建筑物防雷的若干问题

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  中元国际工程设计研究院林维勇

1.关于10/350μs冲击电流波形


1.1 美国通信和信号电路
　　在IEEE Std C62.36－1991 [1]中有表1的波形。
　　在IEEE Std C62.64－1997[2]中有表2的波形。
　　在IEEE Std C62.36－2000[3]中有表3的波形。
1.2 国际电工委员会标准IEC 61643－21:2000 〖4〗
　　其用于测试的电压和电流波形列于表4。
1.3 有关涉及美国交流低压电力电路电涌的信息
　　（1）介绍有38个国家275名专家参加、于2000年9月18－22日召开的第25届国际防雷会议（ICLP）的文献[5]提到：
　　IEEE关于用在交流低压电网的过电压保护器的标准目前（指2000年9月）正进行广泛修订。涉及三方面的问题：电涌的威胁值、试验的冲击波形和试验方法。分两大类：第Ⅰ类规定间接雷击效应，适于采用过电压保护器；第Ⅱ类规定对一部分直接雷击电流的效应，引入试验电流的典型波形10/350μs，因此，对第Ⅱ类适于采用有通一部分雷电流能力的保护器。通过引入这两种分类和相应试验冲击电流的定义后，IEEE标准就将与IEC标准趋向协调。
　　IEEE于2000年出了三本有关的标准草案，它们是：
　　a) IEEE标准号P C62.41.1，交流低压（1000 V及以下）电力电路的电涌环境的指南草案，2000年〖(IEEE Standard No.: P C62.41.1 Draft guide on the surge environment in low－voltage (1000 V and less) AC power circuits 2000〗
　　b) IEEE标准号P C62.41.2，交流低压（1000 V及以下）电力电路的电涌特性的推荐实用标准草稿，2000年〖IEEE Standard No.: P C62.41.2 Draft recommended practice on characterization of surges in low－voltage (1000 V and less) AC power circuits 2000〗
　　c) IEEE标准号P C62.45，对接至交流低压电力电路的设备的电涌试验的推荐实用标准草案，2000年（IEEE Standard No.: P C62.45 Draft recommended practice on surge testing for equipment connected to low－voltage AC power circuits 2000）
　　笔者阅读过a)和c)这两本标准草案，其内容有涉及前面（1）项所介绍的。c)项有如下表5的一个表。
1.4 小结
　　国际电工委员会的有关技术委员会（如TC 37A、TC 64、TC 81）所编写的相关标准均引入10/350μs冲击电流波形，它们之间是一致的，没有矛盾。
　　美国IEEE标准，在通信和信号方面自1991至2000年均有10/350μs的电流波形，不过以前的最大电流值仅为144A，2000年的标准提高到2.5 kA，与IEC 61643－21的标准一致,见表1～表4 中标有“ ＊ ”号之处。在建筑物内的低压配电线路，自1991至2000年仅有8/20μs的电流波形。若目的在于防雷击感应过电压、室外电源线路在远处遭雷击引入的过电压以及操作过电压，采用8/20μs的电流波形是对的，与IEC的标准一致。若要防建筑物遭雷击及其附近遭雷击的效应，仍然采用8/20μs的电流波形就与IEC的标准有矛盾。从前面介绍的信息看，这一矛盾正在改变中。

2.对《建筑物防雷设计规范》GB 50057－94(2000年版)的两点说明


　　(1) 有人对第6.4.7条中的“当线路有屏蔽时，通过每个SPD的雷电流可按上述确定的雷流的30 ％考虑”有意见，认为30 ％太大。本规定是根据[6]的有关资料定的，在其第189页上有如下的说明：In the case of shielded cable, both ends shall be bonded to earth directly or via an SPD. In this case, the main part of the cable lightning current will flow in the shied (typically 50 ％) and a lower part of the current will flow through the inner conductors. [在屏蔽电缆的情况下，屏蔽层的两端应与地直接或经SPD等电位连接。在这种情况下，流经电缆的雷电流的大部分将流入屏蔽层（典型值是50 ％），小部分将流入电缆内部的导体。]规范规定的30 ％比50 ％少了20 ％。
　　(2)有人对上述同一条中的“当按上述要求选用配电线路上的SPD时，其标称放电电流In不宜小于15 kA"的意见是：In(10/350)定为15 kA太大。10/350是提意见人自己加的。标称放电电流In规范没有说是10/350的波形，只规定是8/20μs的波形。在规范的附录八中对标称放电电流In的解释是：“流过SPD、8/20μs电流波的峰值电流。用于对SPD做Ⅱ级分类试验，也用于对SPD做Ⅰ级和Ⅱ级分类试验的预处理”。规范这样规定的值大吗？

3. 关于连接于低压配电系统的SPD的最大持续运行电压Uc


3.1 IEC 60364－5－534:1997标准的规定：
　　534.2.3 SPD的最大持续运行电压Uc不应小于电涌保护器（SPD）端子间的实际最大持续电压。
　　在TT系统，安装在剩余电流保护器负荷侧且接于相线、N线与PE线之间的SPD，其Uc不应小于1.5 U0。[注：GB 50057－94（2000年版）增加防老化5 ％，所以定为1.55 U0。]
　　在TN系统的SPD和在TT系统安装在剩余电流保护器电源侧且接于相线与N线之间的SPD，其Uc不应小于1.1 U0，在上述TT系统的情况下接于N线与PE线之间的SPD要符合534.2.3.2的要求或采用放电间隙。[注：GB 50057－94（2000年版）增加防老化5 ％，所以定为1.15 U0。]
　　在IT系统中，Uc不应小于线间电压U0。
　　注1：U0是低压系统相线至中性线的电压。
　　注2：在扩展的IT系统中，Uc可能需要采用更高的值。
　　534.2.3.2 SPD及其串联的保护件应能安全地承受暂态过电压（见IEC 60364－4－442）。
　　534.2.3.3 SPD应符合IEC61643－1的要求。有关SPD的选择和应用的其它信息见IEC 61643－12。
3.2 IEC－TC64/1121/CD（2000－02－04）文件中的规定：
　　534.2.3.2 关于持续运行电压Uc的选择
　　SPD的最大持续运行电压Uc应等于或大于以下表6的数值。
　　534.2.3.3 关于暂态过电压（TOV）的选择
　　按534.2.3选择的SPD预期能安全承受低压系统内故障引起的暂态过电压（见IEC60364－4－442）。
　　注：不包括断中性线的故障。
　　在由于高压系统接地故障引发的暂态过电压TOV的情况下，连接于PE线的SPD，为达到安全损坏，应通过IEC 61643－1的7.7.4节的试验。
3.3 IEC 60364－5－53 Amend.1 Ed.3(2002－04)的规定：
　　534.2.3.2 关于持续运行电压Uc的选择
　　SPD的最大持续运行电压Uc应等于或大于以下表7的数值。
3.4 IEC 61643－1 Amendment 1的附表见表8：
3.5 综上所述，SPD产品若按3.4项做了耐暂态过电压的试验，其UC按前面表7考虑，另加5％防老化，取Uc≥1.15 U0。（即对于我国220/380V系统，表中的1.1U0改用1.15U0）


4.有关利用建筑物钢筋体做防雷装置的问题


4.1 钢筋的连接
　　建筑物防雷设计规范GB 50057 － 94第3.3.5条六款规定：构件内有箍筋连接的钢筋或成网状的钢筋，其箍筋与钢筋的连接，钢筋与钢筋的连接应采用土建施工的绑扎法连接或焊接。单根钢筋或圆钢或外引预埋连接板、线与上述钢筋的连接应焊接或采用螺栓紧固的卡夹器连接。
　　中华人民共和国行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3 － 2002（J186 － 2002）第6.4.5条规定：柱的纵筋不应与箍筋、拉筋及预埋件等焊接。
　　因此，为满足上述行业标准的规定，在高层建筑的纵筋上的连接不应采用焊接，应按上述GB 50057的要求，按不同情况采用土建施工的绑扎法连接或螺栓紧固的卡夹器连接。
4.2 利用柱子金属体做引下线时它们之间的连接
　　GB 50057第3.3.6条三款的规定：在符合本规范第3.3.5条规定的条件下，对6 m柱距或大多数柱距为6 m的单层工业建筑物，当利用柱子基础的钢筋作为防雷的接地体并同时符合下列条件时，可不另加接地体：（1）利用全部或绝大多数柱子基础的钢筋作为接地体；（2）柱子基础的钢筋网通过钢柱，钢屋架，钢筋混凝土柱子、屋架、屋面板、吊车梁等构件的钢筋或防雷装置互相连成整体；（3）在周围地面以下不小于0.5 m ，每一柱子基础内所连接的钢筋表面积总和大于或等于0.82 m2（注：这适用于第二类防雷建筑物，对第三类防雷建筑物改为大于或等于0.37 m2）。
  与上述规定有关，前述IEC的81/205/CD文件草案指出（5.3.5），当利用建筑物金属体或互相连接的钢筋体做引下线时，不需要设环形连接导体（环形连接导体是环绕建筑物的一根环形导体，用来连接各引下线，使雷电流在它们之间均衡分配）。在其8.1节中指出，为防止在建筑物外邻近引下线处发生接触电压危险，当利用建筑物金属结构的几根柱子或钢筋混凝土建筑物钢筋互相连接的几根柱子做引下线时，将会减小这种危险。

参考文献

〖1〗 IEEE Std C62.36－1991, IEEE standard test methods for surge protectors used in low－voltage data, communications, and signaling circuits
〖2〗 IEEE Std C62.64－1997, IEEE standard specifications for surge protectors used in low－voltage data, communications, and signaling circuits
〖3〗 IEEE Std C62.36－2000(Revision of IEEE Std C62.36－1994), IEEE standard test methods for surge protectors used in low－voltage data, communications, and signaling circuits
〖4〗 IEC 61643－21: 2000, Low－voltage surge protective devices—Part 21: Surge protective devices connected to telecommunications and signaling networks—Performance requirements and testing methods
〖5〗 Wolfgang Zischank, Fridolin Heidler, Ralph Brocke, Peter Zahlmann; ICLP 2000－Internationale Blitzschutzkonferenz, etz, 2001, Heft 1－2, 14－19 ss.
〖6〗 IEC 61643－12: 2002, Low－voltage surge protective devices—Part 12: Surge protective devices connected to low－voltage power distribution systems—Selection and application principles1