屋顶金属设备隔离防雷措施分析

屋顶金属设备隔离防雷措施分析

杨海

中信建筑设计研究总院有限公司湖北武汉430000

摘要：通过对比国家标准和IEC标准对屋面金属设备防雷保护的相关条文，从直击雷防护、防闪电电涌侵入、防雷等电位连接及间隔距离等方面出发，分析屋顶金属设备各种防雷措施的特点，以及保持间隔距离和采用分离式接闪装置的优点和具体做法。

关键词：屋顶金属设备；直击雷防护；Ⅰ级试验电涌保护器（SPD）；Ⅱ级试验电涌保护器（SPD）；间隔距离；分离式接闪器；闪电电涌侵入；防雷等电位连接

0引言

国家标准和IEC标准对屋顶金属设备的防雷有不同的要求，国家标准不要求屋顶金属设备由接闪器保护，但应与屋顶防雷装置连接；而IEC标准要求屋顶金属设备应处于接闪器保护范围内，并且尽可能不与屋顶防雷装置连接。由此产生两种不同的思路，以及相应的闪电电涌防护措施。

1屋顶金属设备直击雷防护

GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》4.5.4条要求：“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。”对于有金属外壳或保护网罩的用电设备则不作要求。笔者请教规范主编，回函认为：“屋顶有金属外壳的用电设备是否设接闪器保护应根据实际情况确定，例如，金属外壳的厚度、遭雷击穿孔的危险性、用电设备的重要性等等。是否设接闪器保护，由设计人及相关人员决定。”为了避免上述雷击穿孔风险，应按《雷规》第5.2.7条3款要求，热镀锌钢厚度不应小于4mm。遗憾的是，在设计之初，设计人员通常不了解设备金属外壳的具体情况，厂家也缺乏相关的冲击试验和说明。据工程现场经验，通常这类设备金属外壳的厚度在0.8~2mm。实际工程中，避免雷击穿孔方面的具体要求和把关是缺失的。根据GB/T21714.4-2015/IEC62305-4：2010《雷电防护第4部分：建筑物内电气和电子系统》B.12.2“只要有可能，就应将设备置于雷电防护区域的保护范围内。GB/T21714.3-2015/IEC62305-3：2010《雷电防护第3部分：建筑物的物理损坏和生命危险》E.5.2.4.2.5“无论是绝缘材料还是导电材料的屋顶固定装置，如果装有电气设备或信息处理设备，应处于接闪器保护范围内。”“直击雷不仅损坏屋顶设备，还可能损坏与之相连的屋顶装置内的电气电子设备及建筑物内的电气电子设备。”相对来说，IEC标准上述条文可实施性更强，提供了更安全的直击雷防护。

2屋顶金属设备防闪电电涌侵入

2.1国家标准中雷电流的估算

《雷规》4．5．4条：“2从配电箱引出的配电线路应穿钢管。钢管的一端应与配电箱和PE线相连；另一端应与用电设备外壳、保护罩相连，并应就近与屋顶防雷装置相连。当钢管因连接设备而中间断开时应设跨接线。在配电箱内应在开关的电源侧装设Ⅱ级试验的电涌保护器，其电压保护水平不应大于2．5kV，标称放电电流值应根据具体情况确定。”条文说明对雷电流的估算基于雷电流的两次分流：a.第一次分流：钢筋混凝土建筑物内所有柱筋作为引下线，且柱子钢筋与屋顶钢筋网连接在一起的前提下，屋顶处配电线路钢管两端做等电位连接后，流经钢管的雷电流分流系数kc1＝0．44；b.第二次分流：配电箱与地面钢筋及其他管线做等电位连接，流经SPD的雷电流分流按kc2=（1/n）+0.1考虑。实际工程情况可能复杂得多，例如，引下线的实际数量、配电箱处实施等电位连接的效果，引下线是否直接的通路，各引下线的阻抗是否统一，以及屋面设备配电电路和线芯数量等诸多不确定因素。由文献D.3.3：“通常，对直接或部分雷电流情况下应该采用Ⅰ类测试SPD，对感应效应情况下采用Ⅱ/Ⅲ类测试SPD。”总之，此处的SPD按Ⅱ级试验产品选择值得商榷。

2.2IEC标准中屋顶金属设备SPD选择

IEC62305-4Ed.3：Protectionagainstlightning—Part4：Electricalandelectronicsystemswithinstructures81/521/CDE.4.1.2认为：“雷电流在引下线和电源系统之间的分流与引下线的数量、长度，以及电源线路数量、截面和长度均有关，还和SPD分支回路传导中呈现的阻抗有关。”“Ⅰ级试验的SPD宜安装在尽可能接近外部设备的位置。”

2016年6月，IEC62305-4Ed.3CD2稿原图（由希腊代表提出，见图2，本文根据国内情况改为图1和图4）特别注明：“如果不能保证间隔距离，由于电阻耦合和电感耦合的影响，电气设备将会遭受雷电流和电涌电流，因此，应采用T1+T2SPDs。”其中，T1+T2SPDs即兼有Ⅰ级试验和Ⅱ级试验的复合型SPD。此处选用T1+T2SPDs和前述版本选用Ⅰ级试验的SPD稍有差异，通常是SPD协调配合的需要。从流过的雷电流量级考虑，应选用Ⅰ级试验的SPD，然而，为满足电气设备绝缘耐冲击过电压要求，还需要配合Ⅱ级试验的SPD，将电压保护水平降低到电气电子设备可接受的范围内。可见，《雷规》4．5．4条第3款要求对屋顶金属设备选用Ⅱ级试验的SPD，IEC标准建议选用兼有Ⅰ级试验和Ⅱ级试验的复合型SPD。两者有较大的差别。

3雷电流的效应

当雷电流通过防雷引下线时，在导体的周围产生电磁场，并沿着导线产生电感电压降。防雷引下线上的电位可用以下表达式来估算：U=IRi+L0•hx•（di/dt）式中：

U———引下线上hx高度的电位，kV；

I———雷电流幅值，kA；

Ri———接地装置的冲击接地电阻，Ω

L0———引下线单位长度的电感，μH/m；

di/dt———雷电流陡度，kA/μs。

当建筑物外部或内部的金属装置或电气装置与引下线距离很近时，可能出现火花放电。这种火花放电比电磁干扰的影响严重得多，甚至有导致火灾的风险。因此，IEC标准要求：“对高于30m的建筑物，建议在20m及以上每隔20m进行等电位连接。一般情况下都满足间隔距离要求。”图3通过在建筑物hx2处设置等电位连接环，使得引下线在hx1高度处的电感电压Uhx1降低为U，便于满足hx1至hx2高度处建筑物金属装置或电气装置与引下线之间的安全距离。需要注意的是，设置等电位连接环处的带电导体均应设置SPD，从而实现包括电气装置的防雷等电位连接。相关文献认为：“在建筑物的中间部位，Ⅰ级或Ⅱ级试验的SPD已经足够。

5结论

屋顶金属设备应设置直击雷防护，以保护屋顶设备及与之相连的建筑物内的电气电子设备。第二类和第三类防雷建筑物防雷引下线的间隔距离s可取不小于0.5m和0.35m作为工程常规应用。为避免雷电流侵入建筑物内，屋顶金属设备可与防雷装置保持间隔距离，或设置分离式接闪器。屋顶金属设备宜设于屋面防雷网格中间部位，并设置足够的分流节点，便于雷电分流和均衡，以便控制间隔距离。局部小面积安装的屋顶金属设备可采用砖或素混凝土支柱等方法保持间隔距离。大面积安装的屋顶敏感设备适合采用分离式接闪器，此时，可以忽略屋面设备金属线缆系统、设备金属管道、钢筋混凝土内自然金属结构，以及设备接地系统等对保持间隔距离的不利影响。

参考文献：

[1]程炜东.建筑光伏发电并网技术的研究[D].华北电力大学,2014.

[2]王建秋.屋顶光伏发电系统的构造与电能质量分析[D].云南师范大学,2014.

[3]王艳.农村雷击事故分析与防护措施研究[D].河南理工大学,2014.

[4]徐玮环.尾矿库在线监测系统的防雷接地分析与设计[D].江西理工大学,2014.