[原创]关于防雷接地问题的探讨

xushaodong

一，供电系统接地方式与室内电磁兼容的关系
　　配电网接地系统的制式关系到电网的运行安全和建筑物的供电安全[1、2]。西方国家对于供电质量特别重视，他们对于电源频率和电压质量都有严格地要求；他们对于智能建筑物内的电磁兼容问题很重视，他们的重要建筑物广泛采用屏蔽电缆的供电方式。现在我国智能建筑物的设计已经注意到这一点。现在大城市中的配电变压器已经采用小电阻接地方式，电源线已经广泛采用TN-S和TN-C-S系统，俗称三相五线制；在室内注意按综合布线的规范敷设电气线路。

　　如果把三相电源系统的火线比做上水管道；则N线有如下水管道，它输送的电流有闪光灯和闸流管等电气设备产生的杂波，还有电源系统故障时产生的过电流等。这样电源自成闭合系统，PE线只是起到接地固定电位的作用，平时并无电流流过。如果把N线与PE线合并，这些杂波电流和过电流就会在地线中产生浮动电压，使电子设备遭受损坏和不能正常工作。所以，N线必须绝缘敷设，PE线必须独立敷设，这正是三相五线制供电系统建立的意义。检查N线与PE线是否绝缘良好的办法是测量PE线内的电流，正常情况下PE线内不应该有电流。我们在故宫防雷工程中测量某宫殿的防雷接地，发现接地电阻表摇摆不定，从而发现N线与PE线有搭接的故障。PE线的作用就是平时作为电子地（逻辑接地）和设备的保安接地，在雷击时兼做防雷接地。三相四线制的PEN线也有保安接地的作用，但是它不能做电子接地，因为它平时将有杂散电流通过，不能保证电子设备的稳定运行。事故举例：1993年在北京西便门立交桥东北侧曾有一片平房（商店）发生火灾，火灾原因是有一辆高架货车把电线挂断，发生单相电弧接地事故，而该商店的电气开关未能立即开断，这片平房顶棚内的电线因过电流而熔化并引发火灾。我国农村地区要特别警惕这种架空线配电建筑物的安全问题。IEC防雷标准和我国现行建筑物防雷标准选用SPD的U1mA时，只考虑20/380V电网中性点接地方式，而没有考虑其上一级10kV电网的中性点的接地制式。以至常选用440V、470V的U1mA，这样做是不妥当的。我国多数配电网是采用中性点绝缘或经消弧线圈接地的方式，这些电网发生单相接地故障可能运行几个小时，此时相电压变为线电压，使SPD烧毁。我国水利电力部和机械工业部根据本国情况考虑荷电率制定的避雷器国家标准GB1102-2000，对220V级MOV规定U1mA=600V，相间MOV的U1mA=1200V。这样做既能减少SPD烧毁，又能有效地防雷才是合理的。

建筑物雷害事故统计表明：80-90%的事故是由电气线路引入的，直接雷击的事故并不多。在山区和农村中建筑物的供电用架空线直接引入不是好办法；建议参考文献[3]改用铁管穿线屏蔽敷设，见图1；进线杆前连接一段长度大于15m的架空伸长地线兼做避雷线，见图2，此段线路的作用是增加屏蔽铁管前主线路的电感，使SPD（氧化锌避雷器）便于启动，在进线杆前再连接氧化锌避雷器2#，进线杆的铁脚和铁管的上端联合接地。

图1，建筑物架空线引入时的防雷措施

图2，在电杆上做架空伸长地线及避雷线的示意图

二，接地电阻的大小取决于什么要素
　　经验表明，接地体的电阻主要决定于它与地的接触电阻。我们在打接地棒后立即测量其接地电阻值时测得某一数值；只要抓住接地棒的上端摇一摇，再测时其接地电阻值将增加。这是因为接地棒与其附近的土壤脱离的缘故。在钻孔埋接地体的时候，灌水和填土后其接地电阻值将有一变化时期。开始其接地电阻值小，后来变大（土壤与接地体脱离），长时期后又变小（因土壤压实）。用碳棒和碳质模块做接地体时其接地电阻值并不如计算那样理想，但是如果在它们的周围涂以LRCP降阻剂则可较理想地达到预期接地电阻值。这些都说明接地体与地的接触电阻是决定接地电阻的重要因素。

　　　接地网的接地电阻与接地网的面积S的开方成反比，在接地网内再补充打接地棒和接地桩，对于降低接地电阻的作用不大。因为接地网的周边接地棒对其中心有屏蔽作用。而且，电子地的稳定不是单靠降低接地电阻值所能解决的，重要的是要想法降低接地网的电感和使接地联线中没有电流（此时，接地线的电感电压降占重要地位），解决的办法是用星形接法连接仪器设备；如果还有困难，接地联线用绝缘线，把接地线用铁管套起来，屏蔽铁管的两端与其附近PE线相连。其道理是使接地线的电压不能耦合到电子回路中去。内部防雷的系统中要避免采用开关型和间隙型过电压保护器，这些间隙在放电时电压急剧截断将引发电路中分布电容和电感的震荡过程，使电子设备遭到损坏。

三，接地网的结构及其防雷性能的分析
　　　在雷击建筑物时，在钢筋混凝土的结构钢筋内将有震荡电流产生。这些震荡电流将感应室内电气线路产生二次电流。这些二次电流将造成电气设备的损坏。采用SPD限制作用在电气设备上的电压是内部防雷的任务，接地网的等电位连接措施使这二次电流回路中的电流不会很大，用8/20μs电流波形检验。

　　防雷导体流经的雷电流是一次电流，它是排出建筑物的外部放电过程。内部防雷子系统与外部防雷子系统、这两个子系统有电路上的联系，但是各自自成系统，要分别计算不能够混淆。否则将发生严重地计算错误。采用电缆段进线和穿铁管屏蔽进线的防雷方法，是防止雷电流经SPD向电源系统反灌的重要措施。

　　建筑物的基础接地和其周围的埋地接地网是安全散流和整体电位浮动的保证条件。如果防雷接地体是独立的或是室外的一条接地带，则不能保证建筑物的屏蔽条件。对此北京电力科学院的科学家曾经做过屏蔽理论推算和实验检验[4、5]。郑文[5]是一篇探讨高电压试验室接地的文件，它的道理可以运用在建筑物防雷中，它说明了减少接地网电感的道理和穿线铁管是屏蔽的有效措施，建议大家参考细读。

　　在某通讯站测量其天线阵地和机房的接地电阻，两座机房接地用的是室外接地带，天线阵地用的是接地网。测量结果发现：机房和天线接地网的联合接地电阻值比单独的天线接地网的接地电阻值还要大，大出的部分是接地带所形成的连线电阻。所以机房的接地一定要做成围绕机房的周圈式的接地网，不能用机房外的接地带来代替。

埋地接地网CBN与设备连接网EBN的作用和要求不同，参看图3。

图3，公用连接网CBN与设备连接网EBN的原理示意图

笔者个人的看法是：
　　1、 公用连接网CBN的作用是安全散流和保证等电位。它必须采用周圈式接地带，其外围可敷设一些接地棒。埋地是散流的重要条件，在土壤电阻率比较低的地方打接地棒对降低接地电阻有效；但是在土壤电阻率比较高、没有地下水的山地，打接地棒很难，对降低接地电阻的作用也不明显。

　　2、 埋地接地网是保证建筑物在雷击时整体地电位浮动（屏蔽作用）的必要条件，如果接地体或接地带敷设在建筑物之外，它不能起到屏蔽的作用。接地网比独立接地体和接地带有更大的电容，在雷电先导形成和向地面发展的过程中，接地网上将感应产生大量的感应电荷，这些电荷与雷电先导电荷的符号相反，在主放电过程中它们复合，在接地导体中放出能量（变为热能），这样产生的雷击电压将比独立避雷针小，有利于整体的防雷效果。

　　3、设备连接网EBN的作用是保证等电位的条件，它本身要有一定的低电感的要求，这与安装的电子设备情况有关，也与设备接地线的连接方法（S星形或M网形）有关。

　　4、 EBN接地连线的电感是造成干扰和危险地电位浮动的根源。所以使电子地稳定的关键条件是使接地连线中的电流为零。要达到这一点就是要从地网CBN的中心部位在电梯井中引上接地线，并与各层楼板的等电位连接板和PE线相连接，要求严格的房间应敷设单独的等电位接地板（如用铁板拉网）。

　　5、 建筑物内的等电位状态也不像静电学等电位那样理想，大楼内还有杂散电流在钢筋中分布。在大楼内各种电气线路都要受到杂散电流的电磁耦合作用。杂散电流在接地网上的电压降（主要是电感分量）就是接地系统不同点的暂态电位差。这个电位差很难直接测量。实际上，更有实际意义的是所谓的开环电压和闭环电流如图4所示。

图4，开环电压和闭环电流示意图

　　图4中，UAB为接地网A、B两点间的电位差。电子仪器外壳对EBN的地、或仪器外壳对电源的电位差既是开环电压。假如仪器的外壳在控制室内接地，则仪器电缆外皮（屏蔽层)中流过的电流称为闭环电流。它是决定电子仪器受到共模干扰大小的一个量。开环电压决定了仪器受到的过电压的大小；而闭环电流则决定了共模干扰的大小。

　　6、 人们只有明确了内部防雷和外部防雷两个子系统中电磁震荡的过程及其特性才能提出有效的抗干扰的办法，原则上是合理地运用隔离与连接的措施，消除不希望的电磁耦合，其中用铁管穿线屏蔽电气线路外，把冗余的电气线路的两端全部短路并接地，这两项措施经常是很重要的。

　　四，接地电阻测量问题的困惑
　　现在城市中建筑物的密度很大，地下管网很多，钢筋混凝土建筑物的接地网接地电阻的测量实际上很难测准。因为接地电阻测量的拉线距离必须大于接地网直径的4-5倍，这一点很难做到。实际上接地电阻的测量是在接地网的网眼中进行的，这与接地电阻的定义是不一致的，其测量的结果是不可信的，（其总的趋势是测量结果偏小，有时甚至成为负值）。现在广泛采用的高频接地电阻测量仪和脉冲接地电阻测量仪所测接地电阻与工频接地电阻不同，它没有标准定义的接地电阻的意义，但是它对接地线断线的检测有参考意义，笔者曾经专门讨论过这个问题[6]。
　　 五，防止华而不实的炒做行为
　　1、 我不赞成用铜材做接地体，接地体的尺寸是由机械强度和腐蚀因素决定的，不是由热稳定条件决定的。铜是一种战略物资，我们不应把它大量地埋在地下。西方国家现在都已改用钢管做接地体了，我们却宣传用铜作接地体。这无非要提高防雷装置的造价，增加甲乙双方的利益。日本侵略中国的“第五次强化治安”时，要百姓“献铜、献铁”，把家具的铜鼻子和铜饰件都强行征走。那时的情景笔者依然记忆犹新、不能忘怀。我国铜的资源经过三千多年的开发已经不多了，不应该浪费。
　　2、 不要听信某些防雷公司建议，在接地网的当中打接地桩的宣传，那样做是无效的。电子地的稳定问题不仅在于接地电阻值的大小，关键在于要使接地线上没有电流。所以，此类宣传是一种误导。

　　3、还要注意接地措施导致的环境污染的问题和对附近钢铁构筑物的腐蚀效应的问题。

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