建筑物防雷设计规范-中

第三节第二类防雷建筑物的防雷措施第3．3．1条接闪器、引下线直接装设在建筑物上，在非金属屋面上装设网格不大于10m的金属网，数十年的运行经验证明是可靠的。中国科学院电工研究所曾对几十个模型做了几万次放电试验，虽然试验的重点放在非爆炸危险建筑物上，而且保护的重点是易受雷击的部位，但对整个建筑物起到了保护作用。如果把避雷带改为避雷网，则保护效果更有提高。根据我国的运行经验和模拟试验，对第二类防雷建筑物采用不大于10m的网格是适宜的。IEC1024－l防雷标准中相当于本规范第二类防雷建筑物的接闪器，当采用网格时，其尺寸也是不大于10m×10m，另见本规范第5.2.l条说明。与10m×10m并列，增加12m×8m网格，这与引下线类同，是按6m柱距的倍数考虑的。为了提高可靠性和安全性，便于雷电流的流散以及减小流经引下线的雷电流，故多根避雷针要用避雷带连接起来。第3．3．2条第一款，虽然对排放有爆炸危险的气体、蒸气或粉尘的管道的要求同第3.2.l条二款，但由于对第一类和第二类防雷建筑物，其接闪器的保护范围是不同的（因hr不同，见表5.2.1），因此，实际上保护措施的做法是不同的。第二款，阻火器能阻止火焰传播，因此，在第二类防雷建筑物的防雷措施中补充了这一规定。以前的调查中发现雷击煤气放散管起火8次，均未发生事故。从这些事例中说明煤气放散管始终保持正压，如煤气灶一样，火焰在管口燃烧而不会发生事故，故本规范特作出此规定。第3．3．3条关于引下线间距见第3.2.4条二款的说明。根据实践经验和实际需要补充增加了：“当仅利用建筑物四周的钢柱或柱子钢筋作为引下线时，可按跨度设引下线，但引下线的平均间距不应大于18m”。第3．3．4条土壤的冲击击穿场强与本规范第3.2.1条第五款说明一样，取500kV／m。雷电流幅值根据附表6.1采用150kA。由于多根引下线，引入分流系数kc。因此得iciciceRkRkTRkS3.05001505002。增加“信息系统”，因为信息系统防雷击电磁脉冲时接地必须连接在一起才能起到保护效果，而且应采用共用接地系统。将分流系数kc选值的规定移至附录五。第3．3．5条利用钢筋混凝土柱和基础内钢筋作引下线和接地体，国内外在六十年代初期就已经采用了。现已较为普遍。利用屋顶钢筋作为接闪器国内外从七十年代初就逐渐被采用了。关于利用钢筋体作防雷装置，IEC1024—1防雷标准的规定如下：在其2.1.4款的规定中，对利用建筑物的自然金属物作为自然接闪器包括“覆盖有非金属物的屋顶结构的金属体（桁架、互相连接的钢筋网等等），当该非金属物处于需要防雷的空间之外时”；在其2.2.5款的规定中，对利用建筑物的自然金属物作为自然引下线包括“建筑物的互相连接的钢筋网”；其2.3.6款对自然接地体的规定是，“混凝土内互相连接的钢筋网或其它合适的地下金属结构，当其特性满足2.5节（译注：即对其材料和尺寸）的要求时可利用作为接地体”。国际上许多国家的防雷规范、标准也作了类同的规定。钢筋混凝土建筑物的钢筋体偶尔采用焊接连接，此时，提供了肯定的电气贯通。然而，更多的是，在交叉点采用金属绑线绑扎在一起，但是，不管金属性连接的偶然性，这样一种建筑物具有许许多多钢筋和连接点，它们保证将全部雷电流经过许多次再分流流入大量的并联放电路径。经验表明，这样一种建筑物可容易地被利用作为防雷装置的一部分。利用屋顶钢筋作接闪器，其前提是允许屋顶遭雷击时混凝土会有一些碎片脱开以及一小块防水、保温层遭破坏。但这对结构无损害，发现时加以修补就可以了。屋顶的防水层本来正常使用一段时期后也要修补或翻修。另一方面，即使安装了专设接闪器，还是存在一个绕击问题，即比所规定的雷电流小的电流仍有可能穿越专设接问器而击在屋顶的可能性。利用建筑物的金属体做防雷装置的其它优点和做法请参见《基础接地体及其应用》一书（林维勇著，1980年中国建筑工业出版社出版）和全国电气装置标准图集86SD566《利用建筑物金属体做防雷及接地装置安装》。钢筋混凝土的导电性能，在其干燥时，是不良导体，电阻率较大，但当具有一定湿度时，就成了较好的导电物质，可达100～200Ω·m。潮湿的混凝土导电性能较好，是因为混凝土中的硅酸盐与水形成导电性的盐基性溶液。混凝土在施工过程中加人了较多的水分，成形后结构中密布着很多大大小小的毛细孔洞，因此就有了一些水分储存。当埋入地下后，地下的潮气，又可通过毛细管作用吸人混凝土中，保持一定湿度。图3.3示出，在混凝土的真实湿度的范围内（从水饱和到干涸），其电阻率的变化约为520倍。在重复饱和和干涸的整个过程中，没有观察到各点的位移，也即每一湿度有一相应的电阻率。建筑物的基础，通常采用150～200号混凝土。原苏联1980年有人提出一个用于200号混凝土的近似计算式，计算混凝土的电阻率ρ（Ω·m）与其湿度的关系，其关系式如下：6.228000W（3．10）式中：W──混凝土的湿度（％）。例如，当W＝6％时，2656280006.2Ω·m；当W＝7.5％时，149)5.7(280006.2Ω·m。根据我国的具体情况，土壤一般可保持有20％左右的湿度，即使在最不利的情况下，也有5％～6％的湿度。在利用基础内钢筋作接地体时，有人不管周围环境条件如何，甚至位于岩石上也利用，这是错误的。因此，补充了“周围土壤的含水量不低于4％”。混凝土的含水量约在3.5％及以上时，其电阻率就趋于稳定；当小于3.5％时，电阻率随水分的减小而增大。根据图3.3，含水量定为不低于4％。该含水量应是当地历史上一年中最早发生雷闪时间以前的含水量，不是夏季的含水量。如矿渣水泥、波特兰水泥就是以硅酸盐为基料的水泥。混凝土的电阻率还与其温度成一定关系的反向作用，即温度升高，电阻率减小；温度降低，电阻率增大。下面举几个例子说明我国六十年代利用钢筋混凝土构件中钢筋作为接地装置的情况。一、北京某学院与某公司工程的设计，采用钢筋混凝土构件中的钢筋，作为防雷引下线与接地体，并进行了测定，约8000m2的建筑，其接地电阻夏季为0.2Ω～0.4Ω，冬季则为0.4Ω～0.6Ω，且几年中基本稳定。二、上海某广场全部采用了柱子钢筋作为防雷接地引下线，利用钢筋混凝土基桩作为接地极（基桩深达35m），测定后，接地电阻为0.2～1.8Ω／基。三、上海某大学利用钢筋混凝土基桩作为防雷接地装置，并测得接地电阻为0.28～4Ω（桩深为26m）。四、云南某机床厂的约2000m2车间，采用钢筋混凝土构件中的钢筋作接地装置，接地电阻为0.7Ω。五、1963年7月曾对原北京第二通用机器厂进行了测定，数值如下：1．立式沉淀池基础（捣制）4.5～5.5Ω；2．四根高烟囱基础（捣制）3～5Ω；3．露天行车的一根钢筋混凝土柱子（预制）2Ω；4．同一露天行车的另一根柱子（预制）7Ω；5．铸钢车间的一根钢筋混凝土柱子（预制）0.5Ω。以前对基础的外表面涂有沥青质的防腐层时，认为该防腐层是绝缘的，不可利用基础内钢筋作接地体。但是，实践证实井不是这样，国内外都有人作过测试和分析，认为是可利用作为接地体的。原苏联有若干篇文献论及此问题，国内已有人将其编译为一篇文章，刊登于《建筑电气》1984年第4期，文章名称为“利用防侵蚀钢筋混凝土基础作为接地体的可能性”。在其结论中指出：“厚度3mm的沥青涂层，对接地体电阻无明显的影响，因此，在计算钢筋混凝土基础接地电阻时，均可不考虑涂层的影响。厚度为6mm的沥青涂层，或3mm的乳化沥青涂层，或4mm的粘贴沥青卷材时，仅当周围土壤的等值电阻率≤100Ω·m和基础面积的平均边长S≤100m时，其基础网电阻约增加33％，在其它情况下这些涂裱层的影响很小，可忽略不计”。结论中还有其它的情况，不在这里一一介绍，请参看原译文。上述译文还指出，苏联建筑标准对钢筋混凝土结构防止杂散电流引起腐蚀的规定中，给出防水层的两种状态：“最好的”（无保护部分的面积不大于1％）和“满足要求的”（无保护部分的面积为5％～10％）。全苏电气安装工程科学研究所对所测过的、具有防止弱侵蚀介质作用的沥青涂层和防止中等侵蚀介质作用的粘贴沥青卷材的单个基础、桩基、桩群以及基础底板的散流电阻进行了定量分析，说明在很多被测过的基础中，没有一个基础是处于“最好的”绝缘状态。据此，可以作出这样的假设：在强侵蚀介质中，防护层的防水状态也不是“最好的”。上述结论就是在这一前提下作出的。原东德标准（TGL33373／01／1981年2月，接地、等电位和防雷在建筑技术上的措施）对基础接地体的说明是：“埋设在直接与土地接触或通过含沥青质的外部密封层与土地平面接触的基础内在电气上非绝缘的钢筋、钢埋入件和金属结构”。原苏联1987年版的《建构筑物防雷导则》中也指出，钢筋混凝土基础的沥青涂层和乳化沥青涂层不妨碍利用它作为防雷接地体。因此，本条规定钢筋混凝土基础的外表面无防腐层或有沥青质的防腐层（如二毡三油或三毡四油）时，基础内的钢筋宜作为接地装置。规定混凝土中防雷导体的单根钢筋或圆钢的最小直径不应小于10mm是根据以下的计算定出的。《钢筋混凝土结构设计规范》规定构件的最高允许表面温度是：对于需要验算疲劳的构件（如吊车梁等承受重复荷载的构件）不宜超过60℃；对于屋架、托架、屋面梁等不宜超过80℃；对于其它构件（如柱子、基础）则没有规定最高允许温度值，对于此类构件可按不宜超过100℃考虑。由于建筑物遭雷击时，雷电流流经的路径为屋面、屋架（或托架、或屋面梁）、柱子、基础，流经需要验算疲劳的构件（加吊车梁等承受重复荷载的构件）的雷电流已分流到很小的数值。因此，雷电流流过构件内钢筋或圆钢后，其最高温度值按80～100℃考虑。现取最终温度80℃作为计算值。钢筋的起始温度取40℃，这是一个很安全的数值。根据IEC出版物364－5－54，钢导体的温升和截面的计算式如下：)1ln()20(22022iifcBBQdtitIktISI2t用dtikc22代入，上式即成为)1ln()20(220iifccBBQdtikS（3．11）式中：S──钢导体的截面积（mm2）；Qc──钢导体的体积热容量（J／℃·mm2），3.8×10-3；B──钢导体在0℃时的电阻率温度系数的倒数（℃），202；ρ20──钢导体在20℃时的电阻率（Ω·mm），138×10-6；θi──钢导体的起始温度（℃），40℃；θf──钢导体的最终温度（℃），80℃。将有关已定数值代入（3．11）式，得dtikSc221027.3（3．12）对于第二类防雷建筑物至少应有两根引下线，同时根据表3.1和规范图3.3.4，因此，得62106.5dti，kc＝0.66。对于第三类防雷建筑物，由于可能只有一根引下线，因此，得62105.2dti，kc＝1。将上述的kc和dti2值代人（3．12）式，对于第二类防雷建筑物，S＝51.1mm2，其相应直径为8．06mm；对于第三类防雷建筑物，S＝51.7mm2，其相应直径为8.11mm。即使对第二类防雷建筑物kc取1时，钢导体的截面为S＝77.38mm2，其相应直径为9.93mm。对于第二类防雷建筑物（kc＝0.66）和第三类防雷建筑物（kc＝1），即使最终温度为60℃，其相应的钢导体截面和直径，第二类防雷建筑物S＝77.9mm2、φ9.5mm，第三类防雷建筑物S＝71.78mm2、φ9.56mm。上述钢导体的直径均小于10mm。埋设在土壤中的混凝土基础的起始温度取30℃（我国地下0.8m处最热月土壤平均温度，除少数地区略超过30℃外，其余均在30℃以下）；最终温度取99℃，以不发生水的沸腾为前提。在此基础上求出的钢筋与混凝土接触的每一平方米表面积允许产生的单位能量不应大于1.32×106J／Ω·m2（另见本规范第3.3.6条第三款的说明）。因此，对于第二类防雷建筑物，钢筋表面积总和不应少于262624.41032.1106.5cckk（m2）；对于第三类防雷建筑物，钢筋表面积总和不应少于262689.11032.1105.2cc