屋面设备直击雷防护的探讨

余昌松　殷春生　王华卿　裘文君

(1.淳安县气象局,浙江 淳安311700；2.富阳区气象局,浙江 富阳311400)



屋面设备直击雷防护的探讨

余昌松1殷春生2王华卿1裘文君2

(1.淳安县气象局,浙江 淳安311700；2.富阳区气象局,浙江 富阳311400)

摘要：简要分析了屋面设备防直击雷的必要性 ,根据建筑物几何形状及接闪杆相对位置对屋面设备防直击雷的影响程度,选取不同的滚球基准平面, 用定量计算的方法推导出修正公式, 确定屋面接闪杆对设备直击雷保护范围。

关键词：滚球法；屋面；基准平面

0引言

随着建筑智能化的逐步深入,屋面上安装的设备,特别是太阳能集热器、各类监测设备、卫星通信设施等呈逐年增多趋势；诚然这些设备、设施所处位置暴露,但若保护到位,应当不会遭受直接雷击。之所以另装了接闪装置也时有雷害,是因为接闪杆保护范围不够,在设计加装屋面设备保护接闪器的时候,用滚球法直接从屋顶平面套算高度有误,致使防雷装置对屋面设备、设施不能完全保护。实际上接闪杆的保护范围在屋面上会遇到需要修正的情况,本文就屋面滚球基准平面的确定方法,以及对接闪杆保护范围造成影响的因素进行探讨,推导出保护范围的修正公式。

1屋面设备须有直击雷防护

现行GB 50057-2010《建筑物防雷设计规范》4.5.4条及其第1款和第2款规定,“固定在建筑物上的节日彩灯、航空障碍信号灯及其他用电设备和线路应根据建筑物的防雷类别采取防止闪电电涌侵入的措施”并应符合下列规定：“无金属外壳或保护网罩的用电设备应处在接闪器的保护范围内……用电设备外壳……应就近与屋顶防雷装置相连”。就是说,有金属外壳或保护网罩的用电设备其内部器件已经被其金属外壳或保护网罩保护,满足防闪电电涌侵入的要求,而无金属外壳或保护网罩的用电设备有必要加装接闪器,才能满足防闪电电涌侵入的要求。这仅仅是防止闪电电涌侵入的措施,我们不能误认为有保护电设备的金属外壳或保护网罩不需再防直击雷。本规范4.5.7条及其第1款规定,对第二类和第三类防雷建筑物,“没有得到接闪器保护的屋顶孤立金属物”,当“尺寸不超过”限定值要求时“可不要求附加的保护措施”。这里是特指孤立的金属物。用电设备通过线缆进入室内连接到电源,是完整的供用电系统的末端器件,全然不是“孤立”的金属物。但是,如若该金属物未得到直击雷防护,当遭到雷击后,雷电流必然会通过导电管线进入建筑物内,使室内设备或人身的安全受到威胁。

由以上分析得知,连接突出屋面固定装置的可导电装置,借助各种途径通向建筑物内部,如果没有直击雷防护,突出屋面的固定装置被雷击时,有可能使建筑内“关联”的屋面金属设备和设施遭受损坏。因此,屋面设备防直击雷措施应在进行防雷设计时一并考虑进去。

2屋面设备防直击雷保护范围计算方法探讨

2.1屋面滚球基准平面的确定

由滚球法的定义可知,要使屋面上的防雷设施能够满足对屋面设备或设施防直击雷的保护作用,则滚球球体在该设备或设施需要防直击雷部位滚动时,只有球体被屋面上的接闪杆和屋面支撑或被屋面上的接闪杆和地面支撑两种情况。而对于一些特殊的情况(如山坡等)滚球的基准平面可能是地面、屋面或地面和屋面之间的某个平面。因此,对于屋面设备设施来说,地面或屋面并非一定是滚球的基准平面,在实际应用上,一定要具体分析,区别对待。在这方面虽然有人作过一些研究和探讨,但仍然存在一些误区。下面就如何确定一些特殊情况下滚球的基准平面进行探讨。

把屋顶平面接闪杆到屋面设备方向作为X轴,屋顶平面接闪杆竖直向上方向作为Y轴,建立一个平面坐标系,则滚球在XY平面的投影就是一个圆,圆的圆心设为O1(a,b),圆与Y轴的交点设为A(0,hZ),圆与X轴的交点设为C(r,0),A、C的中点为B点,坐标原点O(0,0),屋面距离地面的高度为h1,球体与平面EE'相切于D点,D点到X轴的距离为h2=hr-b(hr为滚球半径),如图1。

图1　滚球在XY平面的两个支撑点(基准面和接闪杆)

从图1中看出：滚球球心距离地面的高度大于滚球半径时,滚球只能与接闪杆相交并与在地面和屋面之间的平面EE′相切于D点,这个EE′平面就是我们所称的滚球基准平面。

如果建筑物的高度比较低(图略),滚球球心距离地面的高度小于或等于滚球半径时,滚球只有与接闪杆相交,同时与地面相切,这时我们称地面是滚球的基准平面。

如果建筑物的宽度比较宽(图略),滚球球心往上移,滚球球心距离建筑屋面的高度正好等于滚球半径时,滚球与接闪杆相交且与屋面相切,这时我们称屋面是滚球的基准平面。

由此可见,滚球的基准平面就是球体最低点与其相切的平面。首先要求出滚球球心的位置坐标,再根据建筑物的高度和宽度,确定滚球的基准平面的位置,再根据接闪杆保护范围公式计算,而不能“绝对化”。

2.2接闪器高度的确定

从图1可知,滚球在XY平面是一个圆,设圆的方程为：

(1)

将图1点A和点C代入(1)式得

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

(2)

(3)

在直角三角形AOC中,设AC=d,联立(2)式和(3)式,得

(4)

由计算求得的圆心位置为O1(a,b),确定圆心离地面高度,判定滚球基准平面的位置,用修正公式对接闪杆和要保护的设备高度进行修正,其修正公式如下：

当屋面是滚球基准平面时：h=hz,hx=ha

当地面是滚球基准平面时：h=hz+h1,hx=ha+h1

当屋面与地面之间的平面是滚球基准平面时：h=hz+h2,hx=ha+h2。

再用滚球法确定接闪杆的保护范围的计算公式,计算确定接闪杆的保护范围才能完整。

2.3应用举例

滚球的基准平面就是距离坐标原点距离-25.2m的一个平面,即：

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

解得rx=0.98m,计算得出屋面上8m的独立接闪杆,是不能对屋面4m高的设备、设施起到防直击雷保护的。如果我们不加思考,简单地把屋面当作滚球的基准平面,其计算结果如下：

初看起来上述的计算方法是正确的,屋面钢筋混凝土内钢筋是与引下线、基础地梁焊接连接,符合滚球法定义中的“地面”,计算结果显示屋面4 m高的设备有7.06 m的保护半径。但其实不然,因为屋面不是滚球的基准平面,不能盲目地用计算公式得出结果。如果没有考虑建筑物自身几何形状对防雷设施的影响,使设计的防雷设施不能起到“名副其实”的防雷效果。

3屋面设备防护重点

3.1接闪防护

应分辨屋面设备的雷电流传导特性,即“孤立不传导、传导并引向室内、传导但不引向室内”,来确定是否装设接闪器。

1)除满足《建筑物防雷设计规范》4.5.7条第1款规定的尺寸以下的“孤立金属物”可不安装接闪器, 但应和屋面防雷装置相连。

2)有可导电连接与建筑内构成关联的固定装置,例如太阳能集热器、防排烟风机以及航空障碍灯等电气或非电气设备都不是孤立的金属装置,应该处在接闪器的保护范围内。

3.2保护范围确定

应充分考虑建筑物自身的高度、屋面的宽度、接闪杆及接闪线的高度等环境因素对屋面设备直击雷保护范围产生的影响程度,准确确定滚球基准平面,再根据滚球法计算公式确定接闪器尺寸规格。

3.3连接线作为引下线

在电气贯通的钢筋混凝土框架第二、三类防雷建筑物中,屋面电气设备的金属外壳不必

为防止引下线对其反击而作等电位连接,但必须与防雷装置相连,其连接线主要作为引下线参与分配和传导雷电流,防止PE线对带电导体的反击。

4结语

根据相关防雷标准和诸多雷灾案例,屋面金属设备和设施单独采取防雷设施是必要的,也是可行的。用滚球法确定接闪杆保护范围的规定适用于任何场合,但在一些特殊情况中,应当充分考虑被保护物周围的环境因素,综合考虑防护措施,只有这样才能解决实际工作中各种各样的问题。

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收稿日期：2015-10-09