朱 國 華

(浙江鴻翔建設(shè)集團(tuán)股份有限公司, 浙江 嘉興 314400)

0 引 言

按建筑設(shè)計的基本要求,除某些性能要求必須設(shè)置在室外露天場所的設(shè)備(如風(fēng)冷式空調(diào)室外機(jī)(組)、冷卻塔、室外照明(立面、泛光、彩燈、航空障礙燈)等)以外,一般設(shè)備宜設(shè)置在室內(nèi)。一方面,避免設(shè)備長期日曬雨淋而加速老化,有利于維護(hù)設(shè)備;另一方面,如果設(shè)備(主要是金屬設(shè)備和管道)設(shè)置在室外露天場所,不利于防雷措施的實(shí)施,會存在一定的安全隱患。

現(xiàn)在的實(shí)際情況是,由于種種原因?qū)е陆ㄖO(shè)備在屋面上大量設(shè)置,甚至少數(shù)建筑物堆積。曾有某建筑物屋面堆積大量設(shè)備,甚至連通道都堵塞。主要原因是建設(shè)方在規(guī)劃設(shè)計階段,在一定容積率的條件下,為了更多地獲得室內(nèi)使用面積,對設(shè)計方提出減小設(shè)備用房面積或直接把設(shè)備設(shè)置在室外的要求所致。因此,屋面防雷存在一定的安全隱患。

1 研究的內(nèi)容

現(xiàn)代建筑尤其是高層建筑,屋面設(shè)備越來越多,并有較多相連的金屬管道直通室內(nèi)。國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》第4.5.7條對第二類和第三類防雷建筑物不處在接閃器保護(hù)范圍內(nèi)的屋頂導(dǎo)電、非導(dǎo)電物體的條件作了規(guī)定,即不符合此條規(guī)定的屋頂導(dǎo)電、非導(dǎo)電物體均應(yīng)設(shè)置在防雷保護(hù)區(qū)內(nèi)。但在實(shí)際工程應(yīng)用中,該條文往往沒有得到足夠的重視,存在著實(shí)施不到位的情況,而且還帶有普遍性。這樣就產(chǎn)生如下的隱患:本來外部防雷、內(nèi)部防雷是隔開的,由于屋面金屬設(shè)備和相連通的金屬管道,在發(fā)生雷擊時容易把雷電引入室內(nèi),存在安全隱患。

以建筑物屋面設(shè)備的設(shè)置及連通室內(nèi)金屬管道為切入點(diǎn),主要依據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》及建筑電氣相關(guān)教程,進(jìn)行建筑物屋面金屬設(shè)備及連通室內(nèi)金屬管道雷電隱患的分析研究。

2 GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》相關(guān)條文的分類歸納

(1) 建筑物的防雷措施。

第一類防雷建筑物:外部防雷裝置、內(nèi)部防雷裝置、防閃電電涌侵入、防閃電感應(yīng)。

第二類防雷建筑物:外部防雷裝置、內(nèi)部防雷裝置、防閃電電涌侵入、部分防閃電感應(yīng)、防雷電流產(chǎn)生的高電位反擊、部分防雷擊電磁脈沖。

第三類防雷建筑物:外部防雷裝置、內(nèi)部防雷裝置、防閃電電涌侵入、防雷電流產(chǎn)生的高電位反擊。

(2) 有總接地,包括外部防雷裝置的接地(直擊雷接地)、內(nèi)部防雷裝置接地(防雷等電位連接接地)、防閃電感應(yīng)接地、電氣保護(hù)接地(PE)和電子系統(tǒng)接地;無總接地,包括防閃電電涌侵入、防雷擊電磁脈沖。

(3) “建筑物屋面金屬設(shè)備及進(jìn)出屋面的相連金屬管道”的相關(guān)條文是第4.3.2(4.4.2)條2款1)項(xiàng):金屬物體可以不裝接閃器,但應(yīng)和屋面防雷裝置相連。

3 直擊雷瞬態(tài)過電壓估算

當(dāng)雷電直接擊中地面物體或防雷裝置時,強(qiáng)大的雷電流(50%～100%)流經(jīng)防雷接地裝置時,會在引下線及接地體上產(chǎn)生極高的瞬態(tài)過電壓U(kV):

U=UR+UL=IRi+LOhxdi/dt

(1)

式中:UR——雷電流流過防雷裝置時,在接地裝置上的電阻電壓降,kV;

UL——雷電流流過防雷裝置時,在引下線上距地hx高度的電感電壓降,kV;

I——雷電流幅值,kA;

Ri——接地裝置的沖擊電阻,Ω;

LO——引下線的單位長度電感(μH/m),一般可取1.5 μH/m;

hx——防雷裝置引下線上過電壓計算點(diǎn)的地上高度,m;

di/dt——電流陡度,kA/μs。

考慮到屋面金屬設(shè)備及金屬管道與接閃器相互連通,成閉合環(huán)狀或網(wǎng)狀的多根引下線起到分流作用。根據(jù)GB 50057—2010附錄E,分流系數(shù)kc取值0.44。

因此,式(1)改寫為

(2)

選擇按表F.0.1-1:I選擇,一類,200 kA,二類,150 kA,三類,100 kA;di/dt選擇,一類,200 kA/10 μs(20 kA/μs),二類,150 kA/10 μs(15 kA/μs),三類,100 kA/10 μs(10 kA/μs)。

所以,直擊雷瞬態(tài)過電壓如下:一類,U=0.44(200Ri+30hx);二類,U=0.44(150Ri+22.5hx);三類,U=0.44(100Ri+15hx)。

通過接地極流入地中工頻交流電流求得的接地電阻,稱為工頻接地電阻R～;通過接地極流入地中沖擊電流(雷電流)求得的接地電阻,稱為沖擊接地電阻Ri。一般情況下,沖擊接地電阻小于工頻接地電阻,即Ri

根據(jù)附錄C中C.0.4條及條文說明,對于基礎(chǔ)接地體,Ri=R～,R～≤1 Ω,故Ri=R～=0.6 Ω;選擇防雷建筑物類別:二類,典型hx=50 m,因此U=0.44×(150×0.6+22.5×50)=534.6 kV。

建筑物屋面直擊雷瞬間產(chǎn)生過電壓(典型),并引向建筑物內(nèi)。建筑設(shè)計的防雷引下線是柱內(nèi)鋼筋或?qū)ＴO(shè)引下線。如果屋面未在避雷保護(hù)范圍內(nèi)的金屬設(shè)備及其貫通的金屬管道直接連通到室內(nèi)各部位,會產(chǎn)生一定的安全隱患。

4 消除或減小雷擊危害的方案和建議

雷電過電壓包括直接雷擊、雷電流高電位反擊和閃電感應(yīng)過電壓。消除或減小雷擊危害的方案和建議:

(1) 雷電流高電位反擊,是指雷電流通過引下線和接地裝置時產(chǎn)生的高電位通過防雷等電位聯(lián)結(jié)帶、連接線至金屬物和電氣PE端、電子接地端的反擊。解決方案見GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》第4.3.8條、第4.4.7條,采用內(nèi)部防雷裝置。

(2) 閃電感應(yīng)是指閃電放電時,在附近導(dǎo)體上產(chǎn)生的閃電靜電感應(yīng)和閃電電磁感應(yīng),可能使金屬部件之間產(chǎn)生火花放電。解決方案見GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》第4.2.2條、第4.3.7 條,采用防閃電接地裝置。

由雷電流高電位反擊、閃電感應(yīng)過電壓產(chǎn)生的機(jī)理可知,過電壓電源內(nèi)阻很大,只能產(chǎn)生過電壓,而不能產(chǎn)生一定的電流以維持過電壓。所以,運(yùn)用上述的解決方案基本上能消除危害。

直擊雷是雷云與大地之間放電產(chǎn)生的(巨大的電源瞬間放電),過電壓電源內(nèi)阻很小,有很大的過電流(雷電流),不僅在接地裝置引下線上產(chǎn)生高電位,而且還產(chǎn)生接觸電壓和跨步電壓。所以,通過內(nèi)部防雷裝置(防雷等電位間隔距離)、防閃電接地等措施是無法消除危害。內(nèi)部防雷等電位聯(lián)結(jié)只是對內(nèi)阻很大的雷電流高電位反擊、閃電感應(yīng)過電壓起作用,而對內(nèi)阻很小的直擊雷放電幾乎沒有作用。

因此,對直擊雷只能避。最理想的方案是建筑物屋面外部防雷裝置與建筑內(nèi)部防雷裝置之間完全隔離,沒有電氣通道、金屬物或金屬管道的連通。

從給水排水專業(yè)可知:室內(nèi)消火栓臨時高壓供水系統(tǒng)、噴淋有壓供水系統(tǒng)的高位水箱水泵和管道必須設(shè)置在單體建筑屋頂,并與室內(nèi)連通;太陽能光熱系統(tǒng)與室內(nèi)連通。

從通風(fēng)空調(diào)專業(yè)可知:風(fēng)冷式空調(diào)機(jī)組的冷媒管、冷水管,中央空調(diào)系統(tǒng)冷卻塔的給水管、冷卻水管等,與室內(nèi)連通;防排煙系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)、金屬風(fēng)管等與室內(nèi)連通。

從建筑電氣專業(yè)可知:室外照明(彩燈、節(jié)日燈、航空障礙燈、泛光、立面照明等),各專業(yè)設(shè)備的電氣配電和控制裝置以及相應(yīng)的管線等,與室內(nèi)連通;太陽能光伏系統(tǒng)與室內(nèi)連通。

上述各專業(yè)設(shè)備與管道設(shè)置在屋面,不利于防雷,在一定程度上對建筑物內(nèi)部的安全帶來影響,給專業(yè)設(shè)備造成損害。所以,應(yīng)該采取措施,以規(guī)范的形式加于限制。

GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》應(yīng)通過條文(甚至強(qiáng)制性條文)把直擊雷的危害降至最小。

5 結(jié) 語

在現(xiàn)有GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》基礎(chǔ)上,建議如下:

(1) 建筑設(shè)計中應(yīng)明確規(guī)定,除某些性能要求必須設(shè)置在室外露天場所的設(shè)備(如風(fēng)冷式空調(diào)室外機(jī)(組)、冷卻塔等)以外,在屋頂高處的設(shè)備應(yīng)設(shè)置設(shè)備用房(如屋面泵房、屋面風(fēng)機(jī)房等),其屋面按要求設(shè)置外部防雷裝置。

(2) 屋面露天設(shè)備、金屬物和金屬管道等必須在外部防雷裝置的保護(hù)范圍內(nèi),且不應(yīng)與外部防雷裝置直接相連。