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确定环形人工基础接地体尺寸的几条原则

作者:        发布日期:2018-09-30        点击量:162

一、在相同截面(即在同一长度下,所消耗的钢材重量相同)下,扁钢的表面积总是大于圆钢的,所以,建议优先选用扁钢,可节省钢材;  

二、在截面积总和相等之下,多根圆钢的表面积总是大于一根的,所以,在满足所要求的表面积的前提下,选用多根或一根圆钢;  

三、圆钢直径选用8、10、12mm三种规格,选用大于φ12mm圆钢一是浪费材料,二是施工时不易于弯曲;  

四、混凝土电阻率取100Ω·m,这样,混凝土内钢筋体有效长度为2√P=20m,即从引下线连接点开始,散流作用按各方向20m考虑;  

五、周长≥60m,按60m考虑,设三根引下线,此时Kc=0.44,另外还有56%的雷电流从另两根引下线流走,每根引下线各占28%。设这28%从两个方向流走,每一方向流走14%。因此,与第一根引下线连接的40m长接地体(一个方向20m,两个方向共计40m),共计流走总电流的(0.44+0.14+0.14=0.72)72%,即条文上一段所规定的4.24K2c和1.89K2c中的K2c等于0.72。  

六、≥40m至〈60m周长时按40m长考虑,Kc等于1,即按40m长流走全部雷电流考虑。  

七、<40m周长时无法预先定出规格和尺寸,只能按Kc=1由设计者根据具体长度计算,并按以上原则选用。  

根据以上原则所计算的结果列于表3.4。  

整个建筑物的槽形、板形、块形基础的钢筋表面积总是能满足对钢筋表面积的要求。  

混凝土内的钢筋借绑扎作为电气连接,当雷电流通过时,在连接处是否可能随此而发生混凝土的爆炸性炸裂。为了澄清这一问题,瑞士高压问题研究委员会进行过研究,认为钢筋之间的普通金属绑丝连接对防雷保护说来是完全足够的,而且确证,在任何情况下,在这样连接附近的混凝土决不会碎裂,甚至出现雷电流本身把绑在一起的钢筋焊接起来,如点焊一样,通过电流以后,一个这样的连接点的电阻下降为几个毫欧的数值。  

日本对试样做过试验,其结果是,有一个试样的一个绑扎点通过48kA和两个试样的各一个绑扎点通过61kA后,采用绑扎连接的这三个钢筋混凝土试样才遭受轻度裂缝的破坏。这说明一个绑扎点可以安全地流过若干万安培的冲击电流。  

以上试验可以认为,在雷电流流过的路径上,有一些并联的绑扎点时,就会是安全的。  

许多国家的建筑物防雷规范和标准均允许利用绑扎连接的钢筋体作为防雷装置。  

3.3.6第一款,根据IECI024一1防雷标准第2.3.3.2款导出本条的规定,见本规范第3.2.4条六款的说明。  

当环形接地体所包围的面积A的平均几何半径r=√A/π=5m和P≤300Ω·m时,其工频接地电阻R约为R约为R=2p/3d=0.067(Ω)。  

第二款,根据本条一款的规定,当√A/π≥5时,得A≥78.54m2,取整数,故定为A大于或等于80m2。  

第三款,本款系根据实际需要和实践经验补充增加的。第1项保证地面电位分布均匀。第2项保证雷电流较均匀分配到雷击点附近作为引下线的金属导体和各接地体上。第3项保证混凝土基础的安全性。  

第1项中“绝大多数柱子基础”是指在一些情况下少数柱子基础难于这通的情况,如车间两端在钥筋混凝土端屋架中间(不是屋架的两头)的柱子基础,即挡风柱基础。  

地中混凝土的起始温度取30℃,最高允许温度取99℃。混凝土的含水量按混凝土重量的5%计算。边长1m的基础混凝土立方体的热容量Q1为:  

Q1(J/m3)=(C1十0.05C2)M1·ΔT”(3.13)  

式中C1一一混凝土的比热容(J/kg·k),取8.82×102;  

C2——水的比热容(J/kg·K),取4.19×103:  

M1一—边长1M的混凝土立方体的重量(kg/m3),取  

2.1×103;  

ΔT——温度差,对于起始温度为30℃和最终温度为99℃  

的场合,ΔT=69℃。  

将以上有关数值代入(3.13)式得Q1=1.58×108J/m3。  

雷电流从钢筋表面(设钢筋与混凝土的接触表面积为lm2)流入混凝土(混凝上折合成边长1m的立方体)时所产生的热量按下式计算:  

Q2=Fi2dt=pFi2dt(3.14)  

式中p——混凝土在30~99℃时的平均电阻率,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  

上式的计量单位MJ/Ω·m2说明雷电流从1m2钢筋表面积流入混凝土所产生的单位能量应不大于1.32MI/Ω。  

从表3.1得第二、三类防雷建筑物的单位能量(即Fi2dt)分别为5.6MJ/Ω和2.5MJ/Ω。  

由于单位能量与雷电流的平方成正比,亦即与分流系数Kc的平方成正比。根据本规范图3.3.4的(c)取Kc=0.44,因此,分流后流经一根柱子的雷电流,它所产生的单位能量分别为5.6×(0.44)2=1.084MJ/Ω和2.5×(0.44)2=0.484MJ/Ω。  

将这两个数值分别除以Fi2dt=1.32MJ/Ω·m2,则相应所需的基础钢筋表面积分别为1.048/1.32=0.82m2和0.484×1.32=0.37m2。  

关于基础钢筋表面积的计算,现举一个实际设计例子。图3.4为车间一个柱子基础的结构设计。  

Ф10钢筋周长为0.01πm,每根长2m,每根的表面积为0.02πm2,共计2000/200=10根,故Ф10钢筋的总表面积为0.2πrn2。  

Ф2钢筋周长为0.012πm,每根长3.2m,每根的表面积为3.2×0.012π=0.0384πm2,共计3200/200=16根,故Ф2钢筋的总表面积为16×0.0384π=0.6144πm2。  

因此,基础钢筋的总表面积为上述两项之和,即0.2π+0.6144π=0.8144π=2.56m2。  

3.3.7建筑物内的主要金属物不包括混凝上构件内的钢筋。  

3.3.8第一款,以规范(3.2.1一1)式和(3.2.1一2)式为基本式,根据表3.1和表3.2,第二类防雷建筑物和第一类防雷建筑物的雷电流幅值之比为0.75,即150/200=0.75、37.5/50=0.75。因此,以基本式乘上0.75和K2值则导出规范(3.3.8一1)式和(3.3.8一2)式。  

Kc值按规范图3.3.4确定,它引自IECI024一1防雷标准的图3、图4、图5。Kc为考虑分流作用而引人的系数,由于引下线根数不同接法不同而采用不同的数值。IEC的Kc值适用于引下线间距20m。本规范第二类和第三类防雷建筑物的引下线间距分别不太于18m和25m,所以,将IEC的Kc值用于第二类防雷建筑物将会是更安全。而用于第三类则Kc值偏小些。但在设计时引下线间距受建筑条件限制,实际上,引下线问距通常都小于25m,此外,无IEC对Kc值的推导材料,无法推算出25m间距时的Kc值。因此,第三类防雷建筑物的人值与第二类的一样,也采用IEC的Kc值。  

第二款,规范(3.3.8一3)式为(3.3.8一2)式中的电感压降分量部分。  

“当利用建筑物的钢筋或钢结构作为引下线,同时建筑物的大部分钢筋、钢结构等金属物与被利用的部分连成整体时,金属物或线路与引下线之间的距离可不受限制”,这段系根据IECI024—防雷标准的有关规定补充的,见本规范第3.1.2条的说明。  

第四款,砖墙的击穿强度为空气击穿强度的1/2与IECI024—1防雷标准的表9一致,但规定混凝土墙的击穿强度与空气击穿强度相同系参考德国电工杂志(etz)1986年107卷第1期《建筑材料对确定安全距离的影响》一文,在该文献中提到:“混凝土的冲击击穿电压约相当于空气的,所以,混凝土的厚度可按同样的空气厚度看待”;在结束语中指出:“通常,建筑材料的冲击电压强度比空气的小(至多小1/2)。只有混凝上的击穿强度与空气的相等。尚未发现有介电强度比空气高的建筑材料”。  

第五款,前半段的理由参见本规范第3.2.4条八款的说明。  

当变压器附近的建筑物防雷装置接受雷闪时,接地装置电位升高,变压器外壳电位也升高。由于变压器高压侧各相绕组是相连的,对外壳的雷击高电位说来,可看作处于同一低电位,外壳的高电位可能击穿高压绕组的绝缘,因此,应在高压侧装设避雷器。当避雷器反击穿时,高压绕组则处于与外壳相近的电位,高压绕组得到保护。另一方面,由于变压器低压绕组的中心点与外壳在电气上是连接在一起的,当外壳电位升高时,该电位加到低压绕组上,低压绕组有电流流过,并通过变压器绕组的电磁感应使高压侧可能产生危险的高电位,若在低压侧装设避雷器,当外壳出现危险的高电位时低压避雷器动作放电,大部分雷电流经避雷器流过,因此,保护了高压绕组。  

3.3.9第二款第1项,见第3.2.3条第一款的说明。  

第三款第1项,仅要求电缆“埋地长度应大于或等于15rn”代替原规范的50m。其理由为:一、本类建筑物不是爆炸危险类,要求可低些;二、原50m埋地电缆的要求不合理,参见本规范第3.2.3条第一款的说明。  

第四款,架空金属管道在入户处与防雷接地相连或独自接地,当雷直击其上,引入屋内的电位,与雷直击于屋顶接闪器相似。对爆炸危险类,距建筑物约25m处还接地一次,再加上附近各管道支架的泄流作用,对建筑物的安全更可靠。  

3.3.10由于高避雷汁和高层建筑物,在其顶点以下的侧面有遭到雷击的记载,因此,希望考虑其它高层建筑物上部侧面的保护。有三点理由认为这种雷击事故是轻的。第一,侧击具有短的极限半径(吸引半径),也即小的滚球半径Hr,,其相应的雷电流也是较小的;第二,高层建筑物的建筑结构通常能耐受这类小电流的侧击;第三;建筑物遭受侧击损坏的记载尚不多,这点真实地证实前两点的实在性。因此,对高层建筑物上部侧面雷击的保护不需另设专门接闪器,而利用建筑物本身的钢构架、钢筋体及其它金属物。  

将窗框架、栏杆、表面装饰物等较大的金属物连到建筑物的纲构架或钢筋体进行接地,这是首先应采取的防侧击的预防性措施。  

对第二类防雷建筑物,由于滚球半径Hr规定为45m(见本规范表5.2.1),所以,本条三款规定“45m及以上”。  

竖直管道及类似物在顶端和底端与防雷装置连接,其目的在于等电位。由于两端连接,使其与引下线成了并联路线,因此,必然参与导引一部分雷电流。