關(guān)于《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》部分條款的理解和探討

馬金福 吳劍強(qiáng) 鄭海祥 何文革

(1.湖州市氣象局，浙江 湖州313000;2.金華市氣象局，浙江 金華321000;3.溫州市氣象局，浙江 溫州325027;4.舟山市氣象局，浙江 舟山316021)

0 引言

GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)已于2011年10月1日實(shí)施，結(jié)合執(zhí)行過程發(fā)現(xiàn)的一些問題，許多學(xué)者及技術(shù)人員［1－4］進(jìn)行了分析。筆者也發(fā)現(xiàn)《規(guī)范》的個(gè)別條款規(guī)定有不合理之處?，F(xiàn)就間隔距離、過渡電阻及跨接、電纜埋地敷設(shè)時(shí)裝設(shè)SPD及SPD沖擊電流值等方面的規(guī)定進(jìn)行深入的探討和分析，理解其實(shí)質(zhì)，掌握其原理，以更好地指導(dǎo)實(shí)踐，提高防雷工作的技術(shù)水平。

1 間隔距離計(jì)算的探討

《規(guī)范》第4.2.1條5，6款對第一類防雷建筑物的接閃器與被保護(hù)物之間做了如下規(guī)定:獨(dú)立接閃桿和架空接閃線(網(wǎng))的支柱及其接地裝置與被保護(hù)建筑物及與其有聯(lián)系的管道(電纜)等金屬物之間、架空接閃線(網(wǎng))至屋面和各種突出屋面的風(fēng)帽(放散管)等物體之間均要保持一定的間隔距離?！兑?guī)范》還給出了間隔距離的計(jì)算公式，要求實(shí)際間隔距離大于公式計(jì)算值，即確保閃電電流不能擊穿導(dǎo)體之間的空氣或土壤。在公式推導(dǎo)過程中，其引用的參數(shù)有

電阻電壓降的空氣擊穿場強(qiáng)ER=500 kV/m;電感電壓降的空氣擊穿場強(qiáng)EL=600×(1+1/T1)kV/m，T1為雷電流的波頭時(shí)間，首次雷擊時(shí) T1=10 μs，EL=660 kV/m;后續(xù)雷擊時(shí) T1=0.25 μs，EL=3000 kV/m;土壤的沖擊擊穿場強(qiáng)取與空氣擊穿場強(qiáng)一樣的數(shù)值500 kV/m［5］。

事實(shí)上，土壤和空氣的擊穿場強(qiáng)并不是一個(gè)固定值，土壤的擊穿場強(qiáng)與土壤電阻率直接相關(guān)，電阻率越低，土壤中能移動(dòng)的離子就越多，其擊穿場強(qiáng)就越小。因此電阻率低時(shí)擊穿場強(qiáng)小，電阻率高時(shí)擊穿場強(qiáng)大。土壤的沖擊擊穿場強(qiáng)一般在 200～1000 kV/m，平均為600 kV/m［5］。

空氣擊穿場強(qiáng)與氣壓、溫度及濕度等參數(shù)［6］有關(guān)。

當(dāng)氣壓p增大時(shí)，空氣密度增大，帶電粒子在氣體中運(yùn)動(dòng)的平均自由行程減小，運(yùn)動(dòng)中積累的動(dòng)能就小，電離能力就較小，因此空氣的擊穿電壓就高，反之則相反。當(dāng)溫度t升高，空氣密度減小，帶電粒子在氣體中運(yùn)動(dòng)的平均自由行程增大，運(yùn)動(dòng)中積累的動(dòng)能就大，電離能力也就較大，因此空氣的擊穿電壓就低，反之則相反。

空氣間隙的擊穿電壓隨氣壓和溫度的變化關(guān)系［6］可用公式(1)表示，擊穿電壓與氣壓成正比、與溫度成反比。

式中:U—在一定條件下的擊穿電壓;

空氣的濕度越大，間隙的擊穿電壓也會(huì)越高?？諝庵性黾拥乃肿硬东@自由電子而形成負(fù)離子，使電離能力下降，對氣體的放電過程起到抑制作用。

此外，海拔高度也會(huì)對擊穿電壓產(chǎn)生影響，海拔增加，氣壓下降、空氣密度減小，擊穿電壓降低。

一般情況下，根據(jù)《規(guī)范》給出的公式計(jì)算其間隔距離能夠滿足實(shí)際工作的需要，但在要求較高的場所，不能完全盲目的照搬公式，需從其原理出發(fā)，根據(jù)實(shí)際的擊穿場強(qiáng)的大小計(jì)算其間隔距離，以免影響防護(hù)效果。假如在土壤電阻率較低處，其土壤擊穿場強(qiáng)為200 kV/m，若按《規(guī)范》公式計(jì)算出來的間隔距離就會(huì)小很多，土壤很可能被擊穿，并對埋地管道和電纜造成影響。

2 過渡電阻及跨接的探討

《規(guī)范》第4.2.2條，對第一類防雷建筑物防閃電感應(yīng)措施規(guī)定:當(dāng)長金屬物的彎頭、閥門、法蘭盤等連接處過渡電阻大于0.03Ω時(shí)，連接處應(yīng)用金屬線跨接，對有不少于5根螺栓連接的法蘭盤，在非腐蝕環(huán)境下，可不跨接。此條款實(shí)際上規(guī)定了兩種情況:一是能測量過渡電阻時(shí)，以過渡電阻值為標(biāo)準(zhǔn)確定是否要跨接。但在實(shí)際工作中，金屬管道往往四通八達(dá)且有許多分支，還有部分管道可能埋地，許多連接處的過渡電阻是難以精確測量的［7］，為此《規(guī)范》規(guī)定了按照法蘭盤螺栓的多少確定是否要跨接。但《規(guī)范》并沒有考慮螺栓的大小，很大的一根螺栓的過渡電阻有可能比很小的5根螺栓的過渡電阻還要小。目前很多法蘭盤是用4根螺栓緊固的，當(dāng)螺栓比較大且未銹蝕時(shí)，其過渡電阻也許已足夠小，但由于過渡電阻難以測量，根據(jù)規(guī)定需要做跨接，顯然并不合理。

3 電纜埋地敷設(shè)時(shí)裝設(shè)SPD的探討

第一類防雷建筑物防閃電侵入措施，當(dāng)室外低壓配電線路采用電纜直接埋地敷設(shè)時(shí)，沒有要求安裝電涌保護(hù)器，只需將入戶處電纜的金屬外皮、鋼管做等電位連接或接地;而當(dāng)采用從架空線上換接一段有金屬鎧裝的電纜或護(hù)套電纜穿鋼管直接埋地引入時(shí)，則要求在電纜與架空線連接處安裝電涌保護(hù)器?！兑?guī)范》的條文說明對此做了解釋:一是考慮到架空線路有遭直接雷擊的可能性，為防止將架空線路上可能的過電壓引入到建筑物內(nèi)，在架空線與埋地電纜轉(zhuǎn)換處應(yīng)裝設(shè)SPD;二是由于全線埋地電纜的另一端配電箱內(nèi)一般會(huì)要求裝設(shè)SPD，消除了全線埋地電纜引入過電壓的可能性。

從上述的條文說明可知，當(dāng)電纜全線直接埋地引入時(shí)，并未明確要求安裝SPD，原因之一是全線埋地電纜的另一端配電箱內(nèi)一般會(huì)要求裝設(shè)SPD，消除了全線埋地電纜引入過電壓的可能性。這樣的規(guī)定在實(shí)際工作中可能會(huì)出現(xiàn)以下兩個(gè)問題:一是全線埋地電纜的另一端配電箱內(nèi)沒有安裝SPD，導(dǎo)致防雷措施的缺失;二是在防雷設(shè)計(jì)方案的審查中，往往是以單幢建筑物為單位，而忽略與其相連建筑物有關(guān)防雷措施的審查，并不知道另一端配電箱內(nèi)是否裝設(shè)了SPD，在應(yīng)用本條款審查設(shè)計(jì)方案時(shí)需加以注意。

4 第一類防雷建筑物裝設(shè)的SPD沖擊電流值的探討

為防止閃電直擊架空線路時(shí)高電位侵入建筑物造成危險(xiǎn)，對于安裝有獨(dú)立接閃器的第一類防雷建筑物，《規(guī)范》第4.2.3條規(guī)定，當(dāng)電纜采用先架空后埋地引入時(shí)，在電纜與架空線的連接處應(yīng)裝設(shè)戶外型SPD，其每一保護(hù)模式應(yīng)選沖擊電流等于或大于10 kA。

對于接閃器直接安裝在建筑物上的情況，《規(guī)范》第4.2.4條第8款規(guī)定，在電源引入的總配電箱處應(yīng)裝設(shè)Ⅰ級試驗(yàn)的SPD，其每一保護(hù)模式的沖擊電流，當(dāng)無法確定時(shí)，沖擊電流應(yīng)取等于或大于12.5 kA。

《規(guī)范》第4.2.3條的條文說明解釋了選取Iimp=10 kA是根據(jù)IEC 62305－1:2010的相關(guān)規(guī)定:當(dāng)閃電擊在線路靠近用戶的最后一根電桿上，并且線路為多根導(dǎo)體(三相+中性線)時(shí)，第一類防雷建筑物的預(yù)期雷擊電涌電流按10 kA考慮(10/350μs波形);當(dāng)閃電擊在建筑物上，第一類防雷建筑物的預(yù)期雷擊電涌電流按10 kA考慮(8/20μs波形。環(huán)路的電感和電阻影響所感應(yīng)電流的波形，當(dāng)略去環(huán)路電阻時(shí)，宜采用10/350μs波形)。詳見表1。

表1 低壓配電系統(tǒng)的預(yù)期雷擊電涌電流

《規(guī)范》第4.2.4條關(guān)于Iimp的規(guī)定是引用了《建筑物電氣裝置第5－53部分:電氣設(shè)備的選擇和安裝，隔離、開關(guān)和控制設(shè)備第534節(jié):過電壓保護(hù)電器》GB 16895.22—2004的規(guī)定:當(dāng)按《雷電電磁脈沖的防護(hù)—第一部分:通則》IEC 61312－1規(guī)定裝設(shè)電涌保護(hù)器時(shí)，符合IEC 61643－1的雷擊沖擊電流Iimp應(yīng)根據(jù)IEC 61312－1計(jì)算，如果電流值無法確定，則每一保護(hù)模式的Iimp值不應(yīng)小于12.5 kA。實(shí)際上，當(dāng)接閃器直接安裝在建筑物上時(shí)，接閃器遭雷擊時(shí)會(huì)使建筑物內(nèi)的金屬管線感應(yīng)出相應(yīng)的雷電流，此處安裝的SPD主要用于限制感應(yīng)電流和地電位反擊的，仍然可以參考表1給出的預(yù)期雷電電涌電流值，當(dāng)無法確定Iimp時(shí)，取其等于或大于10 kA。對于同一參數(shù)值的選取本可以采用同一規(guī)范，卻采用了兩本規(guī)范的規(guī)定，欠妥當(dāng)。

5 各類防雷建筑物裝設(shè)的SPD沖擊電流值的探討

《規(guī)范》中規(guī)定:第一、二、三類(各類)防雷建筑物低壓電源線路引入的總配電箱、配電柜處應(yīng)裝設(shè)Ⅰ級試驗(yàn)的SPD，每一保護(hù)模式的沖擊電流值，當(dāng)電源線路無屏蔽層時(shí)可按(2)式計(jì)算;當(dāng)電源線路有屏蔽層時(shí)可按(3)式計(jì)算;當(dāng)無法確定時(shí)，均取其沖擊電流等于或大于12.5 kA。

式中:I為雷電流(kA)，第一類防雷建筑物取200 kA，第二類取150 kA，第三類取100 kA;

n為地下和架空引入的外來金屬管道和線路的總數(shù);

m為每一線路內(nèi)導(dǎo)體芯線的總根數(shù);

RS為屏蔽層每公里的電阻(Ω/km);

RC為芯線每公里的電阻(Ω/km)。

《規(guī)范》中，當(dāng)?shù)蛪号潆娋€路每一保護(hù)模式的沖擊電流值無法確定時(shí)，Iimp的確定不分建筑物的類別，均取等于或大于12.5 kA。但根據(jù)公式計(jì)算出的沖擊電流卻會(huì)因建筑物防雷類別的不同而取值不同，第一、二、三類防雷建筑物所要求的沖擊電流值是逐級遞減的。因此，可以認(rèn)為關(guān)于Iimp各類防雷建筑物均取等于或大于12.5 kA的規(guī)定，不符合本規(guī)范依據(jù)防雷類別選取防護(hù)措施的原則，同時(shí)也與可計(jì)算的低壓配電線路每一保護(hù)模式的沖擊電流值的規(guī)定不統(tǒng)一。

根據(jù)上述分析，在配電線相同的情況下，若第一類防雷建筑物中低壓配電線路每一保護(hù)模式的沖擊電流值為12.5 kA，第二、三類應(yīng)逐級遞減，第二類為9.375 kA，第三類為6.25 kA，這樣的規(guī)定符合《規(guī)范》防雷分類的原則，也符合IEC 62305－1:2010中引用的相關(guān)規(guī)定。

6 結(jié)語

通過上述分析，發(fā)現(xiàn)《規(guī)范》的規(guī)定為保證其條款的可操作性，部分規(guī)定并不精細(xì)，在防雷要求較高或與《規(guī)范》假定的條件出入較大時(shí)，僅套用條文的規(guī)定是不夠的，必須全面掌握其規(guī)定的實(shí)質(zhì)，理解其原理，并應(yīng)用于實(shí)際工作中，只有這樣才能解決實(shí)際工作中各種各樣的問題。

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［2］ 楊召緒，陽宏聲，勞煒.關(guān)于新舊《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》的對比分析［J］.氣象研究與應(yīng)用，2011，32(3):92 －94.

［3］ 陳謙.解讀《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》如何選擇SPD［J］.建筑電氣，2011，30(12):43 －47.

［4］ 馬金福，魯山鷹，汝洪博.新舊《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》防雷類別劃分標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別［J］.浙江氣象，2011，32(4):38 －42.

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［6］ 李景祿.高電壓技術(shù)［M］.北京:中國水利水電出版社，2008:26－207.

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