建筑物塑钢门窗防雷技术研究

中国防雷信息网《中国雷电与防护》网络版2004No.4──────────────────────────────────────────────中国北京海淀区中关村南大街46号100081Phone／Fax：[e-mail]1建筑物塑钢门窗防雷技术研究李家启李良福李建平（重庆市防雷中心，重庆400039）【摘要】本文通过对塑钢门窗异型材和雷电流的特性分析，以及雷电流对塑钢门窗型材及其衬钢产生高电位反击和感应过电压对人的生命安全构成威胁的机理分析，提出了塑钢门窗防雷的必要性和塑钢门窗应采取的防雷措施。【关键词】塑钢门窗异型材介电强度引言PVC塑料门窗是20世纪50年代中期发展起来的一种新型建筑材料[1]。早在1955年，前联邦德国诺彼尔（DynamilNobel）公司就开始生产PVC窗框异型材。1959年前联邦德国赫斯特（Hoechst）公司进而开发了硬质PVC窗框产品，开始塑钢门窗的生产。塑钢门窗是以改性硬质聚氯乙烯（UPVC）为原料，经挤出机挤出成型成为各种断面的中空异型材，定长切割后，在其内腔衬入钢质型材加强筋，再用热熔焊接机焊接组装成门窗框、扇，装配上玻璃、五金配件、密封条等构成门窗成品。塑料型材内腔以型钢增强，形成塑钢结构，故称为塑钢门窗。塑钢门窗是继木、钢、铝合金门窗之后而崛起的第四代新型节能建筑门窗，是众所周知的节能保温、隔绝噪音、水密、气密和耐久性之门、窗。目前，塑钢门窗的研究开发、生产和应用已取得了令人鼓舞的进展，但塑钢门窗的防雷是亟待解决的问题。随着高层智能大厦的不断涌现，塑钢门窗的应用越来越广泛，塑钢门窗的防雷就显得尤为重要。为此，我们从塑钢门窗本身型材及加工、安装工艺，以及使用的五金件（当扇开启的时候，五金件外露，型材内衬钢与衬钢之间通常采用金属螺丝或拉铆钉拼装连接）特性，从理论上分析其防雷的必要性，并提出了采取防雷措施的有效性。1塑钢门窗防雷必要性塑钢门窗的防雷接地，不仅对侧击雷的防护有着重要的作用，同时有着良好的防雷电感应和一定的屏蔽作用（即法拉第笼防雷）。下面就塑钢门窗受侧击雷和雷电的静电感应机理进行详细的分析，提出雷电防护的必要性。1.1塑钢门窗的雷电侧击机理分析通常所说的滚雷球保护法是基于以下的雷闪数学模型（电气—几何模型）)1(3028.6IreIh−−+=（1）中国防雷信息网《中国雷电与防护》网络版2004No.4──────────────────────────────────────────────中国北京海淀区中关村南大街46号100081Phone／Fax：[e-mail]2或简化为：65.010Ihr⋅=（2）式中：hr—滚球半径（m）；I—与hr相对应的得到保护的最小雷电流幅值。与hr相对应的雷电流按(2)式整理为54.1)10(rhI=（3）以《建筑物防雷设计规范》（GB50057—94）（2000年版）表5.2.1中的hr代入，得：对第一类建筑物（hr=30m），I=5.4kA；对第二类建筑物（hr=45m），I=10.1kA；对第三类建筑物（hr=60m）,I=15.8kA。相应防雷装置电阻电压降可用下式表示：RIUR⋅=（4）而电阻电压降对气隙击穿厚度可表示为：RRREUd=（5）式中：UR—雷电流流过防雷装置时接地装置上的电阻电压降（kV）；ER—电阻电压降的空气击穿强度（kV/m）；dR—雷电流流过防雷装置时接地装置上的电阻电压降空气击穿厚度（m）；I—雷电流电流强度（kA）；R—防雷装置的冲击接地电阻（Ω）；据文献[2]，尚未发现有介电强度比空气高的建筑材料。而塑钢门窗作为一种新型建筑材料，为了简化计算，我们不妨取空气的击穿强度为500kV/m，以第一类建筑物为例，其冲击接地电阻可分为以下三种情况：①建筑物直击雷防护的冲击接地电阻应不大于10Ω；②若与电源保护地共用地网，其冲击接地电阻应不大于4Ω；③若与弱电设备共用地网，其冲击接地电阻应不大于1Ω。将以上数值代入（4）、（5）式，得表1的数值。表1雷电流对不同防雷装置产生的电阻电压降及其对气隙的击穿厚度类型Ⅰ型Ⅱ型Ⅲ型冲击接地电阻（Ω）1041电阻电压降（kV）5421.65.4空气击穿厚度（m）0.1080.04320.0108从上表可以看出，即使5.4kV的电压足可击穿1cm厚的空气。而雷电流通道通常可达几千千伏。倘若雷电直接击在塑钢门窗上后，对型材厚度仅为3～3.5mm塑钢门窗极易被雷电击穿。如果塑钢门窗的衬型钢“加强筋”没有散流通道或散流通道太小，不能迅速将雷电流导入大地，就会导致塑钢门窗的炸裂、熔化等机械效应和热效应的雷害事故，对人的生命安全构成威胁。因此，塑钢门窗必须采取防雷措施。1.2塑钢门窗雷击静电感应机理分析建筑物防雷装置接受雷闪时，以千安/微秒级的高频雷电流流过防雷装置，造成接闪器和引下线具有很高的电位，同时在其附近的塑钢门窗框、扇型材内腔的衬型钢“加强筋”及其五金配件上将有感应静电过电压，视其型材内腔的衬型钢“加强筋”为孤立导线（如图1），其UP值为：221212CCCUUNp+=中国防雷信息网《中国雷电与防护》网络版2004No.4──────────────────────────────────────────────中国北京海淀区中关村南大街46号100081Phone／Fax：[e-mail]3图1雷电电容耦合过电压示意图图2导体下端与防雷装置相连雷电电磁感应过电压示意图图3导体与防雷装置不连接时雷电电磁感应过电压示意图塑钢门窗是独立的，其塑钢门窗型材内腔的衬型钢“加强筋”（以下简称“导体”）上的感应电压，有以下两种情况：（1）第一种情况：塑钢门窗型材内腔导体下端与防雷装置连接时，其间（垂直导体的上端与防雷引下线之间）的电位差可按下式计算（图2）：)/()ln2.0(mkVdtdiraUL=（6）式中：a—塑钢门窗与防雷装置的距离（m）；r—防雷引下线的半径（m）；dtdi—雷电流陡度（kV/μs）。根据对雷电所测量的参数得知，雷电流最大幅值出现于第一次正极性或负极性雷击，电流最大陡度出现于第一次雷击以后的负雷击。正极性雷击通常仅出现一次，无重复雷击。IEC—TC81的有关文件提出电感电压的空气击穿强度为)1.1(6001TEL+=（kV/m）。因此，根据《建筑物防雷设计规范》（GB50057—94）表3.1、3.2，电感电压降可能击穿的气隙距离d分为以下两种情况讨论：1)当T1=10μs时，skATIdtdiµ/20102001===；)1.1(6001TEL+==660（kV/m）将上述值代入电感电压降公式：LLLEUd=,得出表2的数值（r=0.004m代入）表2正极性雷击对与防雷装置距离不同的塑钢门窗每米高度产生的电感电压降及其对气隙击穿的厚度a(m)510152025UL(kV)28.5331.3032.9234.0734.96dj(m)0.04320.04740.04990.05160.0530中国防雷信息网《中国雷电与防护》网络版2004No.4──────────────────────────────────────────────中国北京海淀区中关村南大街46号100081Phone／Fax：[e-mail]42）当T1=0.25μs时，skATIdtdiµ/20025.0501===和)1.1(6001TEL+==3000（kV/m），则得表3的数值。表3负极性雷击对与防雷装置距离不同的塑钢门窗产生的电感电压降及其对气隙击穿的厚度a(m)510152025UL(kV)285.27313.00329.21340.72349.60dj(m)0.09510.10430.10970.11360.1166（2）第二种情况：如果塑钢门窗是独立的，不连接时，其间的电位差可表示为（如图3）：21UUUL+=若导体上、下端与引下线距离相同，则LUUU==2122因此，)/()ln4.0(21mkVdtdiraUUL==（7）可见其导体上产生的感应电压及击穿的气隙距离均大于第一种情况。综上所述，雷击防雷装置时，不管是正极性雷击还是负极性雷击所产生的雷电流流经防雷装置（引下线）时所产生的高电位对塑钢门窗框（扇）型材内腔的衬钢产生的感应静电过电压足可击穿的气隙距离都在4cm以上，而塑钢门窗异型材厚度仅为不足4mm，充分证明了塑钢门窗防雷必要性。2塑钢门窗的防雷措施塑钢门窗的防雷要达到安全、可靠而且达到安装可行性的目的，通过对大量塑钢门窗厂家型材调查和重庆市防雷中心对塑钢门窗防雷接地检测的多年经验，以及根据塑钢门窗型材特性及其加工、安装工艺要求和等电位连接导线的最小截面[4]（Cu16mm2；Al25mm2；Fe50mm2）要求。对塑钢门窗防雷提出了以下两种的防雷接地措施要求。2.1塑钢门窗与防雷装置一点法连接（1）塑钢门窗框之间防雷连接图4拼接螺栓窗框防雷连接图5拼接螺丝90度角窗框防雷连接中国防雷信息网《中国雷电与防护》网络版2004No.4──────────────────────────────────────────────中国北京海淀区中关村南大街46号100081Phone／Fax：[e-mail]5塑钢门窗框、扇型材内腔的衬型钢“加强筋”厚度通常大于1.5mm，而加强筋表面应进行防锈处理。固定用的镀锌和镀铬螺钉大小为Φ3.9×25（mm）、Φ3.9×38（mm）、Φ3.9×45（mm）。因此对于组合窗型，塑钢门窗框、扇型材之间内腔的衬型钢“加强筋”的防雷连接的固定螺钉数量不得少于4个，其间距不得大于500mm，同时五金配件应固定在插入的增强衬筋上，五金配件的固定也采用自攻螺钉或拉铆钉。这样，各个窗框之间就通过拼接件（如拼接螺栓、拼接螺丝）相互连接构成的连通闭合体，从而成为一个整体（如图4、图5、图6）。图6拼接螺丝任意角窗框防雷连接拼接图7塑钢门窗防雷节点示意图（2）塑钢门窗框、扇的防雷连接根据防雷的等电位连接的要求以及型材尺寸，在窗框或窗扇的四角处，采用┓型镀锌扁钢（作防锈处理）将框内的衬钢连为一个闭合体，而┓型镀锌扁钢防雷连接件不妨采用截面积大于50mm2的扁钢制作而成，通过四颗金属连接螺丝与衬钢连接为一体，形成等电位（如图7）。（3）塑钢门窗与防雷装置的连接整体窗框连接通后，通过连接件将窗框与防雷装置连通，以致雷电侧击塑钢门窗后能迅速散流，达到防雷效果。连接件通常宜采用截面积大于50mm2镀锌扁钢（如图8），扁钢之间连接采用焊接；窗框与防雷连接件连接（如图9），可通过两颗镀锌螺栓（大于Φ8）将框内衬钢与防雷连接件连通，防雷连接件与防雷装置（均压环或引下线）采用焊接连接方式（焊接长度≥10倍圆钢直径）；2.2塑钢门窗与防雷装置多点法连接图8塑钢门窗连接件示意图图9塑钢门窗固定片示意图图10塑钢门窗与预留接地连接示意图采用多点法连接，从防雷效果看更加安全、可靠，但安装的操作难度较大。前提条件是必须将窗框周围的结构钢筋与防雷装置可靠连接（以下不妨称作防雷结构钢筋），同时必须将塑钢门窗框中国防雷信息网《中国雷电与防护》网络版2004No.4──────────────────────────────────────────────中国北京海淀区中关村南大街46号100081Phone／Fax：[e-mail]6之间