钢结构厂房防雷接地设计分析

2021-09-16李天宇李光达

现代建筑电气 2021年12期

李天宇, 李光达

(深圳中广核工程设计有限公司, 广东深圳 518172)

0 引言

钢结构厂房具有建设周期短、工程造价低、外观形式简洁、空间利用率高等显著特点,在工业厂房、商业楼宇等领域获得广泛应用。由于钢结构厂房的固有结构特点,其防雷接地系统的设计及施工均有别于传统的钢筋混凝土建筑。本文对钢结构厂房的防雷接地系统进行分析。

1 通用做法

1.1 防雷接地系统

根据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》[1](以下简称《雷规》),防雷接地装置可分为外部防雷装置、内部防雷装置、接地系统。其中外部防雷装置包括接闪器、引下线、接地装置,内部防雷装置包括等电位连接、屏蔽隔离装置等。防雷接地系统的组成分类如图1所示。

《雷规》要求,第一类防雷建筑物的防雷措施应装设独立接闪杆或架空接闪线或网,并对排放爆炸危险气体的放散管、呼吸阀及其他突出建筑物的部分做详细接闪保护考虑。同时,《雷规》第4.3.5和第4.4.5条对第二类和第三类防雷建筑物在利用建筑物钢筋的情况做了明确要求,而对第一类防雷建筑物无此要求,说明第二类和第三类防雷建筑物可在条件允许情况下,优先利用建筑物内有利条件作为防雷接地装置。

1.2 接闪器

接闪器的设置取决于建筑物的防雷分类。传统意义的接闪器包含接闪杆、接闪带等。按照钢结构厂房屋面多为彩钢压型板或彩钢夹芯板的特点,根据《雷规》第5.2.7条,除第一类防雷建筑物外,金属屋面的建筑物宜利用其金属屋面作为接闪器,并铜锌合金焊、熔焊、卷边压接、缝接、螺钉或螺栓连接方式,确保板间是持久的电气贯通。金属板应无绝缘被覆层,金属屋面材质如表1所示。

表1 金属屋面材质

此外,《雷规》中强调薄的油漆保护层或1 mm厚的沥青层或0.5 mm厚聚氯乙烯层均不应属于绝缘被覆层。项目设计过程中,结构设计人员往往结合项目所在地的风荷载、雨/雪荷载、保温隔热等方面选取金属屋面材质,电气设计人员应提前与结构设计人员核实确认,通常情况下,金属板下无易燃物时,厚度大于0.5 mm的压型钢板或夹心钢板作为接闪器,从经济性、美观性等方面考虑都不失为一个优选方案。

1.3 引下线

钢结构厂房中,其主要构件均为焊接型钢或热轧型钢,次要构件为C型钢或Z型钢,相互采用螺栓或焊接,其整体框架构成了金属屋面、结构钢柱以及钢柱地脚螺栓的电气贯通,因此可优先采用建筑物四周的结构钢柱作为引下线,同时满足第二类建筑物不大于18 m或第三类建筑物不大于25 m的引下线间距。当建筑物的跨度较大,无法在跨距中间设置引下线时,应在跨距两端设置引下线并减小其他引下线的间距。

值得注意的是,从引下线设置间距的角度,《雷规》向IEC 62305靠拢,IEC 62305规定第一、二、三类防雷建筑物引下线间距分别为10 m、15 m、25 m,而《雷规》结合国内大多数钢结构工业厂房的柱距为6 m的事实,将引下线间距适应性调整为12 m、18 m、25 m。此外,从法拉第笼原理出发,引下线密度越大,钢结构厂房的屏蔽效果越好,雷电流放泄效果越好,分流系数一定程度上会减小,造成的地电位反击的可能性越小,因此在实际项目设计工程中,应在条件允许的情况下尽可能采用所有钢柱作为引下线,同时确保金属屋面、钢柱以及钢柱地脚螺栓之间的可靠电气贯通。

1.4 接地装置

接地装置为雷电流泄放至大地提供有效通路。钢结构厂房基础多采用桩基、条基、独立基础等形式。优先利用基础内水平钢筋和桩基内垂直钢筋作为接地装置,辅以合适尺寸的人工水平或垂直接地体,在满足接地要求的基础上可有效降低工程造价。

通常水平人工接地体采用不小于40 mm×4 mm的镀锌扁钢,《雷规》第5.4.4条要求埋设深度不应小于0.5 m,并宜敷设在冻土层以下,而14D504《接地装置安装》[2]第2.5.6条要求埋设深度不宜小于0.8 m。至于垂直接地体,通常采用长度为2.5 m的圆钢或角钢。但对于钢结构厂房来说,其桩基础深度远超2.5 m,因此优先采用钢结构基础作为接地体。

2 存在的问题

2.1 标准的解读

2.1.1 专设引下线的要求

《雷规》第4.3.3和第4.4.3条均强调专设引下线不少于2根,但优先利用建筑物内钢筋作为引下线也是标准中的推荐做法,因此针对已利用建筑物内钢筋作为引下线后,是否仍需设置不少于2根专设引下线令人疑惑,尤其作为强制性条文给实际设计造成很大困扰。经多方查阅资料后明确,第4.3.3条(4.4.3条)中,第二类(第三类)防雷建筑物当为钢筋混凝土结构时,应采用建筑物四周和内庭院四周结构柱内不少于2根主筋作引下线,其间距沿周长计算不应大于18 m(25 m)。当建筑物的跨度较大,无法在跨距中间设引下线时,应在跨距两端设引下线并减小其他引下线的间距,并使引下线的平均间距不应大于18 m(25 m)[3]。

2.1.2 接地体的埋深

针对上文提到的水平接地体的埋深,根据IEEE 142:1991[4]中的相应公式做简要的计算对比。以土壤电阻率ρ=100 Ω·m,水平接地体总长度L=100 m,接地体半径10 cm为例,进行计算。接地电阻计算公式:

(1)

L字型接地电阻计算公式:

(2)

Y字型接地电阻计算公式:

(3)

接地电阻随水平接地体埋深计算结果如表2所示。

表2 接地电阻随水平接地体埋深计算结果

接地电阻随水平接地体埋深变化曲线如图2所示。

图2 接地电阻随水平接地体埋深变化曲线

根据上述计算结果可见,随着水平接地体埋设深度增加,接地电阻有所下降,但其下降数值与埋设增加的深度却不是正比关系,工程中采用增加埋设深度来降低接地电阻显然是不科学的。因此,为满足不同标准规范要求,通常水平接地体埋设深度为1 m。

2.2 接地体连接

目前,很多的设计文件对于采用建筑物基础作为接地体的做法仅是一笔带过,深究起来并不清楚现场如何执行,如现场施工人员经验不足,则存在导致接地装置失效的风险。

钢结构厂房中,如钢柱型有垂直和水平钢筋网的基础、杯口型有垂直和水平钢筋网的基础等,其基础内钢筋与钢柱地脚螺栓并无连接。按照通用做法中的连接,接地体仅包含承台内钢筋和敷设的水平接地体(如有),并没有利用桩基内钢筋,此时需明确具体做法或直接指向相关图集,应采用直径≥10 mm的镀锌圆钢将基础内钢筋与钢柱地脚螺栓焊接,再将每一桩基的一根主筋同承台内钢筋焊接,形成引下线与接地体的电气贯通。钢柱型钢筋网的基础如图3所示。