防雷装置电气连接性能探讨

富兰克林发明“避雷针”以来，曾经误认为“避雷针”的电阻越小越利于发挥其效能。由此，人们研究各种金属的导电性，有些避雷针顶端镀上黄金，甚至用白金制成。后来，不少典型的雷击事故被发现由旁侧闪络造成，使得人们越来越重视提高引下线的电气连续性，并降低防雷接地电阻值。20世纪60年代初期，国内外已经开始利用钢筋混凝土柱和基础内钢筋作引下线和接地体；20世纪70年代初期，屋顶钢筋被利用作为接闪器。国内外防雷规范均采取切实措施保障防雷装置的电气性能。

BS 6651 - 1999《Code of practice for protection of structures against lightning》（已废止）第16.6节规定如下：“16.6 混凝土建筑物中钢筋的利用：16.6.2 电气连贯性 —— 在现场浇灌的钢筋混凝土建筑物的钢筋偶尔焊接在一起，提供了肯定的电气连贯性。通常更多的是，钢筋在交叉点是用金属线绑扎在一起。虽然由此产生的自然金属连接性能有其偶然性，但是这类结构的大量钢筋和交叉点保证全部雷电流实质上在并联放电路径上的多次分流。经验表明，这类建筑物能够容易地被利用作为防雷装置的一部分。”

GB 50057 - 2010《建筑物防雷设计规范》第4.3.5条，利用建筑物的钢筋作为防雷装置时，应符合下列规定：6 构件内有箍筋连接的钢筋或成网状的钢筋，其箍筋与钢筋、钢筋与钢筋应采用土建施工的绑扎法、螺丝、对焊或搭焊连接。单根钢筋、圆钢或外引预埋连接板、线与构件内钢筋应焊接或采用螺栓紧固的卡夹器连接。构件之间必须连接成电气通路。通常，可利用建筑物的钢框架或在电气上连续的钢筋混凝土内钢筋作为防雷装置。

德国早期文献指出，防雷装置不可能接近的部分，特别是接地部分，要用测量方法进行试验。对此，不仅要测量总接地电阻，而且倘若接地体是分开的，还要测量各个单独的接地体的接地电阻。防雷装置与下列诸物体之间互相连接以实现等电位：金属装置、建筑物内系统、从外部引入建筑物的外来导电物体和线路。互相连接的方法可采用：在自然等电位连接不能提供电气连续之处用等电位连接导体做直接连接。

> > > > 过渡电阻

根据GB / T 21431 - 2015《建筑物防雷装置检测技术规范》，应对引下线、等电位连接的过渡电阻进行必要的检测。

a. 引下线。

GB / T 21431 - 2015第5.3.2.5条：检测每根专设引下线与接闪器的电气连接性能，其过渡电阻不应大于0.2 Ω。第5.3.2.9条：采用仪器测量专设引下线接地端与接地体的电气连接性能，其过渡电阻应不大于 0.2 Ω。

b. 雷击电磁脉冲屏蔽。

GB / T 21431 - 2015第5.6.2.1条：用毫欧表检查屏蔽网格、金属管（槽）、防静电地板支撑金属网格、大尺寸金属件、房间屋顶金属龙骨、屋顶金属表面、立面金属表面、金属门窗、金属格栅和电缆屏蔽层的电气连接，过渡电阻值不宜大于0.2 Ω。

c. 等电位连接。

GB / T 21431 - 2015第5.7.2.3条：对于第一类和处在爆炸危险环境的第二类防雷建筑物中长金属物的弯头、阀门等连接物的检测，应测量长金属物的弯头、阀门、法兰盘等连接处的过渡电阻，当过渡电阻大于 0.03 Ω时，检查是否有跨接的金属线，并检查连接质量，连接导体的材料和尺寸。

> > > > 接地电阻

GB / T 21431 - 2015第5.4.1.4条，各类防雷建筑物接地装置的接地电阻（或冲击接地电阻）值应符合GB 50057 - 2010中第4章的要求：第一类防雷建筑物的接地装置的冲击接地电阻不应大于10 Ω；第二类防雷建筑物的接地装置的冲击接地电阻不应大于10 Ω；第三类防雷建筑物的接地装置的冲击接地电阻不应大于30 Ω。

其他行业有关标准规定的设计要求值见表1。

根据IEC 62305 - 3 ED3 81 / 688e / CDV《Protection against lightning — Part 3：Physical damage to structures and life hazard》，第D.7.3.4条，防雷装置的测试包括连续性测试和接地电阻的测量，并应提供影响可能需要的接地电阻测量的类型和布局的信息：① 执行连续性测试，特别是对防雷装置中不可见的部分进行检查；② 在可能的情况下，对各个接地极和接地系统进行接地电阻测试。

> > > > 过渡电阻、接地电阻测试

IEC 62305-3 ED3 81 / 688e / CDV第C.6.6条，接地电阻试验方法只有专门为接地电阻测试而设计的仪器才允许用于本应用：

a. 过渡电阻测试仪器应符合GB ∕ T 18216.4 - 2021 / IEC 61557 - 4：2019《交流1 000 V和直流1 500 V及以下低压配电系统电气安全 防护措施的试验、测量或监控设备 第4部分：接地电阻和等电位接地电阻》，实际是测量包括连接线和端子在内的接地导体、保护接地导体以及等电位连接导体的电阻。采用四引线测量表，其中两个电压引线，两个电流引线；测量电压通常是直流电压。因为正常的导通都是小电阻（阻抗）状态，所以规定仪表输出电流的下限为0.2 A，测量分辨率仍可达到0.001 Ω（1 mΩ）精度。当选用直流电源测试过度电阻时，为了测试小至0.2 Ω的过渡电阻，德国电工委员会（DKE）防雷装置安装委员会（K251）要求测量电流应为10 A左右。

b. 接地电阻测试仪器应符合GB / T 18216.5 - 2021 / IEC 61557 - 5：2019《交流1 000 V和直流1 500 V及以下低压配电系统电气安全 防护措施的试验、测量或监控设备 第5部分：对地电阻》规定，采用三引线测量表，从电气安全角度，输出电压的开路值不应大于50 V交流电压。

> > > > 防雷装置电阻溯源

> >   防雷和西德防雷规范第8版（1971年）

第10.1.2条，在上面要引出连接接闪器的附接线和下面引出连接接地装置的附接线；当上面和下面的附接点之间的电阻不超过约0.1 Ω时，则从上至下的连接线被视为足够的。

> >   GB 50057 - 2010《建筑物防雷设计规范》

第4.3.5条条文解释，原苏联对钢筋绑扎点流过冲击和工频电流的试验（刊登于原苏联杂志《电站》1990年第9期文章）试样是方柱形混凝土，边长为50 mm、100 mm和150 mm三种，见图1。

在其轴心埋设两根直径8 mm的钢筋，将其末端弯起来并用绑线绑扎。对这种连接点用幅值5 kA、10 kA、20 kA，波长40 μs的冲击电流波和3 kA的工频电流进行试验。从试验所得的电压和电流示波图可证明，这种连接点的电气接触是足够可靠的，其过渡电阻为0.001 Ω ~ 0.01 Ω。这一结果表明，当雷电流和工频短路电流通过有铁丝绑扎的并联钢筋时，所有纵向主筋都参与导引电流。

> >   IEC防雷标准中防雷装置电阻

从2000年至2006年，IEC防雷标准对建筑物钢筋电气连续的电阻值有多轮讨论，见表2。

其中，最典型的是多国代表对IEC 81 / 214 / CD第4.3条提出异议：

“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.”

主要意见是：“预制单元接头电阻1 Ω”偏高，而“接闪器到地平面的总电阻0.1 Ω”上次会议上未经讨论（注：以前是1 Ω）。最终，秘书处采纳了英国代表的意见，确定“接闪器到地平面的总电阻不应大于0.2 Ω”，而“预制单元接头电阻”被删除，见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” 

过渡电阻是一种瞬态的电阻，它是考核钢筋混凝土建筑物内钢筋连续性的一个重要指标，早期曾有过相关的研究，IEC 62305.3 Ed1最终确定“接闪器到地平面的总电阻不应大于0.2 Ω”为钢筋电气连续的判定标准，并延用至今。

过渡电阻（即接触电阻）另有规定，“使用至少10 A的电流源，测量接触电阻时应尽量靠近连接件，测出的电阻值不应超过0.001 Ω。如果连接件或导体为不锈钢，电阻值不应超过0.003 Ω”  。

> > > > 引下线连续性

混凝土中钢筋之间的连接固定使用金属绑线，这种连接从电气的角度出发似乎是不适宜的。但是，实践中发现这些绑线接点在电气连接上是很有效的。这些钢筋在长度方向上采用搭接并用金属绑线扎在一起，单个这样的连接点也许具有高的电阻，但在一个完工的建筑架构中，上千个这样的连接点在电气上是并联的。在建成的建筑物上所进行的许多电阻测量确实表明完全可以用于防雷目的。

> >   德国防雷标准测量方法

a. 施工环节测量。

德国标准对过渡电阻必须进行以下两种类型的测量，见图2：① 长度不大于10 m的钢筋的两个连接点之间电阻值应 < 10 mΩ；② 从最高点到MEB每m高度的电阻值应 < 10 mΩ。

要求最高点到地面的总测试电阻不大于0.2 Ω。

这种测试指导性很强，更注重过程控制，对施工过程各环节钢筋的连接质量要求更严，避免在验收测试中出现问题无法补救。

b. 验收测量方法。

当无法检查防雷装置连续性时，要求在每处测量点测量接闪器、引下线、等电位连接线、屏蔽设施等所有连接线和连接点具有低阻抗连续性，其典型值是不大于1 Ω，见图3。

以上方法也有局限性，即当利用柱内钢筋作为引下线，防雷装置不存在断接点时，图3的验收测试方法并不适用。

> >   IEC 62305 - 3测量方法

GB / T 21714.3 - 2015《雷电防护 第3部分：建筑物的物理损坏和生命危险》第D.6.5条：电气测试要求 —— 连接到防雷系统上的任何单个部件的直流电阻不得超过0.2 Ω。

GB / T 21714.3 - 2015第E.4.3.1条：一般要求 测量接闪器和地面接地板之间的电阻，如图4所示，要求最大电阻不超过0.2 Ω。当难以进入测试区域或布设测试电缆困难时，可提供从高到低的专用测试板，以便在每个点进行测试。然后计算各节点和引下线的总电阻。

IEC 62305 - 3 ED3 81 / 688e / CDV第D.5.3.5.2.1条，将上述测量建筑物总电阻作了如下修改：测量接闪器和等电位连接板之间的电阻，如图5所示，使用适合的四引线测试设备，满足最大电阻不超过0.2 Ω的要求。测试电流应为10 A左右，该测试可以在施工阶段进行，在连接到接闪器之前的最后测量的电阻应不大于规定的最大电阻。

当难以进入测试区域或测试电缆敷设困难时，可安装专用的垂直导体，在每层进行测试。然后，测量每个节点和垂直导体的总电阻，再减去专用垂直导体的电阻可得到计算值。该导线应在顶部连接到接闪器，并在底部通过测试断接卡子连接到接地网，以便在测试时断开连接。

首选对角测试，例如从建筑的左上到右下，通常可以提供更好的测试电流分布。

对于钢筋混凝土建筑物，利用混凝土柱内钢筋作为引下线时，所有自然引下线通过互联钢筋（水平梁内钢筋）连接在一起，单独测量每一处引下线并不能体现该处实际的电阻值，而是从屋面到接地端子的总过渡电阻，即建筑物引下线的总电阻，图5比图4更加清晰地体现了以上内涵。安装阶段设置专用的垂直导体，在每层进行测试，有利于控制各楼层的过渡电阻。从建筑的左上到右下，使得测试电流均衡分配，过渡电阻值相对准确。

> > > > 接地电阻测试

一般，雷电流向大地泄流时，同时应使预期的电涌反击电压尽可能小，为了均衡电位，接地系统的形状和尺寸是重要因素。但是，通常建议防雷装置具有较低的接地电阻，工频接地电阻测量值尽可能低于10 Ω。

接地电阻测量普遍采用三极法，如图6所示，E作为测量对象的接地极，S和H是测量用的辅助电极（辅助电极电阻不小于100 Ω），其中S是电流电极，H是电压电极，E、S、H在一条直线上，只要E、H之间距离足够大，就会在E、H之间产生零电位区。取E、H间距40 m，S处于E、H中点，可沿EH直线前后移动10 %。在E和H之间接入电源，电流电极H测出电流值，电压电极S测出电压值，则工频接地电阻为：R _E = U/I，并直接从欧姆表中读出。三次结果取平均值作为接地极电阻。

......

防雷装置电气连接性能测试是防雷装置校验中不可缺少的环节，我国实际工程防雷装置检验存在以下问题：

a. 我国防雷检验标准和实际防雷检测报告，该测试的内容没有测试，如自然引下线的电气连接性能等；不必要的项目反而大量测试，如设备机房（消防水泵房、制冷机房、电梯机房）、变配电室配电柜等。此问题与防雷测试缺乏技术监督部门监管应有直接关系。

b. 可见的防雷装置连接检验可以采用目视检查，如屋顶接闪带和引下线、幕墙龙骨、金属护栏、冷却塔等之间通常为焊接或机械连接，可以不必逐项测试；部分不可见的项目未进行电阻测试，如自然引下线的连续性。

c. 过渡电阻和防雷装置总电阻测量应采用相应的专门仪表，以保证必要的测试精度。国际、国外标准仅要求采用直流电源，规定测试电流不小10 A；当采用符合GB ∕ T 18216.4 - 2021 / IEC 61557 - 4：2019标准的专用测试仪表时满足同等精度的测试电流可以为0.2 A。然而，本案例检测报告中测试仪器仅有MS - 1026数字式接地电阻测试仪，非四引线测试表，仅符合GB 4793.1 - 2007 / IEC 61010 - 1：2001《测量、控制和实验室用电气设备的安全要求 第1部分：通用要求》，不符合GB ∕ T 18216 / IEC 61557系列标准要求。这可能是缺乏过渡直流电阻和防雷装置总电阻测试值的主要原因。