雷電防護及等電位接地論文

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摘要：，防雷接地工程五花八門，機及設備受雷擊損壞逐年增多。本文依據IEC有關防雷標準（如IEC1312-1）和國家有關防雷標準（如GB50057-94），結合筆者多年來在防雷及防雷工程、實踐經驗，論述雷電防護等電位接地系統中迫切需要解決的有關。

關鍵詞：等電位接地接地匯集環雷電先導阻抗變換

1、線路過電壓、過電流損壞設備的原因及防護

1.1雷擊避雷針、避雷帶、電源線、信號線產生感應過電壓（過電流）的現象是經常發生的。

1.2圖1中的電子設備A和B是兩臺互相傳輸數據的設備，假設電源線上傳輸進來5kA雷電電流波（10/350μS），按圖2所示的等效電路，設備是否會被損壞？

圖1獨立接地系統的設備電位差圖

1.2.1假設：電源避雷器P性能優良，其響應時間和導通后的殘壓不會損壞電子設備A，雷電流IP=5kA全部流經避雷器P進入接地點G1入地；

接地電阻R1＝1Ω、R2＝1Ω、R3＝1Ω，且互為獨立接地。

雷電流IP流過接地電阻R1時，接地點G1的地電位將抬升為UG1＝Ip.R1＝5kV.

1.2.2該電位UG1此時會加到電源的輸入端a1，而設備A的接地點G2為零電位，則電源輸入端與入地點G2之間的電位差Va1G2＝5kV.

電子設備開關電源能耐受的最高電壓為800～1500V（10/350μS波），若5kV的電壓波加到a1─G2兩端，則設備A的電源端將被過電壓損壞。

1.2.3為了避免設備A的電源端免受雷擊損壞，應將接地點G1與G2相連接（如圖2所示）。

圖2用避雷器防雷的等電位接地圖

1.2.4從1.2.3項看，G2電位變為5kV，此時，信號傳輸線另一端設備B的接地點G3為零電位，而信號接口a2與接地點G2之間的電位差VG2a2變成了5kV，從而使信號接口a2損壞。

1.2.5要保護信號接口a2，應在信號接口a2和接地點G2之間安裝殘壓小的信號避雷器PA，且接地點必須與G2相連。

1.2.6由1.2.4項可以看出，設備信號接口被雷擊損壞，該雷電不一定是由信號傳輸線產生的感應過電壓所致。

1.2.7由1.2.5項可以發現，雖然設備A的信號接口a2并未損壞，但5kV的電壓已加到a2與G3端，那么信號接口b2會損壞嗎？理論計算與實驗結果表明：a2至b2的信號傳輸線，如果線徑≤1mm，長度大于100m，則線阻加上導線的分布電感所形成的電抗分壓，使得加到b2與G3的電壓Vb2G3小于100V，但如果傳輸線小于100m，則有可能使Vb2G3＞100V而使設備B受到雷擊損壞。

1.2.8為使設備B得完好保護，應同設備A一樣按1.2.3和1.2.5項的要求去做。

假設雷電從信號線上產生，其分析方法，防護手段同1.2.1至1.2.8.

2、直擊雷損壞設備的原因分析和防護方法

2.1圖3是建筑物受直擊雷后室內設備受損壞的示意圖，圖中A、B、C是處在不同樓層的電子設備；SA、SB、SC為各設備之間互相通信的信號線；S是與建筑物外的設備通信信號線；G1、G2、G3為不同樓層建筑物內部鋼筋引下線；L、LA、LB、LC為設備供電線路；RS為設備工作接地，RG為建筑物防雷接地，GA、GB、GC為設備工作接地在主桿線上的接地點；PL、PS分別為電源避雷器和信號避雷器。

圖3建筑物內設備受雷擊分析示意圖

2.2假設雷電直接打在建筑物樓頂避雷帶上，入地雷電流I＝100kA，RG＝1Ω、RS＝1Ω。此時，G1、G2、G3所處的各樓層的電位都將抬升100kV，如果GA、GB、GC與防雷地不相連接，就會發生設備工作地線與建筑物樓板到處打火的現象（反擊），因為100kV的電位差可擊穿的空氣距離達300～500mm（由當時的空氣絕緣程度而定）。

2.3如果RG與RS相距較遠（如20m以上），設備工作接地線與樓板、墻壁絕緣較好，地電位的抬升不足以擊穿設備工作地線。但雷擊時，工作人員剛好與設備機殼相接觸，人身體上的某一部位又與地板或墻壁相接觸，雷電將會流過人體進入設備工作接地，人身安全必將受到傷害（作者本人親眼看到此類事故的發生）。

2.4當2.2項和2.3項的事故發生后，高電位進入設備擊穿設備的電源端或信號端口，雷電從電源線或信號線流出，構成了雷電流回路，使設備受到損壞，造成雷電電流波的低電位引入現象。

2.4.1為了避免2.2項和2.3項事故的發生，RG與RS必須是同一個接地體，即設備工作地和防雷地必須聯合接地；聯合接地后，人身安全了。

2.4.2聯合接地后，設備就安全了嗎？不，雷擊時，設備機殼通過工作地線流入接地體，由于地線的分布電感及線電阻產生的線電壓降很大（分布電感產生的線電壓將在下一節討論），很難保證設備A與B與C之間的地電位是相等的，當電位差大于100V以上就有可能使SC、SB、SA和S的接口通過信號連接線將雷電流（或過電壓）引入而損壞接口；當雷電產生的電位差大于800～1500V，電源輸入端口LC、LB、LA也將損壞（不論是否安裝避雷器PL、PS，此結果作者曾做過多次試驗）。

2.4.5要解決直擊雷造成反擊損壞設備的現象，就得盡量減少各點之間的電位差。

具體是：

各樓層的設備工作地GA、GB、GC應與該樓層的建筑物主鋼筋相連（至少兩點相連），并在機房內組成環形匯集環，如圖4所示。

接在匯集環上的設備1與設備2如果互相連網，在雷擊時，因其地電位差極小，從而避免了雷擊反擊損壞。

2.4.6禁止在機房內用細小的銅線將設備串聯接地，因為導線的分布電感和線阻，將使各接地點之間電位差增大。

2.4.7如機房內的環形接地體無法與大樓內的主鋼筋相連，則用兩條銅線同時引下，銅線的截面積為每平方毫米導線最長為0.5m且截面積不宜小于35mm2.環形接地體與設備的電源插座相連或與設備相連，其連線截面積為每平方毫米導線長度最長為10cm.

圖4機房內的環形接地匯集環

2.5進入和引出大樓的各種線路均加裝避雷器。且應與設備的工作接地相連。

2.6由于直擊雷入地的電流強度極大，因此在雷電流入地的過程中，將產生極強的電磁波，該電磁波會近距離感應在大樓內各種設備的線路上，產生感應過電壓，從而使設備損壞。

2.6.1防止直擊雷的感應過電壓，傳統的辦法是將各線路進行屏蔽處理或在每一個線路的設備輸入、輸出端安裝各種避雷器。

2.6.2可采用限流避雷針，限制入地的雷電流強度（將在下一節討論）。

3、電抗、干擾及避雷器選型

3.1上一節已提到由于接地導線的分布電感及線電阻在雷電流流過時會造成接地導線上電壓分布不均的現象，從而導致連接于該接地線上相互連網的設備因地電位不等而損壞。

3.1.1以習慣采用的2.5mm2的銅線為例進行：2.5mm2的銅線1m長其分布電感為ΔL＝1.01×10-6H，線電阻ΔR＝0.02Ω，按10/350μS的電流波I＝1kA流過該導線產生的電壓：

V1m＝dI/dt×ΔL＋ΔR.I＝103/（10×10-6）×1.01×10-6＋0.02×103＝121（V）

實驗室測量值為：106V

由此可見，如果幾十米的2.5mm2的接地導線將產生的電位差可達幾千伏以上。

3.1.2在防雷工程中認真計算接地線上因電抗形成的電位差是非常重要的。建議在實驗室檢測和計算時，機房設備接地線采用10/350μS、5kA電流波進行檢測、計算和設計。

3.1.3石化系統的原油罐，是浮頂金屬罐，浮船與罐體用多根25mm2的軟銅線相連，而浮船與罐體的間隙是絕緣的，雷擊罐頂或罐頂上的避雷針時，由于軟銅線的分布電抗及雷電流太大，浮船與罐體之間的電位差可能引起間隙放電，造成石油化工廠的原油罐被雷擊起火。

3.2聯合接地可以解決防雷等電位，但是，聯合接地會將工頻干擾、高頻干擾加到設備上，使得通信、數據傳輸、設備的工作穩定性受到危害，并容易出現數據丟失、誤碼、通信中斷等。

3.2.1各種干擾中最主要的是工頻干擾，而工頻干擾表現的是地電位抬升，如三相用電不平衡、零線重復接地、機殼漏電等產生的電流。

3.2.2設工頻入地電流為5A，接地電阻為4Ω，則地電位抬升為20V，該電壓直接加到計算機的邏輯低電平上，造成整個系統的誤碼或信號中斷（因為：計算機的串行通信電平為±12V），而接地電阻在1Ω以下，地電位抬升在5V以下，計算機的通信才會安全。

3.2.3為了保證計算機系統的安全穩定工作，聯合接地電阻必須達到1Ω以下。

3.3在驗收、檢查工頻接地電阻，測試所需的電流極埋設位置與地網邊緣之間應不小于該地網等效直徑的3～5倍，電壓極棒埋設位置，應為電流極棒埋設位置的0.618倍。

3.3.1建議禁止使用普遍流行的電流極40m，電壓極20m的測量方法來測量大樓和地網等效直徑大于15m的接地系統。

3.3.2測量方法不對，將導致出現較大誤差。

3.4避雷器的選型。

3.4.1從LpzOA、OB區（IEC1312-1標準）進入室內的電源線應選取通流量大于40kA（10/350μS）的避雷器，由于導線的分布電感，連接于避雷器的導線殘壓很高。由此，應在室內的其它樓層配電柜上安裝第二級通流量不少于10kA電源避雷器，此處的殘壓仍對設備有危險，應在設備機房內安裝第三級通流量不小于5kA的避雷器。

3.4.2從LpzOA、OB區進入室內的信號線上應安裝通流量不小于5kA的避雷器，室內各線路應安裝通流量不小于1kA的信號避雷器。

4、兩種防雷產品簡介

4.1雷電直擊建筑物將帶來反擊及近距離強烈感應現象，要防止設備損壞，就必須嚴格進行等電位施工及每臺設備前安裝避雷器。其實這種要求是很難做到的。IEC1312-1標準要求建設全屏蔽機房，在我國很難做到，也不現實。因此當直擊雷發生后，減小入地電流，不失為一種最佳選擇。下面簡要介紹一種限流避雷針。

DK限流避雷針（又稱：DK雷電限流器）采用空氣離子激發器，在雷云靜電場的作用下，在DK限流避雷針上能激發出的電離子數比普通避雷針在同等電場強度下大3倍以上、并以電暈形式構成虛擬高度，提高了雷擊放電點的準確性，增大了保護角，有效地減少和防止了傳統避雷針的繞擊、側擊現象。表1給出了電力部武漢高壓所關于DK限流避雷針與普通避雷針模型在相同電場強度下的雷擊放電概率的試驗數據。

DK限流避雷針采用直徑為108mm，高1500mm的可變阻抗變換器，在雷電閃擊未發生之前其阻抗值為0.1Ω左右，是雷電閃擊入地的良好通道，當雷電先導發生、至DK限流避雷針時，根據電流I的大小和隨時間的變化率自動調節阻抗R值，調節后的阻抗值可達幾百兆歐姆。阻抗調節時間為25∽100nS，當阻抗變大后，流過DK限流避雷針的電流I減小，這時阻抗R值以極短的時間（25∽100nS）趨向于0值變化，這樣雷電流在未發生旁閃的時間內，始終被限制在DK限流避雷針的阻抗變換器中流過，周而復始，直至該次雷擊結束。

結論：DK限流避雷針有提前先導及明顯的限流效果。4.2本文提到要做到減小干擾源對設備的，就應該盡可能地降低接地電阻（小于1Ω），但是在城市無足夠的土地搞接地，在高山、巖石、砂土地區土壤電阻率極高，無法降低接地電阻，應如何解決？

4.2.1傳統的接地系統與接地體所包圍的面積S和土壤電阻率ρ有關。設：土壤電阻率ρ＝200Ω。m，要求接地電阻值達到1Ω，所需的接地面積S為

S＝0.25×ρ2/R2＝0.25×2002＝10000（m2）

由計算所得到的結論是：一般城市的土壤電阻率ρ為200Ω。m，要做一個1Ω的接地系統需要接地面積為1萬平方米，顯然是很難做到的。

4.2.2要降低接地電阻，就必須進行縱深方向的接地，向縱深垂直地面方向的接地電阻公式為：

R＝ρ/2πl×ln4l/d

R-接地電阻，ρ-土壤電阻率，l-接地體全長，d-接地體直徑

由上式可以看出，接地體埋地越深，接地電阻越小。DK-AG電解地極，用電解液滲透入土壤深處（深可達幾十米），且無毒、無腐蝕、不易揮發，導電性能好，對降低接地電阻效果極好。

DK-AG電解地極為三節ф63mm每節長1m的銅管組成，共有12個呼吸排泄孔，銅管內填無毒化合物晶體，銅管埋于地下后，呼吸收土壤中的水份，使化學晶體變為電解溶液，又從該孔中排泄出，這些溶液在特殊回填土的吸取作用下，均勻流入土壤，在土壤中形成了成片導電率良好的電解離子土壤，特別是在石山上土壤少的地區，電解液可向石山的縱深方向滲透，使原來導電率極差的高山地質結構，形成了一個良好電解質導電通道。極大程度地減少了接地極與周圍土壤之間的電阻。

結束語

做好防雷工程不難，主要是認真地從的方法出發，真正做到：良好泄放、等電位防護，就能實現減少雷害損失。