建筑物屋面金属设备及连通室内金属管道雷电隐患的分析研究

2018-02-15朱国华

现代建筑电气 2018年6期

朱国华

(浙江鸿翔建设集团股份有限公司, 浙江嘉兴 314400)

0 引言

按建筑设计的基本要求,除某些性能要求必须设置在室外露天场所的设备(如风冷式空调室外机(组)、冷却塔、室外照明(立面、泛光、彩灯、航空障碍灯)等)以外,一般设备宜设置在室内。一方面,避免设备长期日晒雨淋而加速老化,有利于维护设备;另一方面,如果设备(主要是金属设备和管道)设置在室外露天场所,不利于防雷措施的实施,会存在一定的安全隐患。

现在的实际情况是,由于种种原因导致建筑设备在屋面上大量设置,甚至少数建筑物堆积。曾有某建筑物屋面堆积大量设备,甚至连通道都堵塞。主要原因是建设方在规划设计阶段,在一定容积率的条件下,为了更多地获得室内使用面积,对设计方提出减小设备用房面积或直接把设备设置在室外的要求所致。因此,屋面防雷存在一定的安全隐患。

1 研究的内容

现代建筑尤其是高层建筑,屋面设备越来越多,并有较多相连的金属管道直通室内。国家标准GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》第4.5.7条对第二类和第三类防雷建筑物不处在接闪器保护范围内的屋顶导电、非导电物体的条件作了规定,即不符合此条规定的屋顶导电、非导电物体均应设置在防雷保护区内。但在实际工程应用中,该条文往往没有得到足够的重视,存在着实施不到位的情况,而且还带有普遍性。这样就产生如下的隐患:本来外部防雷、内部防雷是隔开的,由于屋面金属设备和相连通的金属管道,在发生雷击时容易把雷电引入室内,存在安全隐患。

以建筑物屋面设备的设置及连通室内金属管道为切入点,主要依据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》及建筑电气相关教程,进行建筑物屋面金属设备及连通室内金属管道雷电隐患的分析研究。

2 GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》相关条文的分类归纳

(1) 建筑物的防雷措施。

第一类防雷建筑物:外部防雷装置、内部防雷装置、防闪电电涌侵入、防闪电感应。

第二类防雷建筑物:外部防雷装置、内部防雷装置、防闪电电涌侵入、部分防闪电感应、防雷电流产生的高电位反击、部分防雷击电磁脉冲。

第三类防雷建筑物:外部防雷装置、内部防雷装置、防闪电电涌侵入、防雷电流产生的高电位反击。

(2) 有总接地,包括外部防雷装置的接地(直击雷接地)、内部防雷装置接地(防雷等电位连接接地)、防闪电感应接地、电气保护接地(PE)和电子系统接地;无总接地,包括防闪电电涌侵入、防雷击电磁脉冲。

(3) “建筑物屋面金属设备及进出屋面的相连金属管道”的相关条文是第4.3.2(4.4.2)条2款1)项:金属物体可以不装接闪器,但应和屋面防雷装置相连。

3 直击雷瞬态过电压估算

当雷电直接击中地面物体或防雷装置时,强大的雷电流(50%～100%)流经防雷接地装置时,会在引下线及接地体上产生极高的瞬态过电压U(kV):

U=UR+UL=IRi+LOhxdi/dt

(1)

式中:UR——雷电流流过防雷装置时,在接地装置上的电阻电压降,kV;

UL——雷电流流过防雷装置时,在引下线上距地hx高度的电感电压降,kV;

I——雷电流幅值,kA;

Ri——接地装置的冲击电阻,Ω;

LO——引下线的单位长度电感(μH/m),一般可取1.5 μH/m;

hx——防雷装置引下线上过电压计算点的地上高度,m;

di/dt——电流陡度,kA/μs。

考虑到屋面金属设备及金属管道与接闪器相互连通,成闭合环状或网状的多根引下线起到分流作用。根据GB 50057—2010附录E,分流系数kc取值0.44。

因此,式(1)改写为

(2)

选择按表F.0.1-1:I选择,一类,200 kA,二类,150 kA,三类,100 kA;di/dt选择,一类,200 kA/10 μs(20 kA/μs),二类,150 kA/10 μs(15 kA/μs),三类,100 kA/10 μs(10 kA/μs)。

所以,直击雷瞬态过电压如下:一类,U=0.44(200Ri+30hx);二类,U=0.44(150Ri+22.5hx);三类,U=0.44(100Ri+15hx)。

通过接地极流入地中工频交流电流求得的接地电阻,称为工频接地电阻R～;通过接地极流入地中冲击电流(雷电流)求得的接地电阻,称为冲击接地电阻Ri。一般情况下,冲击接地电阻小于工频接地电阻,即Ri

根据附录C中C.0.4条及条文说明,对于基础接地体,Ri=R～,R～≤1 Ω,故Ri=R～=0.6 Ω;选择防雷建筑物类别:二类,典型hx=50 m,因此U=0.44×(150×0.6+22.5×50)=534.6 kV。

建筑物屋面直击雷瞬间产生过电压(典型),并引向建筑物内。建筑设计的防雷引下线是柱内钢筋或专设引下线。如果屋面未在避雷保护范围内的金属设备及其贯通的金属管道直接连通到室内各部位,会产生一定的安全隐患。

4 消除或减小雷击危害的方案和建议

雷电过电压包括直接雷击、雷电流高电位反击和闪电感应过电压。消除或减小雷击危害的方案和建议:

(1) 雷电流高电位反击,是指雷电流通过引下线和接地装置时产生的高电位通过防雷等电位联结带、连接线至金属物和电气PE端、电子接地端的反击。解决方案见GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》第4.3.8条、第4.4.7条,采用内部防雷装置。

(2) 闪电感应是指闪电放电时,在附近导体上产生的闪电静电感应和闪电电磁感应,可能使金属部件之间产生火花放电。解决方案见GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》第4.2.2条、第4.3.7 条,采用防闪电接地装置。

由雷电流高电位反击、闪电感应过电压产生的机理可知,过电压电源内阻很大,只能产生过电压,而不能产生一定的电流以维持过电压。所以,运用上述的解决方案基本上能消除危害。

直击雷是雷云与大地之间放电产生的(巨大的电源瞬间放电),过电压电源内阻很小,有很大的过电流(雷电流),不仅在接地装置引下线上产生高电位,而且还产生接触电压和跨步电压。所以,通过内部防雷装置(防雷等电位间隔距离)、防闪电接地等措施是无法消除危害。内部防雷等电位联结只是对内阻很大的雷电流高电位反击、闪电感应过电压起作用,而对内阻很小的直击雷放电几乎没有作用。

因此,对直击雷只能避。最理想的方案是建筑物屋面外部防雷装置与建筑内部防雷装置之间完全隔离,没有电气通道、金属物或金属管道的连通。

从给水排水专业可知:室内消火栓临时高压供水系统、喷淋有压供水系统的高位水箱水泵和管道必须设置在单体建筑屋顶,并与室内连通;太阳能光热系统与室内连通。

从通风空调专业可知:风冷式空调机组的冷媒管、冷水管,中央空调系统冷却塔的给水管、冷却水管等,与室内连通;防排烟系统的风机、金属风管等与室内连通。

从建筑电气专业可知:室外照明(彩灯、节日灯、航空障碍灯、泛光、立面照明等),各专业设备的电气配电和控制装置以及相应的管线等,与室内连通;太阳能光伏系统与室内连通。

上述各专业设备与管道设置在屋面,不利于防雷,在一定程度上对建筑物内部的安全带来影响,给专业设备造成损害。所以,应该采取措施,以规范的形式加于限制。

GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》应通过条文(甚至强制性条文)把直击雷的危害降至最小。