馬金福 吳劍強 鄭海祥 何文革

(1.湖州市氣象局，浙江 湖州313000;2.金華市氣象局，浙江 金華321000;3.溫州市氣象局，浙江 溫州325027;4.舟山市氣象局，浙江 舟山316021)

0 引言

GB 50057—2010《建筑物防雷設計規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)已于2011年10月1日實施，結合執(zhí)行過程發(fā)現(xiàn)的一些問題，許多學者及技術人員［1－4］進行了分析。筆者也發(fā)現(xiàn)《規(guī)范》的個別條款規(guī)定有不合理之處?，F(xiàn)就間隔距離、過渡電阻及跨接、電纜埋地敷設時裝設SPD及SPD沖擊電流值等方面的規(guī)定進行深入的探討和分析，理解其實質，掌握其原理，以更好地指導實踐，提高防雷工作的技術水平。

1 間隔距離計算的探討

《規(guī)范》第4.2.1條5，6款對第一類防雷建筑物的接閃器與被保護物之間做了如下規(guī)定:獨立接閃桿和架空接閃線(網(wǎng))的支柱及其接地裝置與被保護建筑物及與其有聯(lián)系的管道(電纜)等金屬物之間、架空接閃線(網(wǎng))至屋面和各種突出屋面的風帽(放散管)等物體之間均要保持一定的間隔距離?！兑?guī)范》還給出了間隔距離的計算公式，要求實際間隔距離大于公式計算值，即確保閃電電流不能擊穿導體之間的空氣或土壤。在公式推導過程中，其引用的參數(shù)有

電阻電壓降的空氣擊穿場強ER=500 kV/m;電感電壓降的空氣擊穿場強EL=600×(1+1/T1)kV/m，T1為雷電流的波頭時間，首次雷擊時 T1=10 μs，EL=660 kV/m;后續(xù)雷擊時 T1=0.25 μs，EL=3000 kV/m;土壤的沖擊擊穿場強取與空氣擊穿場強一樣的數(shù)值500 kV/m［5］。

事實上，土壤和空氣的擊穿場強并不是一個固定值，土壤的擊穿場強與土壤電阻率直接相關，電阻率越低，土壤中能移動的離子就越多，其擊穿場強就越小。因此電阻率低時擊穿場強小，電阻率高時擊穿場強大。土壤的沖擊擊穿場強一般在 200～1000 kV/m，平均為600 kV/m［5］。

空氣擊穿場強與氣壓、溫度及濕度等參數(shù)［6］有關。

當氣壓p增大時，空氣密度增大，帶電粒子在氣體中運動的平均自由行程減小，運動中積累的動能就小，電離能力就較小，因此空氣的擊穿電壓就高，反之則相反。當溫度t升高，空氣密度減小，帶電粒子在氣體中運動的平均自由行程增大，運動中積累的動能就大，電離能力也就較大，因此空氣的擊穿電壓就低，反之則相反。

空氣間隙的擊穿電壓隨氣壓和溫度的變化關系［6］可用公式(1)表示，擊穿電壓與氣壓成正比、與溫度成反比。

式中:U—在一定條件下的擊穿電壓;

空氣的濕度越大，間隙的擊穿電壓也會越高。空氣中增加的水分子捕獲自由電子而形成負離子，使電離能力下降，對氣體的放電過程起到抑制作用。

此外，海拔高度也會對擊穿電壓產(chǎn)生影響，海拔增加，氣壓下降、空氣密度減小，擊穿電壓降低。

一般情況下，根據(jù)《規(guī)范》給出的公式計算其間隔距離能夠滿足實際工作的需要，但在要求較高的場所，不能完全盲目的照搬公式，需從其原理出發(fā)，根據(jù)實際的擊穿場強的大小計算其間隔距離，以免影響防護效果。假如在土壤電阻率較低處，其土壤擊穿場強為200 kV/m，若按《規(guī)范》公式計算出來的間隔距離就會小很多，土壤很可能被擊穿，并對埋地管道和電纜造成影響。

2 過渡電阻及跨接的探討

《規(guī)范》第4.2.2條，對第一類防雷建筑物防閃電感應措施規(guī)定:當長金屬物的彎頭、閥門、法蘭盤等連接處過渡電阻大于0.03Ω時，連接處應用金屬線跨接，對有不少于5根螺栓連接的法蘭盤，在非腐蝕環(huán)境下，可不跨接。此條款實際上規(guī)定了兩種情況:一是能測量過渡電阻時，以過渡電阻值為標準確定是否要跨接。但在實際工作中，金屬管道往往四通八達且有許多分支，還有部分管道可能埋地，許多連接處的過渡電阻是難以精確測量的［7］，為此《規(guī)范》規(guī)定了按照法蘭盤螺栓的多少確定是否要跨接。但《規(guī)范》并沒有考慮螺栓的大小，很大的一根螺栓的過渡電阻有可能比很小的5根螺栓的過渡電阻還要小。目前很多法蘭盤是用4根螺栓緊固的，當螺栓比較大且未銹蝕時，其過渡電阻也許已足夠小，但由于過渡電阻難以測量，根據(jù)規(guī)定需要做跨接，顯然并不合理。

3 電纜埋地敷設時裝設SPD的探討

第一類防雷建筑物防閃電侵入措施，當室外低壓配電線路采用電纜直接埋地敷設時，沒有要求安裝電涌保護器，只需將入戶處電纜的金屬外皮、鋼管做等電位連接或接地;而當采用從架空線上換接一段有金屬鎧裝的電纜或護套電纜穿鋼管直接埋地引入時，則要求在電纜與架空線連接處安裝電涌保護器?！兑?guī)范》的條文說明對此做了解釋:一是考慮到架空線路有遭直接雷擊的可能性，為防止將架空線路上可能的過電壓引入到建筑物內，在架空線與埋地電纜轉換處應裝設SPD;二是由于全線埋地電纜的另一端配電箱內一般會要求裝設SPD，消除了全線埋地電纜引入過電壓的可能性。

從上述的條文說明可知，當電纜全線直接埋地引入時，并未明確要求安裝SPD，原因之一是全線埋地電纜的另一端配電箱內一般會要求裝設SPD，消除了全線埋地電纜引入過電壓的可能性。這樣的規(guī)定在實際工作中可能會出現(xiàn)以下兩個問題:一是全線埋地電纜的另一端配電箱內沒有安裝SPD，導致防雷措施的缺失;二是在防雷設計方案的審查中，往往是以單幢建筑物為單位，而忽略與其相連建筑物有關防雷措施的審查，并不知道另一端配電箱內是否裝設了SPD，在應用本條款審查設計方案時需加以注意。

4 第一類防雷建筑物裝設的SPD沖擊電流值的探討

為防止閃電直擊架空線路時高電位侵入建筑物造成危險，對于安裝有獨立接閃器的第一類防雷建筑物，《規(guī)范》第4.2.3條規(guī)定，當電纜采用先架空后埋地引入時，在電纜與架空線的連接處應裝設戶外型SPD，其每一保護模式應選沖擊電流等于或大于10 kA。

對于接閃器直接安裝在建筑物上的情況，《規(guī)范》第4.2.4條第8款規(guī)定，在電源引入的總配電箱處應裝設Ⅰ級試驗的SPD，其每一保護模式的沖擊電流，當無法確定時，沖擊電流應取等于或大于12.5 kA。

《規(guī)范》第4.2.3條的條文說明解釋了選取Iimp=10 kA是根據(jù)IEC 62305－1:2010的相關規(guī)定:當閃電擊在線路靠近用戶的最后一根電桿上，并且線路為多根導體(三相+中性線)時，第一類防雷建筑物的預期雷擊電涌電流按10 kA考慮(10/350μs波形);當閃電擊在建筑物上，第一類防雷建筑物的預期雷擊電涌電流按10 kA考慮(8/20μs波形。環(huán)路的電感和電阻影響所感應電流的波形，當略去環(huán)路電阻時，宜采用10/350μs波形)。詳見表1。

表1 低壓配電系統(tǒng)的預期雷擊電涌電流

《規(guī)范》第4.2.4條關于Iimp的規(guī)定是引用了《建筑物電氣裝置第5－53部分:電氣設備的選擇和安裝，隔離、開關和控制設備第534節(jié):過電壓保護電器》GB 16895.22—2004的規(guī)定:當按《雷電電磁脈沖的防護—第一部分:通則》IEC 61312－1規(guī)定裝設電涌保護器時，符合IEC 61643－1的雷擊沖擊電流Iimp應根據(jù)IEC 61312－1計算，如果電流值無法確定，則每一保護模式的Iimp值不應小于12.5 kA。實際上，當接閃器直接安裝在建筑物上時，接閃器遭雷擊時會使建筑物內的金屬管線感應出相應的雷電流，此處安裝的SPD主要用于限制感應電流和地電位反擊的，仍然可以參考表1給出的預期雷電電涌電流值，當無法確定Iimp時，取其等于或大于10 kA。對于同一參數(shù)值的選取本可以采用同一規(guī)范，卻采用了兩本規(guī)范的規(guī)定，欠妥當。

5 各類防雷建筑物裝設的SPD沖擊電流值的探討

《規(guī)范》中規(guī)定:第一、二、三類(各類)防雷建筑物低壓電源線路引入的總配電箱、配電柜處應裝設Ⅰ級試驗的SPD，每一保護模式的沖擊電流值，當電源線路無屏蔽層時可按(2)式計算;當電源線路有屏蔽層時可按(3)式計算;當無法確定時，均取其沖擊電流等于或大于12.5 kA。

式中:I為雷電流(kA)，第一類防雷建筑物取200 kA，第二類取150 kA，第三類取100 kA;

n為地下和架空引入的外來金屬管道和線路的總數(shù);

m為每一線路內導體芯線的總根數(shù);

RS為屏蔽層每公里的電阻(Ω/km);

RC為芯線每公里的電阻(Ω/km)。

《規(guī)范》中，當?shù)蛪号潆娋€路每一保護模式的沖擊電流值無法確定時，Iimp的確定不分建筑物的類別，均取等于或大于12.5 kA。但根據(jù)公式計算出的沖擊電流卻會因建筑物防雷類別的不同而取值不同，第一、二、三類防雷建筑物所要求的沖擊電流值是逐級遞減的。因此，可以認為關于Iimp各類防雷建筑物均取等于或大于12.5 kA的規(guī)定，不符合本規(guī)范依據(jù)防雷類別選取防護措施的原則，同時也與可計算的低壓配電線路每一保護模式的沖擊電流值的規(guī)定不統(tǒng)一。

根據(jù)上述分析，在配電線相同的情況下，若第一類防雷建筑物中低壓配電線路每一保護模式的沖擊電流值為12.5 kA，第二、三類應逐級遞減，第二類為9.375 kA，第三類為6.25 kA，這樣的規(guī)定符合《規(guī)范》防雷分類的原則，也符合IEC 62305－1:2010中引用的相關規(guī)定。

6 結語

通過上述分析，發(fā)現(xiàn)《規(guī)范》的規(guī)定為保證其條款的可操作性，部分規(guī)定并不精細，在防雷要求較高或與《規(guī)范》假定的條件出入較大時，僅套用條文的規(guī)定是不夠的，必須全面掌握其規(guī)定的實質，理解其原理，并應用于實際工作中，只有這樣才能解決實際工作中各種各樣的問題。

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