(上海建科檢驗有限公司, 上海 201108)

0 引 言

GB 50057—2010《建筑物防雷設計規(guī)范》[1](簡稱《雷規(guī)》)對引下線給出的定義為:將雷電流從接閃器傳導至接地裝置的導體。引下線的作用非常重要,當雷擊直接擊于安裝在建筑物上的防雷裝置時,在極短的時間(通常為微秒級)內雷電流流經引下線并通過接地裝置泄放到大地中。在雷電流流經引下線過程中,引下線在微秒之內電位會瞬間升高數(shù)萬伏至數(shù)十萬伏,同時在引下線周圍空間產生瞬變的強電磁場,使附近導體感應出很高的電動勢,可能擊穿附近的電氣、電子系統(tǒng),從而造成財產損失,有時危及附近的人身安全,甚至造成人身傷亡事故。

1 引下線的選用

1.1 引下線選用的技術要求

對《雷規(guī)》中涉及到引下線的條款進行總結與匯總。引下線選用的技術要求如表1所示。

1.2 引下線與建筑物內金屬設施的安全間隔距離

為了防止雷電流流經引下線時產生的高電位對附近金屬物或電氣和電子系統(tǒng)的反擊,《雷規(guī)》第4.3.8條給出第二類防雷建筑物金屬物或線路與引下線之間的間隔距離為

Sa≥0.06kclx

式中:Sa——空氣中的間隔距離;

kc——計算點處的分流系數(shù);

lx——引下線計算點到連接點的長度,連接點即是金屬物或電氣和電子系統(tǒng)線路與防雷裝置之間直接或通過電涌保護器相連之點。

《雷規(guī)》第4.4.7條給出第三類防雷建筑物金屬物或線路與引下線之間的間隔距離為

Sa≥0.04kclx

對于分流系數(shù)kc的取值,《雷規(guī)》附錄E.0.1給出分流系數(shù)的取值,即2根引下線及接閃器不成閉合環(huán)的多根引下線時,分流系數(shù)kc=0.66;接閃器成閉合環(huán)或網狀的多根引下線時,分流系數(shù)kc=0.44?！独滓?guī)》附錄E.0.2模型中分流系數(shù)取值如圖1所示,其中h1～hm為連接引下線的各環(huán)形導體之間或各層地面金屬體之間的距離,cs、cd為某引下線頂雷擊點至兩側最近引下線之間的距離,c取二者的最小值,c、h1的取值范圍為3～20 m。

表1 引下線選用的技術要求

圖1 《雷規(guī)》附錄E.0.2模型中分流系數(shù)取值

第二類建筑物防雷引下線間距取18 m,第三類建筑物防雷引下線間距取25 m,最不利情況為雷電擊在2根引下線正中間,即c取1/2引下線間距,第二類為9 m,第三類為12.5 m,環(huán)形導體之間或各層地面金屬體之間的距離(即各樓層高度h1～hm)取值為3～20 m,引下線數(shù)量分別取2根、4根和10根情況(2根為引下線最少數(shù)量要求,10根引下線為防接觸電壓和跨步電壓的第一條要求中引下線數(shù)量最小值)時,計算結果如表2所示。

由以上計算知,不被反擊的主要影響因素是引下線的數(shù)量、連接引下線至環(huán)形導體之間的距離雷擊點位置,引下線數(shù)量越多,連接引下線至環(huán)形導體之間的距離越小,雷擊點越靠近引下線,得到的不被反擊的安全間隔距離越小,即引下線附近的金屬物或電力電子線路越安全,反之,則安全間隔距離越大,引下線附近的金屬物或電力電子線路越容易遭到雷電流引起的反擊。對于鋼筋混凝土結構式建筑物,當引下線數(shù)量n≥10,第二類防雷建筑物,安全間隔距離Sa=36.4 cm,第三類防雷建筑物,安全間隔距離Sa=25.7 cm,即當建筑物內的金屬物或電氣、電子系統(tǒng)線路距離防雷引下線36.4 cm以上時,即不會遭受到雷電流引起的反擊。

表2 計算結果

1.3 混凝土中引下線最小直徑條款的理解

《雷規(guī)》第4.3.5條第3款要求:“敷設在混凝土中作為防雷裝置的鋼筋或圓鋼,當僅為一根時,其直徑不應小于10 mm。被利用作為防雷裝置的混凝土構件內有箍筋連接的鋼筋時,其截面積總和不應小于一根直徑10 mm鋼筋的截面積?！?/p>

JGJ/T 16—2008《民用建筑電氣設計規(guī)范》[2]第11.7.7條也做了相應的規(guī)定,即“利用建筑鋼筋混凝土中的鋼筋作為防雷引下線時,其上部應與接閃器焊接,下部在室外地坪下0.8～1.0 m處宜焊出一根直徑為12 mm或40 mm×4 mm鍍鋅鋼導體,此導體伸出外墻的長度不宜小于1 m,作為防雷引下線的鋼筋應符合下列要求:(1) 當鋼筋直徑大于或等于16 mm時,應將兩根鋼筋綁扎或焊接在一起,作為一組引下線;(2) 當鋼筋直徑大于或等于10 mm且小于16 mm時,應利用四根鋼筋綁扎或焊接作為一組引下線。”

通過比較,以上標準對單根鋼筋最小直徑的規(guī)定是相同的,即都是10 mm。針對此數(shù)據(jù),運用導體溫升公式計算,結果驗證規(guī)范的正確性和合理性。單根圓鋼引下線最小直徑不應小于10 mm的表面溫度升高理論計算如下。

導體即鋼筋引下線的升高溫度為

式中:α——電阻的溫度系數(shù),取6.5×10-31/K;

W/R——沖擊電流的單位能量,根據(jù)《雷規(guī)》表F.0.1-1,第二類防雷建筑物,取5.6×106J/Ω,第三類防雷建筑物,取2.5×106J/Ω;

ρ0——導體在環(huán)境溫度下的電阻率,取138×10-9Ω·m;

q——導體的截面積,直徑φ10 mm的鋼筋,取78.5 ×10-6m2;

γ——物質的密度,取7 700 kg/m3;

Cw——熱容量,取469 J/(kg·K)。

因此,對于第二類防雷建筑物,θ-θ0=38.9 K。對于第三類防雷建筑物,除W/R值不同外,其他值都相同,同理計算得θ-θ0=16.3 K。

綜上,對于單根φ10 mm的鋼筋構件,以最大雷電流(即使不分流、不衰減的情況)沖擊引下線,對于第二類、第三類防雷建筑物,得到的溫升都小于40 ℃。實際上,鋼筋混凝土構件內通常是2根或者4根并聯(lián)一起使用(鋼筋直徑等于16 mm時,要求將2根鋼筋并在一起使用,截面積為402 mm2;當鋼筋直徑為10 mm時,要求將4根鋼筋并在一起使用,截面積為314 mm2,比雷擊最嚴重的截面積300 mm2(日本規(guī)定)還要大,并且經過分流后每根鋼筋的W/R值大大減小。因此,鋼筋的溫升更遠小于鋼構件屈服疲勞規(guī)定的溫升值,所以非常安全、可靠[3]。

此外,利用建筑物鋼筋混凝土中的鋼筋作為引下線,不僅節(jié)約鋼材,還比較安全。因框架結構的本身就將梁和柱內的鋼筋連成一體,形成一個法拉第籠,這對平衡建筑物內的電位和防止側擊都起到良好的作用。

2 專設引下線的界定

《雷規(guī)》中對設引下線的表述有明確的強制性條文,第4.3.3條:“專設引下線不應少于2根,并應沿建筑物四周和內庭院四周均勻對稱布置,其間距沿周長計算不應大于18 m。當建筑物的跨度較大,無法在跨距中間設引下線時,應在跨距兩端設引下線并減小其他引下線的間距,專設引下線的平均間距不應大于18 m”;第4.4.3條:“專設引下線不應少于2根,并應沿建筑物四周和內庭院四周均勻對稱布置,其間距沿周長計算不應大于25 m。當建筑物的跨度較大,無法在跨距中間設引下線時,應在跨距兩端設引下線并減小其他引下線的間距,專設引下線的平均間距不應大于25 m”。但是理解和界定專設引下線都非常得難。通過多年的防雷工作和實踐經驗,認為界定第二(三)類防雷建筑物設置專用引下線主要可分為以下3種情況[4]:

① 當?shù)诙?三)類防雷建筑物為鋼筋混凝土結構時,應采用建筑物鋼筋混凝土中的鋼筋作為自然引下線,即利用建筑物四周和內庭院四周結構柱內不少于2根主筋作引下線,其間距沿周長計算不應大于18 m(25 m)。當建筑物的跨度較大,無法在跨距中間設引下線時,應在跨距兩端設引下線,并減小其他引下線的間距,使引下線的平均間距不應大于18 m(25 m)。

② 當?shù)诙?三)類防雷建筑物為木質結構時,應設專設引下線,并不應少于2根,其間距沿周長計算不應大于18 m(25 m)。

③ 當?shù)诙?三)類防雷建筑物為磚混結構、礫石基礎時,應設專設引下線,并不應少于2根。

3 暗設引下線的判斷

明設的引下線肉眼可見,容易判斷。對于已經建成的建筑物(多數(shù)為鋼筋混凝土結構),引下線為暗設,如果僅簡單地用接地電阻測試儀進行接地電阻測試(忽略過渡電阻影響),由于接閃帶已經連接成環(huán)各環(huán)路都連通,所以即使被測引下線已經大部分遭破壞,只要有一根引下線完好仍可以測得電阻。這樣就無法直觀判斷這根引下線是否安全、可靠。通過多年的防雷工作經驗,發(fā)現(xiàn)一個既簡單又可靠的方法:首先目測引下線的引上點處是否有彎頭,有彎頭的,初步確認為引下線(彎頭主要是考慮搭接倍數(shù)和焊接工藝要求),無彎頭的,肯定不是引下線(因為不符合搭接倍數(shù)和焊接工藝的要求),一般為支撐架;其次對有彎頭的引上點處可用鉗形環(huán)路電阻測試儀(基于電流互感器原理)驗證,將鉗形環(huán)路電阻測試儀鉗口打開后夾在引上點處,若測得出環(huán)路電阻,則這根引下線與接地裝置可靠連接,是真正的引下線,如圖2所示。若測不出環(huán)路電阻,或者顯示“OL”,則說明此“引下線”是虛設的或者已經損壞,沒有與接地裝置可靠連接,不是真正的引下線,如圖3所示。若測得的環(huán)路電阻很大,則搭接不可靠。

圖2 測出環(huán)路電阻值(真正引下線)

圖3 測不出環(huán)路電阻值(虛假引下線)

4 結 語

GB 50057—2010《建筑物防雷設計規(guī)范》對建筑物的防雷引下線提出的條款要求,對新建建筑物的設計、既有建筑物防護措施的判斷與整改都具有普遍的意義。本文對建筑物防雷引下線等選用的技術要求作了歸納與總結,并結合多年的防雷檢測工作經驗,對部分條款進行較深層次的解釋,以期為防雷減災工作者提供參考。

[1]建筑物防雷設計規(guī)范:GB50057—2010[S].

[2]民用建筑電氣設計規(guī)范:JGJ/T16—2008[S].

[3]李慧,徐建兵.裝配式混凝土結構建筑雷電防護裝置設計[J].建筑電氣,2017,36(6):7-12.

[4]中國建筑學會建筑電氣專業(yè)委員會.建筑電氣分會就新《雷規(guī)》專設引下線深入研討——中國建筑學會建筑電氣分會2012年年會附件[J].建筑電氣,2012,31(12):59.