建筑物引下线防接触电压和跨步电压的措施

纪 名 祥

(上海建科检验有限公司, 上海 201108)

0 引 言

GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》(简称《雷规》)对引下线给出的定义为:将雷电流从接闪器传导至接地装置的导体。引下线的作用非常重要,良好的引下线能将雷电流从接闪器上迅速传导至接地装置并流散入大地,保护建筑物内系统(包括电气系统和电子系统)和附近居民的人身安全。当雷击直接击于安装在建筑物上的防雷装置时,在极短的时间(通常为微秒级)内雷电流便流经引下线,并通过接地装置泄放到大地中。在雷电流流经引下线过程中,引下线在微秒之内电位会瞬间升高数万伏至数十万伏,所以在引下线附近为了保护人身安全必须采取防接触电压和跨步电压的措施,否则会危及附近居民的人身及财产安全,甚至造成严重的人身伤亡事故。因此,对建筑物引下线防接触电压和跨步电压的措施进行研讨有着重要的意义。

1 接触电压和跨步电压的定义

接触电压:当人体的两个部位(一般常指人体的手指与接触地面的脚)同时接触到具有不同电位的两处时,在人体内就会有电流通过,这时加在人体两个部位之间的电位差称为接触电压[1]。

跨步电压:当土壤中存在较大接地电流时,人的两只脚分别站在具有不同电位的两处时,在人的两脚之间所产生的电位差称为跨步电压[1]。

2 《雷规》中防接触电压和跨步电压措施的判断与防护整改措施

《雷规》第4.5.6条规定:在建筑物引下线附近保护人身安全需采取的跨步电压的措施,应符合下列规定。

(1) 防接触电压应符合下列规定之一:① 利用建筑物金属构架和建筑物互相连接的钢筋在电气上是贯通且不少于10根柱子组成的自然引下线,作为自然引下线的柱子包括位于建筑物四周和建筑物内的柱子。② 引下线3 m范围内地表层的电阻率≥50 kΩ·m,或敷设5 cm厚沥青层或15 cm厚砾石层。③ 外露引下线,其距地面2.7 m以下的导体用耐1.2/50 μs冲击电压100 kV的绝缘层隔离,或用至少3 mm厚的交联聚乙烯层隔离。④ 用护栏、警告牌使接触引下线的可能性降至最低限度[2]。

(2) 防跨步电压应符合下列规定之一:① 利用建筑物金属构架和建筑物互相连接的钢筋在电气上是贯通且少于10根柱子组成的自然引下线,作为自然引下线的柱子包括位于建筑物四周和建筑物内的柱子。② 引下线3 m范围内土壤地表层的电阻率≥50 kΩ·m,或敷设5 cm厚沥青层或15 cm厚砾石层。③ 用网状接地装置对地面作均衡电位处理。④ 用护栏、警告牌使进入距引下线3 m范围内地面的可能性降至最低限度[2]。

3 防接触电压和跨步电压措施条款的理解

《雷规》第4.5.6条强制条款规定,凡在设计或施工中达到了其中任意一条的规定要求,就符合规范标准的要求,而不是要求所有条件全部都必须满足。当然,为了提高可靠性和安全性,应能尽量多地满足规范标准中的要求。

防接触电压和跨步电压的核心精髓为均衡和绝缘。防接触电压的第①条措施,防跨步电压的第①条措施和第③条措施都属于均衡措施;防接触电压的第②条措施和第③条措施,防跨步电压的第②条措施都属于绝缘措施。

防接触电压的第①条措施和防跨步电压的第①条措施是针对新建建筑物,不适用于古建筑,不少于10根引下线,通过分流,每根引下线分到的雷电流大大减小,产生的危害迅速降低至可接受水平。

防接触电压的第②条措施和防跨步电压的第②条措施,地表层的电阻率≥50 kΩ·m在现实中很难做到,即便实现,也加大成本投入。通过查资料知,混凝土在干燥大气中的电阻率为12～18 kΩ·m,而砾石只有3 kΩ·m,所以该条措施一般都采取后半句条款,即“敷设5 cm厚沥青层或15 cm厚砾石层”,这容易实现且成本较低。

防接触电压的第③条措施的前半句“外露引下线,其距地面2.7 m以下的导体用耐1.2/50 μs冲击电压100 kV的绝缘层隔离”,这是用绝缘套管作保护的防接触电压技术措施,避免人体直接接触到裸露的引下线而发生触电的危险情况。至于为什么是2.7 m,在《雷规》第4.5.6条的条款说明中给出解释:2.7 m是按人垂直向上伸手后人高2.5 m(根据IEC 62305-3:2010第67页图E.2),冲击电压100 kV击穿空气间隙按0.2 m考虑的,故2.5+0.2=2.7 m。引下线防接触电压示意图如图1所示。

图1 引下线防接触电压示意图

防跨步电压的第③条措施“用网状接地装置对地面作均衡电位处理”,这条条款目的是均衡电压,不会出现某处电压明显偏大的情况,有利于减小跨步电压。

防接触电压的第④条措施和防跨步电压的第④条措施是用护栏、警告牌使接触或进入距引下线3 m范围内地面的可能性降至最低限度。如果上述条件均不能满足,为避免接触电压或跨步电压导致的人身损伤,应采取防护措施,如活动限制(临时措施,如增加护栏;持久措施,如砌筑花坛)和(或)警告(如张贴危险警示标识)提示,使引下线被接触或接近跨步的概率最小化,将危险降低至最小限度。引下线危险警示标识示意图如图2所示。

针对防跨步电压的第④条措施,对3 m数据进行计算分析。雷击产生的跨步电压可以通过如下公式表示[3]:

图2 引下线危险警示标识示意图

式中:US——雷电流产生的跨步电压,kV;

Id——入地处的雷电流,kA;

ρ——土壤电阻率,取100 Ω·m;

s——人行走时两脚之间的距离,取0.8 m;

d——入地处雷电流与人靠近的那只脚之间距离,取3 m。

根据标准《雷规》第81页表F.0.1-1,取第二类防雷建筑物,雷电流幅值I=150 kA;第三类防雷建筑物,雷电流幅值I=100 kA,由Id=I/n,n为引下线数量,取2根、4根和10根情况(2根为防雷建筑物引下线最少数量要求,10根为防接触电压和跨步电压的第一条要求中引下线数量最小值)分别代入计算。第二、三类防雷建筑物不同引下线数量时雷击产生的跨步电压如表1所示。

表1 第二、三类防雷建筑物不同引下线数量时雷击产生的跨步电压

IEEE观点:雷电冲击情况下,人身耐受的冲击电流强度在百安数量级。我国研究者也认为:雷电流的危险值为100 A,雷电冲击情况下人体冲击电阻(即近似人体内阻抗)为300～500 Ω[4],由U=IR知,人体能承受的跨步电压为30～50 kV(在进行工频电压安全设计计算时,在干燥的环境条件下人体电阻一般取1 000～1 500 Ω,但在雷电流冲击下人体电阻在不同的幅值和频率时将呈现不同的阻值[5],所以在核算雷击情况时,人体冲击电阻不应取1 000～1 500 Ω)。

通过上述计算可知,第二、三类防雷建筑物在只有2根引下线的情况下,在距引下线3 m处最大幅值的雷电流产生的跨步电压足以致命。当引下线数量达到4根,或者建筑物引下线敷设方式为结构(引下线数量≥10根),则距引下线3 m处产生的跨步电压比较小,不足以导致人身伤亡事故,但是跨步电压产生的热效应作用可能会灼伤人的脚、腿部皮肤等。目前,我国大多防雷建筑物引下线数量>4根,且幅值雷电流占整体雷电流的比重非常小,雷击建筑物顶部接闪器后经分流,入地处的雷电流已经大大减小,所以距离引下线3 m处还是比较安全的。

4 结 语

GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》对“建筑物的防雷引下线附近保护人身安全需采取的防接触电压和跨步电压的措施”的条款要求,只要认真去落实满足规范标准中的一个(多个更好)要求即可有效地防接触电压和跨步电压。本文对建筑物防雷引下线防接触电压和跨步电压等选用的技术要求作了归纳与总结,并结合多年的防雷检测工作经验,对部分条款进行了较深层次的解释,供防雷减灾工作者参考。