摘要：目前，防雷接地工程五花八門，計(jì)算機(jī)及電子設(shè)備受雷擊損壞逐年增多。本文依據(jù)IEC有關(guān)防雷標(biāo)準(zhǔn)（如IEC1312-1）和國(guó)家有關(guān)防雷標(biāo)準(zhǔn)（如 GB50057-94），結(jié)合筆者多年來(lái)在防雷理論及防雷工程研究、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，論述雷電防護(hù)等電位接地系統(tǒng)中迫切需要解決的有關(guān)問(wèn)題。

　　關(guān)鍵詞：等電位接地 接地匯集環(huán) 雷電先導(dǎo) 阻抗變換

　　１、線路過(guò)電壓、過(guò)電流損壞設(shè)備的原因分析及防護(hù)方法

　　1.1 雷擊避雷針、避雷帶、電源線、信號(hào)線產(chǎn)生感應(yīng)過(guò)電壓（過(guò)電流）的現(xiàn)象是經(jīng)常發(fā)生的。

　　1.2 圖１中的電子設(shè)備Ａ和Ｂ是兩臺(tái)互相傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備，假設(shè)電源線上傳輸進(jìn)來(lái)５kA雷電電流波（10/350μS），按圖２所示的等效電路，設(shè)備是否會(huì)被損壞？

　　圖１ 獨(dú)立接地系統(tǒng)的設(shè)備電位差圖

　　1.2.1 假設(shè)：電源避雷器Ｐ性能優(yōu)良，其響應(yīng)時(shí)間和導(dǎo)通后的殘壓不會(huì)損壞電子設(shè)備Ａ，雷電流IP=5kA全部流經(jīng)避雷器P進(jìn)入接地點(diǎn)Ｇ1入地；

　　接地電阻R1＝1Ω、R2＝1Ω、R3＝1Ω，且互為獨(dú)立接地。

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

　　1.2.2 該電位ＵG1此時(shí)會(huì)加到電源的輸入端ａ1，而設(shè)備Ａ的接地點(diǎn)Ｇ2為零電位，則電源輸入端與入地點(diǎn)Ｇ2之間的電位差Ｖa1G2＝5kV.

　　電子設(shè)備開(kāi)關(guān)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(shè)備Ａ的電源端將被過(guò)電壓損壞。

　　1.2.3 為了避免設(shè)備Ａ的電源端免受雷擊損壞，應(yīng)將接地點(diǎn)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(xiàng)看，Ｇ2電位變?yōu)?kV，此時(shí)，信號(hào)傳輸線另一端設(shè)備Ｂ的接地點(diǎn)Ｇ3為零電位，而信號(hào)接口ａ2與接地點(diǎn)Ｇ2之間的電位差VG2a2變成了5kV，從而使信號(hào)接口ａ2損壞。

　　1.2.5 要保護(hù)信號(hào)接口ａ2，應(yīng)在信號(hào)接口ａ2和接地點(diǎn)Ｇ2之間安裝殘壓小的信號(hào)避雷器ＰA，且接地點(diǎn)必須與Ｇ2相連。

　　1.2.6 由1.2.4項(xiàng)可以看出，設(shè)備信號(hào)接口被雷擊損壞，該雷電不一定是由信號(hào)傳輸線產(chǎn)生的感應(yīng)過(guò)電壓所致。

　　1.2.7 由1.2.5項(xiàng)可以發(fā)現(xiàn)，雖然設(shè)備Ａ的信號(hào)接口ａ2并未損壞，但5kV的電壓已加到ａ2與G3端，那么信號(hào)接口ｂ2會(huì)損壞嗎？理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：ａ2至ｂ2的信號(hào)傳輸線，如果線徑≤1mm，長(zhǎng)度大于100m，則線阻加上導(dǎo)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(shè)備B受到雷擊損壞。

　　1.2.8 為使設(shè)備Ｂ得完好保護(hù)，應(yīng)同設(shè)備Ａ一樣按1.2.3和1.2.5項(xiàng)的要求去做。

　　假設(shè)雷電從信號(hào)線上產(chǎn)生，其分析方法，防護(hù)手段同1.2.1至1.2.8.

　�。�、直擊雷損壞設(shè)備的原因分析和防護(hù)方法

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

　　圖3  建筑物內(nèi)設(shè)備受雷擊分析示意圖

　　2.2 假設(shè)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(shí)，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(huì)發(fā)生設(shè)備工作地線與建筑物樓板到處打火的現(xiàn)象（反擊），因?yàn)?00kV的電位差可擊穿的空氣距離達(dá)300～500mm（由當(dāng)時(shí)的空氣絕緣程度而定）。

　　2.3 如果ＲG與ＲS相距較遠(yuǎn)（如20m以上），設(shè)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(shè)備工作地線。但雷擊時(shí)，工作人員剛好與設(shè)備機(jī)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(huì)流過(guò)人體進(jìn)入設(shè)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(fā)生）。

　　2.4 當(dāng)2.2項(xiàng)和2.3項(xiàng)的事故發(fā)生后，高電位進(jìn)入設(shè)備擊穿設(shè)備的電源端或信號(hào)端口，雷電從電源線或信號(hào)線流出，構(gòu)成了雷電流回路，使設(shè)備受到損壞，造成雷電電流波的低電位引入現(xiàn)象。

　　2.4.1 為了避免2.2項(xiàng)和2.3項(xiàng)事故的發(fā)生，ＲG與ＲS必須是同一個(gè)接地體，即設(shè)備工作地和防雷地必須聯(lián)合接地；聯(lián)合接地后，人身安全了。

　　2.4.2 聯(lián)合接地后，設(shè)備就安全了嗎？不，雷擊時(shí)，設(shè)備機(jī)殼通過(guò)工作地線流入接地體，由于地線的分布電感及線電阻產(chǎn)生的線電壓降很大（分布電感產(chǎn)生的線電壓將在下一節(jié)討論），很難保證設(shè)備Ａ與Ｂ與Ｃ之間的地電位是相等的，當(dāng)電位差大于100V以上就有可能使ＳC、ＳB、ＳA和Ｓ的接口通過(guò)信號(hào)連接線將雷電流（或過(guò)電壓）引入而損壞接口；當(dāng)雷電產(chǎn)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(jié)果作者曾做過(guò)多次試驗(yàn)）。

　　2.4.5 要解決直擊雷造成反擊損壞設(shè)備的現(xiàn)象，就得盡量減少各點(diǎn)之間的電位差。

　　具體方法是：

　　各樓層的設(shè)備工作地ＧA、ＧB、 ＧC應(yīng)與該樓層的建筑物主鋼筋相連（至少兩點(diǎn)相連），并在機(jī)房?jī)?nèi)組成環(huán)形匯集環(huán)，如圖４所示。

　　接在匯集環(huán)上的設(shè)備１與設(shè)備２如果互相連網(wǎng)，在雷擊時(shí)，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(jī)房?jī)?nèi)用細(xì)小的銅線將設(shè)備串聯(lián)接地，因?yàn)閷?dǎo)線的分布電感和線阻，將使各接地點(diǎn)之間電位差增大。

　　2.4.7 如機(jī)房?jī)?nèi)的環(huán)形接地體無(wú)法與大樓內(nèi)的主鋼筋相連，則用兩條銅線同時(shí)引下，銅線的截面積為每平方毫米導(dǎo)線最長(zhǎng)為0.5m且截面積不宜小于35 mm2.環(huán)形接地體與設(shè)備的電源插座相連或與設(shè)備相連，其連線截面積為每平方毫米導(dǎo)線長(zhǎng)度最長(zhǎng)為10cm.

　　圖4  機(jī)房?jī)?nèi)的環(huán)形接地匯集環(huán)

　　2.5 進(jìn)入和引出大樓的各種線路均加裝避雷器。且應(yīng)與設(shè)備的工作接地相連。

　　2.6 由于直擊雷入地的電流強(qiáng)度極大，因此在雷電流入地的過(guò)程中，將產(chǎn)生極強(qiáng)的電磁波，該電磁波會(huì)近距離感應(yīng)在大樓內(nèi)各種設(shè)備的線路上，產(chǎn)生感應(yīng)過(guò)電壓，從而使設(shè)備損壞。

　　2.6.1 防止直擊雷的感應(yīng)過(guò)電壓，傳統(tǒng)的辦法是將各線路進(jìn)行屏蔽處理或在每一個(gè)線路的設(shè)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(qiáng)度（將在下一節(jié)討論）。

　　３、電抗、干擾及避雷器選型

　　3.1 上一節(jié)已提到由于接地導(dǎo)線的分布電感及線電阻在雷電流流過(guò)時(shí)會(huì)造成接地導(dǎo)線上電壓分布不均的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致連接于該接地線上相互連網(wǎng)的設(shè)備因地電位不等而損壞。

　　3.1.1 以習(xí)慣采用的2.5 mm2的銅線為例進(jìn)行計(jì)算：2.5 mm2的銅線1m長(zhǎng)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(guò)該導(dǎo)線產(chǎn)生的電壓：

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

　　實(shí)驗(yàn)室測(cè)量值為：106 V

　　由此可見(jiàn)，如果幾十米的2.5 mm2的接地導(dǎo)線將產(chǎn)生的電位差可達(dá)幾千伏以上。

　　3.1.2 在防雷工程中認(rèn)真計(jì)算接地線上因電抗形成的電位差是非常重要的。建議在實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)和計(jì)算時(shí)，機(jī)房設(shè)備接地線采用10/350μS、5kA電流波進(jìn)行檢測(cè)、計(jì)算和設(shè)計(jì)。

　　3.1.3 石化系統(tǒng)的原油罐，是浮頂金屬罐，浮船與罐體用多根25 mm2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(shí)，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(lián)合接地可以解決防雷等電位問(wèn)題，但是，聯(lián)合接地會(huì)將工頻干擾、高頻干擾加到設(shè)備上，使得網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備的工作穩(wěn)定性受到危害，并容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)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(xiàn)的是地電位抬升，如三相用電不平衡、零線重復(fù)接地、機(jī)殼漏電等產(chǎn)生的電流。

　　3.2.2 設(shè)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(jì)算機(jī)的邏輯低電平上，造成整個(gè)系統(tǒng)的誤碼或信號(hào)中斷（因?yàn)椋河?jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的通信才會(huì)安全。

　　3.2.3 為了保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定工作，聯(lián)合接地電阻必須達(dá)到１Ω以下。

　　3.3 在驗(yàn)收、檢查工頻接地電阻，測(cè)試所需的電流極埋設(shè)位置與地網(wǎng)邊緣之間應(yīng)不小于該地網(wǎng)等效直徑的３～５倍，電壓極棒埋設(shè)位置，應(yīng)為電流極棒埋設(shè)位置的0.618倍。

　　3.3.1 建議禁止使用目前普遍流行的電流極40m，電壓極20m的測(cè)量方法來(lái)測(cè)量大樓和地網(wǎng)等效直徑大于15m的接地系統(tǒng)。

　　3.3.2 測(cè)量方法不對(duì)，將導(dǎo)致出現(xiàn)較大誤差。

　　3.4 避雷器的選型。

　　3.4.1 從LpzＯA、ＯB區(qū)（IEC1312-1標(biāo)準(zhǔn)）進(jìn)入室內(nèi)的電源線應(yīng)選取通流量大于40kA（10/350μS）的避雷器，由于導(dǎo)線的分布電感，連接于避雷器的導(dǎo)線殘壓很高。由此，應(yīng)在室內(nèi)的其它樓層配電柜上安裝第二級(jí)通流量不少于10kA電源避雷器，此處的殘壓仍對(duì)設(shè)備有危險(xiǎn)，應(yīng)在設(shè)備機(jī)房?jī)?nèi)安裝第三級(jí)通流量不小于5kA的避雷器。

　　3.4.2 從LpzＯA、ＯB區(qū)進(jìn)入室內(nèi)的信號(hào)線上應(yīng)安裝通流量不小于5kA的避雷器，室內(nèi)各線路應(yīng)安裝通流量不小于1kA的信號(hào)避雷器。

　　４、兩種防雷產(chǎn)品簡(jiǎn)介

　　4.1 雷電直擊建筑物將帶來(lái)反擊及近距離強(qiáng)烈感應(yīng)現(xiàn)象，要防止設(shè)備損壞，就必須嚴(yán)格進(jìn)行等電位施工及每臺(tái)設(shè)備前安裝避雷器。其實(shí)這種要求是很難做到的。IEC1312-1標(biāo)準(zhǔn)要求建設(shè)全屏蔽機(jī)房，在我國(guó)很難做到，也不現(xiàn)實(shí)。因此當(dāng)直擊雷發(fā)生后，減小入地電流，不失為一種最佳選擇。下面簡(jiǎn)要介紹一種限流避雷針。

　�。模讼蘖鞅芾揍槪ㄓ址Q：ＤＫ雷電限流器）采用空氣離子激發(fā)器，在雷云靜電場(chǎng)的作用下，在ＤＫ限流避雷針上能激發(fā)出的電離子數(shù)比普通避雷針在同等電場(chǎng)強(qiáng)度下大３倍以上、并以電暈形式構(gòu)成虛擬高度，提高了雷擊放電點(diǎn)的準(zhǔn)確性，增大了保護(hù)角，有效地減少和防止了傳統(tǒng)避雷針的繞擊、側(cè)擊現(xiàn)象。表１給出了電力工業(yè)部武漢高壓研究所關(guān)于ＤＫ限流避雷針與普通避雷針模型在相同電場(chǎng)強(qiáng)度下的雷擊放電概率的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

　�。模讼蘖鞅芾揍槻捎弥睆綖�108mm，高1500mm的可變阻抗變換器，在雷電閃擊未發(fā)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(dāng)雷電先導(dǎo)發(fā)生、發(fā)展至ＤＫ限流避雷針時(shí)，根據(jù)電流Ｉ的大小和隨時(shí)間的變化率自動(dòng)調(diào)節(jié)阻抗Ｒ值，調(diào)節(jié)后的阻抗值可達(dá)幾百兆歐姆。阻抗調(diào)節(jié)時(shí)間為25∽100nS，當(dāng)阻抗變大后，流過(guò)ＤＫ限流避雷針的電流Ｉ減小，這時(shí)阻抗Ｒ值以極短的時(shí)間（25∽100nS）趨向于０值變化，這樣雷電流在未發(fā)生旁閃的時(shí)間內(nèi)，始終被限制在ＤＫ限流避雷針的阻抗變換器中流過(guò)，周而復(fù)始，直至該次雷擊結(jié)束。

　　結(jié)論：ＤＫ限流避雷針有提前先導(dǎo)及明顯的限流效果。4.2 本文提到要做到減小干擾源對(duì)設(shè)備的影響，就應(yīng)該盡可能地降低接地電阻（小于１Ω），但是在城市無(wú)足夠的土地搞接地，在高山、巖石、砂土地區(qū)土壤電阻率極高，無(wú)法降低接地電阻，應(yīng)如何解決？

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

　�。樱�0.25×ρ2/R2＝0.25×2002＝10000（ｍ2）

　　由計(jì)算所得到的結(jié)論是：一般城市的土壤電阻率ρ為200Ω。ｍ，要做一個(gè)１Ω的接地系統(tǒng)需要接地面積為１萬(wàn)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(jìn)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：

　�。遥溅�/2πl(wèi)×ln4l/d

　�。�-接地電阻，ρ-土壤電阻率，ｌ-接地體全長(zhǎng)，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(dá)幾十米），且無(wú)毒、無(wú)腐蝕、不易揮發(fā)，導(dǎo)電性能好，對(duì)降低接地電阻效果極好。

　　DK-AG電解地極為三節(jié)ф63mm每節(jié)長(zhǎng)1m的銅管組成，共有12個(gè)呼吸排泄孔，銅管內(nèi)填無(wú)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(xué)晶體變?yōu)殡娊馊芤�，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(dǎo)電率良好的電解離子土壤，特別是在石山上土壤少的地區(qū)，電解液可向石山的縱深方向滲透，使原來(lái)導(dǎo)電率極差的高山地質(zhì)結(jié)構(gòu)，形成了一個(gè)良好電解質(zhì)導(dǎo)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(jié) 束 語(yǔ)

　　做好防雷工程不難，主要是認(rèn)真地從科學(xué)的方法出發(fā)，真正做到：良好泄放、等電位防護(hù)， 就能實(shí)現(xiàn)減少雷害損失。