第10章 建筑防雷及接地系统

通过本章的学习：熟悉雷电的形成及对建筑的危害；安全用电的基本知识；掌握建筑物的防雷分类、防雷设施组成部分；建筑防雷措施；低压配电系统的接地型式；建筑的等电位联结；能够熟练使学生了解建筑防雷与接地的重要性及基本技术要求。10.1.1雷电的形成雷电是一种自然放电现象。处于天空中带有不同电荷的云间出现放电时，所产生的强烈的光和热。雷电的本质是高压电，放电时会产生下列各种物理效应和作用：10.1雷电的形成及对建筑的危害楼板被击穿线路被击坏（１）电效应。雷电放电时，产生的高达数万伏的冲击电压，足以烧毁电力系统的变压器等电气线路和设备，引起绝缘击穿而发生短路，引发火灾和爆炸事故。（２）热效应。当数万伏的冲击电压形成的强大电流通过导体时产生的热量可以熔化50～200mm长度的钢筋。因此在雷电通道中产生的高温常会酿成火灾。（3）机械效应。雷电流产生巨大的电动力和物体内部的水分急剧蒸发而产生的内压力，两种力作用于同一物体中，就会使其承受不了而断裂、垮塌和折损。（４）静电感应。当金属物处于雷云与大地中时，金属物会感生出大量的电荷。产生高达数万伏的对地电压，可以击穿数十厘米的空气间隙，发生火花放电。（５）电磁感应。在雷电周围的空间里，存在着强大的交变电磁场，这会使处在构成闭合回路的金属物产生感应电流。若回路上某处接触电阻较大，就会局部发热或发生火花放电。（６）防雷装置上的高电压对建筑物的反击作用。反击可能引起电气设备的绝缘损坏、金属管道烧穿或者火灾、爆炸事故。10.1.2雷电对建筑物的主要危害（１）直击雷。雷云直接对建筑物或地面上的其他物体放电的现象称为直击雷。雷云放电时，雷电流可达上百千安，从而产生极大的破坏作用。图10-1所示为直击雷示意图。雷电流通过被雷击物体时，产生大量的热量，使物体燃烧。被击物体内的水分由于突然受热，急剧膨胀，还可能使被击物劈裂。所以当雷云向地面放电时，常常使房屋倒塌、损坏或者引起火灾，造成人畜伤亡。（２）感应雷。雷电感应是雷电的第二次作用，即雷电流产生的电磁效应和静电效应作用。(3)雷电波侵入当架空线路或架空金属管道遭受雷击，或者与遭受雷击的物体相碰，以及由于雷云在附近放电，在导线上感应出很高的电动势，沿线路或管道将高电位引进建筑物内部，称为雷电波入侵。可能发生火灾及触电事故。(4)雷击电磁脉冲指雷电直接击在建筑物防雷装置或建筑物附近所引起的效应。它是一种干扰源，绝大多数是通过连接导体的干扰，如雷电流或部分雷电流、被雷电击中的装置的电位升高以及电磁辐射干扰。10.2建筑物的防雷分类建筑物根据其重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，按防雷要求分为三级。第一类防雷建筑物1.制造（使用、贮存）炸药（火药、起爆药、火工品等）大量爆炸物的建筑物，因电火花而引起爆炸，会造成巨大破坏和人身伤亡2.具有0区或10（20）区爆炸危险环境的建筑物3.具有1（或21）区爆炸危险环境的建筑物，因电火花引起爆炸，会造成巨大破坏和人身伤亡。第二类防雷建筑物1国家重点文物保护的建筑物2国家级会堂、办公、展览建筑物、大型火车站、国宾馆、国家档案馆、大城市重要给水水泵房3国家级计算中心、国际通讯枢纽等4特级和甲级体育馆5制造（使用、贮存）爆炸物质的建筑物，且电火花不易引起爆炸6具有1区（或21区）爆炸危险环境的建筑物，且电火花不易引起爆炸7具有2区或11（22）区爆炸危险环境的建筑物8工业企业内有爆炸危险的露天钢质封闭气罐9预计N＞0.06（0.05）次/a的部（省）办公建筑及重要或人员密集的公共建筑物10预计N＞0.3（0.25）次/a的住宅、办公楼等民用建筑物第三类防雷建筑物1省级重点文物保护的建筑物、省级档案馆2预计雷击次数≥0.01次/a，≤0.05次/a的部（省）办公建筑及重要或人员密集的公共建筑物，以及火灾危险场所。3预计雷击次数≥0.05次/a，≤0.25次/a的住宅、办公楼等一般民用建筑物或一般性工业建筑物。4在平均雷暴日＞15d/a地区，高度≥15m的烟囱、水塔等孤立建筑物；在平均雷暴日≤15d/a地区，高度≥20m的烟囱、水塔等孤立的高耸建筑物。10.3建筑防雷措施现在的建筑防雷措施主要是在建筑物上安装避雷针、避雷线、避雷网、避雷带或避雷器。①避雷针主要用来保护露天变电、配电设备，建（构）筑物等；②避雷线用来保护输配电线路；避雷网和避雷带用来保护建筑物；③避雷器是一种专门的防雷设备，用来保护电力设备。防雷接地电阻应定期测试。防直接雷击的系统通常由接闪器、引下线和接地装置组成。10.3建筑防雷措施10.3.1接闪器1.避雷针是指在建筑物的顶端所设置的最为突出的金属导体。避雷针的功能是引雷，将雷云放电的方向吸引到避雷针本身，然后经引下线和接地装置将雷电流引入地下，避免设备及建筑物等遭受雷击。一般用镀锌圆钢或焊接钢管制成，上部制成针尖形状，以便高端放电。圆钢截面积不得小于100mm2,钢管厚度不得小于3mm。直击雷防护装置的组成针长在１ｍ以下时，圆钢为DN12mm，钢管为DN20mm；针长在１～２m时，圆钢为DN16mm，钢管为DN25mm。避雷针避雷针的保护范围以它能防护直击雷的空间来表示。在避雷针的下方，有一个安全区域，在这个区域里的空间基本不会遭受雷击，该区域就称为避雷针的保护范围。对避雷针或避雷线的保护范围可用“滚球法”确定。所谓“滚球法”，就是选择一个半径为hr的球体，沿需要防护直击雷的部分滚动，若球体只触及接闪器或接闪器与地面，而不触及需要保护的部位，则该部位就在接闪器的保护范围之内。（1）当避雷针高度h≤hr时：①在距地面hr处作一平行于地面的平行线。②以避雷针的针尖为圆心，hr为半径。作弧线交平行线于A、B。（2）当避雷针高度h≥hr时：在避雷针上取高度hr的一点来代替避雷针的针尖作为圆心，其余的做法与第（1）项相同。避雷针安装①避雷针在屋面上的安装②烟囱避雷针安装③水塔避雷针安装２.避雷网和避雷带在建筑物顶部及其边缘处装设明装避雷带、避雷网是为了保护建筑物的表层不被击坏，多用于跨度较大的建筑物。一般用圆钢或扁钢制成，其尺寸不应小于下列数值:圆钢直径为8mm;扁钢截面积为48mm2,扁钢厚度为4mm。装设避雷针和避雷网是民用建筑物防雷的主要形式。①避雷带适合安装于建筑物的屋脊、屋檐（坡屋顶）或屋顶边缘及女儿墙上（平屋顶）。对建筑物易受雷击部位必须进行重点保护。混凝土支墩的预制图当不上人屋面预留支撑件有困难时，可采用预制混凝土支墩作避雷带（网）的支架，支架点间距均匀，且直线段部分不宜大于3m，转弯处不宜大于500mm。混凝土支墩按上图预制。②避雷网则适用于安装在较重要的防雷保护处。明装避雷网是在屋顶上部以比较疏的明装金属网格作为接闪器，沿外墙引下线，接到接地装置上。鸟巢运用了笼式避雷网避雷网示意图10.3.2引下线是指连接接闪器与接地装置之间的金属导体。利用它来将接闪器承受的雷电流引至接地装置，可分明敷和暗敷两种。引下线一般采用圆钢或扁钢制成，其截面积不应小于48mm2。目前建筑多采用结构柱钢筋做引下线，当钢筋直径为16mm及以上时，利用两根钢筋（绑扎或焊接）作为一组引下线；当钢筋直径为10mm以上时，利用四根钢筋（绑扎或焊接）作为一组引下线。（1）暗设圆钢、扁钢引下线敷设将圆钢或扁钢埋设在墙或柱内。（2）柱内主钢筋引下线敷设选定作为引下线的柱内主筋，一般选45°对角的两根主钢筋，并将所有引下线钢筋位置标示在隐蔽记录中。（3）明设引下线敷设外墙装饰施工由上而下，完成一段，引下线就随着施工一段，直到断接卡处。将断接卡安装好并与接地装置连接。10.3.3其他防雷设施①避雷器：作为一种防止雷电波侵入的电器装置，一般都是安装在高、低压电源引入处的配电装置内。②电涌保护器：又称浪涌保护器和过电压保护器。其作用在于限制瞬态过电压和分走电涌电流，属于一种电器元件，常用SPD表示。③等电位联结及屏蔽10.3.4接地装置1自然接地体的利用在设计和装设接地装置时，首先应充分利用自然接地体，以节约投资。条件允许时优先利用建筑物的基础（高层建筑物的桩基础、箱型基础等）做接地装置，这些基础连成的接地网有较大的电容，其冲击阻抗很小。自然接地体，是指埋入地下的金属结构、金属管道、金属井管、混凝土建筑物的基础钢筋及深水泵金属外套管等，在满足安全的前提下也可以作为接地装置。2人工接地体的装设人工接地体有垂直埋设和水平埋设两种基本结构形式，如图10-7所示。人工接地体一般采用钢管、圆钢、角钢或扁钢等安装和埋入地下，但不应埋设在垃圾堆、炉渣和强烈腐蚀性土壤处。最常用的垂直接地体为直径50mm、长2.5m的钢管，这是最为经济合理的。所有的接地体和连接条均要进行防腐和镀锌处理。图10-7垂直接地体和水平接地体的施工做法（a）垂直埋设的棒形接地体；（b）水平埋设的带形接地体10.4接地系统10.4.1接地形式接地就是指在系统与某个电位基准之间建立低阻的导电同路。“接大地”是以地球的电位为基准，并以大地作为零电位，把电子设备的金属外壳、电路基准点与大地连接。接地形式多种多样，常用的有以下几种：１.安全接地又称“保护接地”安全接地是将高压设备的外壳与大地连接。2.防雷接地为了防雷击，一般在高处设置避雷针与地相连，以防止雷击时危及设备和人身安全。可见防雷接地是为防雷保护装置（避雷针、避雷网、避雷线）向大地泄放雷电流提供通道。3.屏蔽接地屏蔽与接地应当配合使用才能起到良好的屏蔽效果。4.工作接地为保证电力系统和设备达到正常工作要求而进行的一种接地，例如电源中性点的接地、防雷装置的接地等。5.重复接地在TN系统中，为确保公共PE线或PEN线安全可靠，除在中性点进行工作接地外，还应在PE线或PEN线的下列地方进行再一次接地，称为重复接地。一旦零线断了，可以保护人身安全，大大降低触电的危险程度，如图10-10所示。10.4.2接地方式大型建筑物接地通常用以下两种方式：１.分散接地方式分散接地就是将通信大楼的防雷接地、电源系统接地、通信设备的各类接地装置以及其他设备的接地分别接入相互分离的接地系统。２.联合接地方式联合接地方式也称为单点接地方式，即所有接地系统共用一个共同的“地”。10.4.3接地电阻防雷装置的接地电阻值是指每年雨季以前开春以后测量的电阻值。防雷装置每年均应检查和测量一次，发现有损坏的地方应尽快修复，否则，危险性更大。建筑物接地装置的接地电阻值应符合下列规定：一级防雷建筑物其冲击接地电阻值不应大于10Ω；二级防雷建筑物其冲击接地电阻值不应大于20Ω；三级防雷建筑物其冲击接地电阻值不应大于30Ω。10.4.4低压系统中的保护接地形式一般来说，对地电压250V以下的交流电源系统称为低压系统。根据现行的国家标准《低压配电设计规范》（GB50054）的定义，按保护接地形式，将低压配电系统分为三种，即TN、TT、IT三种形式。第一个字母表示电源与地的关系。T表示电源有一点直接接地；I表示电源端所有带电部分不接地或有一点通过阻抗接地。第二个字母表示电气装置的外露可导电部分与地的关系。N表示电气装置的外露可导电部分与电源端有直接电气连接；T表示电气装置的外露可导电部分直接接地，此接地点在电气上独立于电源端的接地点。1.TN系统TN系统的电源变压器中性点接地，设备外露部分与中性线相连。按中性线与保护线的组合情况，TN系统有以下三种形式：①TN-S系统整个系统的中性线（N线）与保护线（PE）是完成分开的。一般适用于自带变配电室的大中型公建的配电系统。是目前应用最广泛的系统。②TN-C系统（见图10-11）整个系统的电源变压器中性点接地，中性线（N线）和保护零线（PE线）是共用的。系统的N线与PE线合并为PEN线。只适用于一般动力车间等场所。③TN-C-S系统（见图10-13）系统前一部分线路的中性线（N线）与保护线（PE线）是合并为一的，自某点（一般为电源进户处）分开后，就再也不允许合并。适用于对前级供电情况不很明确、要求不太高的场所，如较分散的居民住宅楼等。2.IT系统系统电源端的带电部分不接地（或有一点通过足够大的阻抗接地），电气装置的外露可导电部分直接接地