古建筑防接触电压和跨步电压措施技术分析与做法

王玮

摘要：本文从GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》和GB51017-2014《古建筑防雷工程技术规范》中关于防接触电压及跨步电压措施的相关技术规定出发，结合笔者所参与《古建筑防雷设计与安装》国家标准图集的编制和多年的古建筑防雷工程实践，对古建筑防雷引下线敷设路径上防接触电压及跨步电压技术措施具体做法进行分析阐述。

Abstract： In this paper， based on the relevant technical provisions on anti-contact voltage and step voltage in GB50057-2010 "Lightning Protection Design Code for Buildings" and GB51017-2014 "Technical Code for Lightning Protection of Ancient Buildings"， and combined with the author's experience in the preparation of national standards atlas "Ancient Building Lightning Protection Design and Installation" and many years of ancient building lightning protection engineering practice， the concrete measures of anti-contact voltage and stepping voltage on laying path of lightning protection in ancient buildings are analyzed and expounded.

关键词：古建筑；引下线；接地装置；接触电压；跨步电压

Key words： ancient architecture；downlead；grounding device；contact voltage；step voltage

中图分类号：K928.71 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）03-0148-03

0 引言

接触电压和跨步电压的大小直接关系到其附近行人的安全，对古建筑防雷而言尤为重要，一是因为古建筑现场环境对防雷设计施工局限性较大；二是因为古建筑大多坐落在风景名胜区内，游客众多；三是因为防雷施工是不允许对古建筑造成损坏的。因此，在古建筑防雷工程的设计和施工中，接触电压和跨步电压是必须要考虑的重要安全指标。

自GB51017-2014《古建筑防雷工程技术规范》2015年6月1日颁布实施以来，笔者在所接触过的古建筑防雷工程中，发现有的技术人员对古建筑引下线附近保护人身安全需采取的防接触电压和跨步电压技术措施有错误解读。笔者根据自己参与《古建筑防雷设计与安装》国家标准图集的编制和多年从事防雷工程的实践经验，就古建筑防雷引下线敷设路径上防接触电压和跨步电压措施的技术分析和具体做法与大家进行探讨。

1 接触电压和跨步电压的定义

接触电压是指：当人体的两个部位同时接触到具有不同电位的两处时（一般常指人体的手指与接触地面的双脚），在人体内就会有电流通过，这时加在人体两个部位之间的电位差称为接触电压。[1]

跨步电压是指：当土壤中存在较大接地电流时，人的两足分别站在具有不同电位的两处时，在人的两足之间所产生的电位差或电压。[1]

2 《建筑物防雷设计规范》、《古建筑防雷工程技术规范》中防接触电压和跨步电压措施的技术规定与分析解读

2.1 《建筑物防雷设计规范》4.5.6条：在建筑物引下线附近保护人身安全需采取的跨步电压的措施，应符合下列规定：

防接触电压应符合下列规定之一：

①利用建筑物金属构架和建筑物互相连接的钢筋在电气上是贯通且不少于10根柱子组成的自然引下线，作为自然引下线的柱子包括位于建筑物四周和建筑物内的。②引下线3m范围内地表层的电阻率不小于50kΩm，或敷设5cm厚沥青层或15cm厚砾石层。③外露引下线，其距地面2.7m以下的导体用耐1.2/50μs冲击电压100kV的绝缘层隔离，或用至少3mm厚的交联聚乙烯层隔离。④用护栏、警告牌使接触引下线的可能性降至最低限度。[2]

防跨步电压应符合下列规定之一：

①利用建筑物金属构架和建筑物互相连接的钢筋在电气上是贯通且不少于10根柱子组成的自然引下线，作为自然引下线的柱子包括位于建筑物四周和建筑物内。②引下线3m范围内土壤地表层的电阻率不小于50kΩm，或敷设5cm厚沥青层或15cm厚砾石层。③用网状接地装置对地面作均衡电位处理。④用护栏、警告牌使进入距引下线3m范围内地面的可能性减小到最低限度。[2]

2.2 《古建筑防雷工程技术规范》4.4.7条 古建筑引下线及接地装置应采取下列措施之一保护附近人身安全：

①外露引下线距地面2.7m及以下的导体采用至少3mm厚的交联聚乙烯层隔离或具有同等绝缘功能的其他绝缘材料隔离；[3]②应设置护栏、警示牌，使进入距引下线3m范围内地面的可能性减小到最低限度；[3]③引下线3m范围内土壤地表层电阻率不应小于50kΩm，或应敷设50mm厚沥青层或150mm厚砾石层，或采用网状接地装置对地面作均衡电位处理。[3]

2.3 《建筑物防雷设计规范》、《古建筑防雷工程技术规范》中防接触电压和跨步电压措施技术规定的分析解读

首先，对比两个规范的相关条款可以发现，《古建筑防雷工程技术规范》中防接触电压和跨步电压措施基本是借鉴《建筑物防雷设计规范》的内容。其中《建筑物防雷设计规范》中防接触电压和跨步电压措施的第一条是针对新建建筑物而言，不适用于古建筑。上述条款规定是指，凡在设计或者施工中达到了其中之一的规定要求，就符合规范的要求，而不是要求全部条件都必须满足。当然，为了提高可靠性和安全性，应能满足全部规范要求那更好。

其次，对于采取了距地面2.7m以下的导体用耐1.2/50μs冲击电压100kV的绝缘套管作保护的防接触电压技术措施，避免了人手直接接触到裸露的引下线，不会发生人直接接触而触电的危险情况。关于这一点，GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》中第4.5.6条的条文说明中是这样给出解释的：2.7m是按人垂直向上伸手后人高2.5m，这是根据IEC62305-3：2010第67页图E.2，冲击电压100kV击穿空气间隙按0.2m考虑，故2.5+0.2=2.7（m）。如图1所示。

其三，《古建筑防雷工程技术规范》中第4.5.4条第5款“防直击雷的人工接地网距古建筑出入口或人行道不宜小于3m”，与《建筑物防雷设计规范》GB50057-94第4.3.5条非常相似。这一防跨步电压的做法在《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010已被删除，也已经影响了防雷工作者十几年。笔者认为这一做法是对跨步电压概念理解得不透彻。当雷电流沿引下线入地泄放，电流幅值的变化是呈倒喇叭形状的，即在地表浅层雷电流幅值较大而入较深处则幅值较小。其入地点为高电位，并以此点为圆心，电位由内向外逐步递减。那么，防跨步电压就应该以引下线的入地点为中心来考虑。

对于有台明的古建筑，当防雷引下线沿古建筑山墙或木柱明敷引下入地时，就会遇到困难。由于台明作为古建筑台基的主体部分不可以损坏，在施工时唯有采用接地线（断接卡至接地体的连接导体）沿台明表面敷设至其外侧立面处方可垂直入地。裸露在台明表面的那段连接导体不仅会产生人体触电的危险而且容易遭到机械损坏，因此需要采取保护措施。可以采取引下线穿绝缘套管，外面用钢管或角钢保护并用C30标号的水泥覆盖固定，绝缘套管和保护管需要敷设至地面以下大于0.3m的位置处。接地装置应埋设在距离建筑物3m以外，并采用分层回填夯实，将砾石层覆盖于原土之上，并覆有水平宽度超过接地装置2m、厚度不小于5cm的沥青层，最后在引下线处悬挂警示标识牌，就完全可以达到规范所规定的技术要求。当然，如条件允许，可再采取进一步的技术措施：在引下线附近安装另外的局部环形水平接地体作均衡电位处理，接地装置采用闭合环形敷设，如图2所示。

3 古建筑防雷工程中防接触电压和跨步电压措施的具体做法和要求

下面笔者根据所参与的古建筑防雷工程设计和施工及从事防雷工程多年的实践经验，从施工工艺、引下线和接地装置材料的选择与安装、隐蔽工程记录、自检检测这几个方面对古建筑防雷工程中防接触电压和跨步电压措施的具体做法和要求做详细的阐述。

3.1 施工工艺

3.1.1 引下线施工工艺

放线测量→加工适配的钢制抱箍→固定钢抱箍→安装引下线→引下线2.7m以下套高压绝缘护管→引下线与水平接地体热熔焊接→焊点防腐处理→测量接点接触电阻合格→安装警示牌→钢管及抱箍涂敷与建筑环境同色油漆。

3.1.2 接地装置施工工艺

施工准备→测量放线→拆除地面面砖→开挖地沟→安装垂直接地体→安装水平接地体→热熔焊接→自然冷却后焊点区域防腐→测量阻值合格→原土回填夯实→厚三七灰土夯实→铺设沥青绝缘层→复原铺设面砖。

3.2 引下线和接地装置材料的选择与安装

3.2.1 引下线材料的选择

①引下线应选用圆钢、圆铜或多芯金属绞线，优先选用多芯铜绞线。②引下线首先采用明敷的方式，不少于2根，引下线的截面积不小于50mm2。

3.2.2 引下线的安装

①引下线应沿山墙或柱敷设，敷设应平直，并经最短路径接地，不可弯成直角或锐角。②引下线与接闪带的连接应采用可靠的螺栓连接或热熔焊接，并做好连接点的防腐处理。③沿木柱敷设的引下线其固定抱箍应选择耐1.2/50μs冲击电压100kV的绝缘材料，也可使用片状的金属带固定，木柱与引下线接触部分采用耐1.2/50μs冲击电压100kV的绝缘材料隔离，抱箍之间的间距以实际情况而定。④引下线护管及固定抱箍颜色与其敷设路由上的古建本体颜色相同或相近。引下线在接闪器端及接地体端的连接点外均应预留一定的余量。⑤引下线距地面2.7m以下的导体用耐1.2/50μs冲击电压100kV的绝缘套管作保护。⑥对于接地线无法满足直接埋入地中要求时，比如接地线（断接卡至接地体的连接导体）路经台明或台阶的部分，采用明敷并穿绝缘套管或多芯绝缘线缆，然后在其上敷水泥层做固定和保护后深埋入地中与接地装置连接。

3.2.3 接地装置材料的选择

接地体可由垂直接地体和水平接地体组成，接地体的埋设深度不宜小于0.8m。当环境条件允许时，接地装置宜选用环形接地体。垂直接地体宜采用角钢、圆钢或钢管，其中：角钢应不小于40mm×4mm，圆钢直径应不小于20mm，钢管直径应不小于50mm，壁厚应不小于3.5mm。垂直接地体长度不宜小于2.5m，垂直接地极间距宜大于5m。水平接地体宜采用圆钢或扁钢，其中：圆钢直径应不小于12mm；扁钢截面积应不小于100mm2，其厚度应不小于4mm。

3.2.4 接地装置的安装

接地体的连接应采用搭接焊，搭接长度必须符合下列规定：①扁钢与扁钢搭接长度为扁钢宽度的二倍，且至少三个棱边施焊；②圆钢与圆钢搭接长度为圆钢直径的六倍，且双面施焊；③圆钢与扁钢连接时，其长度为圆钢直径的六倍，且双面施焊；④接地体的焊接必须牢固无虚焊，并在焊接处进行防腐处理。

附近有建构筑物并且其接地电阻值符合规范要求时，宜采用共用接地。在土壤电阻率较高地区，若采用降阻材料，降阻材料应环保、无毒、无害。

3.3 施工测试记录

主要填写接地防雷装置用材规格，焊接工艺，等电位处理，均压环施工处理，防腐处理，人工接地处理，沟槽尺寸，屏蔽保护等工序，关键是要测试其接地电阻是否符合规范要求。

古建筑防雷工程施工测试记录应包括以下内容：①引下线、接地体、接地线、断接卡连接部位电气连续性测试；②引下线固定支撑垂直拉力测试；③工频接地电阻值测试；④测试记录报告应反映出接地系统形式及敷设等电位连接，安装施工方法，防腐措施，接地电阻测量仪器、型号，检测方式及接地电阻值等情况以及其它特别需要说明的情况；⑤测试记录应包括隐蔽工程记录、引下线、接地体、均压带的检测报告表。

3.4 自检检测

①接闪器与引下线的连接；②引下线的材料、规格、数量、间距及每根引下线的冲击接地电阻，同一建筑物的引下线接地电阻的平衡度；③引下线的断接卡的设置及接触电压防护措施；④接地线的材料、规格；⑤接地干线的安装位置、安装形式以及与接地装置的连接和接地电阻值；⑥接地装置接地体的填埋深度、敷设长度及敷设形式、接地体材料、规格，地下接地体的连接工艺、防腐措施等；⑦测量接地装置的接地电阻值，接地装置的接地电阻值应符合规范所规定的要求；⑧被开挖地面的复原。

4 结束语

施工中严格按照规范的技术要求执行，是没有错的。但在工程的具体实施过程中往往由于施工条件的制约，对一些技术措施的实现造成较大的困难。因此，这就需要在不违反规范条款原则的前提下，施工工艺、措施上与所受制约的条件作一定程度的妥协。标准和规范并非是一成不变的，它是在工程实践经验的基础上不断总结、积累而形成的。

参考文献：

[1]梅卫群，江燕如.建筑防雷工程与设计[M].北京：气象出版社，2008.

[2]GB50057-2010，建筑物防雷设计规范[S].北京：中国计划出版社，2011.

[3]GB51017-2014，古建筑防雷工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.