屋顶金属设备隔离防雷措施分析

国家标准和IEC标准对屋顶金属设备（GB 50057 - 2010标准中称“有金属外壳或保护网罩的用电设备”）的防雷有不同的要求，国家标准不要求屋顶金属设备由接闪器保护，但应与屋顶防雷装置连接；而IEC标准要求屋顶金属设备应处于接闪器保护范围内，并且尽可能不与屋顶防雷装置连接。由此产生两种不同的思路，以及相应的闪电电涌防护措施。

GB 50057 - 2010《建筑物防雷设计规范》（以下简称《雷规》）4. 5. 4条要求：“无金属外壳或保护网罩的用电设备应处在接闪器的保护范围内。” 

对于有金属外壳或保护网罩的用电设备则不作要求。笔者请教规范主编，回函认为：“屋顶有金属外壳的用电设备是否设接闪器保护应根据实际情况确定，例如，金属外壳的厚度、遭雷击穿孔的危险性、用电设备的重要性等等。是否设接闪器保护，由设计人及相关人员决定。”

为了避免上述雷击穿孔风险，应按《雷规》第5. 2. 7条3款要求，热镀锌钢厚度不应小于4 mm 。遗憾的是，在设计之初，设计人员通常不了解设备金属外壳的具体情况，厂家也缺乏相关的冲击试验和说明。据工程现场经验，通常这类设备金属外壳的厚度在0. 8 ~ 2 mm。实际工程中，避免雷击穿孔方面的具体要求和把关是缺失的。

根据GB / T 21714. 4 - 2015 / IEC 62305 - 4：2010《雷电防护 第4部分：建筑物内电气和电子系统》B. 12. 2“只要有可能，就应将设备置于雷电防护区域（LPZ0B）的保护范围内，例如，采用局部接闪器，防止其遭受直接雷击。” 

GB / T 21714. 3 - 2015 / IEC 62305 - 3：2010《雷电防护 第3部分：建筑物的物理损坏和生命危险》E. 5. 2. 4. 2. 5“无论是绝缘材料还是导电材料的屋顶固定装置，如果装有电气设备或信息处理设备，应处于接闪器保护范围内。”

 “直击雷不仅损坏屋顶设备，还可能损坏与之相连的屋顶装置内的电气电子设备及建筑物内的电气电子设备。” 

相对来说，IEC标准上述条文可实施性更强，提供了更安全的直击雷防护。

1 引下线处的间隔距离

引下线上的不同电压降通常用间隔距离来体现。接闪器、引下线和建筑物的金属部件、金属装置及内部系统间的电气绝缘可以通过在每个部分之间的间隔距离s来实现：

s = （k_i / k_m）*  k_{c l}

式中：ki —— 取决于所选择的雷电防护装置（LPS）分类，第二、三类防雷建筑物ki分别为0. 06和0. 04；

km —— 取决于电气绝缘材料；

kc —— 取决于流经接闪器和引下线的雷电流；

l —— 从选定间隔距离的点沿接闪器或引下线到最近等电位连接点或接地点的长度，m。

前文中IEC标准认为，建议每隔20 m设置等电位连接环，一般情况下都满足间隔距离要求。但是，未明确间隔距离具体值，即建筑物内未与防雷装置实施等电位连接的建筑物金属体、金属装置、建筑物内系统等与引下线应保持最小的间隔距离。下面试做分析。

第二类防雷建筑物，k_i = 0. 06，空气绝缘系数k_m = 1；对于网状接闪器，引下线取4根，取n = 4，引下线间距c = 18 m；环形导体间隔距离取20 m。

第三类防雷建筑物，ki = 0. 04；引下线间距25 m；环形导体间隔距离取20 m。其他条件不变。

可见，第二类和第三类防雷建筑物防雷引下线的间隔距离s参考值为0. 5 m和0. 35 m；对于存在多个互连环形导体时，分流系数取kc 2 ~ kc m时，s值会更小。

2 屋顶金属设备间隔距离

2. 1 保持间隔距离的应用

屋顶金属设备如果和屋顶防雷装置连接，势必会引入雷电流。

IEC 62305 - 4 Ed. 3 B. 12. 3要求：“保持防雷装置和建筑物金属部分，包括建筑物引入的金属导管、金属水管和电缆等引入设施之间的金属分隔，有利于在建筑物内减少电磁干扰，并将引入建筑物的雷电流减到最小。”

保持电气隔离可依靠分离的防雷装置，或者在局部保持间隔距离。

图4为屋顶金属设备满足间隔距离示意图，图中电源线路穿线钢管两端都不应与防雷装置等电位连接，否则，又会引入引下线中的雷电流。

2. 2 间隔距离

屋顶金属设备和防雷装置需要保持间隔间距时，不仅包括空气中的间距，还包括楼板混凝土中的间距。这就要求首先应确定屋顶金属设备的规模和位置；然后对楼板中的金属线管和其他金属管的路由进行有效组织；对屋面板内钢筋的布置进行适当调整；设置砖或素混凝土支柱增大间隔距离等。以上相关措施需要各专业设计人员以及设备提供商协商解决。

为了探讨屋顶金属设备的间隔距离，以下利用GB / T 21714. 3 - 2015 / IEC 62305 - 3：2010图C. 5屋面网状接闪器的分流系数模型作相应分析。

对于第二类防雷建筑物，ki = 0. 06；引下线共20根，平均间距不大于18 m，环形导体间隔距离取20 m；屋顶金属设备高度取1. 5 m（包括非金属支座的高度），见图5。

根据《Lightning Protection Guide》5. 6：“接闪器基座和屋顶设备之间的固体材料的绝缘特性为km = 0. 5。” 屋顶防雷装置与金属设备间隔距离示意图见图6。

以下分别计算空气中km = 1和固体材料内km = 0. 5时的间隔距离，差别是，取空气介质时仅考虑屋顶金属设备上边缘与接闪器之间的最小间隔距离（即图6中BD长度）；取固体介质则需要考虑设备底部和接闪器基座之间的最小间隔距离（即图6中AC长度）。

局部金属设备接闪杆大致有三种布置方案。

方案一：金属设备设于屋顶中部，接闪器设于图中A - A位置，目的是尽可能多设置分流节点。计算间隔距离的引下线总长度49 m。

s_s = k_i / k_m （k_{c 1} l₁ + k_{c 2} l₂ + …… + k_{c n} l_n）

  = 0. 06 / 0. 5 （0. 5 × 4 + 0. 25 × 5 + 0. 125 × 10+ 0. 063 × 10 + 0. 05 × 20）

  = 0. 74 m

s_a = k_i / k_m （k_{c 0} l₀ + k_{c 1} l₁ + …… + k_{c n} l_n）

  = 0. 06 / 1（1 × 1. 5 + 0. 5 × 4 + 0. 25 × 5 + 0. 125× 10 + 0. 063 × 10 + 0. 05 × 20）

  = 0. 46 m

方案二：金属设备位置不变，接闪器设于图中B - B位置，目的是使分流节点较少。计算间隔距离的引下线总长度40 m。

s_s = k_i / km （k_{c 1} l₁ + k_{c 2} l₂ + …… + k_{c n} l_n）

  = 0. 06 / 0. 5 （0. 5 × 10 + 0. 25 × 10 + 0. 125 × 20）

  = 1. 2 m

s_a = k_i / k_m （k_{c 0} l₀ + k_{c 1} l₁ + …… + k_{c n} l_n）

  = 0. 06 / 1 （1 × 1. 5 + 0. 5 × 10 + 0. 25 × 10 + 0. 125 × 20）

  = 0. 69 m

方案三：金属设备设于屋顶边缘，接闪器设于图中C - C位置，使分流节点最少。计算间隔距离的引下线总长度20 m。

s_s = k_i / k_m （k_{c 1} l₁ + k_{c 2} l₂ + …… + k_{c n} l_n）

  = 0. 06 / 0. 5（0. 5 × 20）

  = 1. 2 m

s_a = k_i / k_m （k_{c 0} l₀ + k_{c 1} l₁ + …… + k_{c n} l_n）

  = 0. 06 / 1 （1 × 1. 5 + 0. 5 × 20）

  = 0. 69 m

结论：

a. 引下线长度和间隔距离的大小没有直接关系；同等条件下，屋面分流节点越多，间隔距离越小；

b. 屋面固体介质的间隔距离通过合理设置防雷网格和分流节点，可得到有效改善；

c. 屋顶固体绝缘材料的计算间隔距离比空气中大，应综合考虑包括屋面金属设备基础和接闪器基座等固体绝缘材料在内的总长度，按较严酷的情况取值。

2. 3 分离式接闪器

实际工程中，保持间隔距离可能会有一定难度，比如，屋面有设备的金属线缆系统、其他设备金属管道、钢筋混凝土楼板内钢筋网，以及设备系统接地要求等，这些现场条件可能严重影响间隔距离的确定。这种情况下，在建筑物上安装分离式接闪器，也是一种选择。

国外某防雷公司开发了分离式接闪装置，包括分离式接闪杆、分离式接闪带等标准件和标准做法，使得施工更容易，措施更灵活，质量更有保证，屋顶分离式防雷装置示例见图7。图中的隔离棒由玻璃纤维增强塑料制成，用于将接闪带支撑起来，和屋面金属件保持间隔距离。

隔离棒上端设置导线夹持器，用来固定接闪带；隔离棒下端插入附带垫盘的混凝土基座内，固定方便，防止滑动，且无须土建配合施工。分离式接闪杆下部的支撑管同样由玻璃纤维增强塑料制成，使得接闪杆和屋面分离。

玻璃纤维增强塑料产品的绝缘性能比混凝土等固体材料更好，绝缘系数0. 7，有利于在保证间隔距离的前提下，减小隔离棒的长度。

分离式接闪装置特别适合屋顶光伏系统等大面积安装的屋顶敏感设备，能有效避免雷电流不期望地侵入金属设备和建筑物内。

作者：

陈谦，山东意匠建筑设计有限公司，工程技术应用研究员，电气总工程师，机电所所长。

孙文华，中国汽车工业工程有限公司，教授级高级工程师，技术部副部长。

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