防雷保護設計問題分析和探討

萬收蘭

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

雷電流流經接地裝置時，會引起接地裝置的地電位升高，并在土壤中形成一定的地表電位分布，此時當人在接地裝置附近走動，將會危及到其自身的安全，接地裝置設計的一個主要的目的是減少或消除在雷電流作用時的人身安全隱患[1-2]。

人在遭受雷擊時受到的傷害，相比人觸及帶電設備時產生的電擊對人身造成的傷害有明顯的不同[3]。在防雷設計中，如何設計外部防雷系統以防止或減小雷電流流經防雷裝置時對人身所造成的傷害，是設計的主旨之一。雷電流對人體傷害的主要因素是接觸電壓和跨步電壓，根據長期以來對雷電所造成的事故數據分析得出，相比較于跨步電壓，接觸電壓更容易給人體帶來致命性危害[4]，因此本文主要針對雷電接觸電壓討論。

有關防止接觸電壓的措施，GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》[5]中第4.5.6條規定了防接觸電壓應符合下列規定之一： 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；…”。該條規定中對柱子數量的要求參考了IEC 62305-3： 2010的原文，該標準中并沒有給出定性和定量的解釋，但對其進行理論上的分析和探討，不少于10根柱子時，每根柱子分流較少，較安全，這是最直觀的合理解釋。但筆者認為該標準編制人員應該做過相關近似計算，根據預期可能的雷電流幅值，考慮10根柱子中鋼導體的總阻抗，結合人體承受一定幅值電流和時間累積的效應而受到不同程度傷害的已有研究成果，而確定了該數值。

1 單位能量的閾值

雷擊能對人身造成很大的傷害甚至危及生命，這一主題已有大量科學的研究和文獻，但該主題涉及到的數值估算和實驗數據相對較少，有的研究命題或結論甚至沒有內在的、理論上的聯系[6]，也不能從理論上解釋雷電流對人體能造成不同程度危害的關系，比如Dalziel[6]提出的避免人體心室纖維性顫動最大的允許電流公式如式(1)所示：

Icr≤Kt0.5

(1)

式中：Icr——電流的閾值；K——系數，一般取0.065～0.165 A·s-1；t——電擊的持續時間。

而Ossypka[6]則提出雷電流流經人體時人不會受到傷害的電荷公式如式(2)所示：

Qcr≤0.1IAt

(2)

式中：Qcr——電荷量的閾值；IA——電擊電流的數值。

事實上，電流的臨界值或有害電擊的電荷量不能用一個簡單的函數來描述，式(1)～式(2)是基于工頻頻率為50 Hz或60 Hz的交流電流對人體的電擊效應的分析，當電擊持續時間小于或大于心博周期時，對心室纖維性顫動的影響是有很大區別的[7]。基于工頻電流對動物的電擊實驗，Dalziel認為能量為50 J的沖擊電流是安全的；生物電磁研究小組認為，人體吸收10～50 J的能量會引起心室纖維性顫動[8]。因此，電流-時間和電荷-時間的描述(如上所述)已被人體能夠吸收的能量標準取代。

2 雷電對人體的危害

2.1 人體遭受的雷擊的主要形式

人體所能遭受的雷擊的主要形式及發生概率見表1 所列。

表1 雷擊主要形式及發生概率 %

當先導閃電到達地平面上空幾十米高度時，電場強度達到了臨界值，導致從導電物到受害軀體之間引發了一個短而上行的流光電流，構成直接雷擊。

當雷電流通過一個物體，人體不碰觸它而又靠近它時，該物體可能以接觸電壓同樣的方式升高電位，由此產生的電位差可能超過該物體和靠近其站立的人之間的電氣間隙擊穿強度，于是發生了側面閃擊。

雷電流自接地電極經周圍土壤流散時，會在土壤中產生壓降并形成一定的地表電位分布。當人站立于接地電極附近的地面上用手去接觸接地導體時，人的手和腳將具有不同的電位，形成了接觸電壓。人體兩腳接觸該兩點時就會承受跨步電壓。

當受害者位于閃電先導區域內時，可能從他們自身產生一個短而向上的先導閃電。然而，其最終沒有加入到階梯先導閃電的雷電通道中，在短期內當足夠量的流光電流流過受害者時會產生損傷。

2.2 人體電阻

人體遭受以上各種形式的雷擊時，會受到不同程度的傷害，與此相關的因素之一就是人體電阻。人體可近似看成一個電阻，但要確定包括人體皮膚電阻在內的人體電阻值是非常困難的，對此不同的學者建議采用500 Ω至幾千歐姆的電阻值。

IEEE Std 80： 2013《變電站安全接地導則》[9]認為： 一般情況下，人體因接觸電壓或跨步電壓而遭受電擊時電流通路是從一只手到兩只腳，或者從一只腳到另一只腳，人體的內阻接近300 Ω，其中人體電阻值(含皮膚)范圍在0.5～3 kΩ。隨著接觸點皮膚的損壞或戳破，人體電阻會下降。以被測對象皮膚完整程度在95%，50%，5%三個值為例，工頻電流作用時接觸電壓UT與人體電阻RB的關系如圖1所示。

圖1 工頻電流作用時UT與RB的關系示意

另外，RB與施加于人體的電壓UT有關，圖2所示為德國Freiberger提出的RB與UT、皮膚的干燥狀態等的關系。皮膚潮濕與干燥，其對應電阻可相差3倍以上[2]。

2.3 人體遭受雷擊的傷害

人在遭受雷擊時所受的傷害程度，決定于通過人體的雷電流數值大小，而后者又取決于人體電阻的大小。中國國家標準[10]采用了雷電單位能量(比能量)的定義，是雷電流的平方在整個雷閃持續期內對時間的積分，即： 它表示雷電流在單位電阻上耗散的能量(W/R)。單位能量與雷電流之間的關系如式(3)所示：

W/R=Wd/RB

(3)

式中：W/R——單位能量，J·Ω-1；I——雷電流峰值，kA；t2——半峰值時間，μs；Wd——人體吸收能量。

圖2 RB與UT及皮膚干燥狀態的關系示意

經過式(3)的變換，雷電流的峰值計算如式(4)所示：

(4)

3 引下線的分流原則

建筑物防雷引下線上流經雷電流的大小，與雷擊點的位置和引下線的數量及引下線的分布有關[11]，在工程計算中對雷擊點、較遠導流點以及引下線處流經雷電流數值大小要經過周密地分析，有多條引下線的網狀接閃器和分流系數kc值關系如圖3所示。

圖3所示雷電流的分流原則如下：

1)雷擊點。電流在雷擊點分為若干可能的電流路徑進入網狀接閃器中。

2)較遠的節點(接頭)。電流在網狀接閃器中任意一個較遠的節點處減少50%。

3)引下線。電流再次降低50%，但分流系數kc值不應小于1/n(引下線總數n，即kc≥1/n)。

必須考慮從雷擊點到屋頂邊緣的kc值，不需要考慮沿屋頂邊緣到引下線的路徑。沿引下線的kc值取決于屋頂邊緣連接的接閃器的kc值。如果從雷擊點到屋頂邊緣之間的網格較少，則應使用開始接近距離點的相關kc值。如果存在內部引下線，則應將其考慮在n值內。

圖3 有多條引下線的網狀接閃器和kc值關系示意

4 計算實例

綜上所述，設置Wd=50 J，RB=500 Ω，引下線的數量n=10，雷電流參數的選取可詳見文獻[10]中表3內的相關數據，t2=350 μs。

預計每根引下線所承載的雷電流值TD如式(5)所示：

(5)

總的雷電流值IL如式(6)所示：

(6)

式(6)計算結果與10/350波形的最大給出的雷電流值相一致。

5 結束語

文獻[5]中防接觸電壓措施中“不少于10根柱子組成的自然引下線…”的規定，之前見到的只是定性的分析。本文通過相關計算找到定量的解釋及理論依據，從而為工程設計中更安全合理的防雷設計提供可靠的技術保障。實際工程實施中，一般用建筑物柱內鋼筋作引下線，施工中建筑物的梁柱內的鋼筋都連成了可靠的電氣通路并接入地下主接地網，實際引下線的數量遠超規范規定的10根柱子，每根柱子分流較少，安全性、經濟性都很好，是可廣泛采用的防雷保護措施。