中外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)防雷裝置電氣連接性能的測(cè)試與評(píng)價(jià)

2023/6/20 11:32:38 人評(píng)論次瀏覽分類：電工基礎(chǔ) 文章地址：http://www.jinzhengkj.com.cn/tech/4980.html

富蘭克林發(fā)明“避雷針”以來，曾經(jīng)誤認(rèn)為“避雷針”的電阻越小越利于發(fā)揮其效能。由此，人們研究各種金屬的導(dǎo)電性，有些避雷針頂端鍍上黃金，甚至用白金制成。后來，不少典型的雷擊事故被發(fā)現(xiàn)由旁側(cè)閃絡(luò)造成，使得人們?cè)絹碓街匾曁岣咭戮€的電氣連續(xù)性，并降低防雷接地電阻值。20世紀(jì)60年代初期，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開始利用鋼筋混凝土柱和基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋作引下線和接地體；20世紀(jì)70年代初期，屋頂鋼筋被利用作為接閃器。國(guó)內(nèi)外防雷規(guī)范均采取切實(shí)措施保障防雷裝置的電氣性能。

BS 6651-1999《Code of practice for protection of structures against lightning》(已廢止)第16.6節(jié)規(guī)定如下：“16.6 混凝土建筑物中鋼筋的利用：16.6.2電氣連貫性-在現(xiàn)場(chǎng)澆灌的鋼筋混凝土建筑物的鋼筋偶爾焊接在一起，提供了肯定的電氣連貫性。通常更多的是，鋼筋在交叉點(diǎn)是用金屬線綁扎在一起。雖然由此產(chǎn)生的自然金屬連接性能有其偶然性，但是這類結(jié)構(gòu)的大量鋼筋和交叉點(diǎn)保證全部雷電流實(shí)質(zhì)上在并聯(lián)放電路徑上的多次分流。經(jīng)驗(yàn)表明，這類建筑物能夠容易地被利用作為防雷裝置的一部分。”

GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.3.5條，利用建筑物的鋼筋作為防雷裝置時(shí)，應(yīng)符合下列規(guī)定：6 構(gòu)件內(nèi)有箍筋連接的鋼筋或成網(wǎng)狀的鋼筋，其箍筋與鋼筋、鋼筋與鋼筋應(yīng)采用土建施工的綁扎法、螺絲、對(duì)焊或搭焊連接。單根鋼筋、圓鋼或外引預(yù)埋連接板、線與構(gòu)件內(nèi)鋼筋應(yīng)焊接或采用螺栓緊固的卡夾器連接。構(gòu)件之間必須連接成電氣通路。通常，可利用建筑物的鋼框架或在電氣上連續(xù)的鋼筋混凝土內(nèi)鋼筋作為防雷裝置。

國(guó)家防雷標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試
德國(guó)早期文獻(xiàn)指出，防雷裝置不可能接近的部分，特別是接地部分，要用測(cè)量方法進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)此，不僅要測(cè)量總接地電阻，而且倘若接地體是分開的，還要測(cè)量各個(gè)單獨(dú)的接地體的接地電阻。防雷裝置與下列諸物體之間互相連接以實(shí)現(xiàn)等電位：金屬裝置、建筑物內(nèi)系統(tǒng)、從外部引入建筑物的外來導(dǎo)電物體和線路。互相連接的方法可采用：在自然等電位連接不能提供電氣連續(xù)之處用等電位連接導(dǎo)體做直接連接。

◆過渡電阻
根據(jù)GB/T21431-2015《建筑物防雷裝置檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》，應(yīng)對(duì)引下線、等電位連接的過渡電阻進(jìn)行必要的檢測(cè)。

a、引下線。
GB/T21431-2015第5.3.2.5條：檢測(cè)每根專設(shè)引下線與接閃器的電氣連接性能，其過渡電阻不應(yīng)大于0.2Ω。第5.3.2.9條：采用儀器測(cè)量專設(shè)引下線接地端與接地體的電氣連接性能，其過渡電阻應(yīng)不大于0.2Ω。

b、雷擊電磁脈沖屏蔽。
GB/T21431-2015第5.6.2.1條：用毫歐表檢查屏蔽網(wǎng)格、金屬管(槽)、防靜電地板支撐金屬網(wǎng)格、大尺寸金屬件、房間屋頂金屬龍骨、屋頂金屬表面、立面金屬表面、金屬門窗、金屬格柵和電纜屏蔽層的電氣連接，過渡電阻值不宜大于0.2Ω。

c、等電位連接。
GB/T21431-2015第5.7.2.3條：對(duì)于第一類和處在爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的第二類防雷建筑物中長(zhǎng)金屬物的彎頭、閥門等連接物的檢測(cè)，應(yīng)測(cè)量長(zhǎng)金屬物的彎頭、閥門、法蘭盤等連接處的過渡電阻，當(dāng)過渡電阻大于0.03Ω時(shí)，檢查是否有跨接的金屬線，并檢查連接質(zhì)量，連接導(dǎo)體的材料和尺寸。

◆接地電阻
GB/T21431-2015第5.4.1.4條，各類防雷建筑物接地裝置的接地電阻(或沖擊接地電阻)值應(yīng)符合GB50057-2010中第4章的要求：第一類防雷建筑物的接地裝置的沖擊接地電阻不應(yīng)大于10Ω；第二類防雷建筑物的接地裝置的沖擊接地電阻不應(yīng)大于10Ω；第三類防雷建筑物的接地裝置的沖擊接地電阻不應(yīng)大于30Ω。

其他行業(yè)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的設(shè)計(jì)要求值見表1。
表1 接地電阻(或沖擊電阻)允許值

IEC防雷標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)
根據(jù)IEC 62305-3 ED3 81/688e/CDV《Protection against lightning-Part 3：Physical damage to structures and life hazard》，第D.7.3.4條，防雷裝置的測(cè)試包括連續(xù)性測(cè)試和接地電阻的測(cè)量，并應(yīng)提供影響可能需要的接地電阻測(cè)量的類型和布局的信息：①執(zhí)行連續(xù)性測(cè)試，特別是對(duì)防雷裝置中不可見的部分進(jìn)行檢查；②在可能的情況下，對(duì)各個(gè)接地極和接地系統(tǒng)進(jìn)行接地電阻測(cè)試。

◆過渡電阻、接地電阻測(cè)試
IEC 62305-3 ED3 81/688e/CDV第C.6.6條，接地電阻試驗(yàn)方法只有專門為接地電阻測(cè)試而設(shè)計(jì)的儀器才允許用于本應(yīng)用：

a、過渡電阻測(cè)試儀器應(yīng)符合GB∕T18216.4-2021/IEC 61557-4：2019《交流1000V和直流1500V及以下低壓配電系統(tǒng)電氣安全防護(hù)措施的試驗(yàn)、測(cè)量或監(jiān)控設(shè)備第4部分：接地電阻和等電位接地電阻》，實(shí)際是測(cè)量包括連接線和端子在內(nèi)的接地導(dǎo)體、保護(hù)接地導(dǎo)體以及等電位連接導(dǎo)體的電阻。采用四引線測(cè)量表，其中兩個(gè)電壓引線，兩個(gè)電流引線；測(cè)量電壓通常是直流電壓。因?yàn)檎５膶?dǎo)通都是小電阻(阻抗)狀態(tài)，所以規(guī)定儀表輸出電流的下限為0.2A，測(cè)量分辨率仍可達(dá)到0.001Ω(1mΩ)精度。當(dāng)選用直流電源測(cè)試過度電阻時(shí)，為了測(cè)試小至0.2Ω的過渡電阻，德國(guó)電工委員會(huì)(DKE)防雷裝置安裝委員會(huì)(K251)要求測(cè)量電流應(yīng)為10A左右。

b、接地電阻測(cè)試儀器應(yīng)符合GB/T18216.5-2021/IEC 61557-5：2019《交流1000V和直流1500V及以下低壓配電系統(tǒng)電氣安全防護(hù)措施的試驗(yàn)、測(cè)量或監(jiān)控設(shè)備第5部分：對(duì)地電阻》規(guī)定，采用三引線測(cè)量表，從電氣安全角度，輸出電壓的開路值不應(yīng)大于50V交流電壓。

防雷裝置電阻溯源
◆防雷和西德防雷規(guī)范第8版(1971年)
第10.1.2條，在上面要引出連接接閃器的附接線和下面引出連接接地裝置的附接線；當(dāng)上面和下面的附接點(diǎn)之間的電阻不超過約0.1 Ω時(shí)，則從上至下的連接線被視為足夠的。

◆GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》
第4.3.5條條文解釋，原蘇聯(lián)對(duì)鋼筋綁扎點(diǎn)流過沖擊和工頻電流的試驗(yàn)(刊登于原蘇聯(lián)雜志《電站》1990年第9期文章)試樣是方柱形混凝土，邊長(zhǎng)為50mm、100mm和150mm三種，見下圖。

大沖擊電流和工頻短路電流流過鋼筋綁扎點(diǎn)的試樣

在其軸心埋設(shè)兩根直徑8mm的鋼筋，將其末端彎起來并用綁線綁扎。對(duì)這種連接點(diǎn)用幅值5kA、10kA、20kA，波長(zhǎng)40μs的沖擊電流波和3kA的工頻電流進(jìn)行試驗(yàn)。從試驗(yàn)所得的電壓和電流示波圖可證明，這種連接點(diǎn)的電氣接觸是足夠可靠的，其過渡電阻為0.001Ω ~ 0.01Ω。這一結(jié)果表明，當(dāng)雷電流和工頻短路電流通過有鐵絲綁扎的并聯(lián)鋼筋時(shí)，所有縱向主筋都參與導(dǎo)引電流。

◆IEC防雷標(biāo)準(zhǔn)中防雷裝置電阻
從2000年至2006年，IEC防雷標(biāo)準(zhǔn)對(duì)建筑物鋼筋電氣連續(xù)的電阻值有多輪討論，見表2。

表2 IEC防雷標(biāo)準(zhǔn)中防雷裝置電阻

其中，最典型的是多國(guó)代表對(duì)IEC 81/214/CD第4.3條提出異議：

“For existing precast reinforced concrete structures，the connection of these units can be monitored by measurement：the electrical resistance across the joint of the connected precast units should be of the order of 1 Ω.”

“For existing structures that use reinforcing bars，electrical continuity shall be assured. The overall electrical resistance from the air termination system to ground level should be of the order of 0.1 Ω.”

主要意見是：“預(yù)制單元接頭電阻1Ω”偏高，而“接閃器到地平面的總電阻0.1Ω”上次會(huì)議上未經(jīng)討論(注：以前是1Ω)。最終，秘書處采納了英國(guó)代表的意見，確定“接閃器到地平面的總電阻不應(yīng)大于0.2Ω”，而“預(yù)制單元接頭電阻”被刪除，見IEC 81/223/CC：

“For structures utilizing steel reinforced concrete（including as pre?stressed reinforced units），the electrical continuity of the reinforcing bars shall be determined by electrical testing between the uppermost part and ground level. The overall electrical resistance should not be greater than 0，2 ohm，measured in test equipment suitable for this purpose”

過渡電阻是一種瞬態(tài)的電阻，它是考核鋼筋混凝土建筑物內(nèi)鋼筋連續(xù)性的一個(gè)重要指標(biāo)，早期曾有過相關(guān)的研究，IEC 62305.3 Ed1最終確定“接閃器到地平面的總電阻不應(yīng)大于0.2Ω”為鋼筋電氣連續(xù)的判定標(biāo)準(zhǔn)，并延用至今。

過渡電阻(即接觸電阻)另有規(guī)定，“使用至少10A的電流源，測(cè)量接觸電阻時(shí)應(yīng)盡量靠近連接件，測(cè)出的電阻值不應(yīng)超過0.001Ω。如果連接件或?qū)w為不銹鋼，電阻值不應(yīng)超過0.003Ω” 。

◆引下線連續(xù)性
混凝土中鋼筋之間的連接固定使用金屬綁線，這種連接從電氣的角度出發(fā)似乎是不適宜的。但是，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)這些綁線接點(diǎn)在電氣連接上是很有效的。這些鋼筋在長(zhǎng)度方向上采用搭接并用金屬綁線扎在一起，單個(gè)這樣的連接點(diǎn)也許具有高的電阻，但在一個(gè)完工的建筑架構(gòu)中，上千個(gè)這樣的連接點(diǎn)在電氣上是并聯(lián)的。在建成的建筑物上所進(jìn)行的許多電阻測(cè)量確實(shí)表明完全可以用于防雷目的。

德國(guó)防雷標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法
a、施工環(huán)節(jié)測(cè)量。
德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)過渡電阻必須進(jìn)行以下兩種類型的測(cè)量，見圖2：① 長(zhǎng)度不大于10m的鋼筋的兩個(gè)連接點(diǎn)之間電阻值應(yīng)<10mΩ；② 從最高點(diǎn)到MEB每m高度的電阻值應(yīng)<10mΩ。

鋼筋連接測(cè)量示意

要求最高點(diǎn)到地面的總測(cè)試電阻不大于0.2Ω。

這種測(cè)試指導(dǎo)性很強(qiáng)，更注重過程控制，對(duì)施工過程各環(huán)節(jié)鋼筋的連接質(zhì)量要求更嚴(yán)，避免在驗(yàn)收測(cè)試中出現(xiàn)問題無法補(bǔ)救。

b、驗(yàn)收測(cè)量方法。
當(dāng)無法檢查防雷裝置連續(xù)性時(shí)，要求在每處測(cè)量點(diǎn)測(cè)量接閃器、引下線、等電位連接線、屏蔽設(shè)施等所有連接線和連接點(diǎn)具有低阻抗連續(xù)性，其典型值是不大于1Ω，見下圖。

鋼筋連接測(cè)量方法

以上方法也有局限性，即當(dāng)利用柱內(nèi)鋼筋作為引下線，防雷裝置不存在斷接點(diǎn)時(shí)，圖3的驗(yàn)收測(cè)試方法并不適用。

◆IEC 62305-3測(cè)量方法
GB/T21714.3-2015《雷電防護(hù) 第3部分：建筑物的物理損壞和生命危險(xiǎn)》第D.6.5條：電氣測(cè)試要求-連接到防雷系統(tǒng)上的任何單個(gè)部件的直流電阻不得超過0.2Ω。

GB/T21714.3-2015第E.4.3.1條：一般要求測(cè)量接閃器和地面接地板之間的電阻，如圖4所示，要求最大電阻不超過0.2Ω。當(dāng)難以進(jìn)入測(cè)試區(qū)域或布設(shè)測(cè)試電纜困難時(shí)，可提供從高到低的專用測(cè)試板，以便在每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。然后計(jì)算各節(jié)點(diǎn)和引下線的總電阻。

IEC 62305-3 ED3 81/688e/CDV第D.5.3.5.2.1條，將上述測(cè)量建筑物總電阻作了如下修改：測(cè)量接閃器和等電位連接板之間的電阻，如圖5所示，使用適合的四引線測(cè)試設(shè)備，滿足最大電阻不超過0.2Ω的要求。測(cè)試電流應(yīng)為10A左右，該測(cè)試可以在施工階段進(jìn)行，在連接到接閃器之前的最后測(cè)量的電阻應(yīng)不大于規(guī)定的最大電阻。

測(cè)量鋼筋混凝土建筑總電阻

當(dāng)難以進(jìn)入測(cè)試區(qū)域或測(cè)試電纜敷設(shè)困難時(shí)，可安裝專用的垂直導(dǎo)體，在每層進(jìn)行測(cè)試。然后，測(cè)量每個(gè)節(jié)點(diǎn)和垂直導(dǎo)體的總電阻，再減去專用垂直導(dǎo)體的電阻可得到計(jì)算值。該導(dǎo)線應(yīng)在頂部連接到接閃器，并在底部通過測(cè)試斷接卡子連接到接地網(wǎng)，以便在測(cè)試時(shí)斷開連接。

首選對(duì)角測(cè)試，例如從建筑的左上到右下，通常可以提供更好的測(cè)試電流分布。

對(duì)于鋼筋混凝土建筑物，利用混凝土柱內(nèi)鋼筋作為引下線時(shí)，所有自然引下線通過互聯(lián)鋼筋(水平梁內(nèi)鋼筋)連接在一起，單獨(dú)測(cè)量每一處引下線并不能體現(xiàn)該處實(shí)際的電阻值，而是從屋面到接地端子的總過渡電阻，即建筑物引下線的總電阻，圖5比圖4更加清晰地體現(xiàn)了以上內(nèi)涵。安裝階段設(shè)置專用的垂直導(dǎo)體，在每層進(jìn)行測(cè)試，有利于控制各樓層的過渡電阻。從建筑的左上到右下，使得測(cè)試電流均衡分配，過渡電阻值相對(duì)準(zhǔn)確。

◆接地電阻測(cè)試
一般，雷電流向大地泄流時(shí)，同時(shí)應(yīng)使預(yù)期的電涌反擊電壓盡可能小，為了均衡電位，接地系統(tǒng)的形狀和尺寸是重要因素。但是，通常建議防雷裝置具有較低的接地電阻，工頻接地電阻測(cè)量值盡可能低于10Ω。

測(cè)量建筑業(yè)接地電阻

接地電阻測(cè)量普遍采用三極法，如上圖所示，E作為測(cè)量對(duì)象的接地極，S和H是測(cè)量用的輔助電極(輔助電極電阻不小于100Ω)，其中S是電流電極，H是電壓電極，E、S、H在一條直線上，只要E、H之間距離足夠大，就會(huì)在E、H之間產(chǎn)生零電位區(qū)。取E、H間距40m，S處于E、H中點(diǎn)，可沿EH直線前后移動(dòng)10%。在E和H之間接入電源，電流電極H測(cè)出電流值，電壓電極S測(cè)出電壓值，則工頻接地電阻為：RE=U/I，并直接從歐姆表中讀出。三次結(jié)果取平均值作為接地極電阻。

結(jié)論
防雷裝置電氣連接性能測(cè)試是防雷裝置校驗(yàn)中不可缺少的環(huán)節(jié)，我國(guó)實(shí)際工程防雷裝置檢驗(yàn)存在以下問題：

a、我國(guó)防雷檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際防雷檢測(cè)報(bào)告，該測(cè)試的內(nèi)容沒有測(cè)試，如自然引下線的電氣連接性能等；不必要的項(xiàng)目反而大量測(cè)試，如設(shè)備機(jī)房(消防水泵房、制冷機(jī)房、電梯機(jī)房)、變配電室配電柜等。此問題與防雷測(cè)試缺乏技術(shù)監(jiān)督部門監(jiān)管應(yīng)有直接關(guān)系。

b、可見的防雷裝置連接檢驗(yàn)可以采用目視檢查，如屋頂接閃帶和引下線、幕墻龍骨、金屬護(hù)欄、冷卻塔等之間通常為焊接或機(jī)械連接，可以不必逐項(xiàng)測(cè)試；部分不可見的項(xiàng)目未進(jìn)行電阻測(cè)試，如自然引下線的連續(xù)性。

c、過渡電阻和防雷裝置總電阻測(cè)量應(yīng)采用相應(yīng)的專門儀表，以保證必要的測(cè)試精度。國(guó)際、國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)僅要求采用直流電源，規(guī)定測(cè)試電流不小10A；當(dāng)采用符合GB∕T18216.4-2021/IEC 61557-4：2019標(biāo)準(zhǔn)的專用測(cè)試儀表時(shí)滿足同等精度的測(cè)試電流可以為0.2A。然而，本案例檢測(cè)報(bào)告中測(cè)試儀器僅有MS-1026數(shù)字式接地電阻測(cè)試儀，非四引線測(cè)試表，僅符合GB4793.1-2007/IEC 61010-1：2001《測(cè)量、控制和實(shí)驗(yàn)室用電氣設(shè)備的安全要求第1部分：通用要求》，不符合GB∕T18216/IEC 61557系列標(biāo)準(zhǔn)要求。這可能是缺乏過渡直流電阻和防雷裝置總電阻測(cè)試值的主要原因。

d、IEC防雷標(biāo)準(zhǔn)注重防雷裝置總電阻的測(cè)量，且采取有利于防雷引下線測(cè)試電流分配的測(cè)試方法，具有一定的合理性。

作者：陳謙、張金勇