確定環形人工基礎接地體尺寸的幾條原則
一、在相同截面(即在同一長度下,所消耗的鋼材重量相同)下,扁鋼的表面積總是大于圓鋼的,所以,建議優先選用扁鋼,可節省鋼材;
二、在截面積總和相等之下,多根圓鋼的表面積總是大于一根的,所以,在滿足所要求的表面積的前提下,選用多根或一根圓鋼;
三、圓鋼直徑選用8、10、12mm三種規格,選用大于φ12mm圓鋼一是浪費材料,二是施工時不易于彎曲;
四、混凝土電阻率取100Ω·m,這樣,混凝土內鋼筋體有效長度為2√P=20m,即從引下線連接點開始,散流作用按各方向20m考慮;
五、周長≥60m,按60m考慮,設三根引下線,此時Kc=0.44,另外還有56%的雷電流從另兩根引下線流走,每根引下線各占28%。設這28%從兩個方向流走,每一方向流走14%。因此,與第一根引下線連接的40m長接地體(一個方向20m,兩個方向共計40m),共計流走總電流的(0.44+0.14+0.14=0.72)72%,即條文上一段所規定的4.24K2c和1.89K2c中的K2c等于0.72。
六、≥40m至〈60m周長時按40m長考慮,Kc等于1,即按40m長流走全部雷電流考慮。
七、<40m周長時無法預先定出規格和尺寸,只能按Kc=1由設計者根據具體長度計算,并按以上原則選用。
根據以上原則所計算的結果列于表3.4。
整個建筑物的槽形、板形、塊形基礎的鋼筋表面積總是能滿足對鋼筋表面積的要求。
混凝土內的鋼筋借綁扎作為電氣連接,當雷電流通過時,在連接處是否可能隨此而發生混凝土的爆炸性炸裂。為了澄清這一問題,瑞士高壓問題研究委員會進行過研究,認為鋼筋之間的普通金屬綁絲連接對防雷保護說來是完全足夠的,而且確證,在任何情況下,在這樣連接附近的混凝土決不會碎裂,甚至出現雷電流本身把綁在一起的鋼筋焊接起來,如點焊一樣,通過電流以后,一個這樣的連接點的電阻下降為幾個毫歐的數值。
日本對試樣做過試驗,其結果是,有一個試樣的一個綁扎點通過48kA和兩個試樣的各一個綁扎點通過61kA后,采用綁扎連接的這三個鋼筋混凝土試樣才遭受輕度裂縫的破壞。這說明一個綁扎點可以安全地流過若干萬安培的沖擊電流。
以上試驗可以認為,在雷電流流過的路徑上,有一些并聯的綁扎點時,就會是安全的。
許多國家的建筑物防雷規范和標準均允許利用綁扎連接的鋼筋體作為防雷裝置。
3.3.6第一款,根據IECI024一1防雷標準第2.3.3.2款導出本條的規定,見本規范第3.2.4條六款的說明。
當環形接地體所包圍的面積A的平均幾何半徑r=√A/π=5m和P≤300Ω·m時,其工頻接地電阻R約為R約為R=2p/3d=0.067(Ω)。
第二款,根據本條一款的規定,當√A/π≥5時,得A≥78.54m2,取整數,故定為A大于或等于80m2。
第三款,本款系根據實際需要和實踐經驗補充增加的。第1項保證地面電位分布均勻。第2項保證雷電流較均勻分配到雷擊點附近作為引下線的金屬導體和各接地體上。第3項保證混凝土基礎的安全性。
第1項中“絕大多數柱子基礎”是指在一些情況下少數柱子基礎難于這通的情況,如車間兩端在鑰筋混凝土端屋架中間(不是屋架的兩頭)的柱子基礎,即擋風柱基礎。
地中混凝土的起始溫度取30℃,最高允許溫度取99℃?;炷恋暮堪椿炷林亓康?%計算。邊長1m的基礎混凝土立方體的熱容量Q1為:
Q1(J/m3)=(C1十0.05C2)M1·ΔT”(3.13)
式中C1一一混凝土的比熱容(J/kg·k),取8.82×102;
C2——水的比熱容(J/kg·K),取4.19×103:
M1一—邊長1M的混凝土立方體的重量(kg/m3),取
2.1×103;
ΔT——溫度差,對于起始溫度為30℃和最終溫度為99℃
的場合,ΔT=69℃。
將以上有關數值代入(3.13)式得Q1=1.58×108J/m3。
雷電流從鋼筋表面(設鋼筋與混凝土的接觸表面積為lm2)流入混凝土(混凝上折合成邊長1m的立方體)時所產生的熱量按下式計算:
Q2=Fi2dt=pFi2dt(3.14)
式中p——混凝土在30~99℃時的平均電阻率,取120Ω·m。
使Q2=Q1,得pFi2dt=1.58×108,所以pFi2dt=1.58×108/120=1.32
×106J/Ω·m2=1.32MJ/Ω·m2
上式的計量單位MJ/Ω·m2說明雷電流從1m2鋼筋表面積流入混凝土所產生的單位能量應不大于1.32MI/Ω。
從表3.1得第二、三類防雷建筑物的單位能量(即Fi2dt)分別為5.6MJ/Ω和2.5MJ/Ω。
由于單位能量與雷電流的平方成正比,亦即與分流系數Kc的平方成正比。根據本規范圖3.3.4的(c)取Kc=0.44,因此,分流后流經一根柱子的雷電流,它所產生的單位能量分別為5.6×(0.44)2=1.084MJ/Ω和2.5×(0.44)2=0.484MJ/Ω。
將這兩個數值分別除以Fi2dt=1.32MJ/Ω·m2,則相應所需的基礎鋼筋表面積分別為1.048/1.32=0.82m2和0.484×1.32=0.37m2。
關于基礎鋼筋表面積的計算,現舉一個實際設計例子。圖3.4為車間一個柱子基礎的結構設計。
Ф10鋼筋周長為0.01πm,每根長2m,每根的表面積為0.02πm2,共計2000/200=10根,故Ф10鋼筋的總表面積為0.2πrn2。
Ф2鋼筋周長為0.012πm,每根長3.2m,每根的表面積為3.2×0.012π=0.0384πm2,共計3200/200=16根,故Ф2鋼筋的總表面積為16×0.0384π=0.6144πm2。
因此,基礎鋼筋的總表面積為上述兩項之和,即0.2π+0.6144π=0.8144π=2.56m2。
3.3.7建筑物內的主要金屬物不包括混凝上構件內的鋼筋。
3.3.8第一款,以規范(3.2.1一1)式和(3.2.1一2)式為基本式,根據表3.1和表3.2,第二類防雷建筑物和第一類防雷建筑物的雷電流幅值之比為0.75,即150/200=0.75、37.5/50=0.75。因此,以基本式乘上0.75和K2值則導出規范(3.3.8一1)式和(3.3.8一2)式。
Kc值按規范圖3.3.4確定,它引自IECI024一1防雷標準的圖3、圖4、圖5。Kc為考慮分流作用而引人的系數,由于引下線根數不同接法不同而采用不同的數值。IEC的Kc值適用于引下線間距20m。本規范第二類和第三類防雷建筑物的引下線間距分別不太于18m和25m,所以,將IEC的Kc值用于第二類防雷建筑物將會是更安全。而用于第三類則Kc值偏小些。但在設計時引下線間距受建筑條件限制,實際上,引下線問距通常都小于25m,此外,無IEC對Kc值的推導材料,無法推算出25m間距時的Kc值。因此,第三類防雷建筑物的人值與第二類的一樣,也采用IEC的Kc值。
第二款,規范(3.3.8一3)式為(3.3.8一2)式中的電感壓降分量部分。
“當利用建筑物的鋼筋或鋼結構作為引下線,同時建筑物的大部分鋼筋、鋼結構等金屬物與被利用的部分連成整體時,金屬物或線路與引下線之間的距離可不受限制”,這段系根據IECI024—防雷標準的有關規定補充的,見本規范第3.1.2條的說明。
第四款,磚墻的擊穿強度為空氣擊穿強度的1/2與IECI024—1防雷標準的表9一致,但規定混凝土墻的擊穿強度與空氣擊穿強度相同系參考德國電工雜志(etz)1986年107卷第1期《建筑材料對確定安全距離的影響》一文,在該文獻中提到:“混凝土的沖擊擊穿電壓約相當于空氣的,所以,混凝土的厚度可按同樣的空氣厚度看待”;在結束語中指出:“通常,建筑材料的沖擊電壓強度比空氣的?。ㄖ炼嘈?/2)。只有混凝上的擊穿強度與空氣的相等。尚未發現有介電強度比空氣高的建筑材料”。
第五款,前半段的理由參見本規范第3.2.4條八款的說明。
當變壓器附近的建筑物防雷裝置接受雷閃時,接地裝置電位升高,變壓器外殼電位也升高。由于變壓器高壓側各相繞組是相連的,對外殼的雷擊高電位說來,可看作處于同一低電位,外殼的高電位可能擊穿高壓繞組的絕緣,因此,應在高壓側裝設避雷器。當避雷器反擊穿時,高壓繞組則處于與外殼相近的電位,高壓繞組得到保護。另一方面,由于變壓器低壓繞組的中心點與外殼在電氣上是連接在一起的,當外殼電位升高時,該電位加到低壓繞組上,低壓繞組有電流流過,并通過變壓器繞組的電磁感應使高壓側可能產生危險的高電位,若在低壓側裝設避雷器,當外殼出現危險的高電位時低壓避雷器動作放電,大部分雷電流經避雷器流過,因此,保護了高壓繞組。
3.3.9第二款第1項,見第3.2.3條第一款的說明。
第三款第1項,僅要求電纜“埋地長度應大于或等于15rn”代替原規范的50m。其理由為:一、本類建筑物不是爆炸危險類,要求可低些;二、原50m埋地電纜的要求不合理,參見本規范第3.2.3條第一款的說明。
第四款,架空金屬管道在入戶處與防雷接地相連或獨自接地,當雷直擊其上,引入屋內的電位,與雷直擊于屋頂接閃器相似。對爆炸危險類,距建筑物約25m處還接地一次,再加上附近各管道支架的泄流作用,對建筑物的安全更可靠。
3.3.10由于高避雷汁和高層建筑物,在其頂點以下的側面有遭到雷擊的記載,因此,希望考慮其它高層建筑物上部側面的保護。有三點理由認為這種雷擊事故是輕的。第一,側擊具有短的極限半徑(吸引半徑),也即小的滾球半徑Hr,,其相應的雷電流也是較小的;第二,高層建筑物的建筑結構通常能耐受這類小電流的側擊;第三;建筑物遭受側擊損壞的記載尚不多,這點真實地證實前兩點的實在性。因此,對高層建筑物上部側面雷擊的保護不需另設專門接閃器,而利用建筑物本身的鋼構架、鋼筋體及其它金屬物。
將窗框架、欄桿、表面裝飾物等較大的金屬物連到建筑物的綱構架或鋼筋體進行接地,這是首先應采取的防側擊的預防性措施。
對第二類防雷建筑物,由于滾球半徑Hr規定為45m(見本規范表5.2.1),所以,本條三款規定“45m及以上”。
豎直管道及類似物在頂端和底端與防雷裝置連接,其目的在于等電位。由于兩端連接,使其與引下線成了并聯路線,因此,必然參與導引一部分雷電流。