南陽酒店防雷設(shè)計(jì)方案的缺陷分析

陳 謙 / 龐傳貴 . 山東意匠建筑設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 500. 中國建筑設(shè)計(jì)研究院機(jī)電院， 北京 00044

“南文”的接地采用接地井方案，利用剛性銅質(zhì)接地棒作為垂直接地極，此為BS 6651-1999對待有防水層的閥板基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)接地做法，此方法在國內(nèi)很少采用。《EWR》6.8.3條要求，除防雷系統(tǒng)不接入電氣裝置總接地端子（Main Earthing Terminal 簡稱MET）外，

0 引言

《南陽酒店項(xiàng)目防雷設(shè)計(jì)優(yōu)化方案》（發(fā)表于《建筑電氣》2011年第6期，以下簡稱“南文”）雖然是國外的防雷工程優(yōu)化案例，但因?yàn)椴捎肂S EN 62305：2006（idt IEC62305：2006）標(biāo)準(zhǔn)，和中國的防雷標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)系非常緊密；同時，他山之石可以攻玉，研究此案例對我們的防雷設(shè)計(jì)有一定的意義。

根據(jù)“南文”介紹，南陽酒店工程是位于阿聯(lián)酋阿布扎比市區(qū)的四星級酒店，地下4層，裙房4層，“L”形塔樓最高處104.75m，總建筑面積47900m2。方案 執(zhí) 行 英 國BS EN 62305：2006（idt IEC62305：2006）和阿布扎比質(zhì)監(jiān)局（RSB）發(fā)布的《The Electricity Wiring Regul-ations 2007》（以下簡稱《EWR》）等標(biāo)準(zhǔn)。

1 接地體的選擇

1.1 防雷接地體

“南文”的接地采用接地井方案，利用剛性銅質(zhì)接地棒作為垂直接地極，此為BS 6651-1999對待有防水層的閥板基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)接地做法，此方法在國內(nèi)很少采用?！禘WR》6.8.3條要求，除防雷系統(tǒng)不接入電氣裝置總接地端子（Main Earthing Terminal 簡稱MET）外，

雷電保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)均應(yīng)按BS EN 62305執(zhí)行。按照BS EN 62305-3，此類垂直接地極做法（標(biāo)準(zhǔn)稱為A型接地體）僅適用于“小型建筑物（如家庭房屋）或已有建筑物”等耐受沖擊電流能力較高的場所。對于有較多敏感電子系統(tǒng)或者有較高火災(zāi)危險的建筑物，適合采用B 型接地裝置（即環(huán)形接地體）。

雖然，“南文”圖4接地井大樣圖中，接地棒上端標(biāo)有“φ50 PVC管用于環(huán)形接線”的工藝要求，但是，BS EN 62305特別注明，在環(huán)狀導(dǎo)體與土壤的接觸部分少于接地體總長度的80%時，該接地體的布置仍為A型接地體。

與A型接地體相比，B型接地體的突出優(yōu)點(diǎn)在于：

1) 能更好地在各引下線之間建立等電位連接，以均衡電位；

2) 與土壤有較大的接觸面積，能更快地泄放雷電流；

3) 有利于在導(dǎo)電建筑物墻體附近實(shí)行電位控制，避免接觸電壓和跨步電壓傷害的風(fēng)險（例如，本案例的玻璃幕墻鋁合金框架等）；

4) 有利于防電磁脈沖（LEMP）的需要。

對于此類設(shè)有防水層的建筑物，BS EN 62305環(huán)形接地體的標(biāo)準(zhǔn)做法見圖1，在防水層下方的100mm～200mm厚素混凝土內(nèi)設(shè)置環(huán)形接地體（可采用25mm×3mm裸銅帶）。根據(jù)分析，潮濕的素混凝土內(nèi)一般含有超過4%的水份，其內(nèi)部做為接地體的裸銅帶可按與土壤直接接觸對待；同時，由于有混凝土的保護(hù)，接地體的防腐和防機(jī)械損傷都有保障。

1 防雷引下線；2 測試點(diǎn)；3 環(huán)形接地體；4 加強(qiáng)防水措施；5 防水層；6 素混凝土層；7 土壤層

1.2 電氣裝置接地體

“南文”的圖1中電氣裝置接地共設(shè)置了20處垂直接地極，分別為：

1) 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地井，共1處；

2) 發(fā)電機(jī)外殼接地井，共2處；

3) 變壓器中性點(diǎn)接地井，共4處；

4) 變壓器外殼接地井，共2處；

5) 高壓柜接地井，共2處；

6) 低壓柜接地井，共4處；

7) 電信接地井，共4處；

8) UPS接地井，共1處。

與其他形式接地極相比，垂直接地極的效率相對較高，且能提供較低的接地電阻。按照《EWR》6.3.2條，“電氣裝置的接地極均應(yīng)連接到MET”，便于電氣裝置和配電的接地測量，便于均衡電位。“南文”中從MET引出接地極20處（且各類接地極之間無連接線）沒有必要。按《EWR》6.4.6和A5（k），主進(jìn)線斷路器為500～2500A時，只需設(shè)置兩處截面為70～150mm2的 垂直接地極即能滿足電氣裝置的接地要求。

即使對于敏感設(shè)備的功能性接地，《EWR》6.9.3只要求從MET引出專用接地干線，以避免單一接地線受損時，設(shè)備發(fā)生間接接觸故障而產(chǎn)生的電氣干擾。

因此，電氣裝置沒有必要單獨(dú)設(shè)置那么多垂直接地極，較少的接地極也易于實(shí)現(xiàn)《EWR》所規(guī)定的與防雷接地極的隔離要求，且可節(jié)約投資。筆者認(rèn)為，本案例可僅設(shè)置2～4處φ15銅質(zhì)接地棒作為電氣裝置的接地極。

2 引下線的設(shè)置

2.1 風(fēng)險評估

BS EN 62305-2防雷系統(tǒng)的防護(hù)等級（LPL）需要進(jìn)行風(fēng)險評估，總的風(fēng)險計(jì)算公式為：

Rx=NPxLx（X=A，B，C…）式中：N——危險事件的數(shù)目；

Px——損害的概率；Lx——導(dǎo)致的損失。具體到雷擊建筑物的風(fēng)險Rx=RA+RB+RC

式中：RA——活體損壞的風(fēng)險；

RB——實(shí)體損壞的風(fēng)險；

RC——內(nèi)部系統(tǒng)受損壞的風(fēng)險。

把總風(fēng)險組成R=∑Rx與可承受的值RT進(jìn)行比較，RT典型值見表1。

表1 可承受風(fēng)險的典型值RT

1）如果R ≤RT，則不需進(jìn)行雷電防護(hù)；

2）如果R＞RT，且RB＞RT，被評估建筑物應(yīng)選用適當(dāng)防護(hù)等級的LPS類型，使得RB≤RT；進(jìn)一步選擇適當(dāng)?shù)膬?nèi)部系統(tǒng)電磁脈沖防護(hù)系統(tǒng)（LPMS）等保護(hù)措施，可以實(shí)現(xiàn)R ≤RT。

經(jīng)過風(fēng)險評估確定LPS類型后，其建筑物防雷引下線的間距可以根據(jù)表2確定。建筑物某一側(cè)設(shè)置引下線的情況，其“L”形塔樓部分可以再增設(shè)9處（11～19 號）引下線，參見圖2。也可以依據(jù)BS EN 62305-3 E4.3.6的條款，利用圈梁內(nèi)環(huán)形自然鋼筋的綁扎即可滿足分流目的。

圖3 分流系數(shù)

表2 不同防護(hù)系統(tǒng)的引下線間距

BS EN 62305-2風(fēng)險評估的內(nèi)容繁多，過程復(fù)雜，“南文”中未見相應(yīng)的內(nèi)容。國際上有一個基本原則，在未采取風(fēng)險評估，或者不可能做詳細(xì)調(diào)查時，LPS應(yīng)按最高防雷等級選取[1]（實(shí)際上，該方案的引下線間距正是小于等于10m）。“南文”優(yōu)化設(shè)計(jì)圖2中共設(shè)置了10處防雷接地井，均設(shè)置在 “L”形塔樓建筑靠外墻處。按照BS EN 62305 5.3.6條和5.4.2.1款，每處人工垂直接地極、與其相連的引下線，以及相應(yīng)的測試點(diǎn)應(yīng)一一對應(yīng)，以便于檢測接地極的接地電阻和防雷引下線的電氣導(dǎo)通情況。因此，該方案的防雷引下線應(yīng)只有此10處。

1 原方案防雷引下線；2 新增防雷引下線；3 環(huán)形接地體；4 避雷網(wǎng)格接閃器；5 防雷引下線外引連接線（與防雷引下線同材質(zhì)，同規(guī)格）

3 防雷等電位連接帶（均壓環(huán)）的功能

2.2 引下線設(shè)置

BS EN 62305-3 5.3.1注2和F5.3.1強(qiáng)調(diào)，“應(yīng)圍繞建筑物周邊等距離，盡可能多地設(shè)置防雷引下線。通過周邊引下線分流，可以減少雷電流對建筑物內(nèi)人員和設(shè)備的閃擊，以及對敏感設(shè)備電磁干擾的風(fēng)險。如大跨距建筑物等無法在某一側(cè)設(shè)置引下線時，可在其它側(cè)額外設(shè)置補(bǔ)償引下線，使得引下線的平均間距滿足要求”。首先，本案例中已設(shè)置的引下線平均間距并不滿足要求；其次，本建筑不屬于無法在

3.1 分流系數(shù)

BS EN 62305增加了“防雷等電位連接” 的術(shù)語；對于高度大于20m的大型建筑物通常需要在樓層上設(shè)置防雷等電位連接帶（即我國標(biāo)準(zhǔn)中的均壓等電位連接環(huán)，以下簡稱均壓環(huán)）。

“南文”要求在建筑物樓層上部設(shè)置均壓環(huán)，認(rèn)為均壓環(huán)能“有效減小引下線的電感，不僅起到分流作用，還能降低火花或者閃擊的概率、均衡電位、降低反擊電壓。”

網(wǎng)格型接閃器配合均壓環(huán)和環(huán)形接地體的分流模型參見BS EN 62305-3圖C.3（即圖3）。分流系數(shù)kc隨均壓環(huán)的增加而逐步減小，當(dāng)建筑物樓層上設(shè)置3層環(huán)形導(dǎo)體（滿足h1取值5m～20m）后，kc4達(dá)到最小，引下線之間實(shí)現(xiàn)均流。當(dāng)然，

本案例設(shè)置均壓環(huán)是否有“降低火花或者閃擊的概率、均衡電位、降低反擊電壓”的功能呢？分析如下：

在建筑物h1高度處，防雷引下線上的電位按下式計(jì)算：U=U0+UL=I×R0+L1×h1×di/dt

U0——雷電流流過防雷裝置時，接地裝置上的電阻電壓降( kV) ；

UL——雷電流流過防雷裝置時，引下線上的電感電壓降( kV) ；

I——雷電流幅值(kA) ；

R0——接地裝置的沖擊接地電阻(Ω) ；

di/dt——雷電流陡度( k A /μs ) ；

L1——引下線的單位長度電感(μH/m) ，一般取定值，等于1.5μH/m；

h1——計(jì)算點(diǎn)到接地體（或最近的等電位連接環(huán)）之間的距離。

3.2 防雷系統(tǒng)和電氣裝置接地系統(tǒng)隔離

當(dāng)按“南文”的做法將防雷系統(tǒng)和電氣裝置接地系統(tǒng)隔離時，見圖4。

當(dāng)發(fā)生雷擊建筑物時，因防雷接地極和電氣裝置接地極隔離，理想情況下，可認(rèn)為電氣裝置MET的電位接近為0V。無論是否設(shè)置均壓環(huán)，閃絡(luò)電壓均接近為：

圖4 防雷系統(tǒng)和電氣裝置接地系統(tǒng)隔離時的閃絡(luò)

圖5 防雷系統(tǒng)和電氣裝置接地系統(tǒng)連接時的閃絡(luò)

由此可見，由于防雷系統(tǒng)和電氣裝置接地系統(tǒng)隔離，雷電流引起的高電位與電氣裝置接近于0V的低電位之間有很大電位差，使得均壓環(huán)沒有產(chǎn)生明顯的優(yōu)化效果，未實(shí)現(xiàn)“南文”中所預(yù)想的“降低火花或者閃擊的概率、均衡電位、降低反擊電壓”等功能。

3.3 防雷和電氣裝置共用接地系統(tǒng)

當(dāng)防雷系統(tǒng)和電氣裝置共用接地系統(tǒng)時，如圖5所示，設(shè)置均壓環(huán)，并采用等電位連接后，閃絡(luò)電壓為Uab=Uae=L1×hx1×di/dt。通常hx1遠(yuǎn)小于h1，使得引下線的雷電閃絡(luò)電壓大大減小，有利于設(shè)備安全運(yùn)行，以及人員的生命安全。

3.4 防側(cè)擊措施

由于“南文”未介紹本案例的樓層高度104.75m×80%=83.8m以上部位的防側(cè)擊措施，本文不宜猜測，也不做討論。

4 標(biāo)準(zhǔn)問題及其影響

“南文”認(rèn)為“BS EN 62305:2006和我國的防雷接地標(biāo)準(zhǔn)截然不同”。實(shí)際上，我國防雷規(guī)范一直和國際電工組織TC81委員會的標(biāo)準(zhǔn)有著密切的聯(lián)系，如，GB 50057-94是基于對IEC 61024的修改；GB 50057-94（2000版）修訂時增加了IEC 61312防電磁脈沖的相關(guān)內(nèi)容；GB 50057-2010主要引用了IEC 62305系列規(guī)范的內(nèi)容。我國的建筑物防雷國家標(biāo)準(zhǔn)如果能像歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會那樣，直接將IEC 62305引進(jìn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)供成員國執(zhí)行，相信會消除很多誤解。

和我國的防雷接地標(biāo)準(zhǔn)截然不同的是《EWR》。其標(biāo)準(zhǔn)中要求“防雷保護(hù)系統(tǒng)和電氣裝置接地系統(tǒng)應(yīng)做隔離”和“防雷接地極和電氣裝置的接地極應(yīng)有7m間距”等規(guī)定不合理，落后于中國標(biāo)準(zhǔn)，由此導(dǎo)致了“南文”中部分方案的先天不足。

特別需要注意的是，由于要求防雷系統(tǒng)和電氣裝置接地系統(tǒng)隔離，直接產(chǎn)生上文3.2中防雷系統(tǒng)接地極對MET及其所連接的電氣裝置的反擊電壓I×R0的存在，此反擊電壓在整個建筑物內(nèi)普遍存在、如影隨形；即使當(dāng)防雷接地體的接地電阻R0=1Ω，I×R0仍有達(dá)到幾百千伏的可能，這是極大的安全隱患。

5 結(jié)論

1） 本項(xiàng)目的防雷接地體應(yīng)采用環(huán)形接地體，不宜采用垂直接地體（接地井方案）；

2） 各類電氣設(shè)備不應(yīng)單設(shè)接地體，不應(yīng)將防雷接地和電氣裝置接地隔離，而應(yīng)由MET集中引出接地線，并設(shè)置防雷和電氣裝置共用的聯(lián)合接地體；

3） 防雷引下線數(shù)量偏少，應(yīng)沿建筑物周邊均勻設(shè)置引下線，以達(dá)到減少閃擊和防電磁干擾的目的；

4） 僅對于防雷而言，總等電位連接比減小接地電阻更重要；

5） 《EWR》部分條款不合理，執(zhí)行此標(biāo)準(zhǔn)的我國工程師應(yīng)引起注意。

[1] Vernon Cooray. Lightning Protection[M]. The Institution of Engineering and Technology,London,United Kingdom 2010, 377.

[2] BS EN 62305-2, 2006[S]. European Committee for Electrotechnical Standardization. 2006.

[3] BS EN 62305-3, 2006[S]. European Committee for Electrotechnical Standardization. 2006.

[4]The Electricity Wiring Regulations 2007 (Revision 1) [S]. Regulation and Supervision Bureau. 2009.