装配式木结构建筑防雷设计分析

2021-04-13黄景峰

现代建筑电气 2021年3期

黄景峰

(清华大学建筑设计研究院有限公司, 北京 100084)

0 引言

近年来,随着装配式木结构或钢木混合结构技术的发展和新型工程木产品的出现,装配式木结构建筑规模越来越大,因雷电引起火灾的风险也越来越大。

木结构建筑的防雷设计不同于钢筋混凝土建筑,其内部缺乏雷电流引下的良好导体,故防直击雷以外部防雷装置为主,如独立于木结构的接闪杆、接闪带、接闪网、专用引下线等。接闪器一般采用φ8 mm以上的热镀锌圆钢,沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷击的部位明敷于木质屋面,其固定支架高度≥150 mm,固定支架采用隔热层与木材之间隔离,隔热层可以是空间间隔50 mm的空气或者3 mm厚度的不可燃绝缘垫层;引下线一般采用φ8 mm以上的热镀锌圆钢,沿墙角部位明敷于木质墙壁外侧,其与木质墙壁间的距离应大于0.1 m(IEC 62305-3:2010)[1]。

木结构建筑防雷设计原则是通过独立于木结构的防雷及引下装置,对雷电流进行引下、分流、接地,从而将雷电流及发热限制在安全范围以内。

1 防雷分类的确定

1.1 按预计雷击次数计算确定防雷等级

依据GB 50057—2010《建筑防雷设计规范》,建筑物根据建筑物的重要性、使用性质、预计雷击次数,按防雷要求分为三类。其中,预计雷击次数是非常明确的量化指标,也是设计人员最常采用的判断依据。

不规则建筑等效面积如图1所示,粗曲线是将建筑外轮廓向外扩展71.084 m后形成的图形,与建筑物接收相同雷击次数的等效面积Ae应为粗曲线所包围的区域面积,Ae=0.157 1 km2。年预计雷击次数N=kNgAe=0.970 9次/a。故该建筑属第二类防雷建筑。

1.2 按风险评估确定防雷等级

依据GB 50057—2010《建筑防雷设计规范》及IEC 62305-1:2010[2],选择防雷装置的目的在于将需要防直击雷的建筑物年损坏风险R值(建筑物每年可能遭雷击而损坏的概率)降到小于或等于可接受的最大损坏风险RT值。规范中RT值为10-5,即每年1/10 000的损坏概率。

图1 不规则建筑等效面积

确定分损坏概率时,应考虑到同时发生两类事件,即引发损坏的事件(如金属熔化、导体炽热、侧向跳击、不容许的接触电压或跨步电压等)和被损坏物体的出现(即人、可燃物、爆炸性混合物等的存在)这两类事件同时发生。所以规范给出公式:

(1)

根据规范,保护第三类防雷建筑物的防雷装置效率η为0.81,公共建筑物的NT为1×10-2。将这两个数值代入式(1)得,N≤5×10-2/0.19≈0.05。这表明,当公共建筑N>0.05时,RT值达不到(即大于)10-5。该项目N=0.97,应升级为第二类防雷建筑物的防雷措施。

综上,按预计雷击次数及风险评估确定的防雷等级相同,故确定该项目为第二类防雷建筑物。

2 防直击雷措施

2.1 防直击雷设计

木结构建筑不具备传统钢筋混凝土建筑所拥有的自然引下钢筋及接地体装置,做防雷设计时人工接闪器、引下线及接地极应从金属熔化、导体炽热、侧向跳击、不容许的接触电压或跨步电压等方面进行验证。

利用排水铝板做接闪器及引下线,在整个屋面组成不大于 10 m× 10 m的网格,引下线间距满足18 m,并做好标识。引下线末端通过钢柱与结构基础连接,并在地下构成环状接地体。

2.2 导体融化校验

依据IEC 62305-3:2010,屋顶金属板遭雷击时,当其厚度小于4 mm,与闪击通道接触处有可能熔化而烧穿。GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》中雷电流范围内阳极或阴极表面的电压降Ua.c按常数考虑(其取值为30 V),全部能量用于加热金属体,计算偏于安全。

(2)

式中:V——被熔化金属的体积;

Ua.c——阳极或阴极表面的电压降;

Q——雷电流的电荷;

γ——被熔化金属的密度;

CW——热容量;

θS——熔化温度;

θu——环境温度;

CS——熔化潜热。

将Ua.c=30 V、Q=150 C、γ=2 700 kg/m3(铝)、CW=908 J/kg·K(铝)、θS=658 ℃、θu=40 ℃,CS=397×1 000 J/kg(铝)代入式(2),得V=1 733 mm3。

对于2 mm厚的铝板,在雷击情况下可以穿孔。但雷击只会将上层金属板熔化穿孔,不会击到下层金属板,而且上层金属板的熔化物受到下层金属板的阻挡,不会滴落到下层金属板的下方。要强调的是,夹层物质必须是非易燃物且选用高级别的阻燃类别。

2.3 温升校验

GB 50010—2002《混凝土结构设计规范》规定,构件的最高允许表面温度是:对于需要验算疲劳的构件(如吊车梁等承受重复荷载的构件),不宜超过60 ℃;对于屋架、托架、屋面梁等,不宜超过80 ℃;对于其他构件(如柱子、基础),没有规定最高允许温度值,此类构件可按不宜超过100 ℃考虑。

建筑物遭雷击时,雷电流流经的路径为屋面、屋架(或托架或屋面梁)、柱子、基础,则流经需要验算疲劳构件的雷电流已分流到很小数值。因此,雷电流流过屋面排水铝构件后,其最高温度按70 ℃考虑。现取最终温度70 ℃作为计算值。铝构件的起始温度取40 ℃,因此铝导体的温度升高考虑为30 ℃,这是很安全的数值。

根据IEC 62305-1:2010及GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》,有

(3)

式中:θ-θ0——导体的温度升高;

α——电阻温度系数,取4.0×10-31/K;

W/R——冲击电流的单位能量,取5.6×106J/K;

ρ0——导体在环境温度下的电阻率,取29×10-9Ω·m;

q——导体截面积;

γ——物质密度,取2 900 kg/m3;

CW——热容量,取908 kg·K。

由计算结果可知,当引下线铝导体的截面积q≥149 mm2时,其遭受第一次正极性雷击时的温升可以控制在30 ℃以内。

2.4 应力校验

依据文献[3],雷电流峰值通过防雷装置导体时,会在平行导体间或角状、环状导体间产生冲击性电动力。如引下线形成一段长且狭小的平行环路时,雷电流所产生的电动力可近似按文献[3]式(13.7.4)计算:

(4)

式中:F(t)——电动力;

i(t)——雷电流幅值,取150 kA;

μo——真空导磁系数,为4π×10-7;

l——导体平行段长度;

d——导体平行直线段之间的距离。

电动力计算统计如表1所示。

表1 电动力计算结果

表1是2根平行引下线形成一段长2.2 m、间距0.2～3.2 m的平行环路时,雷电流所产生的电动力。电动力数据在进行幕墙设计时,应提供给材料供货商。

3 接地设计

建筑接地设计通常结合基础形式设计。该项目地下室部分为承台桩基,部分为筏板基础,基础彼此之间由拉梁联通。引下线末端通过钢柱与结构基础连接,并在建筑物基础防腐层下面的混凝土垫层内敷设40 mm×4 mm镀锌扁钢人工环形基础接地体。

3.1 接地体热效应校验

根据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》,利用基础内钢筋网作为接地体时,在周围地面以下距地面不应小于0.5 m。每根引下线所连接的钢筋表面积总和应为

(5)

式中:kc——分流系数。

根据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》附录E,分流系数可为0.44。把kc=0.44代入式(5),得出结论:要求在周围地面以下距地面不小于0.5 m,每一柱子基础内所连接的钢筋表面积总和应大于等于0.82 m2。

3.2 环形接地体

3.2.1 环形人工基础接地体的原则

环形人工基础接地体的原则:建议优先选用多根扁钢;圆钢直径不宜大于φ12 mm;混凝土电阻率取100 m;周长≥60 m,按60 m考虑。因此,在建筑物基础防腐层下面的混凝土垫层内敷设40 mm×4 mm镀锌扁钢做人工环形基础接地体。

3.2.2 引下线处补打接地极

根据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》,共用接地装置的接地电阻应按50 Hz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。利用槽形、板形或条形基础的钢筋作为接地体或在基础下面混凝土垫层内敷设人工环形基础接地体,当槽形、板形基础钢筋网在水平面的投影面积或成环的条形基础钢筋或人工环形基础接地体所包围的面积符合下列规定时,可不补加接地体:当土壤电阻率小于或等于800 Ω·m时,所包围的面积应大于或等于79 m2;当土壤电阻率大于800 Ω·m且小于或等于3 000 Ω·m 时,所包围的面积应大于或等于按下式计算的值:

(6)

按最严重的情况进行计算,将土壤电阻率3 000 Ω·m代入式(6),得到A=7 543 m2。即当环形接地体包围的面积应大于等于7 543 m2时,可不在引下线处补加接地体。

4 防闪电感应措施

4.1 等电位联结

被保护建筑物内的金属物接地是防闪电感应的主要措施,即总等电位联结。建筑物内所有的设备、管道、构架等主要金属物,全部就近接到防雷装置或共用接地装置上。建筑物内防闪电感应接地干线与接地装置的连接不应少于2处。

依据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》,平行敷设的管道、构架和电缆金属外皮等长金属物,其净距小于100 mm时,应采用金属线跨接,跨接点的间距不应大于30 m;交叉净距小于100 mm时,其交叉处也应跨接(基于一类防雷建筑的参数)。若计算采用二类防雷建筑的参数,计算结果如下:

(7)

式中:L——平行管道成环路的长度,取30 m;

di/dt——流经引下线的雷电流的陡度,根据表F.0.1-3的参量,取150 kA/μs;

M——2根间距300 mm平行管道与引下线之间的互感,取0.019 1 μH/m;

EL——电感电压的空气击穿强度,取3 000 kV/m。

将数据代入式(7)得,d=0.029 m。对于第二类防雷建筑物,平行敷设的管道、构架和电缆金属外皮等长金属物的净距小于300 mm,当雷电发生时,所感应的电压仅可能击穿0.029 m的空气间隙。若间距减小到100 mm,由于平行管道与引下线之间的互感M值减小,所感应的电压更小。

因此,平行、交叉敷设的管道、构架和电缆金属外皮等长金属物的净距小于100 mm时,采用金属线跨接,跨接点的间距不应大于30 m,可以降低雷电引起金属管道之间放电的风险。

4.2 金属物或线路与引下线之间的间隔距离

依据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》,为防止雷电流流经引下线和接地装置时产生的高电位对附近金属物或电气和电子系统线路的反击,在木结构建筑中金属物或线路与引下线之间的间隔距离为

Sa3≥0.06kclX

(8)

式(8)是根据 IEC 62305-3:2010第6.3.1条的规定得出的。根据IEC 62305-3:2010第6.3.1条表10、表11可知,第二类防雷建筑物,ki取0.06,金属物或线路与引下线之间与木材料隔开时,其击穿强度应为空气击穿强度的1/2。所以,式(8)可改为

Sa3≥0.12kclX

(9)

金属物或线路与引下线之间与木材料隔开时,lx引下线计算点到连接点的长度(连接点即金属物或电气和电子系统线路与防雷装置之间直接或通过电涌保护器(SPD)相连之点)与间距有要求,计算结果如表2所示。

表2 计算结果

4.2.1 冲击电流Iimp

依据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》,电源总配电箱处所装设的SPD,其每一保护模式的冲击电流值来源于式(4.2.4-6),是考虑第一类防雷建筑物的参数:

(10)

式中:I——雷电流,第二类防雷,取150 kA;

n——地下和架空引入的外来金属管道和线路的总数,取3;

m——电气线路内导体芯线的总根数,取4。

将上述数据代入式(9),可得Iimp=6.25 kA。

4.2.2 有效电压保护水平Up

220/380 V三相配电系统需要保护的线路和设备的耐冲击电压,可按GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》规定取值。

4.2.3 SPD安装位置

安装的SPD越靠近引来线路入户处(安装在总配电箱处),建筑物内将被这处SPD保护到的设备越多(经济利益最大化);SPD越靠近需要保护的设备,其保护越有效(技术利益最大化)。设计人员应该根据以上原则进行技术经济比较。

IEC 62305-4:2010[4]附录C有以下的规定:“在以下条件下建筑物内系统得到保护:

(1) 它们在能量上与上游的SPD配合好。

(2) 满足下列条件之一:

1) 当 SPD 与要保护的设备之间的电路长度是很小时(典型的情况是SPD安装在设备的接线端处):Up/f≤Uw;

2) 当电路长度不大于10 m时(典型的情况是SPD安装在分配电箱处或安装在插座处):Up/f≤0.8Uw(注:在建筑物内系统发生故障会危及人员或公共服务设施之处,应考虑由于振荡而将电压加倍,要求Up/f≤Uw/2);

3) 当电路长度大于10 m时(典型的情况是SPD安装在线路进入建筑物处或在某些情况安装在分配电箱处):Up≤(Uw-Ui)/2。当建筑物(或房间)有空间屏蔽、有线路屏蔽(采用有屏蔽的线路或金属线槽)时,在大多数情况下感应电压Ui很小,可略去不计。”

lEC 61643-12:2008[5]“6.1.2 振荡现象对保护距离(某些国家叫分开距离)的影响:当用SPD保护特定设备或当位于总配电箱处的SPD不能对一些设备提供足够保护时,SPD应安装在尽可能靠近需要保护的设备处。如果SPD与被保护设备之间的距离过大时,振荡通常能导致设备端子上的电压升高到2倍Up,在某些情况下甚至可能还超过这一电压水平。虽然安装了SPD,这一电压可能损坏被保护的设备。可接受的距离(称为保护距离)取决于SPD的形式、系统的形式、所进来电涌的陡度和波形以及所连接的负荷。特别仅在以下情况下才可能将电压加倍:设备是一高阻抗负荷或设备在内部被断开。通常,对小于10 m的距离可不管振荡现象。”

客观上,木结构建筑内部与钢筋混凝土建筑最大的区别在于无法提供一个有空间屏蔽的建筑物(或房间),所以木结构建筑中电缆应使用金属管或金属线槽敷设,并尽量减小电路长度、带电体与 PE 线之间的距离。

考虑市场上SPD产品的参数,建议采用以下措施:在配电室低压进线母线上装一级SPD(In≥12.5 kA,10/350 μs;Up≤2.5 kV);各层配电箱内装二级SPD(In≥40 kA,8/20 μs;Up≤2.0 kV;末端有需要的配电箱内装三级SPD(Up≤1.5 kV);电子设备处装D1类高能量试验类型SPD。屋顶处安装照明配电箱内装一级SPD保护。