建筑物塑鋼門窗防雷技術(shù)研究

1、 建筑物塑鋼門窗防雷技術(shù)研究李家啟 李良福 李建平（重慶市防雷中心，重慶 400039）【摘 要】 本文通過對塑鋼門窗異型材和雷電流的特性分析，以及雷電流對塑鋼門窗型材及其襯鋼產(chǎn)生高電位反擊和感應(yīng)過電壓對人的生命安全構(gòu)成威脅的機(jī)理分析，提出了塑鋼門窗防雷的必要性和塑鋼門窗應(yīng)采取的防雷措施。【關(guān)鍵詞】 塑鋼門窗 異型材 介電強(qiáng)度 引 言pvc 塑料門窗是 20 世紀(jì) 50 年代中期發(fā)展起來的一種新型建筑材料1。早在 1955 年，前聯(lián)邦德國諾彼爾（dynamil nobel）公司就開始生產(chǎn) pvc 窗框異型材。1959 年前聯(lián)邦德國赫斯特（hoechst）公司進(jìn)而開發(fā)了硬質(zhì) pvc 窗框產(chǎn)品，開

2、始塑鋼門窗的生產(chǎn)。塑鋼門窗是以改性硬質(zhì)聚氯乙烯（upvc）為原料，經(jīng)擠出機(jī)擠出成型成為各種斷面的中空異型材，定長切割后，在其內(nèi)腔襯入鋼質(zhì)型材加強(qiáng)筋，再用熱熔焊接機(jī)焊接組裝成門窗框、扇，裝配上玻璃、五金配件、密封條等構(gòu)成門窗成品。塑料型材內(nèi)腔以型鋼增強(qiáng)，形成塑鋼結(jié)構(gòu)，故稱為塑鋼門窗。塑鋼門窗是繼木、鋼、鋁合金門窗之后而崛起的第四代新型節(jié)能建筑門窗，是眾所周知的節(jié)能保溫、隔絕噪音、水密、氣密和耐久性之門、窗。目前，塑鋼門窗的研究開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用已取得了令人鼓舞的進(jìn)展，但塑鋼門窗的防雷是亟待解決的問題。隨著高層智能大廈的不斷涌現(xiàn)，塑鋼門窗的應(yīng)用越來越廣泛，塑鋼門窗的防雷就顯得尤為重要。為此，我們從塑

3、鋼門窗本身型材及加工、安裝工藝，以及使用的五金件（當(dāng)扇開啟的時候，五金件外露，型材內(nèi)襯鋼與襯鋼之間通常采用金屬螺絲或拉鉚釘拼裝連接）特性，從理論上分析其防雷的必要性，并提出了采取防雷措施的有效性。1 塑鋼門窗防雷必要性塑鋼門窗的防雷接地，不僅對側(cè)擊雷的防護(hù)有著重要的作用，同時有著良好的防雷電感應(yīng)和一定的屏蔽作用（即法拉第籠防雷）。下面就塑鋼門窗受側(cè)擊雷和雷電的靜電感應(yīng)機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)的分析，提出雷電防護(hù)的必要性。1.1 塑鋼門窗的雷電側(cè)擊機(jī)理分析通常所說的滾雷球保護(hù)法是基于以下的雷閃數(shù)學(xué)模型（電氣幾何模型）h= 2i +ir30(1e6.8 ) （1） 1 或簡化為： hr= 10 i0.65 （

4、2）式中：hr滾球半徑（m）；i 與 hr相對應(yīng)的得到保護(hù)的最小雷電流幅值。與 hr相對應(yīng)的雷電流按(2)式整理為 i = (hr10)1.54 （3） 以建筑物防雷設(shè)計規(guī)范（gb5005794）（2000 年版）表 5.2.1 中的 hr代入，得：對第一類建 筑 物 （ hr=30m ）， i=5.4ka ； 對 第 二 類 建 筑 物 （ hr=45m ）， i=10.1ka ； 對 第 三 類 建 筑 物（hr=60m）,i=15.8ka。相應(yīng)防雷裝置電阻電壓降可用下式表示：ur= i r （4） 而電阻電壓降對氣隙擊穿厚度可表示為：urd=rer （5） 式中：ur雷電流流過防雷裝置時

5、接地裝置上的電阻電壓降（kv）；er電阻電壓降的空氣擊穿強(qiáng)度（kv/m）；dr雷電流流過防雷裝置時接地裝置上的電阻電壓降空氣擊穿厚度（m）；i雷電流電流強(qiáng)度（ka）；r防雷裝置的沖擊接地電阻（）；據(jù)文獻(xiàn)2，尚未發(fā)現(xiàn)有介電強(qiáng)度比空氣高的建筑材料。而塑鋼門窗作為一種新型建筑材料，為了簡化計算，我們不妨取空氣的擊穿強(qiáng)度為 500kv/m，以第一類建筑物為例，其沖擊接地電阻可分為以下三種情況：建筑物直擊雷防護(hù)的沖擊接地電阻應(yīng)不大于 10；若與電源保護(hù)地共用地網(wǎng)，其沖擊接地電阻應(yīng)不大于 4；若與弱電設(shè)備共用地網(wǎng)，其沖擊接地電阻應(yīng)不大于 1。 將以上數(shù)值代入（4）、（5）式，得表 1 的數(shù)值。表 1 雷電

6、流對不同防雷裝置產(chǎn)生的電阻電壓降及其對氣隙的擊穿厚度類型沖擊接地電阻（）電阻電壓降（kv）空氣擊穿厚度（m）型10540.108型421.60.0432型15.40.0108從上表可以看出，即使 5.4 kv 的電壓足可擊穿 1cm 厚的空氣。而雷電流通道通常可達(dá)幾千千伏。倘若雷電直接擊在塑鋼門窗上后，對型材厚度僅為 33.5mm 塑鋼門窗極易被雷電擊穿。如果塑鋼門窗的襯型鋼“加強(qiáng)筋”沒有散流通道或散流通道太小，不能迅速將雷電流導(dǎo)入大地，就會導(dǎo)致塑鋼門窗的炸裂、熔化等機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)的雷害事故，對人的生命安全構(gòu)成威脅。因此，塑鋼門窗必須采取防雷措施。1.2 塑鋼門窗雷擊靜電感應(yīng)機(jī)理分析建筑物防

7、雷裝置接受雷閃時，以千安/微秒級的高頻雷電流流過防雷裝置，造成接閃器和引下線具有很高的電位，同時在其附近的塑鋼門窗框、扇型材內(nèi)腔的襯型鋼“加強(qiáng)筋”及其五金配件上將有感應(yīng)靜電過電壓，視其型材內(nèi)腔的襯型鋼“加強(qiáng)筋”為孤立導(dǎo)線（如圖 1），其 up值為：ucup=n+12cc1222 圖 1 雷電電容耦合過電壓示意圖圖 2 導(dǎo)體下端與防雷裝置相連雷電電磁感應(yīng)過電壓示意圖圖 3 導(dǎo)體與防雷裝置不連接時雷電電磁感應(yīng)過電壓示意圖塑鋼門窗是獨(dú)立的，其塑鋼門窗型材內(nèi)腔的襯型鋼“加強(qiáng)筋”（以下簡稱“導(dǎo)體”）上的感應(yīng)電壓，有以下兩種情況： （1）第一種情況：塑鋼門窗型材內(nèi)腔導(dǎo)體下端與防雷裝置連接時，其間（垂直導(dǎo)體

8、的上端與防雷引下線之間）的電位差可按下式計算（圖 2）： adiul=(0.2 ln)(kv / m) （6）rdt式中：a 塑鋼門窗與防雷裝置的距離（m）；r 防雷引下線的半徑（m）；didt雷電流陡度（kv/s）。根據(jù)對雷電所測量的參數(shù)得知，雷電流最大幅值出現(xiàn)于第一次正極性或負(fù)極性雷擊，電流最大陡度出現(xiàn)于第一次雷擊以后的負(fù)雷擊。正極性雷擊通常僅出現(xiàn)一次，無重復(fù)雷擊。.iectc81 的有關(guān)文件提出電感電壓的空氣擊穿強(qiáng)度為 el=600(1 +1) （kv/m）。t1因此，根據(jù)建筑物防雷設(shè)計規(guī)范（gb5005794）表 3.1、3.2，電感電壓降可能擊穿的氣隙距離 d 分為以下兩種情況討論：

9、.1)當(dāng) t1=10s 時，didti=t20010=20/ kas ； el=600(1+1) =660（kv/m）將上述值代入電感電壓降公式： d=ul1 ,得出表 2 的數(shù)值（r=0.004m 代入）t1lel表 2 正極性雷擊對與防雷裝置距離不同的塑鋼門窗每米高度產(chǎn)生的電感電壓降及其對氣隙擊穿的厚度a(m)ul(kv) dj(m)528.530.04321031.300.04741532.920.04992034.070.05162534.960.0530 3 . 2）當(dāng) t1=0.25s 時，表 3 的數(shù)值。didti=t1500.25=200/ kas 和el=600(1 +1)t

10、1 =3000（kv/m），則得表 3 負(fù)極性雷擊對與防雷裝置距離不同的塑鋼門窗產(chǎn)生的電感電壓降及其對氣隙擊穿的厚度a(m)ul(kv) dj(m)5285.270.095110313.000.104315329.210.109720340.720.113625349.600.1166（2）第二種情況：如果塑鋼門窗是獨(dú)立的，不連接時，其間的電位差可表示為（如圖 3）： ul= u1+ u2若導(dǎo)體上、下端與引下線距離相同，則 2u1= 2u2= ulul=u=adim （7） 因此，21(0.4 ln)(kv /)rdt可見其導(dǎo)體上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓及擊穿的氣隙距離均大于第一種情況。綜上所述，雷擊防

11、雷裝置時，不管是正極性雷擊還是負(fù)極性雷擊所產(chǎn)生的雷電流流經(jīng)防雷裝置（引下線）時所產(chǎn)生的高電位對塑鋼門窗框（扇）型材內(nèi)腔的襯鋼產(chǎn)生的感應(yīng)靜電過電壓足可擊穿的氣隙距離都在 4cm 以上，而塑鋼門窗異型材厚度僅為不足 4mm，充分證明了塑鋼門窗防雷必要性。 2 塑鋼門窗的防雷措施塑鋼門窗的防雷要達(dá)到安全、可靠而且達(dá)到安裝可行性的目的，通過對大量塑鋼門窗廠家型材調(diào)查和重慶市防雷中心對塑鋼門窗防雷接地檢測的多年經(jīng)驗(yàn)，以及根據(jù)塑鋼門窗型材特性及其加工、安裝工藝要求和等電位連接導(dǎo)線的最小截面4（cu 16mm2；al 25mm2；fe 50mm2）要求。對塑鋼門窗防雷提出了以下兩種的防雷接地措施要求。2.1

12、 塑鋼門窗與防雷裝置一點(diǎn)法連接（1）塑鋼門窗框之間防雷連接圖 4 拼接螺栓窗框防雷連接圖 5 拼接螺絲 90 度角窗框防雷連接 4塑鋼門窗框、扇型材內(nèi)腔的襯型鋼“加強(qiáng)筋”厚度通常大于 1.5mm，而加強(qiáng)筋表面應(yīng)進(jìn)行防銹處理。固定用的鍍鋅和鍍鉻螺釘大小為3.925（mm）、3.938（mm）、3.945（mm）。因此對于組合窗型，塑鋼門窗框、扇型材之間內(nèi)腔的襯型鋼“加強(qiáng)筋”的防雷連接的固定螺釘數(shù)量不得少于 4 個，其間距不得大于 500mm，同時五金配件應(yīng)固定在插入的增強(qiáng)襯筋上，五金配件的固定也采用自攻螺釘或拉鉚釘。這樣，各個窗框之間就通過拼接件（如拼接螺栓、拼接螺絲）相互連接構(gòu)成的連通閉合體，

13、從而成為一個整體（如圖 4、圖 5、圖 6）。圖 6 拼接螺絲任意角窗框防雷連接拼接（2）塑鋼門窗框、扇的防雷連接圖 7 塑鋼門窗防雷節(jié)點(diǎn)示意圖根據(jù)防雷的等電位連接的要求以及型材尺寸，在窗框或窗扇的四角處，采用型鍍鋅扁鋼（作防銹處理）將框內(nèi)的襯鋼連為一個閉合體，而型鍍鋅扁鋼防雷連接件不妨采用截面積大于 50mm2的扁鋼制作而成，通過四顆金屬連接螺絲與襯鋼連接為一體，形成等電位（如圖 7）。（3）塑鋼門窗與防雷裝置的連接整體窗框連接通后，通過連接件將窗框與防雷裝置連通，以致雷電側(cè)擊塑鋼門窗后能迅速散流，達(dá)到防雷效果。連接件通常宜采用截面積大于 50mm2鍍鋅扁鋼（如圖 8），扁鋼之間連接采用焊接

14、；窗框與防雷連接件連接（如圖 9），可通過兩顆鍍鋅螺栓（大于8）將框內(nèi)襯鋼與防雷連接件連通，防雷連接件與防雷裝置（均壓環(huán)或引下線）采用焊接連接方式（焊接長度10 倍圓鋼直徑）；2.2塑鋼門窗與防雷裝置多點(diǎn)法連接圖 8 塑鋼門窗連接件示意圖圖 9 塑鋼門窗固定片示意圖圖 10 塑鋼門窗與預(yù)留接地連接示意圖采用多點(diǎn)法連接，從防雷效果看更加安全、可靠，但安裝的操作難度較大。前提條件是必須將窗框周圍的結(jié)構(gòu)鋼筋與防雷裝置可靠連接（以下不妨稱作防雷結(jié)構(gòu)鋼筋），同時必須將塑鋼門窗框 5 之間進(jìn)行防雷等電位連接（如圖 10），然后利用窗框四周的固定片直接與防雷結(jié)構(gòu)鋼筋焊接連通，但每邊至少要有四個固定片以上，方可達(dá)到防雷效果。3 結(jié) 論針對塑鋼門窗的型材特點(diǎn)和雷電流本身的特性，綜合以上分析，我們得出以下結(jié)論：（1）塑鋼門窗的防雷是必要的，措施是有效的。（2）塑鋼門窗的防雷接地，不僅對側(cè)擊雷的防護(hù)有著重要的作用，同時有著良好的防雷電感應(yīng)和一定的屏蔽作用（即法拉第籠防雷）。 （3）塑鋼門窗的防雷措施可采用塑鋼門窗與防雷裝置一點(diǎn)或多點(diǎn)法連接。塑鋼門窗的防雷不僅要考慮窗框內(nèi)部的等電位連接，還要考慮窗框之間的等電位連接。 參考文獻(xiàn)1李志英硬聚氯乙烯塑料異型材和塑料窗制造與