对GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》的解读

2015-03-22宋平健北京市避雷装置安全检测中心北京100089

现代建筑电气 2015年4期

关键词：电阻值接地装置雷电

石健, 宋平健(北京市避雷装置安全检测中心, 北京 100089)

石健, 宋平健
(北京市避雷装置安全检测中心, 北京 100089)

根据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》,结合实际工作中对防雷规范的理解,探讨了防雷设计中应注意的一些问题,并对部分问题提出了解决方法,从而为建筑物的防雷设计及防雷保护提供指导。

建筑物防雷; 电涌保护器; 引下线; 共用接地电阻

0 引言

GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》作为我国建筑物雷电防护最根本的国家技术标准,是在旧版本规范GB 50057—1994使用多年之后进行修订的,并已于2010年10月1日正式实施。在这期间,国际标准和国内防雷技术都有了很大的变化和发展,所以理解GB 50057—2010对做好现行的防雷工作十分必要。

1 总则

(1) GB 50057—2010第1.0.1条中增加了防止或减少雷击电磁脉冲引发的电气和电子系统损坏或错误运行的防护。GB 50057—1994仅考虑对雷击建筑物的防护保护。

(2) GB 50057—2010第1.0.2条扩大了适用范围,不仅适用于新建建(构)筑物的防雷设计,而且适用于扩建、改建建(构)筑物的防雷设计。这主要是因为在GB 50057—1994之前建筑物的防雷设计是按GBJ 57—1983《建筑防雷设计规范(试行)》设计的,如使用时间不长,可以不按GB 50057—1994修改,而GB 50057—2010距GBJ 57—1983的废止时间较长,所以增加了扩建、改建,对于实际应用更方便。

2 术语

(1) GB 50057—2010增加了术语一节。

(2) GB 50057—2010将原来常用的避雷针、避雷带、避雷网等专业用词修改为接闪杆、接闪带、接闪网。按照避雷针、避雷带、避雷网的字面意思,总认为安装接闪器后就可以避免受到雷击,但实际上安装接闪器是引雷并将其泄放入大地,且安装接闪器并不一定可以避免不受到雷击损坏。仅从直击雷角度考虑,对于第一、二、三类防雷建筑物,按照电气—几何模型(雷闪数学模型):

hr=10I0.65

(1)

式中:hr——滚球半径;I——得到保护的最小雷电流。

将滚球半径30、45、60 m分别代入式(1),计算得雷电流分别为5.4、10.1、15.8 kA。所以,当雷电流小于上述数值时,闪电有可能穿过接闪器而击于被保护物上。建筑物的雷电防护是一个系统,而接闪器的功能只是减少实体损害和生命灾害防护中外部防雷装置截取对建筑物的雷电闪击。要最大限度地避免遭受雷电的损害,还要减少内部系统失效的防护和公共设施的防护。

3 建筑物的防雷分类

(1) GB 50057—2010的防雷分类中对第一类防雷建筑物和第二、三类的一部分(如爆炸场所、文物)沿用了GB 50057—1994的做法,并没有考虑以风险作为分类的基础,主要是依据IEC 62305-2:2010:当预期风险不可避免时,可以不顾风险评估的结果如何而决定提供防雷。

(2) GB 50057—2010较GB 50057—1994对建筑物年预计雷击次数做了调整,对于二类防雷建筑物中的部、省级办公建筑物和其他重要或人员密集的公共建筑物界定从原来的预计雷击次数大于0.06次/a调整为大于0.05次/a;住宅、办公楼等一般民用建筑物或工业建筑物的年预计雷击次数从大于0.3次/a调整为大于0.25次/a。对于三类防雷建筑的年预计雷击次数也分别从0.012次/a≤N≤0.06次/a、0.06次/a≤N≤0.3次/a调整为0.01次/a≤N≤0.05次/a、0.05次/a≤N≤0.25次/a。在GB 50057—1994中三类防雷建筑物,在GB 50057—2010中可能为二类防雷建筑物;在GB 50057—1994中一些不属于防雷建筑物的建筑物,在GB 50057—2010中可能为三类防雷建筑物,建筑物年预计雷击次数的调整扩大了第二、三类防雷建筑物的范围。

(3) GB 50057—2010较GB 50057—1994在第一、二、三类防雷建筑物防雷分类中增加了“在可能发生对地闪击的地区”,可依据某一地区多年闪电监测资料和雷击灾害事故统计资料,确定这一地区的初雷日和终雷日。以北京市为例,查阅1993～2013年雷击灾害事故统计资料和近10 a的闪电监测资料,可知初雷日为2009年3月21日,终雷日为2004年11月9日。所以,对于在第一年11月9日到第二年3月21日时间段内建造和使用的临时建筑物和构筑物,可不装设防雷装置。此外,建筑物的防雷保护是以发生雷闪为前提的,如果没有雷闪的发生,建筑物也无需防御雷电造成的损坏。

(4) GB 50057—1994对爆炸危险环境的划分参照GB 50058—1992《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》,爆炸性气体危险环境划分为0～2区,爆炸性粉尘危险环境划分为10～11区,火灾危险区域划分为21～23区。GB 50057—2010参照GB 1246.3—2007/IEC 61241—10:2004《可燃性粉尘环境用电设备存在或可能存在可燃性粉尘的场所分类》,爆炸性气体危险环境划分为0～2区,爆炸性粉尘危险环境划分为20～22区,不再对火灾危险环境进行划分。根据雷击的影响和产生的后果,并结合当地气象、地形、地质及周围环境因素,直接确定是否为火灾危险场所。

4 建筑物的防雷措施

(1) GB 50057—1994将防雷分为防直击雷、防雷电感应和防雷电波侵入。GB 50057—2010参照IEC防雷标准,将防雷分为外部防雷、内部防雷和防雷击电磁脉冲,且对内部防雷装置防雷等电位联结和间隔距离做了更明确的规定和要求(强制条文),界定了需要防雷击电磁脉冲的防雷建筑物的范围,更便于实际应用。

(2) GB 50057—2010较GB 50057—1994对接地电阻值做了调整和补充,对于第一类防雷建筑物,增加了对独立接闪器接地装置冲击接地电阻值在土壤电阻率3 000 Ω·m以下的地区不应大于30 Ω的要求,将架空线与电缆连接处的冲击接地电阻值从10 Ω调整为30 Ω,距离建筑物100 m内的架空金属管道冲击接地电阻值从20 Ω调整为30 Ω。对于第二、三类防雷建筑物,增加了共用接地装置的接地电阻应按50 Hz电气装置接地电阻确定,不应大于按人身安全所确定的接地电阻值。

(3) GB 50057—2010对建筑物内电气系统和电子系统电涌保护器(Surge Protective Device,SPD)的选择做了更详细的规定,强调了架空线与电缆连接处和电源引入总配电箱处SPD的类型、冲击放电电流、电压保护水平(强制性条文)。对天面用电设备电源SPD应选用Ⅱ级试验类型和电压保护水平不应大于2.5 kV也做了要求,但对标称放电电流没有做出明确的规定,提出而应根据具体情况确定。这是因为每个建筑物的防雷装置和配电线路差别大,引下线的数量和配电接系统接地方式导致分流不同。GB 50057—2010第6.4.5条第3款规定,Ⅱ级试验SPD标称放电电流不应小于5 kA,强调的是与同一线路上级SPD的能量配合,而不应成为选择SPD标称放电电流的依据,尤其对于建筑物天面设备,配电处若安装标称放电电流为5 kA的电源SPD,会导致通流容量太小。

对于第三类防雷建筑物,首次雷击雷电流幅值为100 kA,一般情况下接闪器成闭合环状或网状的多根引下线,引下线的分流系数为0.44,且用电设备至配电箱之间的线路采用钢管屏蔽,则流经钢管的冲击雷电流为

Iimp=100×0.44=44 kA

配电箱与天面钢筋及其他管线做了等电位联结,流入配电箱的雷电流又再分流,流经SPD的分流按(1/n)+0.1考虑,n为引下线根数,设n=10,则流经SPD的雷电流为

Iimp=44×[(1/n)+0.1]=8.8 kA

如果屋顶用电设备配电接地方式为TN-S,分流时按5分支路考虑(3根相线、1根N线和1根PE线),则流经每片SPD的雷电流为

Iimp=8.8/5=1.76 kA

直击雷电流波形为10/350μs,通常其与8/20μs最大放电电流Imax换算可按20倍考虑,则

Imax=1.76×20=35.2 kA

一般情况下,In/Imax=1/2,所以标称放电电流为

In=35.2/2=17.6 kA

对于第二类防雷建筑物,由于首次雷击雷电流幅值为150kA,在同样的情况下相应的标称放电电流会有所提高。

(4)GB50057—2010中第4.3.6、4.4.6条规定,共用接地装置的接地电阻应按50Hz电气装置的接地电阻确定,不应大于按人身安全所确定的接地电阻值。GB50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》第5.1.2条强制性条文规定,对于共用接地装置的接地电阻,要求必须按接入设备中要求的最小值确定。这两个条文的要求有些出入,本文认为接地体不应仅表示为电阻单元,而应表示为复数阻抗。接地线的感抗表示为

XL=2πfL

对于一根25mm2铜导体,在1MHz条件下,当长度为3m时,Rf=0.05 Ω,XL=26 Ω;长度为6.1m时,Rf=0.1 Ω,XL=57 Ω。对于电子信息系统机房内的设备,工作频率为数十至数百赫兹,接地装置在高频电流下电抗值远大于其电阻值,要求很低的直流至工频的接地电阻无意义。所以,当采用共用接地装置时,满足不大于按人身安全所确定的接地电阻值即可。但从建筑物电子信息系统直流工作接地(信号接地或功能性接地)角度考虑,在直流情况和工频情况下,接地装置的电阻值不能忽略。从我国各行业的实际情况来看,电子信息设备的种类多且用途各不相同,对接地装置电阻值的要求也不相同。因此,为确保人身安全和电气、电子设备的正常工作,电子信息设备的共用接地装置的接地电阻值必须按接入设备中要求的最小值确定。

5 防雷装置

(1) GB 50057—2010第5.2.5条规定,架空接闪线和架空接闪网宜采用截面不小于50 mm2的热镀锌钢绞线或铜绞线。相比GB 50057—1994第4.1.3条的规定,镀锌钢绞线尺寸有了提高,且增加了材料种类。该条款只是说明了镀锌钢绞线和铜绞线做架空接闪线和架空接闪网时最小截面积取50 mm2,在条件许可时首先应这样做。GB 50057—2010第5.2.1条对架空接闪线和架空接闪网的材料和规格有更全面和具体的要求。如果选用不锈钢绞线作为架空接闪线和架空接闪网,则最小截面积应为70 mm2,而不是50 mm2。

(2) GB 50057—2010第5.3.7条保留了GB 50057—1994第4.2.5条中一部分内容,即在易受机械损坏和防人身接触的地方,地面上1.7 m至地面下0.3 m的一段接地线应采取暗敷或镀锌角钢、改性塑料管或橡胶管等保护措施。规定地面上1.7 m,主要是引下线在距地面最高为1.8 m处设断接卡,便于拆装断接卡时不破坏保护措施。对于防止人身接触电压,GB 50057—2010第4.5.6条规定,外露引下线距地面2.7 m以下的导体用耐1.2/50 μs冲击电压为100 kV的绝缘层隔离,或用至少3 mm厚的交联聚乙烯层隔离。综合考虑,为防止引下线和接地线被破坏和人身接触电压,直接采用一根满足冲击电压要求的塑料管或橡胶管埋入地下0.3 m,地面上2.7 m。引下线作为防雷装置的检测项目之一,需定期进行检测。由于断接卡被塑料管保护起来,使套管不能上下移动,因此对引下线的检查和测量变得非常困难。对于明装引下线及接地线保护套管的设计,可以采用两根塑料管或橡胶管,一根为地下0.3 m至地面,另一根为地面至2.7 m。这样在对明装引下线进行检测时,可以将地面上的那一根向上推,露出断接卡,既起到了保护引下线和防止人身接触电压的作用,又方便定期检测。

6 防雷击电磁脉冲

GB 50057—2010对从户外沿线路引入雷击电涌时,SPD的有效电压保护水平选值有明确规定。当被保护设备距SPD的距离沿线路的长度>10 m时,在不考虑SPD两端引线的感应电压降和雷击建筑物附近SPD与被保护设备之间感应过电压的情况下,SPD有效电压保护水平UP=0.75 kV。若考虑引线和线路环路的感应过电压,UP值将更小(查阅北京市气象局备案的SPD型号及参数,未发现UP≤0.75 kV的电源SPD。)。

所以,当被保护设备为电子信息系统设备时,在设备距SPD的距离沿线路的长度>10 m时,应在被保护设备前段再加装一级电源SPD。当线路内为直击雷电涌时,考虑到SPD两端引线的感应电压,UP应小于等于1.2 kV;当线路内仅为感应电涌时,可忽略引线的感应电压,UP=1.5 kV。

7 结语

GB 50057—2010为今后我国的防雷设计提供了设计依据。对GB 50057—2010的理解,应参考相关的国家标准和国际标准,并结合实际情况,才能更好地做好建筑物的防雷保护。

[1] GB 50057—2010 建筑物防雷设计规范[S].

[2] GB 50057—1994 建筑物防雷设计规范[S].

[3] GB/T 21714.1—2008 雷电防护总则[S].

[4] IEC 62305-4:2010 Protection against lightning electrical and electronic systems within structures[S].[5] GB 50058—1992 爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范[S].

[6] GB 1246.3—2007 可燃性粉尘环境用电设备存在或可能存在可燃性粉尘的场所分类[S].

[7] GB 50343—2012 建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].

[8] GB/T 21431—2008 建筑物防雷装置检测技术规范[S].

Interpretation about Code for GB 50057—2010 Design of Lightning Protection of Buildings

SHI Jian, SONG Pingjian

(Beijing Lightning Devices Security Test Center, Beijing 100089, China)

Based on GB 50057—2000 and combining by the understanding of lightning protection standard,the attention problems for the design of lightning protection were discussed and some views were put forward.It can provide references for the design of lightning protection for buildings.

buildings lightning protection; surge protective device; down-conductor system; common grounding resistance