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防雷引下線防接觸電壓和防跨步電壓的措施

0 引言

  GB50057-2010《建筑物防雷設計規范》(簡稱《雷規》)對引下線給出的定義為:將雷電流從接閃器傳導至接地裝置的導體。引下線的作用非常重要,良好的引下線能將雷電流從接閃器上迅速傳導至接地裝置并流散入大地,保護建筑物內系統(包括電氣系統和電子系統)和附近居民的人身安全。當雷擊直接擊于安裝在建筑物上的防雷裝置時,在極短的時間(通常為微秒級)內雷電流便流經引下線,并通過接地裝置泄放到大地中。在雷電流流經引下線過程中,引下線在微秒之內電位會瞬間升高數萬伏至數十萬伏,所以在引下線附近為了保護人身安全必須采取防接觸電壓和跨步電壓的措施,否則會危及附近居民的人身及財產安全,甚至造成嚴重的人身傷亡事故。因此,對建筑物引下線防接觸電壓和跨步電壓的措施進行研討有著重要的意義。

1 接觸電壓和跨步電壓的定義

  接觸電壓:當人體的兩個部位(一般常指人體的手指與接觸地面的腳)同時接觸到具有不同電位的兩處時,在人體內就會有電流通過,這時加在人體兩個部位之間的電位差稱為接觸電壓。

  跨步電壓:當土壤中存在較大接地電流時,人的兩只腳分別站在具有不同電位的兩處時,在人的兩腳之間所產生的電位差稱為跨步電壓。

2《建筑物防雷設計規范》中防接觸電壓和跨步電壓措施的判斷與防護整改措施

  《建筑物防雷設計規范》第4.5.6條規定:在建筑物引下線附近保護人身安全需采取的跨步電壓的措施,應符合下列規定。

  (1)防接觸電壓應符合下列規定之一:①利用建筑物金屬構架和建筑物互相連接的鋼筋在電氣上是貫通且不少于10根柱子組成的自然引下線,作為自然引下線的柱子包括位于建筑物四周和建筑物內的柱子。②引下線3m范圍內地表層的電阻率≥50kΩ·m,或敷設5cm厚瀝青層或15cm厚礫石層。③外露引下線,其距地面2.7m以下的導體用耐1.2/50μs沖擊電壓100kV的絕緣層隔離,或用至少3mm厚的交聯聚乙烯層隔離。④用護欄、警告牌使接觸引下線的可能性降至最低限度。

  (2)防跨步電壓應符合下列規定之一:①利用建筑物金屬構架和建筑物互相連接的鋼筋在電氣上是貫通且少于10根柱子組成的自然引下線,作為自然引下線的柱子包括位于建筑物四周和建筑物內的柱子。②引下線3m范圍內土壤地表層的電阻率≥50kΩ·m,或敷設5cm厚瀝青層或15cm厚礫石層。③用網狀接地裝置對地面作均衡電位處理。④用護欄、警告牌使進入距引下線3m范圍內地面的可能性降至最低限度。

3 防接觸電壓和跨步電壓措施條款的理解

  《建筑物防雷設計規范》第4.5.6條強制條款規定,凡在設計或施工中達到了其中任意一條的規定要求,就符合規范標準的要求,而不是要求所有條件全部都必須滿足。當然,為了提高可靠性和安全性,應能盡量多地滿足規范標準中的要求。

  防接觸電壓和跨步電壓的核心精髓為均衡和絕緣。防接觸電壓的第①條措施,防跨步電壓的第①條措施和第③條措施都屬于均衡措施;防接觸電壓的第②條措施和第③條措施,防跨步電壓的第②條措施都屬于絕緣措施。

  防接觸電壓的第①條措施和防跨步電壓的第①條措施是針對新建建筑物,不適用于古建筑,不少于10根引下線,通過分流,每根引下線分到的雷電流大大減小,產生的危害迅速降低至可接受水平。

  防接觸電壓的第②條措施和防跨步電壓的第②條措施,地表層的電阻率≥50kΩ·m在現實中很難做到,即便實現,也加大成本投入。

  通過查資料知,混凝土在干燥大氣中的電阻率為12~18kΩ·m,而礫石只有3kΩ·m,所以該條措施一般都采取后半句條款,即“敷設5cm厚瀝青層或15cm厚礫石層”,這容易實現且成本較低。

  防接觸電壓的第③條措施的前半句“外露引下線,其距地面2.7m以下的導體用耐1.2/50μs沖擊電壓100kV的絕緣層隔離”,這是用絕緣套管作保護的防接觸電壓技術措施,避免人體直接接觸到裸露的引下線而發生觸電的危險情況。

  至于為什么是2.7m,在《建筑物防雷設計規范》第4.5.6條的條款說明中給出解釋:2.7m是按人垂直向上伸手后人高2.5m(根據IEC62305-3:2010第67頁圖E.2),沖擊電壓100kV擊穿空氣間隙按0.2m考慮的,故2.5+0.2=2.7m。引下線防接觸電壓示意圖如圖1所示。防跨步電壓的第③條措施“用網狀接地裝置對地面作均衡電位處理”,這條條款目的是均衡電壓,不會出現某處電壓明顯偏大的情況,有利于減小跨步電壓。

引下線防接觸電壓示意圖

  防接觸電壓的第④條措施和防跨步電壓的第④條措施是用護欄、警告牌使接觸或進入距引下線3m范圍內地面的可能性降至最低限度。如果上述條件均不能滿足,為避免接觸電壓或跨步電壓導致的人身損傷,應采取防護措施,如活動限制(臨時措施,如增加護欄;持久措施,如砌筑花壇)和(或)警告(如張貼危險警示標識)提示,使引下線被接觸或接近跨步的概率最小化,將危險降低至最小限度。引下線危險警示標識示意圖如圖2所示。

  針對防跨步電壓的第④條措施,對3m數據進行計算分析。雷擊產生的跨步電壓可以通過

  式中:US———雷電流產生的跨步電壓,kV;Id———入地處的雷電流,kA;ρ———土壤電阻率,取100Ω·m;s———人行走時兩腳之間的距離,取0.8m;d———入地處雷電流與人靠近的那只腳之間距離,取3m。

  根據標準《建筑物防雷設計規范》第81頁表F.0.1-1,取第二類防雷建筑物,雷電流幅值I=150kA;第三類防雷建筑物,雷電流幅值I=100kA,由Id=I/n,n為引下線數量,取2根、4根和10根情況(2根為防雷建筑物引下線最少數量要求,10根為防接觸電壓和跨步電壓的第一條要求中引下線數量最小值)分別代入計算。第二、三類防雷建筑物不同引下線數量時雷擊產生的跨步電壓如表1所示。

  IEEE觀點:雷電沖擊情況下,人身耐受的沖擊電流強度在百安數量級。我國研究者也認為:

  雷電流的危險值為100A,雷電沖擊情況下人體沖擊電阻(即近似人體內阻抗)為300~500Ω[4],由U=IR知,人體能承受的跨步電壓為30~50kV(在進行工頻電壓安全設計計算時,在干燥的環境條件下人體電阻一般取1000~1500Ω,但在雷電流沖擊下人體電阻在不同的幅值和頻率時將呈現不同的阻值[5],所以在核算雷擊情況時,人體沖擊電阻不應取1000~1500Ω)。

  通過上述計算可知,第二、三類防雷建筑物在只有2根引下線的情況下,在距引下線3m處最大幅值的雷電流產生的跨步電壓足以致命。

  當引下線數量達到4根,或者建筑物引下線敷設方式為結構(引下線數量≥10根),則距引下線3m處產生的跨步電壓比較小,不足以導致人身傷亡事故,但是跨步電壓產生的熱效應作用可能會灼傷人的腳、腿部皮膚等。目前,我國大多防雷建筑物引下線數量>4根,且幅值雷電流占整體雷電流的比重非常小,雷擊建筑物頂部接閃器后經分流,入地處的雷電流已經大大減小,所以距離引下線3m處還是比較安全的。

4 結語

  GB50057-2010《建筑物防雷設計規范》對“建筑物的防雷引下線附近保護人身安全需采取的防接觸電壓和跨步電壓的措施”的條款要求,只要認真去落實滿足規范標準中的一個(多個更好)要求即可有效地防接觸電壓和跨步電壓。本文對建筑物防雷引下線防接觸電壓和跨步電壓等選用的技術要求作了歸納與總結,并結合多年的防雷檢測工作經驗,對部分條款進行了較深層次的解釋,供防雷減災工作者參考。

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