中外標準對防雷裝置電氣連接性能的測試與評價

2023/6/20 11:32:38 人評論次瀏覽分類：電工基礎文章地址：http://www.zyswsm.com/tech/4980.html

富蘭克林發明“避雷針”以來，曾經誤認為“避雷針”的電阻越小越利于發揮其效能。由此，人們研究各種金屬的導電性，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現由旁側閃絡造成，使得人們越來越重視提高引下線的電氣連續性，并降低防雷接地電阻值。20世紀60年代初期，國內外已經開始利用鋼筋混凝土柱和基礎內鋼筋作引下線和接地體；20世紀70年代初期，屋頂鋼筋被利用作為接閃器。國內外防雷規范均采取切實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節規定如下：“16.6 混凝土建筑物中鋼筋的利用：16.6.2電氣連貫性-在現場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，鋼筋在交叉點是用金屬線綁扎在一起。雖然由此產生的自然金屬連接性能有其偶然性，但是這類結構的大量鋼筋和交叉點保證全部雷電流實質上在并聯放電路徑上的多次分流。經驗表明，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《建筑物防雷設計規范》第4.3.5條，利用建筑物的鋼筋作為防雷裝置時，應符合下列規定：6 構件內有箍筋連接的鋼筋或成網狀的鋼筋，其箍筋與鋼筋、鋼筋與鋼筋應采用土建施工的綁扎法、螺絲、對焊或搭焊連接。單根鋼筋、圓鋼或外引預埋連接板、線與構件內鋼筋應焊接或采用螺栓緊固的卡夾器連接。構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的鋼筋混凝土內鋼筋作為防雷裝置。

國家防雷標準測試
德國早期文獻指出，防雷裝置不可能接近的部分，特別是接地部分，要用測量方法進行試驗。對此，不僅要測量總接地電阻，而且倘若接地體是分開的，還要測量各個單獨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現等電位：金屬裝置、建筑物內系統、從外部引入建筑物的外來導電物體和線路。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之處用等電位連接導體做直接連接。

◆過渡電阻
根據GB/T21431-2015《建筑物防雷裝置檢測技術規范》，應對引下線、等電位連接的過渡電阻進行必要的檢測。

a、引下線。
GB/T21431-2015第5.3.2.5條：檢測每根專設引下線與接閃器的電氣連接性能，其過渡電阻不應大于0.2Ω。第5.3.2.9條：采用儀器測量專設引下線接地端與接地體的電氣連接性能，其過渡電阻應不大于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格、金屬管(槽)、防靜電地板支撐金屬網格、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：對于第一類和處在爆炸危險環境的第二類防雷建筑物中長金屬物的彎頭、閥門等連接物的檢測，應測量長金屬物的彎頭、閥門、法蘭盤等連接處的過渡電阻，當過渡電阻大于0.03Ω時，檢查是否有跨接的金屬線，并檢查連接質量，連接導體的材料和尺寸。

◆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大于30Ω。

其他行業有關標準規定的設計要求值見表1。
表1 接地電阻(或沖擊電阻)允許值

IEC防雷標準檢測
根據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，防雷裝置的測試包括連續性測試和接地電阻的測量，并應提供影響可能需要的接地電阻測量的類型和布局的信息：①執行連續性測試，特別是對防雷裝置中不可見的部分進行檢查；②在可能的情況下，對各個接地極和接地系統進行接地電阻測試。

◆過渡電阻、接地電阻測試
IEC 62305-3 ED3 81/688e/CDV第C.6.6條，接地電阻試驗方法只有專門為接地電阻測試而設計的儀器才允許用于本應用：

a、過渡電阻測試儀器應符合GB∕T18216.4-2021/IEC 61557-4：2019《交流1000V和直流1500V及以下低壓配電系統電氣安全防護措施的試驗、測量或監控設備第4部分：接地電阻和等電位接地電阻》，實際是測量包括連接線和端子在內的接地導體、保護接地導體以及等電位連接導體的電阻。采用四引線測量表，其中兩個電壓引線，兩個電流引線；測量電壓通常是直流電壓。因為正常的導通都是小電阻(阻抗)狀態，所以規定儀表輸出電流的下限為0.2A，測量分辨率仍可達到0.001Ω(1mΩ)精度。當選用直流電源測試過度電阻時，為了測試小至0.2Ω的過渡電阻，德國電工委員會(DKE)防雷裝置安裝委員會(K251)要求測量電流應為10A左右。

b、接地電阻測試儀器應符合GB/T18216.5-2021/IEC 61557-5：2019《交流1000V和直流1500V及以下低壓配電系統電氣安全防護措施的試驗、測量或監控設備第5部分：對地電阻》規定，采用三引線測量表，從電氣安全角度，輸出電壓的開路值不應大于50V交流電壓。

防雷裝置電阻溯源
◆防雷和西德防雷規范第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；當上面和下面的附接點之間的電阻不超過約0.1 Ω時，則從上至下的連接線被視為足夠的。

◆GB50057-2010《建筑物防雷設計規范》
第4.3.5條條文解釋，原蘇聯對鋼筋綁扎點流過沖擊和工頻電流的試驗(刊登于原蘇聯雜志《電站》1990年第9期文章)試樣是方柱形混凝土，邊長為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的試樣

在其軸心埋設兩根直徑8mm的鋼筋，將其末端彎起來并用綁線綁扎。對這種連接點用幅值5kA、10kA、20kA，波長40μs的沖擊電流波和3kA的工頻電流進行試驗。從試驗所得的電壓和電流示波圖可證明，這種連接點的電氣接觸是足夠可靠的，其過渡電阻為0.001Ω ~ 0.01Ω。這一結果表明，當雷電流和工頻短路電流通過有鐵絲綁扎的并聯鋼筋時，所有縱向主筋都參與導引電流。

◆IEC防雷標準中防雷裝置電阻
從2000年至2006年，IEC防雷標準對建筑物鋼筋電氣連續的電阻值有多輪討論，見表2。

表2 IEC防雷標準中防雷裝置電阻

其中，最典型的是多國代表對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”上次會議上未經討論(注：以前是1Ω)。最終，秘書處采納了英國代表的意見，確定“接閃器到地平面的總電阻不應大于0.2Ω”，而“預制單元接頭電阻”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的電阻，它是考核鋼筋混凝土建筑物內鋼筋連續性的一個重要指標，早期曾有過相關的研究，IEC 62305.3 Ed1最終確定“接閃器到地平面的總電阻不應大于0.2Ω”為鋼筋電氣連續的判定標準，并延用至今。

過渡電阻(即接觸電阻)另有規定，“使用至少10A的電流源，測量接觸電阻時應盡量靠近連接件，測出的電阻值不應超過0.001Ω。如果連接件或導體為不銹鋼，電阻值不應超過0.003Ω” 。

◆引下線連續性
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似乎是不適宜的。但是，實踐中發現這些綁線接點在電氣連接上是很有效的。這些鋼筋在長度方向上采用搭接并用金屬綁線扎在一起，單個這樣的連接點也許具有高的電阻，但在一個完工的建筑架構中，上千個這樣的連接點在電氣上是并聯的。在建成的建筑物上所進行的許多電阻測量確實表明完全可以用于防雷目的。

德國防雷標準測量方法
a、施工環節測量。
德國標準對過渡電阻必須進行以下兩種類型的測量，見圖2：① 長度不大于10m的鋼筋的兩個連接點之間電阻值應<10mΩ；② 從最高點到MEB每m高度的電阻值應<10mΩ。

鋼筋連接測量示意

要求最高點到地面的總測試電阻不大于0.2Ω。

這種測試指導性很強，更注重過程控制，對施工過程各環節鋼筋的連接質量要求更嚴，避免在驗收測試中出現問題無法補救。

b、驗收測量方法。
當無法檢查防雷裝置連續性時，要求在每處測量點測量接閃器、引下線、等電位連接線、屏蔽設施等所有連接線和連接點具有低阻抗連續性，其典型值是不大于1Ω，見下圖。

鋼筋連接測量方法

以上方法也有局限性，即當利用柱內鋼筋作為引下線，防雷裝置不存在斷接點時，圖3的驗收測試方法并不適用。

◆IEC 62305-3測量方法
GB/T21714.3-2015《雷電防護第3部分：建筑物的物理損壞和生命危險》第D.6.5條：電氣測試要求-連接到防雷系統上的任何單個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。當難以進入測試區域或布設測試電纜困難時，可提供從高到低的專用測試板，以便在每個點進行測試。然后計算各節點和引下線的總電阻。

IEC 62305-3 ED3 81/688e/CDV第D.5.3.5.2.1條，將上述測量建筑物總電阻作了如下修改：測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試設備，滿足最大電阻不超過0.2Ω的要求。測試電流應為10A左右，該測試可以在施工階段進行，在連接到接閃器之前的最后測量的電阻應不大于規定的最大電阻。

測量鋼筋混凝土建筑總電阻

當難以進入測試區域或測試電纜敷設困難時，可安裝專用的垂直導體，在每層進行測試。然后，測量每個節點和垂直導體的總電阻，再減去專用垂直導體的電阻可得到計算值。該導線應在頂部連接到接閃器，并在底部通過測試斷接卡子連接到接地網，以便在測試時斷開連接。

首選對角測試，例如從建筑的左上到右下，通常可以提供更好的測試電流分布。

對于鋼筋混凝土建筑物，利用混凝土柱內鋼筋作為引下線時，所有自然引下線通過互聯鋼筋(水平梁內鋼筋)連接在一起，單獨測量每一處引下線并不能體現該處實際的電阻值，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更加清晰地體現了以上內涵。安裝階段設置專用的垂直導體，在每層進行測試，有利于控制各樓層的過渡電阻。從建筑的左上到右下，使得測試電流均衡分配，過渡電阻值相對準確。

◆接地電阻測試
一般，雷電流向大地泄流時，同時應使預期的電涌反擊電壓盡可能小，為了均衡電位，接地系統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，工頻接地電阻測量值盡可能低于10Ω。

測量建筑業接地電阻

接地電阻測量普遍采用三極法，如上圖所示，E作為測量對象的接地極，S和H是測量用的輔助電極(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，就會在E、H之間產生零電位區。取E、H間距40m，S處于E、H中點，可沿EH直線前后移動10%。在E和H之間接入電源，電流電極H測出電流值，電壓電極S測出電壓值，則工頻接地電阻為：RE=U/I，并直接從歐姆表中讀出。三次結果取平均值作為接地極電阻。

結論
防雷裝置電氣連接性能測試是防雷裝置校驗中不可缺少的環節，我國實際工程防雷裝置檢驗存在以下問題：

a、我國防雷檢驗標準和實際防雷檢測報告，該測試的內容沒有測試，如自然引下線的電氣連接性能等；不必要的項目反而大量測試，如設備機房(消防水泵房、制冷機房、電梯機房)、變配電室配電柜等。此問題與防雷測試缺乏技術監督部門監管應有直接關系。

b、可見的防雷裝置連接檢驗可以采用目視檢查，如屋頂接閃帶和引下線、幕墻龍骨、金屬護欄、冷卻塔等之間通常為焊接或機械連接，可以不必逐項測試；部分不可見的項目未進行電阻測試，如自然引下線的連續性。

c、過渡電阻和防雷裝置總電阻測量應采用相應的專門儀表，以保證必要的測試精度。國際、國外標準僅要求采用直流電源，規定測試電流不小10A；當采用符合GB∕T18216.4-2021/IEC 61557-4：2019標準的專用測試儀表時滿足同等精度的測試電流可以為0.2A。然而，本案例檢測報告中測試儀器僅有MS-1026數字式接地電阻測試儀，非四引線測試表，僅符合GB4793.1-2007/IEC 61010-1：2001《測量、控制和實驗室用電氣設備的安全要求第1部分：通用要求》，不符合GB∕T18216/IEC 61557系列標準要求。這可能是缺乏過渡直流電阻和防雷裝置總電阻測試值的主要原因。

d、IEC防雷標準注重防雷裝置總電阻的測量，且采取有利于防雷引下線測試電流分配的測試方法，具有一定的合理性。

作者：陳謙、張金勇