建筑防雷接地設(shè)計總結(jié)

建筑防雷設(shè)計摘要：討論了配電網(wǎng)接地制式與建筑物電氣設(shè)備的電磁兼容問題，接地網(wǎng)的電阻值和其結(jié)構(gòu)在防雷中的作用，外部防雷和內(nèi)部防雷兩個子系統(tǒng)的放電過程，以及反對誤導宣傳的問題等。

關(guān)鍵詞：建筑物防雷雷電電磁脈沖防護LEMP防雷接地電子（邏輯）接地中國電信電磁防護支撐中心來函邀請我參加這次電信行業(yè)通信局站接地技術(shù)研討會，隨函附件寫有研討會的內(nèi)容提綱，其例示的各種接地問題寫得非常好。人們常說，正確地提出問題就是解決問題的一半，我預祝研討會取得成功。這次研討會請的都是專家，人也不多，我希望能有更多的時間舉行座談，多一些觀點的交鋒，多一些探討，多一些互相學習的機會。不要像一般的會議那樣，各說各的，說完散會，沒有一定的結(jié)果。防雷接地問題與供電系統(tǒng)接地方式、埋地接地網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和室內(nèi)接地網(wǎng)的結(jié)構(gòu)等都有關(guān)系。這次我提出一些經(jīng)驗性的看法，歡迎大家討論，不對之處歡迎大家批評指正。一，供電系統(tǒng)接地方式與室內(nèi)電磁兼容的關(guān)系

配電網(wǎng)接地系統(tǒng)的制式關(guān)系到電網(wǎng)的運行安全和建筑物的供電安全[1、2]。西方國家對于供電質(zhì)量特別重視，他們對于電源頻率和電壓質(zhì)量都有嚴格地要求；他們對于智能建筑物內(nèi)的電磁兼容問題很重視，他們的重要建筑物廣泛采用屏蔽電纜的供電方式。現(xiàn)在我國智能建筑物的設(shè)計已經(jīng)注意到這一點?，F(xiàn)在大城市中的配電變壓器已經(jīng)采用小電阻接地方式，電源線已經(jīng)廣泛采用TN-S和TN-C-S系統(tǒng)，俗稱三相五線制；在室內(nèi)注意按綜合布線的規(guī)范敷設(shè)電氣線路。如果把三相電源系統(tǒng)的火線比做上水管道；則N線有如下水管道，它輸送的電流有閃光燈和閘流管等電氣設(shè)備產(chǎn)生的雜波，還有電源系統(tǒng)故障時產(chǎn)生的過電流等。這樣電源自成閉合系統(tǒng)，PE線只是起到接地固定電位的作用，平時并無電流流過。如果把N線與PE線合并，這些雜波電流和過電流就會在地線中產(chǎn)生浮動電壓，使電子設(shè)備遭受損壞和不能正常工作。所以，N線必須絕緣敷設(shè)，PE線必須獨立敷設(shè)，這正是三相五線制供電系統(tǒng)建立的意義。檢查N線與PE線是否絕緣良好的辦法是測量PE線內(nèi)的電流，正常情況下PE線內(nèi)不應該有電流。我們在故宮防雷工程中測量某宮殿的防雷接地，發(fā)現(xiàn)接地電阻表搖擺不定，從而發(fā)現(xiàn)N線與PE線有搭接的故障。PE線的作用就是平時作為電子地（邏輯接地）和設(shè)備的保安接地，在雷擊時兼做防雷接地。三相四線制的PEN線也有保安接地的作用，但是它不能做電子接地，因為它平時將有雜散電流通過，不能保證電子設(shè)備的穩(wěn)定運行。事故舉例：1993年在北京西便門立交橋東北側(cè)曾有一片平房（商店）發(fā)生火災，火災原因是有一輛高架貨車把電線掛斷，發(fā)生單相電弧接地事故，而該商店的電氣開關(guān)未能立即開斷，這片平房頂棚內(nèi)的電線因過電流而熔化并引發(fā)火災。我國農(nóng)村地區(qū)要特別警惕這種架空線配電建筑物的安全問題。IEC防雷標準和我國現(xiàn)行建筑物防雷標準選用SPD的U1mA時，只考慮20/380V電網(wǎng)中性點接地方式，而沒有考慮其上一級10kV電網(wǎng)的中性點的接地制式。以至常選用440V、470V的U1mA，這樣做是不妥當?shù)?。我國多?shù)配電網(wǎng)是采用中性點絕緣或經(jīng)消弧線圈接地的方式，這些電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障可能運行幾個小時，此時相電壓變?yōu)榫€電壓，使SPD燒毀。我國水利電力部和機械工業(yè)部根據(jù)本國情況考慮荷電率制定的避雷器國家標準GB1102-2000，對220V級MOV規(guī)定U1mA=600V，相間MOV的U1mA=1200V。這樣做既能減少SPD燒毀，又能有效地防雷才是合理的。建筑物雷害事故統(tǒng)計表明：80-90%的事故是由電氣線路引入的，直接雷擊的事故并不多。在山區(qū)和農(nóng)村中建筑物的供電用架空線直接引入不是好辦法；建議參考文獻[3]改用鐵管穿線屏蔽敷設(shè)，見圖1；進線桿前連接一段長度大于15m的架空伸長地線兼做避雷線，見圖2，此段線路的作用是增加屏蔽鐵管前主線路的電感，使SPD（氧化鋅避雷器）便于啟動，在進線桿前再連接氧化鋅避雷器2#，進線桿的鐵腳和鐵管的上端聯(lián)合接地。圖1，建筑物架空線引入時的防雷措施圖2，在電桿上做架空伸長地線及避雷線的示意圖

二，接地電阻的大小取決于什么要素

經(jīng)驗表明，接地體的電阻主要決定于它與地的接觸電阻。我們在打接地棒后立即測量其接地電阻值時測得某一數(shù)值；只要抓住接地棒的上端搖一搖，再測時其接地電阻值將增加。這是因為接地棒與其附近的土壤脫離的緣故。在鉆孔埋接地體的時候，灌水和填土后其接地電阻值將有一變化時期。開始其接地電阻值小，后來變大（土壤與接地體脫離），長時期后又變?。ㄒ蛲寥缐簩崳Ｓ锰及艉吞假|(zhì)模塊做接地體時其接地電阻值并不如計算那樣理想，但是如果在它們的周圍涂以LRCP降阻劑則可較理想地達到預期接地電阻值。這些都說明接地體與地的接觸電阻是決定接地電阻的重要因素。接地網(wǎng)的接地電阻與接地網(wǎng)的面積S的開方成反比，在接地網(wǎng)內(nèi)再補充打接地棒和接地樁，對于降低接地電阻的作用不大。因為接地網(wǎng)的周邊接地棒對其中心有屏蔽作用。而且，電子地的穩(wěn)定不是單靠降低接地電阻值所能解決的，重要的是要想法降低接地網(wǎng)的電感和使接地聯(lián)線中沒有電流（此時，接地線的電感電壓降占重要地位），解決的辦法是用星形接法連接儀器設(shè)備；如果還有困難，接地聯(lián)線用絕緣線，把接地線用鐵管套起來，屏蔽鐵管的兩端與其附近PE線相連。其道理是使接地線的電壓不能耦合到電子回路中去。內(nèi)部防雷的系統(tǒng)中要避免采用開關(guān)型和間隙型過電壓保護器，這些間隙在放電時電壓急劇截斷將引發(fā)電路中分布電容和電感的震蕩過程，使電子設(shè)備遭到損壞。三，接地網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及其防雷性能的分析

在雷擊建筑物時，在鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)鋼筋內(nèi)將有震蕩電流產(chǎn)生。這些震蕩電流將感應室內(nèi)電氣線路產(chǎn)生二次電流。這些二次電流將造成電氣設(shè)備的損壞。采用SPD限制作用在電氣設(shè)備上的電壓是內(nèi)部防雷的任務(wù)，接地網(wǎng)的等電位連接措施使這二次電流回路中的電流不會很大，用8/20μs電流波形檢驗。防雷導體流經(jīng)的雷電流是一次電流，它是排出建筑物的外部放電過程。內(nèi)部防雷子系統(tǒng)與外部防雷子系統(tǒng)、這兩個子系統(tǒng)有電路上的聯(lián)系，但是各自自成系統(tǒng)，要分別計算不能夠混淆。否則將發(fā)生嚴重地計算錯誤。采用電纜段進線和穿鐵管屏蔽進線的防雷方法，是防止雷電流經(jīng)SPD向電源系統(tǒng)反灌的重要措施。建筑物的基礎(chǔ)接地和其周圍的埋地接地網(wǎng)是安全散流和整體電位浮動的保證條件。如果防雷接地體是獨立的或是室外的一條接地帶，則不能保證建筑物的屏蔽條件。對此北京電力科學院的科學家曾經(jīng)做過屏蔽理論推算和實驗檢驗[4、5]。鄭文[5]是一篇探討高電壓試驗室接地的文件，它的道理可以運用在建筑物防雷中，它說明了減少接地網(wǎng)電感的道理和穿線鐵管是屏蔽的有效措施，建議大家參考細讀。筆者在某通訊站測量其天線陣地和機房的接地電阻，兩座機房接地用的是室外接地帶，天線陣地用的是接地網(wǎng)。測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)：機房和天線接地網(wǎng)的聯(lián)合接地電阻值比單獨的天線接地網(wǎng)的接地電阻值還要大，大出的部分是接地帶所形成的連線電阻。所以機房的接地一定要做成圍繞機房的周圈式的接地網(wǎng)，不能用機房外的接地帶來代替。埋地接地網(wǎng)CBN與設(shè)備連接網(wǎng)EBN的作用和要求不同，參看圖3。圖3，公用連接網(wǎng)CBN與設(shè)備連接網(wǎng)EBN的原理示意圖筆者個人的看法是：

1、公用連接網(wǎng)CBN的作用是安全散流和保證等電位。它必須采用周圈式接地帶，其外圍可敷設(shè)一些接地棒。埋地是散流的重要條件，在土壤電阻率比較低的地方打接地棒對降低接地電阻有效；但是在土壤電阻率比較高、沒有地下水的山地，打接地棒很難，對降低接地電阻的作用也不明顯。2、埋地接地網(wǎng)是保證建筑物在雷擊時整體地電位浮動（屏蔽作用）的必要條件，如果接地體或接地帶敷設(shè)在建筑物之外，它不能起到屏蔽的作用。接地網(wǎng)比獨立接地體和接地帶有更大的電容，在雷電先導形成和向地面發(fā)展的過程中，接地網(wǎng)上將感應產(chǎn)生大量的感應電荷，這些電荷與雷電先導電荷的符號相反，在主放電過程中它們復合，在接地導體中放出能量（變?yōu)闊崮埽?，這樣產(chǎn)生的雷擊電壓將比獨立避雷針小，有利于整體的防雷效果。3、設(shè)備連接網(wǎng)EBN的作用是保證等電位的條件，它本身要有一定的低電感的要求，這與安裝的電子設(shè)備情況有關(guān)，也與設(shè)備接地線的連接方法（S星形或M網(wǎng)形）有關(guān)。4、EBN接地連線的電感是造成干擾和危險地電位浮動的根源。所以使電子地穩(wěn)定的關(guān)鍵條件是使接地連線中的電流為零。要達到這一點就是要從地網(wǎng)CBN的中心部位在電梯井中引上接地線，并與各層樓板的等電位連接板和PE線相連接，要求嚴格的房間應敷設(shè)單獨的等電位接地板（如用鐵板拉網(wǎng)）。5、建筑物內(nèi)的等電位狀態(tài)也不像靜電學等電位那樣理想，大樓內(nèi)還有雜散電流在鋼筋中分布。在大樓內(nèi)各種電氣線路都要受到雜散電流的電磁耦合作用。雜散電流在接地網(wǎng)上的電壓降（主要是電感分量）就是接地系統(tǒng)不同點的暫態(tài)電位差。這個電位差很難直接測量。實際上，更有實際意義的是所謂的開環(huán)電壓和閉環(huán)電流如圖4所示。圖4，開環(huán)電壓和閉環(huán)電流示意圖

圖4中，UAB為接地網(wǎng)A、B兩點間的電位差。電子儀器外殼對EBN的地、或儀器外殼對電源的電位差既是開環(huán)電壓。假如儀器的外殼在控制室內(nèi)接地，則儀器電纜外皮（屏蔽層)中流過的電流稱為閉環(huán)電流。它是決定電子儀器受到共模干擾大小的一個量。開環(huán)電壓決定了儀器受到的過電壓的大?。欢]環(huán)電流則決定了共模干擾的大小。6、人們只有明確了內(nèi)部防雷和外部防雷兩個子系統(tǒng)中電磁震蕩的過程及其特性才能提出有效的抗干擾的辦法，原則上是合理地運用隔離與連接的措施，消除不希望的電磁耦合，其中用鐵管穿線屏蔽電氣線路外，把冗余的電氣線路的兩端全部短路并接地，這兩項措施經(jīng)常是很重要的。四，接地電阻測量問題的困惑

現(xiàn)在城市中建筑物的密度很大，地下管網(wǎng)很多，鋼筋混凝土建筑物的接地網(wǎng)接地電阻的測量實際上很難測準。因為接地電阻測量的拉線距離必須大于接地網(wǎng)直徑的4-5倍，這一點很難做到。實際上接地電阻的測量是在接地網(wǎng)的網(wǎng)眼中進行的，這與接地電阻的定義是不一致的，其測量的結(jié)果是不可信的，（其總的趨勢是測量結(jié)果偏小，有時甚至成為負值）。現(xiàn)在廣泛采用的高頻接地電阻測量儀和脈沖接地電阻測量儀所測接地電阻與工頻接地電阻不同，它沒有標準定義的接地電阻的意義，但是它對接地線斷線的檢測有參考意義，筆者曾經(jīng)專門討論過這個問題[6]。

五，防止華而不實的炒做行為

1、我不贊成用銅材做接地體，接地體的尺寸是由機械強度和腐蝕因素決定的，不是由熱穩(wěn)定條件決定的。銅是一種戰(zhàn)略物資，我們不應把它大量地埋在地下。西方國家現(xiàn)在都已改用鋼管做接地體了，我們卻宣傳用銅作接地體。這無非要提高防雷裝置的造價，增加甲