李雪，孟陳 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031）

1 引言

雷電是雷云之間的電荷積累到一定條件后產(chǎn)生的放電現(xiàn)象。人類通過對雷電現(xiàn)象長期的觀測，統(tǒng)計(jì)觀測結(jié)果，形成一套完整的防雷理論體系。建筑物防雷裝置從上到下為接閃器、引下線、接地裝置三部分。防雷引下線是建筑物防雷裝置的重要組成部分，引下線泄雷時(shí)急劇升溫，因此對其直徑和截面必須有嚴(yán)格的規(guī)定，否則將危害人類安全。本文研究溫升和防雷引下線直徑和截面的關(guān)系，為防雷引下線的合理選擇提供了一些參考。

2 防雷引下線的選擇

2.1 引下線的材質(zhì)

建筑物防雷裝置中的接閃器將雷電吸引過來，經(jīng)過引下線傳至接地裝置。通過大量實(shí)驗(yàn)表明，材質(zhì)不同時(shí)，雷電流引起的溫升不同，不同材質(zhì)的溫升依次為鋼、鋁、銅，因此，宜選用熱鍍鋅圓鋼或扁鋼，優(yōu)先采用圓鋼。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)建筑，一般優(yōu)先利用自身的鋼柱等作為引下線，并將建筑內(nèi)所有金屬部件應(yīng)與引下線及接地裝置可靠連接，以形成電氣通路。

2.2 引下線分流系數(shù)kc

對于單根分流系數(shù)k計(jì)算如圖1所示。

圖1中，h～h為防雷引下線內(nèi)各環(huán)形導(dǎo)體間的距離；c、c為雷擊處至臨近引下線之間的距離；式中，c取c、c最小值。一般情況下，單根引下線時(shí)，k取1；多根引下線不形成閉合環(huán)或兩根引下線時(shí)，k取0.66；引下線根數(shù)n ≥ 3，當(dāng)接閃器成閉合環(huán)或網(wǎng)狀的多根引下線時(shí)，k取0.44。

圖1 單根分流系數(shù)kc取值

圖2 環(huán)形多根分流系數(shù)kc取值

3 引下線規(guī)格和溫升的關(guān)系

3.1 引下線直徑的選擇

防雷裝置中接閃器將雷電流引至建筑物時(shí)，雷電流經(jīng)過分流后流入建筑物內(nèi)鋼筋或者圓鋼只有很小的一部分，大量資料統(tǒng)計(jì)表明，最終溫度可按80℃考慮。起始溫度取40℃，溫升40℃是一個(gè)相對安全值。本文以二類防雷建筑為例，通過大量的實(shí)驗(yàn)表明，引下線直徑越小，阻性越大，雷電流引起的溫升越高。一根φ10mm計(jì)算后的溫升為38.96℃，小于40℃，滿足要求。實(shí)際工程中，鋼筋混凝土中都有多根鋼筋并聯(lián)組成，經(jīng)過一系列分流后，每根鋼筋的溫升遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于80℃。因此，基于安全考慮，《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057-2010）規(guī)定，混凝土中作為防雷裝置的鋼筋或者圓鋼，僅為一根時(shí)，直徑不應(yīng)小于φ10mm，混凝土中其他有箍筋連接的鋼筋構(gòu)件作為防雷裝置時(shí)，截面積總和不得小于單根φ10mm的截面積。

3.2 引下線截面和溫升的關(guān)系

目前，新建建筑物是利用混凝土中的鋼筋作為引下線。根數(shù)多時(shí)，每根引下線分流的雷電流少，發(fā)熱量較低；根數(shù)少時(shí)，發(fā)熱量較大。本文以第二類防雷建筑為例進(jìn)行計(jì)算。我國土壤最熱月平均溫度為基準(zhǔn)，混凝土起始溫度取30℃，最終溫度取99℃，含水量按照5%計(jì)算。邊長取1m，1m體積基礎(chǔ)混凝土的熱容量計(jì)算如下：

Q=(C+0.05C)M× △T

式中：C——混凝土比熱容[J/（kg·K）]，取8.82 × 10J/(kg·K)；

C——水的比熱容[J/（kg·K）]，取4.19 × 10J/(kg·K)；

M——邊長1m混凝土立方體的質(zhì)量（kg/m）,取值2.1 × 10kg/m；

△T——溫度差，△T=（最終溫度99℃）-（起始溫度30℃）=69℃。

雷電流從鋼筋表面流入混凝土?xí)r產(chǎn)生的熱量為：

式中：ρ——溫度30℃～99℃時(shí)，混凝土的平均電阻率取120Ωm。

令 Q=Q，得到

ρ∫idt=1.58× 10，ρ取 120Ωm，那么，∫idt=(1.58 × 10)/120=1.32MJ/(Ωm)。

上述計(jì)算結(jié)果說明，雷電流經(jīng)引下線流入大地時(shí)，1m鋼筋表面流入混凝土產(chǎn)生的單位能量應(yīng)不大于1.32MJ/Ω。

雷電流是由一個(gè)或多個(gè)不同的雷擊組成，根據(jù)國際大電網(wǎng)會(huì)議（GIGRE）提供的相關(guān)資料，繪制出雷電流的累積概率分布曲線，如圖3所示。

圖3 短時(shí)間雷擊電流波形圖

T為波頭時(shí)間，定義為雷電流波頭由10%電流峰值到90%電流峰值時(shí)間間隔的1.25倍；T為半值時(shí)間，定義為自原點(diǎn)開始，電流峰值下降到一半所需要的時(shí)間。短時(shí)間雷擊電流的波頭陡度定義為雷電流的變化率，即di/dt。

《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057-2010）采用IEC-TC81新頒布標(biāo)準(zhǔn)，制定出雷電參數(shù)見表1～表3。

首次正極性雷擊的雷電流參數(shù) 表1

首次負(fù)極性雷擊的雷電流參數(shù) 表2

首次負(fù)極性以后雷擊的雷電流參數(shù) 表3

4 結(jié)語

雷電流持續(xù)的時(shí)間一般可達(dá)到數(shù)百毫秒甚至1s以上，峰值電流可達(dá)到數(shù)十至數(shù)百千安，因此，雷電伴隨巨大的熱量。本文通過雷電流溫升這個(gè)角度，對引下線直徑和截面積的選擇進(jìn)行分析，得出引下線直徑越小，截面積越小，溫升越高，對建筑物造成的損壞越大。因此，《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057-2010）中對引下線直徑和截面的規(guī)格提出明確要求，以保證建筑物的安全。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，新建鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)充分利用自身的鋼筋作為防雷引下線，一方面有利于節(jié)約成本，另一方面有利于降低分流系數(shù)k的值，從而減少流經(jīng)引下線的雷電流，進(jìn)而降低溫升。本文從溫升的因素對防雷引下線進(jìn)行分析探討，希望對從事防雷行業(yè)的工作者起到一定的參考作用。