鋼結(jié)構(gòu)廠房防雷設(shè)計(jì)
近幾年，由于輕鋼結(jié)構(gòu)建筑物造型美觀大方、建設(shè)周期短、工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用與各類工業(yè)廠房、倉庫、體育館等場所。而金屬板屋面容易遭受雷擊，與普通磚混結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)建筑物的防雷設(shè)計(jì)有所不同。結(jié)合一鋼結(jié)構(gòu)車間的防雷設(shè)計(jì)，針對金屬屋面防雷設(shè)計(jì)的相關(guān)問題做出粗淺的探討，為以后有效地解決金屬屋面的防雷問題提供參考。
工程概況
河南的一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)廠房，其中的熔鑄車間主要負(fù)責(zé)加工鋁線桿及鋁錠產(chǎn)品。整個(gè)建筑采用輕鋼結(jié)構(gòu)，該建筑實(shí)際尺寸為長方形，L=182m，W=93m，H=18.5m（地坪至屋頂通風(fēng)器底部）。按鄭州雷暴日計(jì)算，查《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊》（第二版）表16-32為年平均雷暴日為22.0d/a，由于該車間位于廠區(qū)內(nèi)，周圍還有很多建筑群，并不為孤立建筑，故按一般建筑計(jì)算，校正系數(shù)取1。
建筑物防雷等級的確定
據(jù)GB50057-94中附1.2，根據(jù)已知條件計(jì)算年雷擊大地的平均密度：
Ng =0.024Td1.3
=0.024×221.3
=1.334次/（km2.a）
據(jù)GB50057-94中附1.4式，得出與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積：
最后得建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)：
N=KNgAe
=1×1.334×0.05934
=0.0791次/a
式中：Td—年平均雷暴日（d/a）；
Ng—建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度（次/km2.a）；
Ae—與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積（m2）；
L、W、H—分別為建筑物的長、寬、高（m）；
據(jù)GB50057-94第2.0.4條第三條預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)0.3次/ a≥N≥0.06次/a，故按第三類防雷設(shè)。
接閃器
根據(jù)輕鋼結(jié)構(gòu)的建筑物，采用避雷針顯的笨重，與整個(gè)建筑外觀不相協(xié)調(diào)，而采用金屬屋面做接閃器，需滿足《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057-94,2000版）第4.1.4條給出的四個(gè)要求。
針對規(guī)范要求“金屬板下面無易燃物品時(shí)，其厚度不應(yīng)小于0.5mm”。本車間主廠房圍護(hù)結(jié)構(gòu)（屋面）采用熱浸鍍鋁鋅鋼板，基板厚度為0.53mm（含鍍鋁鋅層），屋面板下加設(shè)玻璃棉墊75mm厚，用鋁箔包裹，用φ1.5不繡鋼絲網(wǎng)層托與檁條上緣部位。玻璃絲棉屬于A級建筑材料，導(dǎo)熱系數(shù)為小、阻燃、無毒、化學(xué)性能穩(wěn)定，完全滿足規(guī)范不易燃燒的要求。同時(shí)據(jù)土建專業(yè)介紹，輕鋼結(jié)構(gòu)建筑物的圍護(hù)系統(tǒng)連接方式施工中采用咬合與搭接，塔接長度至少要達(dá)到一個(gè)波峰或波谷，超過100m是完全滿足規(guī)范要求的。
另外，第4.1.4條提到的“金屬板無絕緣被覆層”，屋面采用的熱浸鍍鋁鋅鋼板為良好的導(dǎo)體，而表面涂的薄油漆保護(hù)層按規(guī)范注釋說明也不算是絕緣被覆層，所以滿足規(guī)范要求。 綜上所述，在該工程中，屋頂輕鋼結(jié)構(gòu)的金屬面板可以做為接閃器，不僅美觀大方，工程造價(jià)有所降低，安裝起來方便，而且也不影響整個(gè)建筑物效果。 做好金屬板屋面防雷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，除了要選擇好防雷形式，選用一個(gè)好的接閃器，還要做好引下線及接地工作。
引下線
對于輕鋼結(jié)構(gòu)建筑物，彩色壓型板的種類很多，分為單板和復(fù)合型板，本車間采用復(fù)合板。施工中我們要求土建專業(yè)與電氣專業(yè)配合，保證屋頂金屬壓型板、屋架、檁條與鋼柱可靠連接，于是施工中均利用鋼柱做為引下線。建筑物的消防梯、鋼柱等金屬構(gòu)建宜作為引下線。
接地裝置
目前設(shè)計(jì)中，我們往往利用基礎(chǔ)鋼筋作為自然接地體，用40X4的鍍鋅扁鋼將其聯(lián)通，并實(shí)施總的等電位聯(lián)結(jié)。在此次設(shè)計(jì)中，我們并沒有嚴(yán)格要求用40X4的鍍鋅扁鋼，而是利用鋼柱間條形基礎(chǔ)與鋼柱獨(dú)立基礎(chǔ)可靠焊接形成電氣通路。對于輕鋼結(jié)構(gòu)的建筑物，鋼柱獨(dú)立基礎(chǔ)施工時(shí)要土建預(yù)埋地腳螺栓，這樣當(dāng)鋼柱就位時(shí)將地腳螺栓、螺母和鋼柱連接在一起。
要求注意的是地腳螺栓和鋼柱基礎(chǔ)鋼筋在地下是不相連的！所以，電氣設(shè)計(jì)人員要要求土建專業(yè)在設(shè)計(jì)說明中注明施工中用不小于φ10鋼筋或圓鋼將基礎(chǔ)鋼筋和接地螺栓可靠焊接，并在焊接處做防腐處理，以便接地用。
這樣從屋頂?shù)戒撝⒃俚交A(chǔ)形成可靠連接，保證雷電流具備完整的泄放通道。
此外，不要忘了在室外適當(dāng)位置預(yù)留接地連接板，防止施工中當(dāng)接地電阻達(dá)不到要求時(shí)，方便施工單位連接人工接地裝置和測試接地電阻。
金屬屋面建筑物防雷是個(gè)較難處理的工程，但在此類建筑中，只要厚度達(dá)到0.5mm的輕鋼結(jié)構(gòu)建筑物的屋面夾芯板（或壓型鋼板）可以作為接閃器，利用鋼柱做引下線，基礎(chǔ)鋼筋做自然接地體并通過鍍鋅扁鋼或地圈梁可靠聯(lián)結(jié)并做等電位連接。
鋼結(jié)構(gòu)防雷知識問答
問：利用型鋼作為防雷引下線，型鋼裸露，這樣如果建筑物落雷的時(shí)候，雷電流會不會對周圍的設(shè)備或人反擊，造成傷害。如何避免？
答：利用型鋼作為防雷引下線，當(dāng)雷電流通過引下線時(shí)周邊產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)變化磁場，必然污染附近的電子設(shè)備，在周邊導(dǎo)電體上感應(yīng)出不同的電位，如果室內(nèi)人員同時(shí)觸摸具備很高電位差的導(dǎo)電體時(shí)，就造成人身安全事故了。
解決方法：
1） 人身安全：在人能夠觸摸到的一切與大地有直接聯(lián)系和間接聯(lián)系的金屬導(dǎo)電體直接實(shí)施以消滅電位差為目的的等電位電氣連接，最大限度的保護(hù)人身安全。
2） 依據(jù)GB50057、GB50343等等國家標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)備及微電子設(shè)備實(shí)施SPD保護(hù)。
反擊的概念：所謂雷電反擊現(xiàn)象是雷電襲擊接閃器[包括各種型鋼]，引下線將雷電高電壓改變成電流的形式泄放到大地，到大地后是以電荷的形式出現(xiàn)建筑物主接地系統(tǒng)上，[大地是可以平衡出50萬庫倫負(fù)電荷的零電位體----現(xiàn)代物理學(xué)的基本奠基標(biāo)定值]地下的電荷此時(shí)打破了一個(gè)大地電位系統(tǒng)平衡點(diǎn)，但是土壤具備電阻、電容等諸多參數(shù)，不可能馬上出現(xiàn)相反等量電荷與其中和[需要一定時(shí)間]，此時(shí)雷電流產(chǎn)生的電荷大部分以電壓的形式表現(xiàn)在建筑物附近的地面上，此時(shí)建筑物附近地下有：暖氣管、煤氣管、自來水管、設(shè)備接地線、中型點(diǎn)接地等等與建筑物內(nèi)部有聯(lián)系的導(dǎo)電體，這些導(dǎo)電體之間在地下有一定的距離，由于地表具備較高的電位[最高電位點(diǎn)為主接地極附近]，距離差產(chǎn)生電位差，這個(gè)電位差便反擊到建筑物內(nèi)，造成事故----這就是雷電高壓反擊現(xiàn)象。
假設(shè)1：反擊時(shí)如果某人左手觸摸自來水管道，右手觸摸電子設(shè)備外殼，則電位差超過一定安全限度，就出現(xiàn)人身安全事故。
假設(shè)2：如果電子設(shè)備外殼獨(dú)立接地，電子設(shè)備中線接地與外殼接地之間[在地下存在接地距離]這個(gè)反擊電位差將與火線220/380產(chǎn)生電位差，如果電位差較大將燒毀設(shè)備。
問：鋼結(jié)構(gòu)建筑，利用裸露的型鋼作為引下線，就算做了全面的等電位，但是落雷的時(shí)候，強(qiáng)大的雷電流，難道不會把周圍的空氣擊穿？對引下線附近或接觸引下線的人造成傷害？這個(gè)問題我一直非常擔(dān)心。
答：落雷的時(shí)候，強(qiáng)大的雷電流可以沿著引下線向大地傳送電位，但是一定要知道引下線是有電感的，這個(gè)電感的大小在一定的時(shí)候可以阻攔雷電流的正常下泄，從而寄存電位，這個(gè)電位在一定大時(shí)將與某個(gè)小電位之間產(chǎn)生足夠擊穿一定距離空氣或其它介質(zhì)而發(fā)生放電現(xiàn)象。有標(biāo)準(zhǔn)稱也發(fā)生側(cè)閃現(xiàn)象。
這一點(diǎn)一定要計(jì)算一下引下線電感。另外一種現(xiàn)象，引下線上快速運(yùn)動(dòng)雷電流必然產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)磁場，這個(gè)運(yùn)動(dòng)磁場提供了可以切割磁力線產(chǎn)生過電壓的基本條件，切割磁力線產(chǎn)生的過電壓同樣可以擊穿空氣、擊穿電器介質(zhì)[包括半導(dǎo)體介質(zhì)]、擊穿一切可以提供電位差的直接、間接導(dǎo)電體[半導(dǎo)體]，影響我們的工作和生活。據(jù)悉天津某某工廠[在漢沽地區(qū)]發(fā)生某女工上班時(shí)開啟電源空氣開關(guān)，造成電源線上產(chǎn)生的過電壓擊穿塑料開關(guān)外殼進(jìn)入手掌再通過身體與大地短路死亡事故。湖南某村莊某居民在室內(nèi)發(fā)生燈泡電源線上具備了雷電電磁脈沖感應(yīng)過電壓擊穿空氣與人頭頂形成通路[回路]死亡現(xiàn)象。引下線附近或接觸引下線的人造成傷害原因是人體的某兩個(gè)部分是否產(chǎn)生電位差，這個(gè)電位差是他致命的要素。比如我們一只手觸模引下線，另外一只手觸模暖氣管，暖氣管接地點(diǎn)假設(shè)遠(yuǎn)離建筑物主地網(wǎng)，那么距離差產(chǎn)生電位差，當(dāng)這個(gè)電位差達(dá)到一定數(shù)值時(shí)就可以造成人員傷亡。不要老是考慮人身安全電壓還要考慮人身安全電流。不知道我的建議是否對你有幫助。
問：是否可以得出這樣的結(jié)論：空曠地區(qū)的大面積廠房（50米X80米），屋面是鐵皮，用裸型鋼作柱子兼防雷引下線是相當(dāng)危險(xiǎn)的？
答：非常危險(xiǎn),你考慮跨步電壓啊!整體考慮吧,要因地制宜的學(xué)習(xí)和利用標(biāo)準(zhǔn),不要太單一考慮費(fèi)用,人命關(guān)天啊!
問：還想請教一個(gè)問題，既然落雷時(shí)距離引下線越近的地方感應(yīng)磁場越大，那么通信設(shè)備，消防主機(jī)，配電箱是否都應(yīng)盡量避開引下線？
答：如果你有條件,一定遠(yuǎn)離!如果1個(gè)10/350--100KA[好象是200KA記不清了]的83米半徑的裸露條件下,可以達(dá)到2.4GS的干擾電磁脈沖強(qiáng)度,2.4GS可以使無保護(hù)的微電子設(shè)備達(dá)到永久性損壞.
問：我手頭正在進(jìn)行一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)廠房的施工，因?yàn)樵O(shè)計(jì)單位沒有考慮防雷，我需要重新考慮補(bǔ)救措施。此鋼結(jié)構(gòu)廠房高35米，長寬為9*17米，全鋼結(jié)構(gòu)，屋面及墻壁采用0.5mm的雙層彩鋼瓦覆蓋（內(nèi)夾不可燃的保溫棉)，三類防雷結(jié)構(gòu)。我準(zhǔn)備采取的措施是：
1.因?yàn)樗袖撝A(chǔ)已被混凝土覆蓋，無法檢查其鋼筋捆扎與焊接質(zhì)量，所以我用40*4mm的鍍鋅扁鋼將所有鋼柱的最下端（靠近基礎(chǔ)部位）連接，并與全廠接地網(wǎng)相連；
2.考慮到屋面彩鋼瓦作接閃器的操作難度與可靠性，我將在屋頂使用10mm的圓鋼安裝一條環(huán)屋頂四周的避雷帶，圓鋼與鋼柱焊接；
3.利用鋼柱作引下線。請問我還該怎樣完善其防雷措施？
答：1. 補(bǔ)救是可以但是要多點(diǎn)接地焊接啊1如果有條件可以在上端也進(jìn)行電氣連接這樣安全!在裸露地方測地阻,原則上處處相等就可以,但是這只是一種補(bǔ)救啊!
2. 屋面彩鋼瓦應(yīng)該多點(diǎn)與鋼珠進(jìn)行電氣連接,多塊金屬瓦之間也要電氣連接避免電弧產(chǎn)生.
3. 接地電阻小于4歐姆,所有鋼梁\鋼拄接地電阻處處相等主接地系統(tǒng)要參照GB50057要求!
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