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轻钢结构接地防雷等电位联结

　　轻型钢结构（以下简称“轻钢结构”）建筑物造型美观大方，色彩多样，耐大气腐蚀，隔热隔声阻燃，空间利用率高，建设周期短，工程造价低，因而得到广泛的应用，如各类工业厂房、超市、仓库、展览馆、体育馆、飞机库、机场、别墅等。由于轻钢结构独特的建筑体系，使得此类建筑和普通砖混结构、框架结构建筑物的防雷工程设计和施工有较大的差异。笔者通过工程设计、现场验收的实际经验总结，对轻钢结构建筑物防雷设计的相关问题作一些粗浅的探讨。

1轻钢结构建筑物的建筑体系

　　轻钢结构建筑物基础分为钢筋混凝土独立基础和钢筋混凝土条形基础，前者在地质情况较好的场地使用，后者则应用于地质情况较差的场地。施工时需预埋地脚螺栓，加垫片后和钢柱相连。

　　轻钢结构建筑物采用预制构件，不允许现场钻孔、焊接。主钢架（梁、柱）为焊接型钢或热轧型钢，以充分发挥高强度钢材的力学性能。次构件（檩条）为高强度的、经防腐处理的冷弯薄壁C型或Z型钢，和主钢架采用螺栓连接。

　　轻钢结构建筑物的围护系统（墙体、屋顶）分为彩钢压型板和彩钢夹芯板，大多采用自攻螺栓和檩条（屋面檩条或沿墙檩条）连接。压型钢板是以彩色涂层钢板或镀锌钢板为基材，经辊压冷弯成型的建筑用围护板材，其保温及隔热层为离心超细玻璃丝棉卷毡。此种板材现场制作，有利于解决大范围内面板搭接易于出现的接缝不严的情况，现场复合使整个大面积的屋面成为一个整体，更加坚固、易排水、防漏、保温，而且建筑外形更加统一、协调、美观。而夹芯板是将彩色涂层钢板面板及底板与保温芯材通过粘接剂（或发泡）复合而成的保温复合围护板材，按保温芯材的不同可分为硬质聚氨脂夹芯板、聚苯乙烯夹芯板、岩棉夹芯板。夹芯板一般为工厂预制。围护系统连接方式一般为咬合连接或者搭接连接。

　　一般而言，墙体的做法先是砌1.2m高、厚0.3m（严寒地区厚度为0.37m）的砖墙或者加气混凝土砌块，其上才是夹芯板或者压型板。

2轻钢结构建筑物的防雷及接地

2.1接闪器

　　根据轻钢结构建筑物的特点，显然，高大沉重的避雷针不适合在此类建筑物上安装，而《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94，2000版）第4.1.4条给出了金属屋面作为建筑物（第一类防雷建筑物除外）防雷接闪器的四个要求。

　　规范针对金属板下面有无易燃品的不同情况，对金属板的厚度做了不同的要求，明确规定“金属板下面无易燃品时，其厚度不应小于0.5mm”。让我们看看四种保温芯材的物理特性。硬质聚氨脂属B1级建筑材料，导热系数为0.016~0.025，为难燃体；聚苯乙烯属阻燃型材料，氧指数不小于30，导热系数为0.029，为阻燃自熄型；岩棉属于不燃烧材料，导热系数为0.044；玻璃丝棉属A级建筑材料，导热系数为0.038~0.042，为非燃烧体。另外，保温芯材所用粘胶剂也是阻燃型。所以，轻钢结构建筑物的围护系统为非燃体，当利用金属板做接闪器时，厚度不应小于0.5mm即可。规范中四个要求的第三条不再考虑。

　　从结构专业角度出发，屋面板的厚度选择一般考虑三个因素：第一是风荷载；第二是雪荷载；第三是檩距。所以，不同地域可能所选的屋面板厚度就不一样，电气设计人员需要和结构专业及时沟通，厚度满足规范要求时，再考核其他条件。比如在新疆，檩距在1.5m左右时，屋面面板厚度一般为0.6mm，底板厚度一般为0.5mm，是满足规范的厚度要求的。若厚度不满足要求怎么办？则应该参考国家标准图集《压型钢板、夹芯板屋面及墙体建筑构造》（01J925-1）做避雷带，其中压型钢板屋面避雷带的细部做法参见48页，夹芯板屋面避雷带的细部做法参见66页。此图集是建筑专业图集，电气设计人员较少接触，而国家标准图集《建筑物防雷设施安装》（99D501-2）和《利用建筑物金属体做防雷及接地装置安装》（03D501-3）都没有轻钢结构屋面避雷带的细部做法。所以，电气设计人员引用标准做法时应注意。避雷带网格大小应该按规范的要求和各类建筑物的防雷类别严格对应，施工图纸应当按规范划分的标准准确标注。

　　轻钢结构建筑物的围护系统连接方式一般为咬合或者搭接。无论是压型钢板还是夹芯板，其外观都是瓦楞形的。在施工中，采用搭接时的搭接长度至少要达到一个波峰或波谷，超过100mm则完全满足规范的要求。

　　另外，规范注释提到“薄的油漆保护层”不算是绝缘被覆层。因此，可以认为彩色涂层钢板无绝缘被覆层，而镀锌钢板则更是电的良好导体。所以，笔者以为《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94，2000版）第4.1.4条的第四个要求也是满足的。

　　综上所述，笔者认为厚度达到0.5mm的轻钢结构建筑物的屋面夹芯板（或压型钢板）可以作为接闪器。

2.2引下线

　　从前面轻钢结构建筑物的建筑体系的介绍可以看出，主钢架、次构件、围护系统在施工中已经作了可*的连接，形成了持久的电气通路。因此，只要设置了可*的接地装置，就可以按跨度将钢柱作为引下线。这一点，《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94，2000版）第4.2.3条已经作了规定。当然，规范对各类防雷建筑物的引下线间距做了要求，不过在土建施工时，只要所有的钢柱和接闪器、接地装置做了可*连接，那么它们都是引下线，实际效果超过了规范的标准。

　　针对《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94，2000版）第4.2.5条的规定，即是否要对地上1.7m至地下0.3m一段作为引下线的钢柱采取保护措施，笔者认为没必要。第一，不用担心钢柱容易受到机械损坏；第二，从轻钢结构的建筑体系看，距地有1.2m高的砖墙或者加气混凝土砌块，对人身接触有一定的防护；第三，钢柱本身做了防腐处理，含绝缘被覆层，也起到一定的防护作用。另外，此条规定的条文说明指出它适合设断接卡子的情况，而根据规范第4.2.4条，当利用钢柱做引下线同时采用基础接地体时是可以不设断接卡的。

2.3接地装置

　　在现行设计中，一般将基础钢筋作为自然接地体，用40X4的镀锌扁钢将其连通，并施行总等电位联结。这样进行处理，接地电阻很小，一般容易达到设计要求。在设计中应当注意，应在室外合适位置预留接地连接板，做法可以参考国家标准图集《接地装置安装》(03D501-4)。这样，当接地电阻值达不到要求时，施工单位可以方便地连接人工接地体和测试接地电阻值，这一点应当在设计图纸中有所体现。

　　另外，在设计图纸中，不能泛泛而谈“利用建筑物基础钢筋做自然接地体”。前面已经提到，轻钢结构建筑物在基础施工时需预埋地脚螺栓，加垫片后才能和钢柱相连。须知：预埋的接地螺栓本身和基础钢筋是没有电气连接的！所以，土建施工时可用不小于φ10钢筋或圆钢将基础钢筋和接地螺栓可*焊接，具体做法参见国家标准图集《利用建筑物金属体做防雷及接地装置安装》（03D501-3）的17页。这样，从接闪器到引下线，再到接地装置，雷电流才具备完整的泄放通道。这样做还不够，还应该用短钢筋和基础钢筋可*焊接，并引出基础外，供联结接地环网，方有利于降低自然接地体的接地电阻值和实施有效的等电位联结。这一点对于设置独立基础的轻钢结构建筑尤其重要，所以有必要在设计图纸中交待清楚。

　　如果忽视了轻钢结构建筑物接地装置的特殊性，即基础钢筋和接地螺栓本身并没有电气连接这一事实，造成的后果则是整个建筑物没有可*的接地网。采取的补救措施是用40X4的镀锌扁钢做等电位环网，镀锌扁钢过钢柱时应和柱底脚板下侧可*焊接，这样，镀锌扁钢充当了接地极和接地线的双重角色。

　　除等电位接地环网沿建筑物外围敷设一周外，在建筑物内还应该按跨度设置均压网格，不但降低跨步电压，保护人身安全，而且有利于工业厂房生产设备就地实施等电位联结，缩短等电位联结线的长度。

3结束语

　　以上是对轻钢结构建筑物防直击雷措施的总结, 结论是：厚度达到0.5mm的轻钢结构建筑物的屋面夹芯板（或压型钢板）可以作为接闪器，利用钢柱做引下线，利用基础钢筋做自然接地体并通过镀锌扁钢连接成可*的等电位接地环网。

本文通过对汽车加油站所处环境特点、系统特点中雷电灾害各因素的分析，根据其特点对加油棚、油罐及附属建筑的直击雷防护和接地，加油站电源、信号系统的雷电防护等，依据 GB 50057 、 IEC61312 标准对雷电防护的要求，提出了系统的解决方案。

引言

　　随着我国经济的快速发展，城市的综合灾害防御规划与城市的建设规划共同进行已成为各地政府规划城市建设的主要内容之一。伴随地方经济的发展和人民生活水平的提高，各地的机动车辆也在迅速增加，城市机动车公共加油站这一为之提供能源的配套服务设施也在的速度的增加。加油站在城市交通建设中起着重要的作用，也是城市灾害救助中的重要能源基地，但是近年来加油站的雷电灾害事故频繁发生，直接威胁到加油站周围人群和建筑物的安全，削弱了加油站作为城市能源枢纽的功能，因此对加油站的雷电综合防护是非常重要的。

1 ．加油站的环境特点

　　加油站通常具有以下几个特点：

1 ）地理位置：加油站通常设在城区开阔地带或郊区、山区、乡村、高速公路等道路边的开阔地带；
2 ）实施条件：无论在城区还是乡村，这些加油站建筑往往都不具备符合要求的防雷实施（包括外部防雷、内部防雷和地网等等）。此外，加油站营业建筑的面积一般都很小，不便于多级防雷方案的实施；
3 ）电源系统：一般加油站的 380V 交流供电线路是架空明线接入至站区附近再地埋引入建筑的，部分加油站是由 10KV 电力线架空接入，经变压器后再地埋引入建筑的。在乡村和山区有时根本没有地埋措施，因此非常容易感应雷电电磁脉冲；
4 ）通信网络系统：引入加油站的 ISDN 等通信线路通常也是由户外架空明线引入的，并且通常未安装专用电涌保护器（ SPD ）做雷电防护措施。

　　从以上几个特点不难发现，从雷电防护角度来看，加油站一般都运行于 “ 高风险 ” 环境下，即对于雷害风险的 “ 暴露程度 ” 很高，因此需要采取强有力的防护措施。根据 GB50057-94 《建筑物防雷设计规范》、 GB15599-95 《石油与石油设施雷电安全规范》、 GB 50074-2002 《石油库设计规范》等国家标准及 IEC61312 《雷电电磁脉冲的防护》标准，其电源线路至少应采取两级雷电防护，信号线路至少应采取一级雷电防护才能达到雷电防护的要求。但目前的情况是，大多数加油站都没有进行电源线路和信号线路的雷电过电压防护。

　　鉴于加油站的上述特点和要求，一般认为对于中等以上雷暴强度地区（年均雷暴日 40 天以上），应选用最大标称放电电流大于 15KA （ 10/350μS ）的电涌保护器作为电源系统的第一级雷电防护，其保护水平应小于 2000V ，同时满足这两个方面的要求才能保证加油站设备用电电源的可靠运行。通信信号线路由于多是由外部进线，因此同样会受到雷击的威胁，因此也需要采用专用通信信号系列电涌保护器进行雷电防护。下图为加油站系统图：

2 ．加油站防雷等级的确认

　　依据 GB 50057-94 《建筑物防雷设计规范》建筑物年预计雷击次数按下式计算： N = kNgAe ； Ng = 0.024Td 1.3 式中　 N 建筑物预计雷击次数（次 /a ）；
k 雷击次数校正系数；在此类型情况下取 2 ；
Ng 建筑物所处地区雷击大地的年平均密度 [ 次 / （ km2·a ） ] ；
Ae 与建筑物截收相同雷击次数的等效面积（ km2 ）；
Td 该地区的年平均雷电日数

　　在下列情况下 k 取相应数值：

a ．位于旷野孤立的建筑物取 2 ；
b ．金属屋面的砖木结构建筑物取 1.7 ；
c ．位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、山谷风口等处的建筑物，以及特别潮湿的建筑物取 1.5 ；

　　根据以上年预计雷击次数参数，对于中等以上雷暴强度地区（年均雷暴日 40 天以上）地区位于公路旁边四级以下的面积 3000 平方米左右，建筑高度小于 15 米的常规加油站的预计雷击次数为： N = kNgAe≈0.15 次 /a

　　依据以上计算，参照 GB 50057-94 《建筑物防雷设计规范》第 2.0.3 条的要求，其属于标准规定的 “ 具有 1 区爆炸危险环境的建筑物，且电火花不易引起爆炸或不致造成巨大破坏和人身伤亡者 ” 。因此应定为二类防雷建筑物，其防爆防火等级应定为 Ia(ia)ⅡAT3 。

3 ．加油站直击雷防护设计

1 ）站区的防雷设计

　　依据 GB50057-94 《建筑物防雷设计规范》，由于汽车加油站的建筑物的防雷类别为二类，所以用滚球设计接闪器时滚球半径 R=45m ；由于加油站的建筑物包括加油棚、宿舍楼及其它附属建筑物，这些建筑物在设计和施工时，利用其框架结构的桩作为垂直接地体，利用地梁与承台作为水平接地体，利用桩内两条对角主筋作为引下线，利用天面板筋作为接闪网格（通常为 10m×10m 或 8m×12m ），因此只需要沿天面四边设避雷带，在四角设避雷 50cm 短针进行防护即可。如加油站为尖顶型结构，需要在尖顶部位安装避雷针，常规设计为高度为 100cm 避雷针。

2 ）油罐区的防雷设计

　　依据 GB50074-2002 《石油库设计规范》第 14.2 章、防雷的要求：金属油罐必须作环形接地，其接地点不应少于两处，其间弧形距离不宜＞ 30m ，接地体距罐壁应不小于 3m 。钢油罐顶板厚度＜ 4mm 时，应装防直击雷设施，当顶板厚度 ≥4mm ，可不装防直击雷设施。但对于位于多雷区（年平均雷暴日数多于 40 天）的油罐和铝顶油罐，应安装独立避雷针做防直击雷设施。独立避雷针与被保护油罐的水平距离不应小于 3m ，保护范围应高于呼吸阀 2m 以上。

　　依据 GB 50057-94 《建筑物防雷设计规范》第三章、建筑物防雷设施和 GB 50074-2002 《石油库设计规范》第 14.2 章、防雷的要求：油罐区的防雷类别应设定为一类，用滚球法计算常规油罐区的保护范围，当滚球半径 R=30m 时，两支对角线分布的等高避雷针的高度一般为 9.5m ，其导流面积应大于 100mm2 ，根据安装需要可进行焊接或螺栓紧固在避雷针铁塔顶部。

3 ）引下线的设计

　　站区的避雷针和避雷带可用建筑物内的钢筋作引下线，将屋面避雷带按标准要求分别接在四个角上，将避雷带与建筑混凝土内的钢筋相连。油罐区的避雷针可用铁塔作引下线，因铁塔已良好接地，所以只需在安装避雷针时保证避雷针与铁塔有良好的电气连接，并做防腐处理即可， 4 ）地网的设计

　　加油站的地网分为直击雷保护接地（其接地电阻要求 ≤10Ω ）、防静电接地（其接地电阻要求 ≤10Ω ）、电源工作接地（其接地电阻要求 ≤10Ω ）、信号线路直流工作接地（其接地电阻要求 ≤4Ω ）四个部分。

　　依据 GB 50057-94 《建筑物防雷设计规范》第三章、建筑物防雷设施和 GB 50074-2002 《石油库设计规范》第 14.2 章、防雷的要求：加油站的接地应采用统一接地的接地形式，并在各处做等电位连接，既油罐的罐体及罐的金属构件以及呼吸阀、量油孔等金属附件，电力电缆外皮和瓷瓶铁脚，装于钢油罐上的信息系统的配线电缆外皮，加油机地脚螺钉等均应与接地系统做可靠的电气连接，其统一接地电阻要求 ≤4Ω 。

　　考虑到地网使用的长期性和耐腐蚀性，建议使用非金属接地模块制作地网。地网布置依据地形进行设计。水平接地体使用 40×4mm 镀锌扁钢，埋深 0.6 米；垂直接地体使用 L50×50×5×2000mm 镀锌角钢；垂直接地体间使用非金属接地模块。地网引出地网测试极到地面上，以便以后检测地网情况。铁塔的应通过四个脚与地网相连，机房和变电房的基础内的钢筋应在四角处与地网相连。