雷电流温升与防雷引下线问题的探讨

李雪，孟陈 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031）

1 引言

雷电是雷云之间的电荷积累到一定条件后产生的放电现象。人类通过对雷电现象长期的观测，统计观测结果，形成一套完整的防雷理论体系。建筑物防雷装置从上到下为接闪器、引下线、接地装置三部分。防雷引下线是建筑物防雷装置的重要组成部分，引下线泄雷时急剧升温，因此对其直径和截面必须有严格的规定，否则将危害人类安全。本文研究温升和防雷引下线直径和截面的关系，为防雷引下线的合理选择提供了一些参考。

2 防雷引下线的选择

2.1 引下线的材质

建筑物防雷装置中的接闪器将雷电吸引过来，经过引下线传至接地装置。通过大量实验表明，材质不同时，雷电流引起的温升不同，不同材质的温升依次为钢、铝、铜，因此，宜选用热镀锌圆钢或扁钢，优先采用圆钢。钢筋混凝土结构或钢结构建筑，一般优先利用自身的钢柱等作为引下线，并将建筑内所有金属部件应与引下线及接地装置可靠连接，以形成电气通路。

2.2 引下线分流系数kc

对于单根分流系数k计算如图1所示。

图1中，h～h为防雷引下线内各环形导体间的距离；c、c为雷击处至临近引下线之间的距离；式中，c取c、c最小值。一般情况下，单根引下线时，k取1；多根引下线不形成闭合环或两根引下线时，k取0.66；引下线根数n ≥ 3，当接闪器成闭合环或网状的多根引下线时，k取0.44。

图1 单根分流系数kc取值

图2 环形多根分流系数kc取值

3 引下线规格和温升的关系

3.1 引下线直径的选择

防雷装置中接闪器将雷电流引至建筑物时，雷电流经过分流后流入建筑物内钢筋或者圆钢只有很小的一部分，大量资料统计表明，最终温度可按80℃考虑。起始温度取40℃，温升40℃是一个相对安全值。本文以二类防雷建筑为例，通过大量的实验表明，引下线直径越小，阻性越大，雷电流引起的温升越高。一根φ10mm计算后的温升为38.96℃，小于40℃，满足要求。实际工程中，钢筋混凝土中都有多根钢筋并联组成，经过一系列分流后，每根钢筋的温升远远小于80℃。因此，基于安全考虑，《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）规定，混凝土中作为防雷装置的钢筋或者圆钢，仅为一根时，直径不应小于φ10mm，混凝土中其他有箍筋连接的钢筋构件作为防雷装置时，截面积总和不得小于单根φ10mm的截面积。

3.2 引下线截面和温升的关系

目前，新建建筑物是利用混凝土中的钢筋作为引下线。根数多时，每根引下线分流的雷电流少，发热量较低；根数少时，发热量较大。本文以第二类防雷建筑为例进行计算。我国土壤最热月平均温度为基准，混凝土起始温度取30℃，最终温度取99℃，含水量按照5%计算。边长取1m，1m体积基础混凝土的热容量计算如下：

Q=(C+0.05C)M× △T

式中：C——混凝土比热容[J/（kg·K）]，取8.82 × 10J/(kg·K)；

C——水的比热容[J/（kg·K）]，取4.19 × 10J/(kg·K)；

M——边长1m混凝土立方体的质量（kg/m）,取值2.1 × 10kg/m；

△T——温度差，△T=（最终温度99℃）-（起始温度30℃）=69℃。

雷电流从钢筋表面流入混凝土时产生的热量为：

式中：ρ——温度30℃～99℃时，混凝土的平均电阻率取120Ωm。

令 Q=Q，得到

ρ∫idt=1.58× 10，ρ取 120Ωm，那么，∫idt=(1.58 × 10)/120=1.32MJ/(Ωm)。

上述计算结果说明，雷电流经引下线流入大地时，1m钢筋表面流入混凝土产生的单位能量应不大于1.32MJ/Ω。

雷电流是由一个或多个不同的雷击组成，根据国际大电网会议（GIGRE）提供的相关资料，绘制出雷电流的累积概率分布曲线，如图3所示。

图3 短时间雷击电流波形图

T为波头时间，定义为雷电流波头由10%电流峰值到90%电流峰值时间间隔的1.25倍；T为半值时间，定义为自原点开始，电流峰值下降到一半所需要的时间。短时间雷击电流的波头陡度定义为雷电流的变化率，即di/dt。

《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）采用IEC-TC81新颁布标准，制定出雷电参数见表1～表3。

首次正极性雷击的雷电流参数 表1

首次负极性雷击的雷电流参数 表2

首次负极性以后雷击的雷电流参数 表3

4 结语

雷电流持续的时间一般可达到数百毫秒甚至1s以上，峰值电流可达到数十至数百千安，因此，雷电伴随巨大的热量。本文通过雷电流温升这个角度，对引下线直径和截面积的选择进行分析，得出引下线直径越小，截面积越小，温升越高，对建筑物造成的损坏越大。因此，《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）中对引下线直径和截面的规格提出明确要求，以保证建筑物的安全。实际工程设计中，新建钢筋混凝土结构或钢结构建筑应充分利用自身的钢筋作为防雷引下线，一方面有利于节约成本，另一方面有利于降低分流系数k的值，从而减少流经引下线的雷电流，进而降低温升。本文从温升的因素对防雷引下线进行分析探讨，希望对从事防雷行业的工作者起到一定的参考作用。