关于《建筑物防雷设计规范》部分条款的理解和探讨

2012-12-07马金福吴剑强郑海祥何文革

浙江气象 2012年4期

马金福吴剑强郑海祥何文革

(1.湖州市气象局，浙江湖州313000;2.金华市气象局，浙江金华321000;3.温州市气象局，浙江温州325027;4.舟山市气象局，浙江舟山316021)

0 引言

GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》(以下简称《规范》)已于2011年10月1日实施，结合执行过程发现的一些问题，许多学者及技术人员［1－4］进行了分析。笔者也发现《规范》的个别条款规定有不合理之处。现就间隔距离、过渡电阻及跨接、电缆埋地敷设时装设SPD及SPD冲击电流值等方面的规定进行深入的探讨和分析，理解其实质，掌握其原理，以更好地指导实践，提高防雷工作的技术水平。

1 间隔距离计算的探讨

《规范》第4.2.1条5，6款对第一类防雷建筑物的接闪器与被保护物之间做了如下规定:独立接闪杆和架空接闪线(网)的支柱及其接地装置与被保护建筑物及与其有联系的管道(电缆)等金属物之间、架空接闪线(网)至屋面和各种突出屋面的风帽(放散管)等物体之间均要保持一定的间隔距离。《规范》还给出了间隔距离的计算公式，要求实际间隔距离大于公式计算值，即确保闪电电流不能击穿导体之间的空气或土壤。在公式推导过程中，其引用的参数有

电阻电压降的空气击穿场强ER=500 kV/m;电感电压降的空气击穿场强EL=600×(1+1/T1)kV/m，T1为雷电流的波头时间，首次雷击时 T1=10 μs，EL=660 kV/m;后续雷击时 T1=0.25 μs，EL=3000 kV/m;土壤的冲击击穿场强取与空气击穿场强一样的数值500 kV/m［5］。

事实上，土壤和空气的击穿场强并不是一个固定值，土壤的击穿场强与土壤电阻率直接相关，电阻率越低，土壤中能移动的离子就越多，其击穿场强就越小。因此电阻率低时击穿场强小，电阻率高时击穿场强大。土壤的冲击击穿场强一般在 200～1000 kV/m，平均为600 kV/m［5］。

空气击穿场强与气压、温度及湿度等参数［6］有关。

当气压p增大时，空气密度增大，带电粒子在气体中运动的平均自由行程减小，运动中积累的动能就小，电离能力就较小，因此空气的击穿电压就高，反之则相反。当温度t升高，空气密度减小，带电粒子在气体中运动的平均自由行程增大，运动中积累的动能就大，电离能力也就较大，因此空气的击穿电压就低，反之则相反。

空气间隙的击穿电压随气压和温度的变化关系［6］可用公式(1)表示，击穿电压与气压成正比、与温度成反比。

式中:U—在一定条件下的击穿电压;

空气的湿度越大，间隙的击穿电压也会越高。空气中增加的水分子捕获自由电子而形成负离子，使电离能力下降，对气体的放电过程起到抑制作用。

此外，海拔高度也会对击穿电压产生影响，海拔增加，气压下降、空气密度减小，击穿电压降低。

一般情况下，根据《规范》给出的公式计算其间隔距离能够满足实际工作的需要，但在要求较高的场所，不能完全盲目的照搬公式，需从其原理出发，根据实际的击穿场强的大小计算其间隔距离，以免影响防护效果。假如在土壤电阻率较低处，其土壤击穿场强为200 kV/m，若按《规范》公式计算出来的间隔距离就会小很多，土壤很可能被击穿，并对埋地管道和电缆造成影响。

2 过渡电阻及跨接的探讨

《规范》第4.2.2条，对第一类防雷建筑物防闪电感应措施规定:当长金属物的弯头、阀门、法兰盘等连接处过渡电阻大于0.03Ω时，连接处应用金属线跨接，对有不少于5根螺栓连接的法兰盘，在非腐蚀环境下，可不跨接。此条款实际上规定了两种情况:一是能测量过渡电阻时，以过渡电阻值为标准确定是否要跨接。但在实际工作中，金属管道往往四通八达且有许多分支，还有部分管道可能埋地，许多连接处的过渡电阻是难以精确测量的［7］，为此《规范》规定了按照法兰盘螺栓的多少确定是否要跨接。但《规范》并没有考虑螺栓的大小，很大的一根螺栓的过渡电阻有可能比很小的5根螺栓的过渡电阻还要小。目前很多法兰盘是用4根螺栓紧固的，当螺栓比较大且未锈蚀时，其过渡电阻也许已足够小，但由于过渡电阻难以测量，根据规定需要做跨接，显然并不合理。

3 电缆埋地敷设时装设SPD的探讨

第一类防雷建筑物防闪电侵入措施，当室外低压配电线路采用电缆直接埋地敷设时，没有要求安装电涌保护器，只需将入户处电缆的金属外皮、钢管做等电位连接或接地;而当采用从架空线上换接一段有金属铠装的电缆或护套电缆穿钢管直接埋地引入时，则要求在电缆与架空线连接处安装电涌保护器。《规范》的条文说明对此做了解释:一是考虑到架空线路有遭直接雷击的可能性，为防止将架空线路上可能的过电压引入到建筑物内，在架空线与埋地电缆转换处应装设SPD;二是由于全线埋地电缆的另一端配电箱内一般会要求装设SPD，消除了全线埋地电缆引入过电压的可能性。

从上述的条文说明可知，当电缆全线直接埋地引入时，并未明确要求安装SPD，原因之一是全线埋地电缆的另一端配电箱内一般会要求装设SPD，消除了全线埋地电缆引入过电压的可能性。这样的规定在实际工作中可能会出现以下两个问题:一是全线埋地电缆的另一端配电箱内没有安装SPD，导致防雷措施的缺失;二是在防雷设计方案的审查中，往往是以单幢建筑物为单位，而忽略与其相连建筑物有关防雷措施的审查，并不知道另一端配电箱内是否装设了SPD，在应用本条款审查设计方案时需加以注意。

4 第一类防雷建筑物装设的SPD冲击电流值的探讨

为防止闪电直击架空线路时高电位侵入建筑物造成危险，对于安装有独立接闪器的第一类防雷建筑物，《规范》第4.2.3条规定，当电缆采用先架空后埋地引入时，在电缆与架空线的连接处应装设户外型SPD，其每一保护模式应选冲击电流等于或大于10 kA。

对于接闪器直接安装在建筑物上的情况，《规范》第4.2.4条第8款规定，在电源引入的总配电箱处应装设Ⅰ级试验的SPD，其每一保护模式的冲击电流，当无法确定时，冲击电流应取等于或大于12.5 kA。

《规范》第4.2.3条的条文说明解释了选取Iimp=10 kA是根据IEC 62305－1:2010的相关规定:当闪电击在线路靠近用户的最后一根电杆上，并且线路为多根导体(三相+中性线)时，第一类防雷建筑物的预期雷击电涌电流按10 kA考虑(10/350μs波形);当闪电击在建筑物上，第一类防雷建筑物的预期雷击电涌电流按10 kA考虑(8/20μs波形。环路的电感和电阻影响所感应电流的波形，当略去环路电阻时，宜采用10/350μs波形)。详见表1。

表1 低压配电系统的预期雷击电涌电流

《规范》第4.2.4条关于Iimp的规定是引用了《建筑物电气装置第5－53部分:电气设备的选择和安装，隔离、开关和控制设备第534节:过电压保护电器》GB 16895.22—2004的规定:当按《雷电电磁脉冲的防护—第一部分:通则》IEC 61312－1规定装设电涌保护器时，符合IEC 61643－1的雷击冲击电流Iimp应根据IEC 61312－1计算，如果电流值无法确定，则每一保护模式的Iimp值不应小于12.5 kA。实际上，当接闪器直接安装在建筑物上时，接闪器遭雷击时会使建筑物内的金属管线感应出相应的雷电流，此处安装的SPD主要用于限制感应电流和地电位反击的，仍然可以参考表1给出的预期雷电电涌电流值，当无法确定Iimp时，取其等于或大于10 kA。对于同一参数值的选取本可以采用同一规范，却采用了两本规范的规定，欠妥当。

5 各类防雷建筑物装设的SPD冲击电流值的探讨

《规范》中规定:第一、二、三类(各类)防雷建筑物低压电源线路引入的总配电箱、配电柜处应装设Ⅰ级试验的SPD，每一保护模式的冲击电流值，当电源线路无屏蔽层时可按(2)式计算;当电源线路有屏蔽层时可按(3)式计算;当无法确定时，均取其冲击电流等于或大于12.5 kA。

式中:I为雷电流(kA)，第一类防雷建筑物取200 kA，第二类取150 kA，第三类取100 kA;

n为地下和架空引入的外来金属管道和线路的总数;

m为每一线路内导体芯线的总根数;

RS为屏蔽层每公里的电阻(Ω/km);

RC为芯线每公里的电阻(Ω/km)。

《规范》中，当低压配电线路每一保护模式的冲击电流值无法确定时，Iimp的确定不分建筑物的类别，均取等于或大于12.5 kA。但根据公式计算出的冲击电流却会因建筑物防雷类别的不同而取值不同，第一、二、三类防雷建筑物所要求的冲击电流值是逐级递减的。因此，可以认为关于Iimp各类防雷建筑物均取等于或大于12.5 kA的规定，不符合本规范依据防雷类别选取防护措施的原则，同时也与可计算的低压配电线路每一保护模式的冲击电流值的规定不统一。

根据上述分析，在配电线相同的情况下，若第一类防雷建筑物中低压配电线路每一保护模式的冲击电流值为12.5 kA，第二、三类应逐级递减，第二类为9.375 kA，第三类为6.25 kA，这样的规定符合《规范》防雷分类的原则，也符合IEC 62305－1:2010中引用的相关规定。