古建筑防接觸電壓和跨步電壓措施技術(shù)分析與做法

王瑋

摘要：本文從GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》和GB51017-2014《古建筑防雷工程技術(shù)規(guī)范》中關(guān)于防接觸電壓及跨步電壓措施的相關(guān)技術(shù)規(guī)定出發(fā)，結(jié)合筆者所參與《古建筑防雷設(shè)計與安裝》國家標(biāo)準(zhǔn)圖集的編制和多年的古建筑防雷工程實踐，對古建筑防雷引下線敷設(shè)路徑上防接觸電壓及跨步電壓技術(shù)措施具體做法進(jìn)行分析闡述。

Abstract： In this paper， based on the relevant technical provisions on anti-contact voltage and step voltage in GB50057-2010 "Lightning Protection Design Code for Buildings" and GB51017-2014 "Technical Code for Lightning Protection of Ancient Buildings"， and combined with the author's experience in the preparation of national standards atlas "Ancient Building Lightning Protection Design and Installation" and many years of ancient building lightning protection engineering practice， the concrete measures of anti-contact voltage and stepping voltage on laying path of lightning protection in ancient buildings are analyzed and expounded.

關(guān)鍵詞：古建筑；引下線；接地裝置；接觸電壓；跨步電壓

Key words： ancient architecture；downlead；grounding device；contact voltage；step voltage

中圖分類號：K928.71 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）03-0148-03

0 引言

接觸電壓和跨步電壓的大小直接關(guān)系到其附近行人的安全，對古建筑防雷而言尤為重要，一是因為古建筑現(xiàn)場環(huán)境對防雷設(shè)計施工局限性較大；二是因為古建筑大多坐落在風(fēng)景名勝區(qū)內(nèi)，游客眾多；三是因為防雷施工是不允許對古建筑造成損壞的。因此，在古建筑防雷工程的設(shè)計和施工中，接觸電壓和跨步電壓是必須要考慮的重要安全指標(biāo)。

自GB51017-2014《古建筑防雷工程技術(shù)規(guī)范》2015年6月1日頒布實施以來，筆者在所接觸過的古建筑防雷工程中，發(fā)現(xiàn)有的技術(shù)人員對古建筑引下線附近保護(hù)人身安全需采取的防接觸電壓和跨步電壓技術(shù)措施有錯誤解讀。筆者根據(jù)自己參與《古建筑防雷設(shè)計與安裝》國家標(biāo)準(zhǔn)圖集的編制和多年從事防雷工程的實踐經(jīng)驗，就古建筑防雷引下線敷設(shè)路徑上防接觸電壓和跨步電壓措施的技術(shù)分析和具體做法與大家進(jìn)行探討。

1 接觸電壓和跨步電壓的定義

接觸電壓是指：當(dāng)人體的兩個部位同時接觸到具有不同電位的兩處時（一般常指人體的手指與接觸地面的雙腳），在人體內(nèi)就會有電流通過，這時加在人體兩個部位之間的電位差稱為接觸電壓。[1]

跨步電壓是指：當(dāng)土壤中存在較大接地電流時，人的兩足分別站在具有不同電位的兩處時，在人的兩足之間所產(chǎn)生的電位差或電壓。[1]

2 《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》、《古建筑防雷工程技術(shù)規(guī)范》中防接觸電壓和跨步電壓措施的技術(shù)規(guī)定與分析解讀

2.1 《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》4.5.6條：在建筑物引下線附近保護(hù)人身安全需采取的跨步電壓的措施，應(yīng)符合下列規(guī)定：

防接觸電壓應(yīng)符合下列規(guī)定之一：

①利用建筑物金屬構(gòu)架和建筑物互相連接的鋼筋在電氣上是貫通且不少于10根柱子組成的自然引下線，作為自然引下線的柱子包括位于建筑物四周和建筑物內(nèi)的。②引下線3m范圍內(nèi)地表層的電阻率不小于50kΩm，或敷設(shè)5cm厚瀝青層或15cm厚礫石層。③外露引下線，其距地面2.7m以下的導(dǎo)體用耐1.2/50μs沖擊電壓100kV的絕緣層隔離，或用至少3mm厚的交聯(lián)聚乙烯層隔離。④用護(hù)欄、警告牌使接觸引下線的可能性降至最低限度。[2]

防跨步電壓應(yīng)符合下列規(guī)定之一：

①利用建筑物金屬構(gòu)架和建筑物互相連接的鋼筋在電氣上是貫通且不少于10根柱子組成的自然引下線，作為自然引下線的柱子包括位于建筑物四周和建筑物內(nèi)。②引下線3m范圍內(nèi)土壤地表層的電阻率不小于50kΩm，或敷設(shè)5cm厚瀝青層或15cm厚礫石層。③用網(wǎng)狀接地裝置對地面作均衡電位處理。④用護(hù)欄、警告牌使進(jìn)入距引下線3m范圍內(nèi)地面的可能性減小到最低限度。[2]

2.2 《古建筑防雷工程技術(shù)規(guī)范》4.4.7條 古建筑引下線及接地裝置應(yīng)采取下列措施之一保護(hù)附近人身安全：

①外露引下線距地面2.7m及以下的導(dǎo)體采用至少3mm厚的交聯(lián)聚乙烯層隔離或具有同等絕緣功能的其他絕緣材料隔離；[3]②應(yīng)設(shè)置護(hù)欄、警示牌，使進(jìn)入距引下線3m范圍內(nèi)地面的可能性減小到最低限度；[3]③引下線3m范圍內(nèi)土壤地表層電阻率不應(yīng)小于50kΩm，或應(yīng)敷設(shè)50mm厚瀝青層或150mm厚礫石層，或采用網(wǎng)狀接地裝置對地面作均衡電位處理。[3]

2.3 《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》、《古建筑防雷工程技術(shù)規(guī)范》中防接觸電壓和跨步電壓措施技術(shù)規(guī)定的分析解讀

首先，對比兩個規(guī)范的相關(guān)條款可以發(fā)現(xiàn)，《古建筑防雷工程技術(shù)規(guī)范》中防接觸電壓和跨步電壓措施基本是借鑒《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》的內(nèi)容。其中《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》中防接觸電壓和跨步電壓措施的第一條是針對新建建筑物而言，不適用于古建筑。上述條款規(guī)定是指，凡在設(shè)計或者施工中達(dá)到了其中之一的規(guī)定要求，就符合規(guī)范的要求，而不是要求全部條件都必須滿足。當(dāng)然，為了提高可靠性和安全性，應(yīng)能滿足全部規(guī)范要求那更好。

其次，對于采取了距地面2.7m以下的導(dǎo)體用耐1.2/50μs沖擊電壓100kV的絕緣套管作保護(hù)的防接觸電壓技術(shù)措施，避免了人手直接接觸到裸露的引下線，不會發(fā)生人直接接觸而觸電的危險情況。關(guān)于這一點，GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》中第4.5.6條的條文說明中是這樣給出解釋的：2.7m是按人垂直向上伸手后人高2.5m，這是根據(jù)IEC62305-3：2010第67頁圖E.2，沖擊電壓100kV擊穿空氣間隙按0.2m考慮，故2.5+0.2=2.7（m）。如圖1所示。

其三，《古建筑防雷工程技術(shù)規(guī)范》中第4.5.4條第5款“防直擊雷的人工接地網(wǎng)距古建筑出入口或人行道不宜小于3m”，與《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50057-94第4.3.5條非常相似。這一防跨步電壓的做法在《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50057-2010已被刪除，也已經(jīng)影響了防雷工作者十幾年。筆者認(rèn)為這一做法是對跨步電壓概念理解得不透徹。當(dāng)雷電流沿引下線入地泄放，電流幅值的變化是呈倒喇叭形狀的，即在地表淺層雷電流幅值較大而入較深處則幅值較小。其入地點為高電位，并以此點為圓心，電位由內(nèi)向外逐步遞減。那么，防跨步電壓就應(yīng)該以引下線的入地點為中心來考慮。

對于有臺明的古建筑，當(dāng)防雷引下線沿古建筑山墻或木柱明敷引下入地時，就會遇到困難。由于臺明作為古建筑臺基的主體部分不可以損壞，在施工時唯有采用接地線（斷接卡至接地體的連接導(dǎo)體）沿臺明表面敷設(shè)至其外側(cè)立面處方可垂直入地。裸露在臺明表面的那段連接導(dǎo)體不僅會產(chǎn)生人體觸電的危險而且容易遭到機(jī)械損壞，因此需要采取保護(hù)措施?？梢圆扇∫戮€穿絕緣套管，外面用鋼管或角鋼保護(hù)并用C30標(biāo)號的水泥覆蓋固定，絕緣套管和保護(hù)管需要敷設(shè)至地面以下大于0.3m的位置處。接地裝置應(yīng)埋設(shè)在距離建筑物3m以外，并采用分層回填夯實，將礫石層覆蓋于原土之上，并覆有水平寬度超過接地裝置2m、厚度不小于5cm的瀝青層，最后在引下線處懸掛警示標(biāo)識牌，就完全可以達(dá)到規(guī)范所規(guī)定的技術(shù)要求。當(dāng)然，如條件允許，可再采取進(jìn)一步的技術(shù)措施：在引下線附近安裝另外的局部環(huán)形水平接地體作均衡電位處理，接地裝置采用閉合環(huán)形敷設(shè)，如圖2所示。

3 古建筑防雷工程中防接觸電壓和跨步電壓措施的具體做法和要求

下面筆者根據(jù)所參與的古建筑防雷工程設(shè)計和施工及從事防雷工程多年的實踐經(jīng)驗，從施工工藝、引下線和接地裝置材料的選擇與安裝、隱蔽工程記錄、自檢檢測這幾個方面對古建筑防雷工程中防接觸電壓和跨步電壓措施的具體做法和要求做詳細(xì)的闡述。

3.1 施工工藝

3.1.1 引下線施工工藝

放線測量→加工適配的鋼制抱箍→固定鋼抱箍→安裝引下線→引下線2.7m以下套高壓絕緣護(hù)管→引下線與水平接地體熱熔焊接→焊點防腐處理→測量接點接觸電阻合格→安裝警示牌→鋼管及抱箍涂敷與建筑環(huán)境同色油漆。

3.1.2 接地裝置施工工藝

施工準(zhǔn)備→測量放線→拆除地面面磚→開挖地溝→安裝垂直接地體→安裝水平接地體→熱熔焊接→自然冷卻后焊點區(qū)域防腐→測量阻值合格→原土回填夯實→厚三七灰土夯實→鋪設(shè)瀝青絕緣層→復(fù)原鋪設(shè)面磚。

3.2 引下線和接地裝置材料的選擇與安裝

3.2.1 引下線材料的選擇

①引下線應(yīng)選用圓鋼、圓銅或多芯金屬絞線，優(yōu)先選用多芯銅絞線。②引下線首先采用明敷的方式，不少于2根，引下線的截面積不小于50mm2。

3.2.2 引下線的安裝

①引下線應(yīng)沿山墻或柱敷設(shè)，敷設(shè)應(yīng)平直，并經(jīng)最短路徑接地，不可彎成直角或銳角。②引下線與接閃帶的連接應(yīng)采用可靠的螺栓連接或熱熔焊接，并做好連接點的防腐處理。③沿木柱敷設(shè)的引下線其固定抱箍應(yīng)選擇耐1.2/50μs沖擊電壓100kV的絕緣材料，也可使用片狀的金屬帶固定，木柱與引下線接觸部分采用耐1.2/50μs沖擊電壓100kV的絕緣材料隔離，抱箍之間的間距以實際情況而定。④引下線護(hù)管及固定抱箍顏色與其敷設(shè)路由上的古建本體顏色相同或相近。引下線在接閃器端及接地體端的連接點外均應(yīng)預(yù)留一定的余量。⑤引下線距地面2.7m以下的導(dǎo)體用耐1.2/50μs沖擊電壓100kV的絕緣套管作保護(hù)。⑥對于接地線無法滿足直接埋入地中要求時，比如接地線（斷接卡至接地體的連接導(dǎo)體）路經(jīng)臺明或臺階的部分，采用明敷并穿絕緣套管或多芯絕緣線纜，然后在其上敷水泥層做固定和保護(hù)后深埋入地中與接地裝置連接。

3.2.3 接地裝置材料的選擇

接地體可由垂直接地體和水平接地體組成，接地體的埋設(shè)深度不宜小于0.8m。當(dāng)環(huán)境條件允許時，接地裝置宜選用環(huán)形接地體。垂直接地體宜采用角鋼、圓鋼或鋼管，其中：角鋼應(yīng)不小于40mm×4mm，圓鋼直徑應(yīng)不小于20mm，鋼管直徑應(yīng)不小于50mm，壁厚應(yīng)不小于3.5mm。垂直接地體長度不宜小于2.5m，垂直接地極間距宜大于5m。水平接地體宜采用圓鋼或扁鋼，其中：圓鋼直徑應(yīng)不小于12mm；扁鋼截面積應(yīng)不小于100mm2，其厚度應(yīng)不小于4mm。

3.2.4 接地裝置的安裝

接地體的連接應(yīng)采用搭接焊，搭接長度必須符合下列規(guī)定：①扁鋼與扁鋼搭接長度為扁鋼寬度的二倍，且至少三個棱邊施焊；②圓鋼與圓鋼搭接長度為圓鋼直徑的六倍，且雙面施焊；③圓鋼與扁鋼連接時，其長度為圓鋼直徑的六倍，且雙面施焊；④接地體的焊接必須牢固無虛焊，并在焊接處進(jìn)行防腐處理。

附近有建構(gòu)筑物并且其接地電阻值符合規(guī)范要求時，宜采用共用接地。在土壤電阻率較高地區(qū)，若采用降阻材料，降阻材料應(yīng)環(huán)保、無毒、無害。

3.3 施工測試記錄

主要填寫接地防雷裝置用材規(guī)格，焊接工藝，等電位處理，均壓環(huán)施工處理，防腐處理，人工接地處理，溝槽尺寸，屏蔽保護(hù)等工序，關(guān)鍵是要測試其接地電阻是否符合規(guī)范要求。

古建筑防雷工程施工測試記錄應(yīng)包括以下內(nèi)容：①引下線、接地體、接地線、斷接卡連接部位電氣連續(xù)性測試；②引下線固定支撐垂直拉力測試；③工頻接地電阻值測試；④測試記錄報告應(yīng)反映出接地系統(tǒng)形式及敷設(shè)等電位連接，安裝施工方法，防腐措施，接地電阻測量儀器、型號，檢測方式及接地電阻值等情況以及其它特別需要說明的情況；⑤測試記錄應(yīng)包括隱蔽工程記錄、引下線、接地體、均壓帶的檢測報告表。

3.4 自檢檢測

①接閃器與引下線的連接；②引下線的材料、規(guī)格、數(shù)量、間距及每根引下線的沖擊接地電阻，同一建筑物的引下線接地電阻的平衡度；③引下線的斷接卡的設(shè)置及接觸電壓防護(hù)措施；④接地線的材料、規(guī)格；⑤接地干線的安裝位置、安裝形式以及與接地裝置的連接和接地電阻值；⑥接地裝置接地體的填埋深度、敷設(shè)長度及敷設(shè)形式、接地體材料、規(guī)格，地下接地體的連接工藝、防腐措施等；⑦測量接地裝置的接地電阻值，接地裝置的接地電阻值應(yīng)符合規(guī)范所規(guī)定的要求；⑧被開挖地面的復(fù)原。

4 結(jié)束語

施工中嚴(yán)格按照規(guī)范的技術(shù)要求執(zhí)行，是沒有錯的。但在工程的具體實施過程中往往由于施工條件的制約，對一些技術(shù)措施的實現(xiàn)造成較大的困難。因此，這就需要在不違反規(guī)范條款原則的前提下，施工工藝、措施上與所受制約的條件作一定程度的妥協(xié)。標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范并非是一成不變的，它是在工程實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上不斷總結(jié)、積累而形成的。

參考文獻(xiàn)：

[1]梅衛(wèi)群，江燕如.建筑防雷工程與設(shè)計[M].北京：氣象出版社，2008.

[2]GB50057-2010，建筑物防雷設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2011.

[3]GB51017-2014，古建筑防雷工程技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.