屋面設備直擊雷防護的探討

余昌松　殷春生　王華卿　裘文君

(1.淳安縣氣象局,浙江 淳安311700；2.富陽區氣象局,浙江 富陽311400)

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屋面設備直擊雷防護的探討

余昌松1殷春生2王華卿1裘文君2

(1.淳安縣氣象局,浙江 淳安311700；2.富陽區氣象局,浙江 富陽311400)

摘要：簡要分析了屋面設備防直擊雷的必要性 ,根據建筑物幾何形狀及接閃桿相對位置對屋面設備防直擊雷的影響程度,選取不同的滾球基準平面, 用定量計算的方法推導出修正公式, 確定屋面接閃桿對設備直擊雷保護范圍。

關鍵詞：滾球法；屋面；基準平面

0引言

隨著建筑智能化的逐步深入,屋面上安裝的設備,特別是太陽能集熱器、各類監測設備、衛星通信設施等呈逐年增多趨勢；誠然這些設備、設施所處位置暴露,但若保護到位,應當不會遭受直接雷擊。之所以另裝了接閃裝置也時有雷害,是因為接閃桿保護范圍不夠,在設計加裝屋面設備保護接閃器的時候,用滾球法直接從屋頂平面套算高度有誤,致使防雷裝置對屋面設備、設施不能完全保護。實際上接閃桿的保護范圍在屋面上會遇到需要修正的情況,本文就屋面滾球基準平面的確定方法,以及對接閃桿保護范圍造成影響的因素進行探討,推導出保護范圍的修正公式。

1屋面設備須有直擊雷防護

現行GB 50057-2010《建筑物防雷設計規范》4.5.4條及其第1款和第2款規定,“固定在建筑物上的節日彩燈、航空障礙信號燈及其他用電設備和線路應根據建筑物的防雷類別采取防止閃電電涌侵入的措施”并應符合下列規定：“無金屬外殼或保護網罩的用電設備應處在接閃器的保護范圍內……用電設備外殼……應就近與屋頂防雷裝置相連”。就是說,有金屬外殼或保護網罩的用電設備其內部器件已經被其金屬外殼或保護網罩保護,滿足防閃電電涌侵入的要求,而無金屬外殼或保護網罩的用電設備有必要加裝接閃器,才能滿足防閃電電涌侵入的要求。這僅僅是防止閃電電涌侵入的措施,我們不能誤認為有保護電設備的金屬外殼或保護網罩不需再防直擊雷。本規范4.5.7條及其第1款規定,對第二類和第三類防雷建筑物,“沒有得到接閃器保護的屋頂孤立金屬物”,當“尺寸不超過”限定值要求時“可不要求附加的保護措施”。這里是特指孤立的金屬物。用電設備通過線纜進入室內連接到電源,是完整的供用電系統的末端器件,全然不是“孤立”的金屬物。但是,如若該金屬物未得到直擊雷防護,當遭到雷擊后,雷電流必然會通過導電管線進入建筑物內,使室內設備或人身的安全受到威脅。

由以上分析得知,連接突出屋面固定裝置的可導電裝置,借助各種途徑通向建筑物內部,如果沒有直擊雷防護,突出屋面的固定裝置被雷擊時,有可能使建筑內“關聯”的屋面金屬設備和設施遭受損壞。因此,屋面設備防直擊雷措施應在進行防雷設計時一并考慮進去。

2屋面設備防直擊雷保護范圍計算方法探討

2.1屋面滾球基準平面的確定

由滾球法的定義可知,要使屋面上的防雷設施能夠滿足對屋面設備或設施防直擊雷的保護作用,則滾球球體在該設備或設施需要防直擊雷部位滾動時,只有球體被屋面上的接閃桿和屋面支撐或被屋面上的接閃桿和地面支撐兩種情況。而對于一些特殊的情況(如山坡等)滾球的基準平面可能是地面、屋面或地面和屋面之間的某個平面。因此,對于屋面設備設施來說,地面或屋面并非一定是滾球的基準平面,在實際應用上,一定要具體分析,區別對待。在這方面雖然有人作過一些研究和探討,但仍然存在一些誤區。下面就如何確定一些特殊情況下滾球的基準平面進行探討。

把屋頂平面接閃桿到屋面設備方向作為X軸,屋頂平面接閃桿豎直向上方向作為Y軸,建立一個平面坐標系,則滾球在XY平面的投影就是一個圓,圓的圓心設為O1(a,b),圓與Y軸的交點設為A(0,hZ),圓與X軸的交點設為C(r,0),A、C的中點為B點,坐標原點O(0,0),屋面距離地面的高度為h1,球體與平面EE'相切于D點,D點到X軸的距離為h2=hr-b(hr為滾球半徑),如圖1。

圖1　滾球在XY平面的兩個支撐點(基準面和接閃桿)

從圖1中看出：滾球球心距離地面的高度大于滾球半徑時,滾球只能與接閃桿相交并與在地面和屋面之間的平面EE′相切于D點,這個EE′平面就是我們所稱的滾球基準平面。

如果建筑物的高度比較低(圖略),滾球球心距離地面的高度小于或等于滾球半徑時,滾球只有與接閃桿相交,同時與地面相切,這時我們稱地面是滾球的基準平面。

如果建筑物的寬度比較寬(圖略),滾球球心往上移,滾球球心距離建筑屋面的高度正好等于滾球半徑時,滾球與接閃桿相交且與屋面相切,這時我們稱屋面是滾球的基準平面。

由此可見,滾球的基準平面就是球體最低點與其相切的平面。首先要求出滾球球心的位置坐標,再根據建筑物的高度和寬度,確定滾球的基準平面的位置,再根據接閃桿保護范圍公式計算,而不能“絕對化”。

2.2接閃器高度的確定

從圖1可知,滾球在XY平面是一個圓,設圓的方程為：

(1)

將圖1點A和點C代入(1)式得

a2+(hz+b)2=(r+a)2+b2

(2)

(3)

在直角三角形AOC中,設AC=d,聯立(2)式和(3)式,得

(4)

由計算求得的圓心位置為O1(a,b),確定圓心離地面高度,判定滾球基準平面的位置,用修正公式對接閃桿和要保護的設備高度進行修正,其修正公式如下：

當屋面是滾球基準平面時：h=hz,hx=ha

當地面是滾球基準平面時：h=hz+h1,hx=ha+h1

當屋面與地面之間的平面是滾球基準平面時：h=hz+h2,hx=ha+h2。

再用滾球法確定接閃桿的保護范圍的計算公式,計算確定接閃桿的保護范圍才能完整。

2.3應用舉例

滾球的基準平面就是距離坐標原點距離-25.2m的一個平面,即：

h=hz+h2=33.2m,hx=ha+h2=29.2m

解得rx=0.98m,計算得出屋面上8m的獨立接閃桿,是不能對屋面4m高的設備、設施起到防直擊雷保護的。如果我們不加思考,簡單地把屋面當作滾球的基準平面,其計算結果如下：

初看起來上述的計算方法是正確的,屋面鋼筋混凝土內鋼筋是與引下線、基礎地梁焊接連接,符合滾球法定義中的“地面”,計算結果顯示屋面4 m高的設備有7.06 m的保護半徑。但其實不然,因為屋面不是滾球的基準平面,不能盲目地用計算公式得出結果。如果沒有考慮建筑物自身幾何形狀對防雷設施的影響,使設計的防雷設施不能起到“名副其實”的防雷效果。

3屋面設備防護重點

3.1接閃防護

應分辨屋面設備的雷電流傳導特性,即“孤立不傳導、傳導并引向室內、傳導但不引向室內”,來確定是否裝設接閃器。

1)除滿足《建筑物防雷設計規范》4.5.7條第1款規定的尺寸以下的“孤立金屬物”可不安裝接閃器, 但應和屋面防雷裝置相連。

2)有可導電連接與建筑內構成關聯的固定裝置,例如太陽能集熱器、防排煙風機以及航空障礙燈等電氣或非電氣設備都不是孤立的金屬裝置,應該處在接閃器的保護范圍內。

3.2保護范圍確定

應充分考慮建筑物自身的高度、屋面的寬度、接閃桿及接閃線的高度等環境因素對屋面設備直擊雷保護范圍產生的影響程度,準確確定滾球基準平面,再根據滾球法計算公式確定接閃器尺寸規格。

3.3連接線作為引下線

在電氣貫通的鋼筋混凝土框架第二、三類防雷建筑物中,屋面電氣設備的金屬外殼不必

為防止引下線對其反擊而作等電位連接,但必須與防雷裝置相連,其連接線主要作為引下線參與分配和傳導雷電流,防止PE線對帶電導體的反擊。

4結語

根據相關防雷標準和諸多雷災案例,屋面金屬設備和設施單獨采取防雷設施是必要的,也是可行的。用滾球法確定接閃桿保護范圍的規定適用于任何場合,但在一些特殊情況中,應當充分考慮被保護物周圍的環境因素,綜合考慮防護措施,只有這樣才能解決實際工作中各種各樣的問題。

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收稿日期：2015-10-09