雷電流溫升與防雷引下線問題的探討

李雪，孟陳 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

1 引言

雷電是雷云之間的電荷積累到一定條件后產生的放電現象。人類通過對雷電現象長期的觀測，統計觀測結果，形成一套完整的防雷理論體系。建筑物防雷裝置從上到下為接閃器、引下線、接地裝置三部分。防雷引下線是建筑物防雷裝置的重要組成部分，引下線泄雷時急劇升溫，因此對其直徑和截面必須有嚴格的規定，否則將危害人類安全。本文研究溫升和防雷引下線直徑和截面的關系，為防雷引下線的合理選擇提供了一些參考。

2 防雷引下線的選擇

2.1 引下線的材質

建筑物防雷裝置中的接閃器將雷電吸引過來，經過引下線傳至接地裝置。通過大量實驗表明，材質不同時，雷電流引起的溫升不同，不同材質的溫升依次為鋼、鋁、銅，因此，宜選用熱鍍鋅圓鋼或扁鋼，優先采用圓鋼。鋼筋混凝土結構或鋼結構建筑，一般優先利用自身的鋼柱等作為引下線，并將建筑內所有金屬部件應與引下線及接地裝置可靠連接，以形成電氣通路。

2.2 引下線分流系數kc

對于單根分流系數k計算如圖1所示。

圖1中，h～h為防雷引下線內各環形導體間的距離；c、c為雷擊處至臨近引下線之間的距離；式中，c取c、c最小值。一般情況下，單根引下線時，k取1；多根引下線不形成閉合環或兩根引下線時，k取0.66；引下線根數n ≥ 3，當接閃器成閉合環或網狀的多根引下線時，k取0.44。

圖1 單根分流系數kc取值

圖2 環形多根分流系數kc取值

3 引下線規格和溫升的關系

3.1 引下線直徑的選擇

防雷裝置中接閃器將雷電流引至建筑物時，雷電流經過分流后流入建筑物內鋼筋或者圓鋼只有很小的一部分，大量資料統計表明，最終溫度可按80℃考慮。起始溫度取40℃，溫升40℃是一個相對安全值。本文以二類防雷建筑為例，通過大量的實驗表明，引下線直徑越小，阻性越大，雷電流引起的溫升越高。一根φ10mm計算后的溫升為38.96℃，小于40℃，滿足要求。實際工程中，鋼筋混凝土中都有多根鋼筋并聯組成，經過一系列分流后，每根鋼筋的溫升遠遠小于80℃。因此，基于安全考慮，《建筑物防雷設計規范》（GB50057-2010）規定，混凝土中作為防雷裝置的鋼筋或者圓鋼，僅為一根時，直徑不應小于φ10mm，混凝土中其他有箍筋連接的鋼筋構件作為防雷裝置時，截面積總和不得小于單根φ10mm的截面積。

3.2 引下線截面和溫升的關系

目前，新建建筑物是利用混凝土中的鋼筋作為引下線。根數多時，每根引下線分流的雷電流少，發熱量較低；根數少時，發熱量較大。本文以第二類防雷建筑為例進行計算。我國土壤最熱月平均溫度為基準，混凝土起始溫度取30℃，最終溫度取99℃，含水量按照5%計算。邊長取1m，1m體積基礎混凝土的熱容量計算如下：

Q=(C+0.05C)M× △T

式中：C——混凝土比熱容[J/（kg·K）]，取8.82 × 10J/(kg·K)；

C——水的比熱容[J/（kg·K）]，取4.19 × 10J/(kg·K)；

M——邊長1m混凝土立方體的質量（kg/m）,取值2.1 × 10kg/m；

△T——溫度差，△T=（最終溫度99℃）-（起始溫度30℃）=69℃。

雷電流從鋼筋表面流入混凝土時產生的熱量為：

式中：ρ——溫度30℃～99℃時，混凝土的平均電阻率取120Ωm。

令 Q=Q，得到

ρ∫idt=1.58× 10，ρ取 120Ωm，那么，∫idt=(1.58 × 10)/120=1.32MJ/(Ωm)。

上述計算結果說明，雷電流經引下線流入大地時，1m鋼筋表面流入混凝土產生的單位能量應不大于1.32MJ/Ω。

雷電流是由一個或多個不同的雷擊組成，根據國際大電網會議（GIGRE）提供的相關資料，繪制出雷電流的累積概率分布曲線，如圖3所示。

圖3 短時間雷擊電流波形圖

T為波頭時間，定義為雷電流波頭由10%電流峰值到90%電流峰值時間間隔的1.25倍；T為半值時間，定義為自原點開始，電流峰值下降到一半所需要的時間。短時間雷擊電流的波頭陡度定義為雷電流的變化率，即di/dt。

《建筑物防雷設計規范》（GB50057-2010）采用IEC-TC81新頒布標準，制定出雷電參數見表1～表3。

首次正極性雷擊的雷電流參數 表1

首次負極性雷擊的雷電流參數 表2

首次負極性以后雷擊的雷電流參數 表3

4 結語

雷電流持續的時間一般可達到數百毫秒甚至1s以上，峰值電流可達到數十至數百千安，因此，雷電伴隨巨大的熱量。本文通過雷電流溫升這個角度，對引下線直徑和截面積的選擇進行分析，得出引下線直徑越小，截面積越小，溫升越高，對建筑物造成的損壞越大。因此，《建筑物防雷設計規范》（GB50057-2010）中對引下線直徑和截面的規格提出明確要求，以保證建筑物的安全。實際工程設計中，新建鋼筋混凝土結構或鋼結構建筑應充分利用自身的鋼筋作為防雷引下線，一方面有利于節約成本，另一方面有利于降低分流系數k的值，從而減少流經引下線的雷電流，進而降低溫升。本文從溫升的因素對防雷引下線進行分析探討，希望對從事防雷行業的工作者起到一定的參考作用。