洪友白：大底盘建筑群电源SPD配置的“20 m说”有待商榷

“大底盘建筑群”是指“多栋建筑通过底部几层体量较大的结构底盘连接形成的整体建筑物”。其外形诸多，本文例举如图1所示。

“大底盘建筑群”有如下特点：

a. 大底盘：未通过结构缝分开的，由钢筋混凝土连成一大片的地下室或一大片的裙房及其地下室；

b. 整体性：多栋建筑通过底部大底盘连接为一体；

c. 多建筑：两栋及以上的高层建筑或高层与多层的多栋组合。

  > > > > “20 m说”

大底盘建筑群如何装设SPD，不少防雷设计者以个别专家意见作为设计参考。该意见是“根据 GB 50057规范附录C的C.0.4的规定，在一片大的基础接地体上，距离变电所20 m以外的建筑物可视为各自独立的建筑物，它们应各按第4.3.8条第4款处理；在建筑物下方有变电所的建筑物应按第4.3.8条第5款处理”（以下简称“20 m说”）。

  > > > > “20 m说”的要义所在

“20 m说”的核心要义有二：一是“20 m说”把大底盘建筑群以“20 m有效长度”为半径划分为若干个独立的防雷建筑物，并以此来配置SPD；二是雷电流从引下线注入接地体的连接点似乎就在建筑物的屋面垂直投影处。

笔者对“20 m说”的要义不敢苟同，并认为是问题所在。笔者从2017年起，分别以IEC标准、GB标准和雷电机理对“大底盘建筑群电源SPD配置”做了全面分析论证，在这里作简要回顾，并以此对“20 m说”的问题作商榷分析。

IEC 62305 - 3:2010《Protection against lightning — Part 3:Physical damage to structures and life hazard》（以下简称IEC 62305 - 3）和IEC 62305 - 4:2010《Protection against lightning — Part 4:Electrical and electronic systems within structures》（以下简称IEC 62305 - 4）都提供了在广阔区域内多栋建筑基础接地装置等电位互连的资料信息或应用标准。

针对IEC 62305 - 3的20 m网格（如图2（a）所示）和IEC 62305 - 4的5 m网格（如图2（b）所示），笔者在文献 《以IEC标准研究大底盘建筑群电源SPD配置》做了详尽的研究分析，其成果是：大底盘 的“网格状低阻抗”具有如下功效：

a. 互连多栋建筑的钢筋混凝土大底盘，其钢筋密集配置，网格尺寸远远小于5 m，符合IEC 62305 - 4的应用规定。该大底盘为多栋建筑的结构基础接地体提供了一个“网格状低阻抗等电位连接网络”。

b. 该“网格状低阻抗等电位连接网”的网格尺寸不是20 m × 20 m，而是5 m以下很低的数量级，一般为零点几米的小网格。它为频率高达数兆赫兹的雷电流提供令人满意的“等电位面”是不言而喻的。

c. 雷电流沿接地装置散入大地的延伸长度虽然有限，但其在防雷接地体上引发的高电位，却因雷电流状态下的“网格状低阻抗”特性可以在“大底盘一大片钢筋”内传导。

由此得出重要结论：大底盘“一大片钢筋”基于“网格状低阻抗”功效，其上多栋建筑结构基础不存在独立的防雷地。

笔者在文献 《以GB标准分析大底盘建筑群电源SPD配置》指出只要细细体味GB 50057第4.3.8条第5款以“其 他”“独自敷设”这2个对“接地装置”特别赋予的界定词来定义“有”“无”线路引出本建筑物，就不难理解大底盘建筑群的结构基础对防雷而言是一个完整的整体。

如图3（a）所示建筑A、建筑B，甚至其他大底盘地面各栋建筑物之间，显然不存在互为“其他”“独自敷设”的接地装置。在图3（b）、图3（c）中，无论是有线缆引至大底盘建筑群范围外的独立建筑物E，还是电源从大底盘建筑群范围外的建筑物F引低压线路至建筑物D，只有建筑E和建筑D才称得上是与大底盘建筑群互为“独自敷设”的接地装置。

通过GB 50057相关条文引出的重要结论：大底盘建筑群，其结构基础先天由“连体敷设”的一大片混凝土钢筋构成，就防雷接地系统而言，不存在互为“其他”“独自敷设”的接地装置，应视为一栋所谓的“本建筑物”。

雷击建筑物引发过电压的机理实质上就是缘于电感线路电流不能突变的基本特性。

  > > > > R、L电路换路概念

电路稳定状态的改变，是由电路的接通或开断、各种类型的改接、电路参数或电源的变化、信号的突然注入等原因引起。电路从一个稳定状态变化到另一个稳定状态，一般需要有一个过渡过程。在过渡过程中，电路中发生的现象就是过渡现象。引起过渡现象的电路变化称为“换路”。

  > > > > 电感电路的i（0+） = i（0－）

如果把换路瞬间取为计时起点t = 0，换路前的终了时刻记为t = 0-，换路后的初始时刻记为t = 0+，对电感电路来说，在换路后的一瞬间，如果电感两端的电压保持为有限值，则电感中电流应当保持换路前一瞬间的原有值而不能跃变，即i (0+) = i (0-)。

对一个原来没有电流的电感来说，由于i (0-) = 0，故i (0+) = 0，因此可以理解为这一瞬间电感电路相当于开路。

  > > > > i（0-） = 0的R、L电路过渡过程

如图4（a）所示，假定其R、L串联电路接到直流电压源E，即u （t） = E。根据基尔霍夫定律可得：

u （t） = E = u _R + u _L = R i + Ldi/dt （1）

根据边界条件i (0+) = i (0-) = 0，求解方程（1）得：

i = E/R(1 - e ^t/τ )       （2）

式中：τ = L/R为该电路的时间常数。

根据式（2），电阻电压降和电感电压降分别为：

u _R = R i = E (1 - e ^t/τ )      （3）

u _L = E -u _R = E e ^t/τ       （4）

根据式（3）、式（4）绘制u _R 和u _L 随时间变化的曲线如图4（b）。

  > > > > 电感电路是引发高电位的内因

雷电击中建筑物的t = 0时刻，如同图4（a）中开关K合上时的“换路”瞬间。由于i (0+) = i (0-) = 0，因此在图4（a）中u _R = i (0+) R = 0，即雷电流在混凝土钢筋的电阻电压降为零，建筑物上仅剩图4（a）中的电感电压降u _L = L di/dt = u （t）。 对雷击建筑物而言，此时u _L = u （t）不再是式（4）t = 0的直流电压E，而是取代E的直击雷电压V，而且V有多大，u _L 就有多大。 由此可见，t = 0+时刻的电感电压降u _L = V就是在大底盘建筑群发生反击的高电位。

之所以雷击建筑物从t = 0-到t = 0+的“换路”一刹那雷电流会等于零，从原理上可以理解为在建筑物钢筋网上产生一反电动势e（0+） = - L di/dt 来阻止雷电流的突增。反电动势的大小取决于钢筋网的自感L和雷电流的变化率di / dt，其对应的电压称为感应电压，表达式为u （0+） = L di/dt，如图5所示断点a。

由于i (0+) = i(0-) = 0，因此u （0+） = V可以毫无损失地在钢筋网内传导，如图5所示的建筑A与建筑C的电位V。这是因为雷电流状态下的“网格状低阻抗”，不会使图5中的“c - c”处表现为高阻抗而相当于线路断开，而只会因PEN线及变压器线圈的雷电高频高阻抗特性，在“b”处相当于线路断开。

  > > > > 电压降iz不会再发生反击

建筑物雷电流通路“换路”t = 0+瞬间的电感电压降是发生反击的最高电位，“换路”后雷电流在建筑物钢筋上的电压降iz不会再发生更高电位的反击，这从图4（b）可显而易见。当t = 0+“换路”时，u (0+) = u _L = E；之后任意时刻， u _R 与 u _L 之和u (t) 都不大于E，E是最大值。同理，雷电击中建筑物t = 0+“换路”时，u(0+) = u _L = V也即最大值；之后，iz = u _R + u _L 不会再比V大。因此，u (0+)= u _L = V时，绝缘要么击穿，要么无损，后续的电压降iz再也不足以发生反击。

小结：基于电感线路电流不能突变的基本原理，雷击建筑物时在雷击“换路”一刹那间引发反击高电位在大底盘建筑群内可靠传导，形成一全范围的高电位“等电位面”。因此，大底盘地面上分开的建筑之间不可能是独立的防雷建筑物，而是一栋电位紧密关联的防雷建筑物。

回眸上文第2章，笔者理解“20 m说”的核心要义之二应该是：雷电流从引下线注入接地体的连接点似乎就在建筑物的屋面垂直投影处。

  > > > > 从2√ρ分析引下线的连接点

从“20 m说”援引的GB 50057附录C.0.4可知，其20 m是从引下线的连接点算起。这一“连接点”似乎就在建筑物的屋面垂直投影处，雷电流就从该“连接点”注入接地体并再横向散流20 m，其范围内的建筑构件就归属一栋独立的防雷建筑物。

其实，对大底盘乃至上部既有的建筑群及其连接体（裙房等）而言，雷电流并不会这么单一地从上部建筑物的屋面接闪垂直向下在其投影处注入接地体（如图6从a → b → c），还会沿着接地体以上空间引下线外接的横向钢筋再分流（如图6从b → d → f → h）。混凝土在大气中的电阻率取12 100 ~ 16 900 Ω·m，雷电流在大气中混凝土钢筋散流的理论长度根据2√ρ可达220 ~ 260 m。鉴于网状钢筋的低阻抗特性，雷电流在大气中混凝土钢筋的散流基本不存在横向与竖向通路的阻抗值差异导致横向与竖向分流比例的明显差别，雷电流可达的各个引下线最终的分流比例都趋于引下线数量n的均分值1 / n，如图7所示。

由此可见，雷电屋面接闪后，对大体量的大底盘建筑群而言，其雷电流经引下线注入接地体不会只有屋面投影面垂直向下的唯一路径，很多情况是横向铺开全面引下再注入接地体。GB 50057附录C.0.4只说明与某一引下线相连接的混凝土钢筋接地体的有效长度，用于计算其连接的接地电阻值，并不说明大底盘建筑群的雷电流引下注入接地点是单一唯一的，更不能以此来证明其20 m范围内可视为一独立的防雷建筑物。

值得一提的是，雷击建筑物雷电流通路“换路”t = 0+瞬间的电感电压降是发生反击的最高电位（如图5所示），因此不能把所谓的“雷电流流经引下线和接地装置时产生的高电位”的“流经 …… 产生的高电位”机械地理解为“换路”过后，甚至是稳态时雷电流流散在建筑物钢筋阻抗上的电压降。

  > > > > “20 m说”引发的设计乱象

鉴于“20 m说”源于有影响力的专家，因此有不少工程设计项目被引用，带来一些设计乱象：① 低压电缆从20 m以外引进时，只有大电流干线引入按“20 m说”配置T1级SPD(这里有点像GB 50057的T1配置原理)，对用于电子信息设备配电箱的小电流支线而言没有再像“20 m说”那样，而是直接安装T3级SPD。② 大底盘地面上建筑按“20 m说”配置，其同一投影面的地下建筑却不按“20 m说”配置，很不像“20 m说”的所谓20 m范围。③ 纠正其一与其二使“20 m说”应用不了时，有些设计则放弃原则，导致思路混乱，干脆SPD“逢箱必装”。④ 有的设计事先按照GB 50057配置SPD，但受施工图审查的影响，部分改为以“20 m说”配置SPD …… 凡此种种，几乎就是“四不像”！既不像按GB 50057设计，也不像依“20 m说”配置SPD。这种“四不像”乱象不仅仅存在不遵从电气原理的问题，也存在经济问题和安全问题，务必纠正。

小结：笔者以往的文章都没提到大底盘建筑群屋面雷电接闪后雷电流是如何沿着其钢筋网注入接地体的，本文算是一个补遗。期待SPD配置能守住电气原理，用好用活电阻、电感、电容及其组合引发的一系列电气现象，并终结SPD配置的乱象。