建筑物防雷设计要点及防雷检测常见问题概述*

谢亚雄, 陈小尘, 段 焕, 张 伟, 魏 庆

(四川省防雷中心, 四川 成都 610072)

0 引 言

雷电是大气中的超长距离放电过程,具有时空间分布范围广、随机性强等特点[1]。雷电对建筑物的危害主要分为直击雷、闪电感应、闪电电涌侵入和雷电电磁脉冲,其直接击中建筑物外部会产生电效应、热效应或机械力者;雷电对建筑物内部系统的影响主要为电磁感应和闪电电涌对电气系统及电子信息系统的损害。防雷接地系统能够在雷击灾害发生时将大量的电流导入地下,以此避免雷电对建筑物设施造成破坏[2],而防雷检测能够科学客观地判断出防雷装置是否符合规范要求、防护性能是否正常,从而降低雷击事故隐患、确保人员财产安全。因此,建筑物的防雷设计和防雷装置检测显得尤为重要。

1 建筑物防雷设计要点

1.1 外部防雷设计

1.1.1 直击雷防护

建筑物外部防雷装置主要用于直击雷防护,由接闪器、引下线和接地装置组成。一般而言,建筑物防雷设计多利用混凝土内钢筋、钢柱作为自然引下线,而专设引下线的规格和敷设方式较为固定;接地装置可利用建筑物基础内钢筋网作为接地体,加之可额外采用水平、垂直或环形接地体进行综合布设,因此通常情况下满足接地电阻标准要求较为容易。接闪器作为直击雷防护中的关键部分,其对材料、规格、敷设方式和适用范围要求较多,设计中应当注意的地方主要为以下几点。

(1) 接闪器规格。

接闪器类型分为接闪杆、接闪带、接闪线等,多采用热镀锌钢制成。按照GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》要求,热镀锌圆钢材质的接闪杆长度在1 m以下时,圆钢直径不应小于12 mm;杆长在1 m～2 m时,圆钢直径不应小于16 mm[3]。设计中圆钢直径通常能达到标准(多为φ12 mm～φ16 mm),但杆长可能不满足要求,如采用φ12 mm的圆钢,其设计杆长却超过1 m。当接闪带、接闪线等为热镀锌圆钢材质时,其直径不应小于8 mm,扁钢截面则不应超过50 mm2。

(2) 屋面附属设施。

除第一类防雷建筑物以及第二类防雷建筑物突出屋面的放散管、风管和烟囱外,屋顶上永久性金属物宜作为接闪器[3]。然而在实际项目实施中发现诸如消防管道、护栏、爬梯等金属物容易忽略其和防雷装置的等电位连接,造成雷击事故隐患。若出于临时需要在屋面安装或搭建附属设施,则应将其与附近的接闪设施实行最短距离的电气连接,屋面无用的金属设施应当及时拆除。此外,不得利用安装在接收无线电视广播天线杆顶上的接闪器保护建筑物,该情况下应当采用专设接闪器保护建筑物屋面。

(3) 金属屋面/外墙。

除第一类建筑物外,具有金属屋面/外墙的建筑物宜利用其屋面作为接闪器。但设计中应当注意,金属板间的连接应为持久的电气贯通,可采用铜锌合金焊、熔焊、卷边压接等连接方式;金属板的厚度应当视其材料而定,当金属板下无易燃物时,不锈钢、热镀锌钢、钛和铜板的厚度不应小于0.5 mm,铝板的厚度不应小于0.65 mm,锌板的厚度不应小于0.7 mm;金属下有易燃物时,不锈钢、热镀锌钢和钛板的厚度不应小于4 mm,铜板的厚度不应小于5 mm,铝板的厚度不应小于7 mm[3]。此外,金属板应无绝缘被覆层(薄的油漆保护层、沥青层或聚氯乙烯层除外)。

1.1.2 侧击雷防护

除直击雷外,建筑物还容易受到侧击雷的雷击,当建筑物的高度超过其对应的滚球半径时,便可能产生侧击雷闪击。相较直击雷而言,人们对侧击雷更易疏于防范,且侧击雷带给建筑物的破坏可能不逊于直击雷[4]。

在设计中,侧击雷防护措施与建筑物防雷类别有关,第一类建筑物应从建筑物高度30 m起每隔不大于6 m,沿建筑物四周设水平接闪带并应与引下线相连,且30 m以上外墙上的栏杆、门窗等较大金属物应与防雷装置相连;第二、第三类建筑物对水平突出外墙的物体应采取防雷措施,在建筑物上部占高度的20%,并超过对应滚球半径的部位做好防侧击雷措施,接闪器应重点布置在墙角、边缘和显著突出的物体等易遭受雷击的部位。除此之外,外墙内或沿外墙竖直敷设的金属管道及金属物的底端和顶端均应与防雷装置做等电位连接。

1.2内部防雷设计

建筑物内部防雷措施主要由等电位连接、共用接地装置、屏蔽、合理布线、浪涌保护器组成,用于减小和防止雷电流在需防护空间内产生的电磁效应,以下主要针对屏蔽措施、等电位连接和浪涌保护器设计要点做分析。

1.2.1 屏蔽措施

屏蔽措施分为建筑物屏蔽、机房屏蔽、线缆屏蔽、合理布线等,实际应用中这些措施一般是综合使用的[5]。建筑物的屏蔽宜利用建筑物的金属框架、混凝土中的钢筋、金属屋顶等自然金属部件与防雷装置连接构成格栅形大空间屏蔽;当利用建筑物自身形成的大空间屏蔽不能满足机房内电子信息系统的电磁环境要求时,应增加机房的屏蔽措施。

值得注意的是,进出建筑物的专用线缆一般自带屏蔽层,该屏蔽层多由屏蔽线制成,这种屏蔽线是一种带有金属编织外壳的导线,专门用于减少电磁场对电源或信号线路的影响。当线缆对屏蔽要求较高时,还应当采用双层屏蔽或穿钢管埋地敷设,以取得更佳的屏蔽效果。在布置线缆尤其是电子信息机房的线缆时,还应注意尽量减小由线缆自身形成的电磁感应环路面积。

1.2.2 等电位连接

等电位连接是建筑物内部防雷系统的重要组成部分,其基本原理为将分开的各金属物体直接用连接导体或经电涌保护器连接到防雷装置上以减小雷电流引发的电位差。首先,建筑物内部的局部电气/电子系统的金属组件须通过等电位连接导体连接至局部电气/电子系统的接地基准点(ERP)上,此类情况一般出现在配电房、机房、各类设备间的等电位连接上;其次,接地基准点(ERP)应当通过建筑物柱筋与主要供电气/电子系统使用的总接地、总接地母线、总等电位连接带进行电气相连;最后,所有外来导电物、电子或电气系统的线路在进入建筑物时均应就近连接到环形接地体、内部环形导体或基础接地体的钢筋上。在设计电子系统的等电位网络时,还应综合考虑接地效果和线路频率,以确定采用何种等电位连接系统(M型网形结构或S型星形结构)。

1.2.3 电涌保护器

本文主要讨论电涌保护器的选型及安装位置问题。对于建筑物的低压电源系统而言,在电源线路引入的总配电箱或配电柜处应装设Ⅰ级试验的电涌保护器,电涌保护器的电压保护水平Up值应不大于2.5 kV,每一保护模式的冲击电流值Iimp应大于或等于12.5 kA。对于需要保护的电子/电气设备而言,需选用Ⅱ级或Ⅲ级试验的电涌保护器,Ⅱ级试验的电涌保护器,其标称放电电流In应不小于5 kA;Ⅲ级试验的电涌保护器,其标称放电电流应不小于3 kA[5]。实际应用中,In应根据用电设备的耐冲击电压水平和同一线路上游的电涌保护器的能量耐受程度而定,取值一般在10 kA以上。

设计中应重点关注低压电源系统的电涌保护器,应选择高可靠性(低失效率)浪涌保护器以提高其运行质量[6],切忌将冲击电流Iimp与最大放电电流Imax混为一谈。冲击电流适用于10/350 μs直击雷雷电流波形对电涌保护器的耐受性测试,而最大放电电流适用于8/20 μs感应雷雷电流波形对电涌保护器的耐受性测试。电涌保护器对电气/电子系统的保护等级一般分为三级,一级保护适用于建筑物电源引入的总配电设施处,如配电室里的总配电箱、总配电柜、变压器旁进线柜处,或园区内的箱式变电站低压端;二级保护适用于建筑物内向某一特定区域供电的配电箱处,如楼层内分配电箱;三级保护适用于用电设备处,如设备控制柜、列头柜等。

2 防雷检测常见问题及注意事项

2.1 测试仪器问题

防雷检测中,使用的仪器主要为接地电阻测试仪,一般分为箱式仪器和手持仪器。箱式测试仪器除了测试接地电阻值外,某些还具有土壤电阻率测试功能,其优点是测试结果较为精准,但携带不易,须配合测试线圈一同使用;手持仪器一般为钳形接地电阻测试仪,其优点是使用方便,但测试精准度不如箱式仪器且使用条件受限。使用中应注意的是,在条件允许的情况下,尽量使用箱式接地电阻测试仪,通过常用的三极法进行测量[7],一般不用其代替等电位测试仪;钳形接地电阻仪一般用于条件受限时判断测试点是否接地,其测试点须为闭合回路中的一部分(若测试点为非闭合,则需要连接辅助导线)[8],且测试点应被钳口完全包围,否则测试结果不准确,甚至无法得出测试数值。

2.2 接地阻值不合格

实际检测中,接地电阻分为独立接地电阻与共用接地电阻,以共用接地居多。按照GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》和GB 50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》的相关要求,当采用共用接地装置时,接地装置的接地电阻必须按接入设备中要求的最小值确定,该值一般情况下不得超过4 Ω[3,5]。当测试结果不合格时,首先应判断此次检测参考的接地电阻取值标准是否正确,具体问题具体分析;其次检查测试方法是否妥当,例如土壤成分、含水率是否适合三级法测试,地钉之间的间距是否达标(一般应不小于5 m),测试点表面是否有绝缘被覆层或防锈涂层,测试线是否破损或断裂;再次可查阅建筑施工设计图纸,确定其接地设计方式,以重新制定测试方案。

2.3 电涌保护器选型或运行问题

电涌保护器的选择是由设计/使用方参照相关规范、制造商提供的技术参数、设备工作电压等多种因素综合决定的,检测中应重点关注电涌保护器的选型、安装方式和运行状态。判断电涌保护器选型是否正确,可先看其保护对象是否为建筑物电源引入的配电系统处,在建筑物电源线路引入的总配电箱处应装设用于直击雷防护的Ⅰ级试验浪涌保护器(以冲击电流Iimp的存在为判断依据),除此之外建筑物内部可装设用于感应雷防护的Ⅱ级或Ⅲ级试验电涌保护器(一般以最大放电电流Imax的存在为判断依据);至于电涌保护器各电流、电压参数取值大小,可参照GB 50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》中表5.4.3-3来确定。

检测中应注意检查开关型电涌保护器是否已经处于运行状态,可通过其开关状态和指示灯进行判断,此外还应检查各级电涌保护器连接导线是否过长(不宜超过0.5 m),以及其接地端是否与安装位置附近的等电位接地端子进行有效连接。电涌保护器的劣化显示状态可直观表现其运行状态是否正常,正常工作时,其显示窗多为绿色或透明色;电涌保护器劣化后,其显示颜色为红色(不论其红色区域大小),此时应检查劣化原因并及时更换电涌保护器。

3 结 语

建筑物防雷接地设计应综合考虑外部防雷接地与内部防雷接地。外部防雷接地分为直击雷防护与侧击雷防护;内部防雷接地以等电位连接、屏蔽措施、合理布线、浪涌保护器防护为主。设计中应严格参照国家标准或行业标准,重点关注容易发生疏忽之处,如接闪器规格、等电位连接方式、电涌保护器选型等。防雷检测是检验建筑物防雷接地设计是否合理有效的重要手段,现场测试中应遵循检测规范,注意仪器选择和使用方法,并参考适用的接地阻值标准,逐一排查问题并提出解决方案。