秦 飛

(中交第三航務(wù)勘察設(shè)計(jì)院限公司，上海 200032)

隨著中資EPC(engineering procurement construction,工程總承包)承包商的發(fā)展壯大及全球戰(zhàn)略布局，近些年項(xiàng)目從傳統(tǒng)的亞非地區(qū)逐漸地延伸到美洲地區(qū)，該地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)體系主要分為美國標(biāo)準(zhǔn)和其他國家標(biāo)準(zhǔn)，比如墨西哥擁有完善的標(biāo)準(zhǔn)體系——墨西哥官方標(biāo)準(zhǔn)(葡萄牙語為normas oficiales Mexicanas,NOM)，涵蓋了工程設(shè)計(jì)及產(chǎn)品認(rèn)證全過程，在墨西哥境內(nèi)執(zhí)行的項(xiàng)目需要符合NOM標(biāo)準(zhǔn)，采購的產(chǎn)品需要具備NOM認(rèn)證。NOM標(biāo)準(zhǔn)與熟悉的中國標(biāo)準(zhǔn)差別較大，與美國標(biāo)準(zhǔn)也有一定的差別，以往的工程經(jīng)驗(yàn)和知識儲備在該地區(qū)已不適用，所以在項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收過程中產(chǎn)生了很多困難，尤其是涉及人身安全的領(lǐng)域，比如雷電防護(hù)系統(tǒng)。本文以墨西哥某集裝箱碼頭為背景，分析NOM規(guī)范NMX-J-549-ANCE-2005[1](簡稱NMX 549)防雷與接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，尤其是一些重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，為工程的順利開展提供基礎(chǔ)。

1 建筑物防雷風(fēng)險(xiǎn)評估

雷電防護(hù)設(shè)計(jì)的目的是為了減少雷擊事故造成的損失，這個(gè)損失由生命安全和財(cái)產(chǎn)損失兩部分構(gòu)成。根據(jù)NMX 549，應(yīng)通過建筑物的高度、所處的地形情況、等效接收面積進(jìn)行雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估，確定是否需要采用防雷措施以及防護(hù)的程度。其雷電風(fēng)險(xiǎn)評估方法與中國的GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》[2](簡稱國標(biāo))中建筑物分類法和美國的NFPA780-2017[3](簡稱美標(biāo))簡化評估方法的相似點(diǎn)在于評估建筑物的年平均預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)，但評估過程與國標(biāo)和美標(biāo)不同。

1.1 年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)No

采用NMX 549的風(fēng)險(xiǎn)評估工具，首先需要計(jì)算建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)No，返回計(jì)算結(jié)果并與建筑物可承受雷擊次數(shù)Nd進(jìn)行比較。如果No≤Nd，接閃器和引下線(外部防雷設(shè)施)不要求設(shè)置，但NMX 549明確指出如果設(shè)計(jì)方因此不設(shè)置外部防雷設(shè)施，建筑物仍存在受雷擊風(fēng)險(xiǎn)的可能性，所以對一些特別的建筑需要慎重決定；如果No>Nd，則建議設(shè)置。上述方法與美標(biāo)完全一致，與國標(biāo)中防雷等級分類法對于第二、第三類防雷建筑物的設(shè)置上也類似。

NMX 549中關(guān)于建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)的公式為：

No=10-6NgAe

(1)

國標(biāo)、美標(biāo)的相關(guān)公式分別為：

No=kNgAe

(2)

No=10-6C1NgAe

(3)

式中：k為校正系數(shù)；C1為位置系數(shù)；Ng為雷擊大地的年平均密度；Ae為與建筑物接收相同雷擊次數(shù)的等效面積。

通過對比式(1)～(3)可知NMX 549公式與國標(biāo)和美標(biāo)公式類似，但沒有包含k和C1，k和C1考慮的是地形和周圍建筑物影響的權(quán)重因子，而實(shí)際上NMX549公式是把這些影響權(quán)重因子計(jì)入了Ae，NMX549對于在常規(guī)地形條件Ae的計(jì)算公式與建筑物屋面造型有關(guān)，平頂屋面，計(jì)算公式為：

Ae=ab+6h(a+b) + 9πh2

(4)

坡頂屋面，計(jì)算公式為：

Ae=ab+6hb+9πh2

(5)

在非常規(guī)地形條件下的計(jì)算公式為：

Ae=ab+6he(a+b)+9πh2

(6)

式中：a、b分別為建筑物的長、寬；h、he分別為建筑物在常規(guī)、非常規(guī)地形條件下相對室外地面的高度。

NMX549中平頂屋面Ae的計(jì)算公式與美標(biāo)一致，而該條件下美標(biāo)的孤立建筑物的位置系數(shù)C1取1，所以NMX 549和美標(biāo)對于常規(guī)地形條件下孤立的平頂建筑物雷擊次數(shù)的結(jié)論是一致的。與國標(biāo)相比則存在不同，以同樣常規(guī)地形下投影尺寸為15 m×15 m的平屋面建筑物為例，等效面積Ae在高度等于20 m的情況下，NMX549的計(jì)算結(jié)果與國標(biāo)是一致的；在高度小于20 m的情況下，NMX549計(jì)算的結(jié)果小于國標(biāo)；而在高度大于20 m的情況下，NMX549計(jì)算的結(jié)果大，也可知美標(biāo)與國標(biāo)也存在類似的結(jié)論[4]。

在NMX 549附錄D中可以查到Ng，其分布見圖1。以墨西哥碼頭所在地區(qū)為例，其坐標(biāo)為北緯19°11′,西經(jīng) 96°1′，所以雷擊大地的年平均密度為5次(km2·a-1)；某建筑物的長、寬為14、9 m，其女兒墻頂高度為7.5 m，采用式(1)、(4)可以求出年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)No=0.013次a。

圖1 該地區(qū)雷擊大地年平均密度分布

1.2 年可承受雷擊次數(shù)Nd

對于各類建筑物年可承受雷擊次數(shù)，國標(biāo)的建筑物分類法是根據(jù)建筑物重要性、使用性質(zhì)、發(fā)生雷電事故的可能性和后果，將防雷要求分為3類；美標(biāo)的簡化評估方法是通過將可接受的財(cái)產(chǎn)損失頻率(默認(rèn)為1.5×10-3次·a-1)除以一個(gè)綜合系數(shù)C(與建筑物結(jié)構(gòu)、價(jià)值、內(nèi)部居民和損害后果有關(guān))來計(jì)算；而NMX 549是規(guī)定了各類別建筑物可以承受的最大的雷擊次數(shù)，見表1。以墨西哥碼頭為例，查表可知港口可承受最大雷擊次數(shù)Nd為0.01次a，該港口內(nèi)某建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)為No=0.013次a，此時(shí)No>Nd，所以應(yīng)按規(guī)范的要求設(shè)置外部防雷設(shè)施，港口建筑類別對應(yīng)的防雷保護(hù)等級為LPL II。對于位于雷擊密度超過2次(km2·a-1)的地區(qū)或存儲易燃物品(木材或稻草)的建筑物，必須設(shè)置外部防雷設(shè)施。

表1 建筑物年可承受雷擊頻率以及雷電防護(hù)等級LPL

相比之下，NMX 549與國標(biāo)和美標(biāo)的防雷風(fēng)險(xiǎn)評估各有側(cè)重點(diǎn)，NMX549在年預(yù)計(jì)雷擊頻率的預(yù)測上把位置系數(shù)的權(quán)重計(jì)入了等效面積的計(jì)算中，計(jì)算公式略顯復(fù)雜，其計(jì)算的結(jié)果與國標(biāo)存在一定的差異。在允許承受的雷擊風(fēng)險(xiǎn)上，雖然與NMX549相比美標(biāo)沒有提供綜合評價(jià)法的方式，但在允許雷擊次數(shù)已經(jīng)考慮了各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評估的權(quán)重，國標(biāo)的防雷分類法也是如此，各規(guī)范在使用時(shí)都需要結(jié)合工程情況具體分析。

2 外部防雷設(shè)施

2.1 接閃器

NMX549推薦采用滾球法確定接閃器的保護(hù)范圍，根據(jù)防雷保護(hù)等級LPL的不同，滾球半徑分為20、30、45、60 m共4種，見表2(保護(hù)角法僅作為可選擇的參考方法之一，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免采用)。國標(biāo)中滾球法的半徑只采用30、45、60 m 3種；而美標(biāo)以15 m高度為界，規(guī)定建筑高度低于15 m的多層屋面建筑采用保護(hù)角方法確定接閃器保護(hù)范圍，超過15 m須按滾球法確定，而美標(biāo)并沒有防雷等級的區(qū)分,其滾球半徑均按 46 m考慮。

采用滾球法時(shí)，如果保護(hù)的建筑物上任何一點(diǎn)都不與半徑為rs的球體球面區(qū)域相接觸，則可認(rèn)為接閃器的位置是合適的。球在建筑物周圍及頂部的所有方向滾動，此時(shí)球面僅與接閃器接觸，見圖2。對高度大于滾球半徑rs的所有建筑物，側(cè)面可能會遭受雷擊。側(cè)面上，用滾球法可以接觸到的每一點(diǎn)都可能是雷擊點(diǎn)。但對低于60 m的建筑物，需要每隔20 m高度做水平防雷等電位連接。

表2 NMX549推薦的滾球法參數(shù)

圖2 采用滾球法接閃器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

接閃器的形式，NMX549推薦接閃器的高度不超過被保護(hù)對象3 m，通過增加數(shù)量覆蓋保護(hù)范圍；國標(biāo)采用的是接閃帶的保護(hù)方式；美標(biāo)則以接閃針為主，平屋頂須采用較多的接閃短針。

以墨西哥碼頭為例，前文已知某建筑物經(jīng)過防雷風(fēng)險(xiǎn)評估后須設(shè)置外部防雷設(shè)施，其防雷保護(hù)等級為LPL II，建筑物高為7.5 m，查表2可知對應(yīng)的滾球半徑為30 m，滾球半徑rs大于建筑物高度，所以建筑物僅需要設(shè)置頂部接閃器，頂部接閃器采用美標(biāo)要求的規(guī)格接閃短針和布置方式(間隔為6 m)，這種搭配的設(shè)計(jì)方式在項(xiàng)目中受到業(yè)主和審查方的認(rèn)可。

2.2 引下線

NMX549規(guī)定引下線的設(shè)置可通過若干個(gè)并聯(lián)通道將雷電流引下，電流通道的長度應(yīng)保持最小，建筑物導(dǎo)電部件采用等電位連接等方式從雷擊點(diǎn)連接至大地。

對于任何種類的建筑的引下線不應(yīng)小于2根，引下線的主導(dǎo)體可以由電氣連續(xù)的鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的建筑物中的鋼柱、鋼梁或鋼筋替代，引下線的間距見表3，根據(jù)建筑物防雷保護(hù)等級LPL確定，平均間距分為10、15、20、25 m 4種。相比美標(biāo)的30 m平均間距和國標(biāo)的25 m平均間距，NMX549要求明顯更加嚴(yán)格。以墨西哥碼頭項(xiàng)目為例，建筑物防雷等級為LPL II級，所以根據(jù)表3引下線平均距離為15 m。

表3 各類LPL的引下線之間的平均間距

2.3 接地系統(tǒng)

從雷電防護(hù)的觀點(diǎn)來看，接地裝置最好為單一、整體結(jié)構(gòu)，可適用于任何場合(如雷電防護(hù)、電力系統(tǒng)和通信系統(tǒng))，而國際上NECABICSI-607:2011和ANSITIA-607-B-2011的電信規(guī)范一般要求通信系統(tǒng)采用clean earthing system(即單獨(dú)的接地系統(tǒng))[5-6]，在境外工程設(shè)計(jì)中如何設(shè)置這獨(dú)立的接地系統(tǒng)有兩種不同的做法：其一通信系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置的接地系統(tǒng)最終要與防雷、電力接地系統(tǒng)相互連接組成一個(gè)總的等電位接地網(wǎng)絡(luò)；其二則是與防雷、電力接地系統(tǒng)保持一定的間隔距離。以墨西哥碼頭項(xiàng)目為例，所有的弱電間均設(shè)置了單獨(dú)的接地系統(tǒng)，根據(jù)業(yè)主要求獨(dú)立的通信接地系統(tǒng)不與防雷、電力接地系統(tǒng)相互連接，所以在設(shè)計(jì)前需要與業(yè)主、通信系統(tǒng)供貨方、電信部門溝通，具體分析采用哪一種接地做法。

相比國標(biāo)和美標(biāo)，NMX549對于接地系統(tǒng)所采用接地極的數(shù)量與布置也有特別的要求。如果因?yàn)椴捎锚?dú)立的接地系統(tǒng)或某些原因，引下線的接地極沒有相互連接在一起，那每根引下線連接的獨(dú)立接地極的數(shù)量為3根，并且要以三角形或一字形的方式布置。此外，NMX549建議防雷接地系統(tǒng)的接地電阻不宜小于10 Ω，這一要求與國標(biāo)類似，而美標(biāo)未對接地電阻值有任何規(guī)定。

3 結(jié)論

1) 對于建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)的評估,墨標(biāo)沒有采用國標(biāo)的校正系數(shù)k和美標(biāo)的位置系數(shù)C1，而是把周圍地形及四周建筑物對受保護(hù)對象影響的權(quán)重因子計(jì)入等效面積Ae的計(jì)算。

2)常規(guī)地形下孤立的平頂屋面建筑物等效面積Ae的計(jì)算，墨標(biāo)與美標(biāo)結(jié)果一致，在高度等于20 m的情況下與國標(biāo)結(jié)果一致，在高度小于20 m的情況下墨標(biāo)計(jì)算的結(jié)果小，反之墨標(biāo)計(jì)算結(jié)果大。

3)墨標(biāo)按建筑物類別明確了其年可承受的最大雷擊頻率和對應(yīng)的保護(hù)等級，國標(biāo)采用防雷分類法，其中第二、三類中部分建筑物明確了最大可承受的雷擊次數(shù)，美標(biāo)采用計(jì)算評估方法。

4)墨標(biāo)采用滾球法確定接閃器的保護(hù)范圍，滾球半徑根據(jù)雷電保護(hù)等級分為20、30、45、60 m共4種，國標(biāo)未包含20 m的滾球半徑，而美標(biāo)只有45 m的滾球半徑。

5)墨標(biāo)雷擊引下線的間距根據(jù)防雷保護(hù)等級分為4檔，相比國標(biāo)的3檔和美標(biāo)的平均間距30 m更為嚴(yán)格。

6)墨標(biāo)以建筑物年預(yù)測雷擊次數(shù)與規(guī)定的可承受雷擊頻率比較來確定是否需要設(shè)置外部防雷措施，國標(biāo)的防雷分類法已經(jīng)考慮了風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重且易于執(zhí)行，美標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)評估方法相對更加復(fù)雜，各規(guī)范在使用時(shí)都需要結(jié)合工程情況具體分析。