石 健, 宋平健(北京市避雷裝置安全檢測中心, 北京 100089)

對GB 50057—2010《建筑物防雷設計規(guī)范》的解讀

石 健, 宋平健
(北京市避雷裝置安全檢測中心, 北京 100089)

根據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設計規(guī)范》,結合實際工作中對防雷規(guī)范的理解,探討了防雷設計中應注意的一些問題,并對部分問題提出了解決方法,從而為建筑物的防雷設計及防雷保護提供指導。

建筑物防雷; 電涌保護器; 引下線; 共用接地電阻

0 引 言

GB 50057—2010《建筑物防雷設計規(guī)范》作為我國建筑物雷電防護最根本的國家技術標準,是在舊版本規(guī)范GB 50057—1994使用多年之后進行修訂的,并已于2010年10月1日正式實施。在這期間,國際標準和國內(nèi)防雷技術都有了很大的變化和發(fā)展,所以理解GB 50057—2010對做好現(xiàn)行的防雷工作十分必要。

1 總 則

(1) GB 50057—2010第1.0.1條中增加了防止或減少雷擊電磁脈沖引發(fā)的電氣和電子系統(tǒng)損壞或錯誤運行的防護。GB 50057—1994僅考慮對雷擊建筑物的防護保護。

(2) GB 50057—2010第1.0.2條擴大了適用范圍,不僅適用于新建建(構)筑物的防雷設計,而且適用于擴建、改建建(構)筑物的防雷設計。這主要是因為在GB 50057—1994之前建筑物的防雷設計是按GBJ 57—1983《建筑防雷設計規(guī)范(試行)》設計的,如使用時間不長,可以不按GB 50057—1994修改,而GB 50057—2010距GBJ 57—1983的廢止時間較長,所以增加了擴建、改建,對于實際應用更方便。

2 術 語

(1) GB 50057—2010增加了術語一節(jié)。

(2) GB 50057—2010將原來常用的避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)等專業(yè)用詞修改為接閃桿、接閃帶、接閃網(wǎng)。按照避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)的字面意思,總認為安裝接閃器后就可以避免受到雷擊,但實際上安裝接閃器是引雷并將其泄放入大地,且安裝接閃器并不一定可以避免不受到雷擊損壞。僅從直擊雷角度考慮,對于第一、二、三類防雷建筑物,按照電氣—幾何模型(雷閃數(shù)學模型):

hr=10I0.65

(1)

式中:hr——滾球半徑;I——得到保護的最小雷電流。

將滾球半徑30、45、60 m分別代入式(1),計算得雷電流分別為5.4、10.1、15.8 kA。所以,當雷電流小于上述數(shù)值時,閃電有可能穿過接閃器而擊于被保護物上。建筑物的雷電防護是一個系統(tǒng),而接閃器的功能只是減少實體損害和生命災害防護中外部防雷裝置截取對建筑物的雷電閃擊。要最大限度地避免遭受雷電的損害,還要減少內(nèi)部系統(tǒng)失效的防護和公共設施的防護。

3 建筑物的防雷分類

(1) GB 50057—2010的防雷分類中對第一類防雷建筑物和第二、三類的一部分(如爆炸場所、文物)沿用了GB 50057—1994的做法,并沒有考慮以風險作為分類的基礎,主要是依據(jù)IEC 62305-2:2010:當預期風險不可避免時,可以不顧風險評估的結果如何而決定提供防雷。

(2) GB 50057—2010較GB 50057—1994對建筑物年預計雷擊次數(shù)做了調(diào)整,對于二類防雷建筑物中的部、省級辦公建筑物和其他重要或人員密集的公共建筑物界定從原來的預計雷擊次數(shù)大于0.06次/a調(diào)整為大于0.05次/a;住宅、辦公樓等一般民用建筑物或工業(yè)建筑物的年預計雷擊次數(shù)從大于0.3次/a調(diào)整為大于0.25次/a。對于三類防雷建筑的年預計雷擊次數(shù)也分別從0.012次/a≤N≤0.06次/a、0.06次/a≤N≤0.3次/a調(diào)整為0.01次/a≤N≤0.05次/a、0.05次/a≤N≤0.25次/a。在GB 50057—1994中三類防雷建筑物,在GB 50057—2010中可能為二類防雷建筑物;在GB 50057—1994中一些不屬于防雷建筑物的建筑物,在GB 50057—2010中可能為三類防雷建筑物,建筑物年預計雷擊次數(shù)的調(diào)整擴大了第二、三類防雷建筑物的范圍。

(3) GB 50057—2010較GB 50057—1994在第一、二、三類防雷建筑物防雷分類中增加了“在可能發(fā)生對地閃擊的地區(qū)”,可依據(jù)某一地區(qū)多年閃電監(jiān)測資料和雷擊災害事故統(tǒng)計資料,確定這一地區(qū)的初雷日和終雷日。以北京市為例,查閱1993～2013年雷擊災害事故統(tǒng)計資料和近10 a的閃電監(jiān)測資料,可知初雷日為2009年3月21日,終雷日為2004年11月9日。所以,對于在第一年11月9日到第二年3月21日時間段內(nèi)建造和使用的臨時建筑物和構筑物,可不裝設防雷裝置。此外,建筑物的防雷保護是以發(fā)生雷閃為前提的,如果沒有雷閃的發(fā)生,建筑物也無需防御雷電造成的損壞。

(4) GB 50057—1994對爆炸危險環(huán)境的劃分參照GB 50058—1992《爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》,爆炸性氣體危險環(huán)境劃分為0～2區(qū),爆炸性粉塵危險環(huán)境劃分為10～11區(qū),火災危險區(qū)域劃分為21～23區(qū)。GB 50057—2010參照GB 1246.3—2007/IEC 61241—10:2004《可燃性粉塵環(huán)境用電設備 存在或可能存在可燃性粉塵的場所分類》,爆炸性氣體危險環(huán)境劃分為0～2區(qū),爆炸性粉塵危險環(huán)境劃分為20～22區(qū),不再對火災危險環(huán)境進行劃分。根據(jù)雷擊的影響和產(chǎn)生的后果,并結合當?shù)貧庀?、地形、地質(zhì)及周圍環(huán)境因素,直接確定是否為火災危險場所。

4 建筑物的防雷措施

(1) GB 50057—1994將防雷分為防直擊雷、防雷電感應和防雷電波侵入。GB 50057—2010參照IEC防雷標準,將防雷分為外部防雷、內(nèi)部防雷和防雷擊電磁脈沖,且對內(nèi)部防雷裝置防雷等電位聯(lián)結和間隔距離做了更明確的規(guī)定和要求(強制條文),界定了需要防雷擊電磁脈沖的防雷建筑物的范圍,更便于實際應用。

(2) GB 50057—2010較GB 50057—1994對接地電阻值做了調(diào)整和補充,對于第一類防雷建筑物,增加了對獨立接閃器接地裝置沖擊接地電阻值在土壤電阻率3 000 Ω·m以下的地區(qū)不應大于30 Ω的要求,將架空線與電纜連接處的沖擊接地電阻值從10 Ω調(diào)整為30 Ω,距離建筑物100 m內(nèi)的架空金屬管道沖擊接地電阻值從20 Ω調(diào)整為30 Ω。對于第二、三類防雷建筑物,增加了共用接地裝置的接地電阻應按50 Hz電氣裝置接地電阻確定,不應大于按人身安全所確定的接地電阻值。

(3) GB 50057—2010對建筑物內(nèi)電氣系統(tǒng)和電子系統(tǒng)電涌保護器(Surge Protective Device,SPD)的選擇做了更詳細的規(guī)定,強調(diào)了架空線與電纜連接處和電源引入總配電箱處SPD的類型、沖擊放電電流、電壓保護水平(強制性條文)。對天面用電設備電源SPD應選用Ⅱ級試驗類型和電壓保護水平不應大于2.5 kV也做了要求,但對標稱放電電流沒有做出明確的規(guī)定,提出而應根據(jù)具體情況確定。這是因為每個建筑物的防雷裝置和配電線路差別大,引下線的數(shù)量和配電接系統(tǒng)接地方式導致分流不同。GB 50057—2010第6.4.5條第3款規(guī)定,Ⅱ級試驗SPD標稱放電電流不應小于5 kA,強調(diào)的是與同一線路上級SPD的能量配合,而不應成為選擇SPD標稱放電電流的依據(jù),尤其對于建筑物天面設備,配電處若安裝標稱放電電流為5 kA的電源SPD,會導致通流容量太小。

對于第三類防雷建筑物,首次雷擊雷電流幅值為100 kA,一般情況下接閃器成閉合環(huán)狀或網(wǎng)狀的多根引下線,引下線的分流系數(shù)為0.44,且用電設備至配電箱之間的線路采用鋼管屏蔽,則流經(jīng)鋼管的沖擊雷電流為

Iimp=100×0.44=44 kA

配電箱與天面鋼筋及其他管線做了等電位聯(lián)結,流入配電箱的雷電流又再分流,流經(jīng)SPD的分流按(1/n)+0.1考慮,n為引下線根數(shù),設n=10,則流經(jīng)SPD的雷電流為

Iimp=44×[(1/n)+0.1]=8.8 kA

如果屋頂用電設備配電接地方式為TN-S,分流時按5分支路考慮(3根相線、1根N線和1根PE線),則流經(jīng)每片SPD的雷電流為

Iimp=8.8/5=1.76 kA

直擊雷電流波形為10/350μs,通常其與8/20μs最大放電電流Imax換算可按20倍考慮,則

Imax=1.76×20=35.2 kA

一般情況下,In/Imax=1/2,所以標稱放電電流為

In=35.2/2=17.6 kA

對于第二類防雷建筑物,由于首次雷擊雷電流幅值為150kA,在同樣的情況下相應的標稱放電電流會有所提高。

(4)GB50057—2010中第4.3.6、4.4.6條規(guī)定,共用接地裝置的接地電阻應按50Hz電氣裝置的接地電阻確定,不應大于按人身安全所確定的接地電阻值。GB50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》第5.1.2條強制性條文規(guī)定,對于共用接地裝置的接地電阻,要求必須按接入設備中要求的最小值確定。這兩個條文的要求有些出入,本文認為接地體不應僅表示為電阻單元,而應表示為復數(shù)阻抗。接地線的感抗表示為

XL=2πfL

對于一根25mm2銅導體,在1MHz條件下,當長度為3m時,Rf=0.05 Ω,XL=26 Ω;長度為6.1m時,Rf=0.1 Ω,XL=57 Ω。對于電子信息系統(tǒng)機房內(nèi)的設備,工作頻率為數(shù)十至數(shù)百赫茲,接地裝置在高頻電流下電抗值遠大于其電阻值,要求很低的直流至工頻的接地電阻無意義。所以,當采用共用接地裝置時,滿足不大于按人身安全所確定的接地電阻值即可。但從建筑物電子信息系統(tǒng)直流工作接地(信號接地或功能性接地)角度考慮,在直流情況和工頻情況下,接地裝置的電阻值不能忽略。從我國各行業(yè)的實際情況來看,電子信息設備的種類多且用途各不相同,對接地裝置電阻值的要求也不相同。因此,為確保人身安全和電氣、電子設備的正常工作,電子信息設備的共用接地裝置的接地電阻值必須按接入設備中要求的最小值確定。

5 防雷裝置

(1) GB 50057—2010第5.2.5條規(guī)定,架空接閃線和架空接閃網(wǎng)宜采用截面不小于50 mm2的熱鍍鋅鋼絞線或銅絞線。相比GB 50057—1994第4.1.3條的規(guī)定,鍍鋅鋼絞線尺寸有了提高,且增加了材料種類。該條款只是說明了鍍鋅鋼絞線和銅絞線做架空接閃線和架空接閃網(wǎng)時最小截面積取50 mm2,在條件許可時首先應這樣做。GB 50057—2010第5.2.1條對架空接閃線和架空接閃網(wǎng)的材料和規(guī)格有更全面和具體的要求。如果選用不銹鋼絞線作為架空接閃線和架空接閃網(wǎng),則最小截面積應為70 mm2,而不是50 mm2。

(2) GB 50057—2010第5.3.7條保留了GB 50057—1994第4.2.5條中一部分內(nèi)容,即在易受機械損壞和防人身接觸的地方,地面上1.7 m至地面下0.3 m的一段接地線應采取暗敷或鍍鋅角鋼、改性塑料管或橡膠管等保護措施。規(guī)定地面上1.7 m,主要是引下線在距地面最高為1.8 m處設斷接卡,便于拆裝斷接卡時不破壞保護措施。對于防止人身接觸電壓,GB 50057—2010第4.5.6條規(guī)定,外露引下線距地面2.7 m以下的導體用耐1.2/50 μs沖擊電壓為100 kV的絕緣層隔離,或用至少3 mm厚的交聯(lián)聚乙烯層隔離。綜合考慮,為防止引下線和接地線被破壞和人身接觸電壓,直接采用一根滿足沖擊電壓要求的塑料管或橡膠管埋入地下0.3 m,地面上2.7 m。引下線作為防雷裝置的檢測項目之一,需定期進行檢測。由于斷接卡被塑料管保護起來,使套管不能上下移動,因此對引下線的檢查和測量變得非常困難。對于明裝引下線及接地線保護套管的設計,可以采用兩根塑料管或橡膠管,一根為地下0.3 m至地面,另一根為地面至2.7 m。這樣在對明裝引下線進行檢測時,可以將地面上的那一根向上推,露出斷接卡,既起到了保護引下線和防止人身接觸電壓的作用,又方便定期檢測。

6 防雷擊電磁脈沖

GB 50057—2010對從戶外沿線路引入雷擊電涌時,SPD的有效電壓保護水平選值有明確規(guī)定。當被保護設備距SPD的距離沿線路的長度>10 m時,在不考慮SPD兩端引線的感應電壓降和雷擊建筑物附近SPD與被保護設備之間感應過電壓的情況下,SPD有效電壓保護水平UP=0.75 kV。若考慮引線和線路環(huán)路的感應過電壓,UP值將更小(查閱北京市氣象局備案的SPD型號及參數(shù),未發(fā)現(xiàn)UP≤0.75 kV的電源SPD。)。

所以,當被保護設備為電子信息系統(tǒng)設備時,在設備距SPD的距離沿線路的長度>10 m時,應在被保護設備前段再加裝一級電源SPD。當線路內(nèi)為直擊雷電涌時,考慮到SPD兩端引線的感應電壓,UP應小于等于1.2 kV;當線路內(nèi)僅為感應電涌時,可忽略引線的感應電壓,UP=1.5 kV。

7 結 語

GB 50057—2010為今后我國的防雷設計提供了設計依據(jù)。對GB 50057—2010的理解,應參考相關的國家標準和國際標準,并結合實際情況,才能更好地做好建筑物的防雷保護。

[1] GB 50057—2010 建筑物防雷設計規(guī)范[S].

[2] GB 50057—1994 建筑物防雷設計規(guī)范[S].

[3] GB/T 21714.1—2008 雷電防護 總則[S].

[4] IEC 62305-4:2010 Protection against lightning electrical and electronic systems within structures[S].[5] GB 50058—1992 爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范[S].

[6] GB 1246.3—2007 可燃性粉塵環(huán)境用電設備 存在或可能存在可燃性粉塵的場所分類[S].

[7] GB 50343—2012 建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范[S].

[8] GB/T 21431—2008 建筑物防雷裝置檢測技術規(guī)范[S].

Interpretation about Code for GB 50057—2010 Design of Lightning Protection of Buildings

SHI Jian, SONG Pingjian

(Beijing Lightning Devices Security Test Center, Beijing 100089, China)

Based on GB 50057—2000 and combining by the understanding of lightning protection standard,the attention problems for the design of lightning protection were discussed and some views were put forward.It can provide references for the design of lightning protection for buildings.

buildings lightning protection; surge protective device; down-conductor system; common grounding resistance

石 健(1984—),男,研究方向為防雷檢測與電磁兼容。

TU 862

B

1674-8417(2015)04-0061-04

2014-11-13

宋平健(1957—),男,高級工程師,從事防雷裝置檢測方面的研究。