李光曦
【摘 要】依据GB 50057-2010《建筑物防雷设计规范》等相关标准,分析了高层住宅建筑物侧立面太阳能热水器的侧击雷雷电流分布范围,对直击雷电流进行分流计算,比较了10/350μs与8/20μs两种波形雷电流的相关特性,来探讨电涌保护器(SPD)相关电流参数的选型,以提高对雷电电涌的防护精度. 【期刊名称】《现代建筑电气》 【年(卷),期】2017(008)009 【总页数】4页(P40-43)
【关键词】高层住宅;侧击雷;分流计算;电涌保护器 【作 者】李光曦
【作者单位】中信建筑设计研究总院有限公司,湖北武汉430014 【正文语种】中 文 【中图分类】TU856
随着我国城镇化建设的不断发展,高层、超高层住宅建筑越来越多。同时,人们对绿色节能认识的不断提高,以及在国家节能减排政策的鼓励下,有些地域直接要求新建高层住宅必须装设一定数量的太阳能热水器。太阳能热水器的集热器通常需要伸出建筑物侧立面外墙,且太阳能热水器与住户套内其他家电设备通过低压配电系统直接相连。因此,太阳能热水器的防雷设计要引起足够重视[1]。
对于第三类防雷建筑物,GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》[2]第4.4.8条
规定:高度超过60 m的建筑物,除屋顶的外部防雷装置应符合规范第4.4.1条的规定外,尚应符合下列规定。
(1) 水平突出外墙的物体,当滚球半径 60 m球体从屋顶周边接闪带外向地面垂直下降接触到突出外墙的物体时,应采取相应的防雷措施。
(2) 高于60 m的建筑物,其上部占高度20%并超过60 m的部位应防侧击雷。同时,IEC 62305-3:2010第5.2.3条也有类似的表述[3]。
因此,当高层住宅为第三类防雷建筑物时,其外墙侧立面相对于地面安装高度不低于60 m的太阳能热水器应采取相应的防雷措施。 2.1 项目概况
某高层住宅建筑长为65.4 m,宽为17.1 m,高为96.5 m,属剪力墙结构,建筑物所处地域年雷暴日为36.9 d/a,根据GB 50057—2010,计算的雷击次数为0.181次/a。同时根据JGJ 242— 2011《住宅建筑电气设计规范》,该建筑物按第三类防雷建筑物设防。
该住宅楼21F～30F设置太阳能热水器,热水器的集热器均安装于朝南的外墙处,倾斜15°壁挂式安装,集热器(顶边)的安装高度为61.2～87.3 m。太阳能热水器安装示意如图1所示。 2.2 侧击雷雷电流估算
由滚球法可知,设备安装高度与侧击雷最大击距要对应,根据GB 50057—2010可计算出侧击雷最大击距R=10(i0)0.65,其中i0为最大雷电流。经计算,对于不同安装高度的集热器,最大侧击雷电流(10/350 μs波形)与设备安装高度对应关系如表1所示,考虑安装高度的误差,计算时最大侧击雷电流均向上取整到5 kA的整倍数。 由表1可知,对于不同安装高度的集热器,计算最大侧击雷电流(10/350 μs波形)范围为20～30 kA。 2.3 集热器的直接雷击防护
太阳能热水器集热器的直击雷范围主要是30 kA及以下的雷电流。由IEC 62305-3:2010第5.2.3条可知,侧面闪络的概率低,电流小,因而危险性较小。因此,对于雷暴日较少地域的市中心住宅建筑,且当计算雷电流较小时可直接利用集热器的金属边框和金属支架作为接闪器。对于雷暴日较多地域以及临湖、临河住宅建筑,或计算雷电流较大时,宜在集热器框架上依据滚球法增设避雷带或避雷小针。 2.4 太阳能热水器入侵户内配电系统的雷电流
在侧击雷防护设计中,要求设置热水器当层的结构圈梁内2根主筋焊接或绑扎连通(焊接或绑扎方式参考IEC 62305-3:2010图E.5,焊接方式须经结构专业确认),形成闭环。该闭环钢筋组与各引下线钢筋可靠焊接或绑扎连通。同时,各集热器安装处两端均设置2个接地端子板,集热器的金属支架分别与两侧的端子板可靠连通。 当闪电击中集热器时,第一次分流处于外墙接地端子板处,分流后将有0.44倍雷电流经2根冷媒铜管(铜管厚度通常为0.5～1.2 mm)进入到阳台内的水箱主体处(如图1),这部分雷电流都将通过热水器配电导线进入配电系统。根据表1的数值,各楼层经太阳能热水器可能入侵户内配电系统的最大雷电流(10/350 μs波形)计算如下:21F～24F,Ia=20×0.44=8.8 kA;25F～27F:Ia=25×0.44=11 kA;28F～30F,Ia=30×0.44=13.2 kA。
第二次分流为配电线路导体之间的分流,尽管文献IEC 62305-1:2010第E.2.2条[4]认为多处重复接地的PE导体将比供电导体分更多的雷电流,但按太阳能热水器3根供电导体(L、N、PE线)平分雷电流处理,则流经每一导体的计算冲击雷电流如下:21F～24F,Iimp=8.8/3=2.93 kA;25F～27F,Iimp=11/3=3.67 kA;28F～30F,Iimp=13.2/3=4.4 kA。
GB 50057—2010第4.5.4条规定:固定在建筑物上的节日彩灯、航空障碍灯及其他用电设备和线路,应根据建筑物的防雷类别采取相应的防止闪电电涌入侵的措施,此时在配电箱内开关的电源侧设置Ⅱ级实验的电涌保护器(SPD),其电压保护水平
≤2.5 kV,标称放电电流值应根据具体情况确定[2]。
由GB 50057—2010可知,Ⅰ级、Ⅱ级试验SPD的相关参数如表2所示。 由表2可知,Ⅰ级、Ⅱ级试验SPD的参数区别主要是最大冲击电流Iimp和最大放电电流Imax的不同。
GB 50057—2010中第4.5.4条第2款对此处的SPD选型进行算例分析:当计算冲击电流值为2 kA时(10/350 μs波形),可选用Iimp值≥2 kA的Ⅰ级试验SPD或In值≥20 kA的Ⅱ级试验SPD(Imax值为40 kA),即8/20 μs波形电流的Imax值与10/350 μs波形电流的Iimp值的换算倍数可按20倍考虑。
文献[5]认为,对于同等数值下的脉冲电流,10/350 μs测试波形的能量比8/20 μs测试波形的能量约大20倍,同时给出两种电流波形的比较,如图2所示。
如以Iimp值为5 kA的10/350 μs波形电流和Imax值为100 kA的8/20 μs波形电流进行比较分析,波形简图如图3所示。
依据IEC 62305-1:2010附录A.3和附录D.3公式中,10/350 μs波形(5 kA)与8/20 μs波形(100 kA)相关参数比较如表3所示[4]。
表3计算结果与文献[6]一致。由以上分析可知,以20倍关系采用Ⅱ级试验SPD的Imax值对Ⅰ级试验SPD的Iimp值进行替换在理论上是可行的。
根据GB 50057—2010第4.2.3条条文说明,对于第三类防雷建筑物,通常闪电击于室外电缆附近时的感应电流参数可取1.25 kA(8/20 μs波形),闪电雷击于建筑物附近时取0.1 kA(8/20 μs波形),闪电雷击于建筑物屋面接闪器时取5 kA(8/20 μs波形)。另外,由 IEC 62305-4:2010可知,耐受能量比安装点要求高的SPD会使SPD工作寿命增长[7]。
通过以上分析,对实例中各位置分别采用Ⅰ级试验SPD和采用Ⅱ级试验SPD的电流选型值进行对比,如表4所示。
由表4可以看出,设计中采用Ⅱ级试验SPD要区别设置,而采用Ⅰ级试验SPD普遍
选型偏大。因此,对于直接或部分雷电流,一般应按规范要求采用Ⅰ级试验SPD。但由于市场因素,当预期雷电流较小,不低于12.5 kA的Ⅰ级试验的SPD显得明显过大时,可考虑替换为Ⅱ级试验SPD。另外,SPD安装位置宜位于阳台处,当位于户进线配电箱内时应对太阳能热水器采用单独回路供电。
本文依据GB 50057—2010和IEC 62305规范,对高层住宅建筑物侧立面太阳能热水器的侧击雷雷电流分布范围和雷电流参数进行定量分析,同时对Ⅰ级试验SPD与Ⅱ级试验SPD互换进行了分析。分析结果显示,在条件适当时对于不同楼层宜区别选用不同型号的SPD。
【办刊理念】 【相关文献】
[1] 李蔚.建筑电气设计常见及疑难问题解析[M].北京:中国建筑工业出版社,2010. [2] 建筑物防雷设计规范:GB 50057—2010[S].
[3] 雷电防护 第3部分:建筑物的物理损坏和生命危险:GB/T 21714.3—2015[S]. [4] 雷电防护第1部分:总则:GB/T 21714.1—2015[S]. [5] OBO Bettermann.防雷保护系统应用指南[M].2014.
[6] 李光曦.超高层建筑物电源引入处SPD冲击电流选型探讨[J].电气工程应用,2017(2):4-11. [7] 雷电防护 第4部分:建筑物内电气和电子系统:GB/T 21714.4—2015[S].
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容