怎麼理解防雷規範中的防接觸電壓和防跨步電壓?跨步電壓如何計算?

2021-02-08 電氣設計圈
GB50057-2010《建築物防雷設計規範》(簡稱《雷規》)對引下線給出的定義為:將雷電流從接閃器傳導至接地裝置的導體。引下線的作用非常重要,良好的引下線能將雷電流從接閃器上迅速傳導至接地裝置並流散入大地,保護建築物內系統(包括電氣系統和電子系統)和附近居民的人身安全。

當雷擊直接擊於安裝在建築物上的防雷裝置時,在極短的時間(通常為微秒級)內雷電流便流經引下線,並通過接地裝置洩放到大地中。在雷電流流經引下線過程中,引下線在微秒之內電位會瞬間升高數萬伏至數十萬伏,所以在引下線附近為了保護人身安全必須採取防接觸電壓和跨步電壓的措施,否則會危及附近居民的人身及財產安全,甚至造成嚴重的人身傷亡事故。
因此,對建築物引下線防接觸電壓和跨步電壓的措施進行研討有著重要的意義。

一、接觸電壓和跨步電壓的定義

接觸電壓:當人體的兩個部位(一般常指人體的手指與接觸地面的腳)同時接觸到具有不同電位的兩處時,在人體內就會有電流通過,這時加在人體兩個部位之間的電位差稱為接觸電壓。

跨步電壓:當土壤中存在較大接地電流時,人的兩隻腳分別站在具有不同電位的兩處時,在人的兩腳之間所產生的電位差稱為跨步電壓。


二、《建築物防雷設計規範》中防接觸電壓和跨步電壓措施的判斷與防護整改措施

《建築物防雷設計規範》第4.5.6條規定:在建築物引下線附近保護人身安全需採取的跨步電壓的措施,應符合下列規定。

(1)防接觸電壓應符合下列規定之一:

① 利用建築物金屬構架和建築物互相連接的鋼筋在電氣上是貫通且不少於10根柱子組成的自然引下線,作為自然引下線的柱子包括位於建築物四周和建築物內的柱子。

② 引下線3m範圍內地表層的電阻率≥50kΩ·m,或敷設5cm厚瀝青層或15cm厚礫石層。

③ 外露引下線,其距地面2.7m以下的導體用耐1.2/50μs衝擊電壓100kV的絕緣層隔離,或用至少3mm厚的交聯聚乙烯層隔離。

④ 用護欄、警告牌使接觸引下線的可能性降至最低限度。


(2)防跨步電壓應符合下列規定之一:

① 利用建築物金屬構架和建築物互相連接的鋼筋在電氣上是貫通且少於10根柱子組成的自然引下線,作為自然引下線的柱子包括位於建築物四周和建築物內的柱子。

② 引下線3m範圍內土壤地表層的電阻率≥50kΩ·m,或敷設5cm厚瀝青層或15cm厚礫石層。

③ 用網狀接地裝置對地面作均衡電位處理。

④ 用護欄、警告牌使進入距引下線3m範圍內地面的可能性降至最低限度。


三、防接觸電壓和跨步電壓措施條款的理解

《建築物防雷設計規範》第4.5.6條強制條款規定,凡在設計或施工中達到了其中任意一條的規定要求,就符合規範標準的要求,而不是要求所有條件全部都必須滿足。當然,為了提高可靠性和安全性,應能儘量多地滿足規範標準中的要求。

防接觸電壓和跨步電壓的核心精髓為均衡和絕緣。防接觸電壓的第①條措施,

防跨步電壓的第①條措施和第③條措施都屬於均衡措施;防接觸電壓的第②條措施和第③條措施,防跨步電壓的第②條措施都屬於絕緣措施。

防接觸電壓的第①條措施和防跨步電壓的第①條措施是針對新建建築物,不適用於古建築,不少於10根引下線,通過分流,每根引下線分到的雷電流大大減小,產生的危害迅速降低至可接受水平。

防接觸電壓的第②條措施和防跨步電壓的第②條措施,地表層的電阻率≥50kΩ·m在現實中很難做到,即便實現,也加大成本投入。

通過查資料知,混凝土在乾燥大氣中的電阻率為12~18kΩ·m,而礫石只有3kΩ·m,所以該條措施一般都採取後半句條款,即「敷設5cm厚瀝青層或15cm厚礫石層」,這容易實現且成本較低。

防接觸電壓的第③條措施的前半句「外露引下線,其距地面2.7m以下的導體用耐1.2/50μs衝擊電壓100kV的絕緣層隔離」,這是用絕緣套管作保護的防接觸電壓技術措施,避免人體直接接觸到裸露的引下線而發生觸電的危險情況。

至於為什麼是2.7m,在《建築物防雷設計規範》第4.5.6條的條款說明中給出解釋:2.7m是按人垂直向上伸手後人高2.5m(根據IEC62305-3:2010第67頁圖E.2),衝擊電壓100kV擊穿空氣間隙按0.2m考慮的,故2.5+0.2=2.7m。引下線防接觸電壓示意圖如圖1所示。

防跨步電壓的第③條措施「用網狀接地裝置對地面作均衡電位處理」,這條條款目的是均衡電壓,不會出現某處電壓明顯偏大的情況,有利於減小跨步電壓。

防接觸電壓的第④條措施和防跨步電壓的第④條措施是用護欄、警告牌使接觸或進入距引下線3m範圍內地面的可能性降至最低限度。

如果上述條件均不能滿足,為避免接觸電壓或跨步電壓導致的人身損傷,應採取防護措施,如活動限制(臨時措施,如增加護欄;持久措施,如砌築花壇)和(或)警告(如張貼危險警示標識)提示,使引下線被接觸或接近跨步的概率最小化,將危險降低至最小限度。引下線危險警示標識示意圖如圖2所示。

針對防跨步電壓的第④條措施,對3m數據進行計算分析。雷擊產生的跨步電壓可以通過:

式中:US———雷電流產生的跨步電壓,kV;Id———入地處的雷電流,kA;ρ———土壤電阻率,取100Ω·m;s———人行走時兩腳之間的距離,取0.8m;d———入地處雷電流與人靠近的那隻腳之間距離,取3m。

根據標準《建築物防雷設計規範》第81頁表F.0.1-1,取第二類防雷建築物,雷電流幅值I=150kA;第三類防雷建築物,雷電流幅值I=100kA,由Id=I/n,n為引下線數量,取2根、4根和10根情況(2根為防雷建築物引下線最少數量要求,10根為防接觸電壓和跨步電壓的第一條要求中引下線數量最小值)分別代入計算。第二、三類防雷建築物不同引下線數量時雷擊產生的跨步電壓如表1所示。

IEEE觀點:雷電衝擊情況下,人身耐受的衝擊電流強度在百安數量級。我國研究者也認為:

雷電流的危險值為100A,雷電衝擊情況下人體衝擊電阻(即近似人體內阻抗)為300~500Ω[4],由U=IR知,人體能承受的跨步電壓為30~50kV(在進行工頻電壓安全設計計算時,在乾燥的環境條件下人體電阻一般取1000~1500Ω,但在雷電流衝擊下人體電阻在不同的幅值和頻率時將呈現不同的阻值[5],所以在核算雷擊情況時,人體衝擊電阻不應取1000~1500Ω)。

通過上述計算可知,第二、三類防雷建築物在只有2根引下線的情況下,在距引下線3m處最大幅值的雷電流產生的跨步電壓足以致命。

當引下線數量達到4根,或者建築物引下線敷設方式為結構(引下線數量≥10根),則距引下線3m處產生的跨步電壓比較小,不足以導致人身傷亡事故,但是跨步電壓產生的熱效應作用可能會灼傷人的腳、腿部皮膚等。

目前,我國大多防雷建築物引下線數量>4根,且幅值雷電流佔整體雷電流的比重非常小,雷擊建築物頂部接閃器後經分流,入地處的雷電流已經大大減小,所以距離引下線3m處還是比較安全的。



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