利用建筑物金属体做防雷及接地装置

PAGEPAGE4利用建筑物金属体做防雷及接地装置的研究及应用公司设计院一、课题提出随着国民经济的蓬勃发展，人民生活水平逐步提高，居住环境大力改善，房地产业日趋繁荣，在各类住宅建设工程中，防雷及接地装置具有十分重要的地位，一方面其施工质量决定着居住安全，能有效预防雷击事件和人身触电事故的发生，另一方面也影响着工程造价和日后维护量。矿区以前建设的住宅楼大多采用专设的防雷及人工接地装置，存在着接地装置易锈蚀，接地电阻不稳定，整体防雷性能较差，日常维护工作量大，工程造价较高等缺点，所以根据国家《建筑物防雷设计规范》《民用建筑物电气设计规范》的相关内容及矿区实际情况，在矿区建设中研究探索采取既提高建筑物的防雷性能和电气安全性能，又能节约资金，维护简便的防雷及接地方式，具有重要意义。二、主要技术内容：（一）建筑物防雷及接地方式概述：通常雷击有三种主要形式：其一是带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象，叫做“直击雷”。其二是带电云层由于静电感应作用，使地面某一范围带上异种电荷。当直击雷发生以后，云层带电迅速消失，而地面某些范围由于散流电阻大，以致出现局部高电压，或者由于直击雷放电过程中，强大的脉冲电流对周围的导线或金属物产生电磁感应发生高电压以致发生闪击的现象，叫做“二次雷”或称“感应雷”。其三是“球形雷”。外部防雷系统由接闪器（避雷针）、引下线、接地地网等有机组成。缺一不可。直接截受雷击，以及用作接闪的器具、金属构件和金连接在一起的金属物（包括防雷装置）说来都是一样的，它们之间的电位差与防雷装置的接地电阻无关。此外，考虑到已采取严格的各种金属物与防雷装置之间的连接和均压措施，故不必要求很低的接地电阻。从防雷观点出发，较好是设共用接地装置，它适合供所有接地之用（例如防雷、低压电力系统、电讯系统）。（二）现今建筑物防雷及接地的重大意义及特点：当人类社会进入电子信息时代后，雷灾出现特点与以往有极大的不同，可以概括为：

（1）受灾面大大扩大，从电力、建筑这两个传统领域扩展到几乎所有行业，特点是与高新技术关系最密切的领域，如航天、航空、国防邮电通信、计算机、电子工业、石油化工、金融证券等；

（2）从二维空间入侵变为三维空间入侵。从闪电直击和过电压波沿线传输变为空间闪电的脉冲电磁场从三维空间入侵到任何角落，无空不入地造成灾害，因而防雷工程已从防直击雷、感应雷进入防雷电电磁脉冲（LEMP）。前面是指雷电的受灾行业面扩大了，这儿指雷电灾害的空间范围扩大了。例如二000年七月二十五日14点40分左右，一次闪电造成漕宝路桂菁路附近二家单位同时受到雷灾，而不是以往的一次闪电只是一个建筑物受损。

（3）雷灾的经济损失和危害程度大大增加了，它袭击的对象本身的直接经济损失有时并不太大，而由此产生的间接经济损失和影响就难以估计。（4）产生上述特点的根本原因，也就是关键性的特点是雷灾的主要对象已集中在微电子器件设备上。雷电的本身并没有变，而是科学技术的发展，使得人类社会的生产生活状况变了。微电子技术的应用渗透到各种生产和生活领域，微电子器件极端灵敏，这一特点很容易受到无孔不入的LEMP的作用，造成微电子设备的失控或者损坏。

为此，当今时代的防雷工作的重要性、迫切性、复杂性大大增加了，雷电的防御已从直击雷防护到系统防护，我们必须站到历史时代的新高度来认识和研究现代防雷技术，提高人类对雷灾防御的综合能力。（三）利用建筑物金属体做防雷及接地装置选择的理论依据和实践经验：根据国家《建筑物防雷设计规范》《民用建筑物电气设计规范》的相关内容及矿区实际情况，我院在新设计的住宅楼及其他工程中首次对利用建筑物金属体做防雷及接地装置进行研究。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。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：

（3．10）式中：W──混凝土的湿度（％）。例如，当W＝6％时，Ω·m；当W＝7.5％时，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。国外有若干篇文献论及此问题，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”。因此，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。因此，对于第二类防雷建筑物，钢筋表面积总和不应少于（m2）；对于第三类防雷建筑物，钢筋表面积总和不应少于（m确定环形人工基础接地体尺寸的几条原则：一、在相同截面（即在同一长度下，所消耗的钢材重量相同）下，扁钢的表面积总是大于圆钢的，所以，建议优先选用肩钢，可节省钢材；二、在截面积总和相等之下，多根圆钢的表面积总是大于一根的，所以，在满足所要求的表面积的前提下，选用多根或一根圆钢；三、圆钢直径选用8、10、12mm三种规格，选用大于φ12mm圆钢一是浪费材料，二是施工时不易于弯曲；四、混凝土电阻率取100Ω·m，这样，混凝土内钢筋体有效长度为2＝20m，即从引下线连接点开始，散流作用按各方向20m考虑；五、周长≥60m，按60m考虑，设三根引下线，此时，kc＝0.44，另外还有56％的雷电流从另两根引下线流走，每根引下线各占28％。设这28％从两个方向流走，每一方向流走14％。因此，与第一根引下线连接的40m长接地体（一个方向20m，两个方向共计40m），共计流走总电流的（0.44＋0.14＋0.14＝0.72）72％，六、≥40m至＜60m周长时按40m长考虑，kc等于1，即按40m长流走全部雷电流考虑。七、＜40m周长时无法预先走出规格和尺寸，只能按kc＝1由设计者根据具体长度计算，并按以上原则选用。根据以上原则所计算的结果列于表3.4。注：采用一根圆钢时，其直径不应小于10mm。整个建筑物的槽形、板形、块形基础的钢筋表面积总是能满足对钢筋表面积的要求。混凝土内的钢筋借绑扎作为电气连接，当雷电流通过时，在连接处是否可能随此而发生混凝土的爆炸性炸裂。为了澄清这一问题，瑞士高压问题研究委员会进行过研究，认为钢筋之间的普通金属绑丝连接对防雷保护说来是完全足够的，而且确证，在任何情况下，在这样连接附近的混凝土决不会碎裂，甚至出现雷电流本身把绑在一起的钢筋焊接起来，如点焊一样，通过电流以后，一个这样的连接点的电阻下降为几个毫欧的数值。日本对试样做过试验，其结果是，有一个试样的一个绑扎点通过48kA和两个试样的各一个绑扎点通过61kA后，采用绑扎连接的这三个钢筋混凝土试样才遭受轻度裂缝的破坏。这说明一个绑扎点可以安全地流过若干万安培的冲击电流。从以上试验可以认为，在雷电流流过的路径上，有一些并联的绑扎点时。就会是安全的。许多国家的建筑物防雷规范和标准均允许利用绑扎连接的钢筋体作为防雷装置。（四）利用建筑物金属体做防雷及接地装置的具体做法及注意事项：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》中对具体做法有详细说明及图例，现针对矿区建筑施工常用做法进行简要描述。矿区普通住宅楼一般为五层，条形基础埋深1.4米，C30混凝土浇灌，在第二层粉质粘土层之上；配筋直径在8—16mm之间，基础与构造柱、梁、现浇板等处钢筋通过绑扎或焊接连接成电气通路，周围土壤的含水量约6-14％，完全符合利用建筑物的金属体做防雷装置及接地所需条件，采用基础内钢筋作为自然接地体，柱内外侧2根主筋为引下线，屋面设防雷网格为接闪器，形成完整的外部防雷设施，防雷、低压电力系统、电讯系统共用接地装置。设总等电位箱，与进出建筑物的金属管线可靠连接，低压进线盘配置SPD浪涌保护器，卫生间设局部等电位形成内部防雷。这样使建筑物的防雷设施系统全面，可有效防止雷击造成危害，同时用电安全可靠。在施工过程中应注意：土建和电气施工人员的密切配合极为重要，建议在建筑和结构构件内的施工宜由土建专业施工人员施工，在建筑和结构构件外的施工宜由电气专业施工人员施工；由于大多数建筑物金属体和预埋件是暗敷在混凝土内，一经施工完就无法补救，因此电气施工以及监理人员在土建施工过程中主动了解、查对土建施工是否满足设计要求，及时纠正错误之处。三、工程应用情况:（一）利用建筑物金属体做防雷及接地装置应用工程实例：在已完工的查庄矿搬迁小区住宅楼的电气防雷工程中全部采用了该技术设计，该小区建筑面积平方米，共24座住宅楼（含商住楼），已全部通过竣工验收；在白庄煤矿原煤系统改造工程原煤仓的设计中也采用了利用建筑物金属体做防雷及接地装置，该工程正在施工中。（二）应用效果：查庄矿搬迁小区住宅楼的电气接地电阻测试记录（见附表）显示，该测试项目全部合格，最大值0.54欧姆，最小值0.1欧姆，平均值0.26欧姆，远小于规定电阻值1欧姆。取得良好的效果。采用人工接地极的电阻值一般为0.6—1.7欧姆，而且电阻值不稳定，常需增加接地极数量。同时由于采用建筑物金属体做防雷及接地装置将整座建筑物内金属构件连为一体，和接地网络形成一个整体的"法拉第"笼，均处于等电位状态。雷电流会很快被分散掉，可以避免发击和旁侧闪击的现象发生。因为接地装置的有效接地，当发生雷击或漏电事件时，电位差大大降低，可以有效保护人身及电气电子设备免受危害，预防