采取电缆线路屏蔽措施，而近些年新建的农居房进出的电缆线路防雷仅注重于设置电涌保护器，电缆线路屏蔽存有未做设计的缺陷(见表4)。

表4 2010—2012年3月建筑物线路屏蔽设计情况统计表

即79%新建农居房防雷设计仍未采取线路屏蔽措施，已设计线路屏蔽的类型如表5。

表5 2010—2012年3月线路屏蔽设计类型统计表

“10版规范”说明，进出建筑物的线路应采用铠装电缆或穿金属管并两端接地，以起到屏蔽与散流作用，线路屏蔽层的截面积应满足“10版规范”附录“H.0.1”要求，即:

Sc—线路屏蔽层的截面(mm2);

If—流入屏蔽层的雷电流(kA);

ρc—屏蔽层的电阻率(Ω·m)，钢取138×10－9Ω·m;

Lc—线路长度(m)，按“10版规范”附录表H.0.1-1 的规定取值;

Uw—电缆所接的电气或电子系统的耐冲击电压额定值(kV)，农居房内主要为用户电气设备，取值为2.5 kV。

设某农居房有电源铠装电缆一支，从共用配电箱至农居房分配箱埋地引入，桐庐县域农居房实测土壤电阻率为(ρ)为81.3 ～ 331.6 Ω·m，以最小值81.3Ω·m计算，线路屏蔽长度(Lc)为:

参照公式(1)计算有:

式中:If=Iimp(即“10版规范”附录“4.2.4”第9款)

I—雷电流，农居房划为三类防雷建筑，幅值电流以100 kA计;

n—地下和架空引入的外来金属管道和线路的总数，实际值为1;

m—每一线路内导体芯线的总根数，实际值为2;

Rs—屏蔽层埋地长度部分的电阻(Ω);

Rc—对应屏蔽层埋地部分长度芯线的电阻(Ω);4 mm2铜芯电缆取 4.56 × 10－3Ω/m［3］。

因Rs=ρc/Sc(其中Sc中含有电缆屏蔽层的长度，对应芯线的Rc需要乘以18.3)，则有

农居房所用的4 mm2两芯电缆外径为10 mm，按 GB/T12706.1—2008 电缆屏蔽层封装要求0.2×2其截面积计算结果为7.54 mm2。使用“10版规范”公式计算结果屏蔽层截面积为7.58 mm2，两者基本吻合。表6为国标(GB/T 12706.1—2008)关于铠装电缆金属带规格［4］的规定。

表6 国标(GB/T12706.1—2008)关于铠装电缆金属带规格［4］的规定

3 农居房防雷接地体的防腐蚀保护问题

埋于土壤中的金属，在电化学作用下必然发生腐蚀。钢在土壤中的自腐蚀速度(k)、钢腐蚀所损失的量(ΔW)为［5］:

其中:i—阳极区电流密度(A/m2);

A—钢的克原子量(56 g);

n—钢的原子价(2);

F—即法拉第常数(96500 C/mol)。ΔW=k·s·t

式中:s—钢材与腐蚀介质接触面积(m2);

l—钢材支数;t为腐蚀作用时间(h);

r—基础钢筋半径(m)。

防雷接地体即使在混凝土基础保护下也存在自腐蚀现象，基础钢筋由直径(2r)腐蚀至直径(2r0)，钢筋的损失量ΔW为:

式中:σ—钢的比重(7.8×106g/m3)。

由(4)、(5)式有:

由(6)式可见，接地体腐蚀作用时间t与接地体钢筋的半径r成正比，与腐蚀电流密度i成反比。

“10版规范”表“5.4.1”规定，接地装置以圆钢为材料时其截面积不应小于78 mm2，即其直径(2r0)不应小于10 mm。农居房防雷接地体一般设计采用4根直径(2r)Ø14 mm的钢筋，设接地体的钢材、混凝土均匀，混凝土周围土壤性质PH值为6 ～ 7，土壤电阻率在81.3 ～ 331.6Ω·m，则农居房建造稳定后，混凝土内基础钢筋的自腐蚀电流密度 i约为3 μA/cm2［6］，根据(6)式有:

可见农居房基础钢筋即使在混凝土环境保护下，按上述计算，有可能在49 a内因自腐蚀导致防雷接地体不符防雷安全要求，其有效性时间只满足国家关于房屋建筑使用寿命70 a的69.6%。

4 结语

4.1 农居房屋顶多为木支架，屋面敷设瓦片，按照建筑物防雷规范要求在屋脊、檐角、屋檐设置防直击雷装置，施工有相当难度，众多雷灾发生情况表明，农居房屋角才是遭直击雷打击的最主要部位，在其屋角敷设小型接闪器就以满足建筑物的防直击雷要求，这可大幅度降低施工难度，节省建造成本。

4.2 由雷灾调查情况表明，农居房除直击雷危害外，线路防雷不满足或缺失是造成雷灾的另一主要原因。为防止雷击电磁脉冲和闪电电涌危害，线路采取屏蔽措施是必要的，且对应4 mm2铜芯电缆其金属屏蔽层截面应大于等于7.58 mm2。屏蔽层 Rs与芯线 Rc取值，“10 版规范”定义为每公里的电阻，对照IEC 62305-1原版说明，我们认为应取带屏蔽层铜芯电缆实际埋地长度的电阻值。

另外，上述对农居房电缆线路防雷屏蔽的问题探讨，仅针对“国标(GB/T12706.1—2008)关于铠装电缆金属带规格”所对应金属屏蔽层厚度采用0.2×2 mm封装的2×4 mm2铜芯电缆。生产厂家对2×4 mm2铜芯电缆封装工艺可能会有所差异，其钢带屏蔽层截面积也会不同。对于防雷工作者在图审中要注意电缆线路是否已做屏蔽电缆设计;在跟踪检测过程要注重电缆线路是否符合埋地距离要求，如果穿钢管或屏蔽层是否接地。

4.3 本文在民用居住房接地体腐蚀计算中，没有考虑引下线等与其相连金属物的作用，实际中这些金属物与接地体存在同步的金属离子转移，自腐蚀的长期作用对建筑物的结构也将产生一定的影响。农居房的基础钢筋应适当加大规格或采取防腐措施，如进行镀锌［7］、在建筑物基础周围土壤加入缓蚀剂［8］，能对接地体自腐蚀的防护起到很好的作用。

4.4 目前农居房存在较多的防雷安全隐患，其主要原因在于绝大部分农居房都为自行建造，没有经过完善的施工图设计审核和工程监管，因此，只有加强农居房的防雷管理与技术服务，加强农村防雷知识的宣传与普及，才能切实保障农村的防雷安全。

［1］ 桐庐县雷灾记录统计［Z］.1996-2011.

［2］ 中国机械工业联合会.建筑物防雷设计规范GB 50057—2010［S］.北京:中国计划出版社，2011:67-68.

［3］ 王春江.电线电缆手册［M］.北京:机械工业出版社，2009:285-287.

［4］ 上海电缆研究所.额定电压1 kV(Um=1.2 kV)到35 kV(Um=40.5 kV)挤包绝缘电力电缆及附件第1部分:额定电压1 kV(Um=1.2 kV)和 3 kV(Um=3.6 kV)电缆GB/T12706.1-2008［S］.北京:中国标准出版社，2009:10.

［5］ 陈匡民.过程装备腐蚀与防护［M］.北京:化学工业出版社，2001:24-25.

［6］ 李文才，周丽娟，曾艳霞，等.钢筋锈蚀所导致的混凝土损伤过程分析［J］.中国西部科技，2010，9(15):10—11.

［7］ 胡士信.阴极保护工程手册［M］.北京:化学工业出版社，2001:64-68.

［8］ 陈先禄，刘渝根，黄勇.接地［M］.重庆:重庆大学出版社，2001:159-160.