現代建筑物防雷接地裝置結構的探討


1、有關概念
　　把電氣設備與接地裝置連接起來，稱為接地。電氣設備的接地是保證人身安全及電氣設備正常工作的重要部分，也是防雷技術最重要的環節。接地按其作用可分為三類：
　　（1）保護接地，指正常情況下將電氣設備外殼及不帶電金屬部分的接地。如發電機、變壓器等電氣設備外殼的接地。
　?。?）工作接地，指電力、通訊等系統中利用大地做導線或為保證其正常運行所進行的接地。如供電系統中的三相四線制中的地線，某些變壓器中性點接地等。
　　（3）防雷接地，指過電壓保護裝置或設備的金屬結構的接地。如避雷器的接地、避雷針構架的接地等，也稱過電壓保護接地。
　　接地裝置由接地體和接地線組成。
　　接地電阻，指電流通過接地裝置流向大地受到的阻礙作用。在數值上，接地電阻是電氣設備的接地體對接地體無窮遠處的電壓與接地電流之比，即
　　Re＝Uj／Ie式中：Re——接地電阻（Ω）
　　Ie——接地電流（A）Uj——接地體對接地體無窮遠處的電壓（V）影響接地電阻的主要原因有土壤電阻率、接地體的尺寸、形狀及埋入深度、接地線與接地體的連接等。
　　
　　2、防雷接地裝置的結構
　　無論是防直擊雷或感應雷，最終都是通過接地裝置將雷電流送入大地。所以，沒有完善的接地裝置是無法完成避雷任務的。
　　在防雷工程設計、施工、驗收中，人們往往習慣單方面追求接地電阻的數值，將接地電阻的大小，作為衡量防雷工程質量的最重要指標，認為接地電阻越小，防雷效果越好，被保護的對象就越安全。對避雷系統接地裝置的接地電阻值有一定的要求是無可非議的，因為接地電阻越小，散流越快，落雷物體高電位保持時間就越短，危險越小，以至于跨步電壓、接觸電壓也越小。然而，理論和實踐證明，接地網的結構較接地電阻更應受到重視。
　　隨著科學技術的飛速發展，人們對現代建筑物這一名詞已不陌生。所謂現代建筑物，即標志著建筑物內有供電、計算機、通訊等系統在運行。為了這些系統的安全運行，往往需要多種類別的接地裝置，怎樣合理、科學的處理其相互關系也就成為不可回避的問題。

　　3、獨立接地已基本被取代
　　獨立接地是指需要接地的系統分別獨立地建立接地網，且各接地網之間要求有足夠的距離。這種接地方式在50和60年代較多采用，原因是各接地系統之間不會造成相互干擾，這一特點在通訊系統中顯得尤其重要。但近年來這種獨立的接地方式除非在特別危險的環境下必須采用外，在絕大多數情況下，均采用共同接地方式。這是因為：
　?。?）各通訊系統、計算機系統和電源系統的接地是為了獲得一個零電位點。如果各系統分別接地，當發生雷擊的時候各系統接地點的電位可能相差很大。假定“1”為交流電源接地，“2”為計算機系統的邏輯接地，“3”為機殼安全保護接地。在假定電流沖擊波從“1”中引進，由于雷瞬時電壓可達數十萬伏，這就意味著同一臺計算機上電源、通訊線和外殼相接的有關部分就要承擔各地網間的這一高電壓，因此造成有關部位的擊穿損壞。對于計算機網絡，調制解調器和網卡將首先被擊穿。據了解，在計算機通訊網絡中，各系統采用獨立接地被雷擊損壞的概率遠高于共同接地的情況。（2）在一座樓房或一個建筑群范圍內，分別做幾個互相沒有電氣聯系的地網是相當困難的，尤其在現代的大城市更是如此。因此采用獨立接地方式時要求各地網之間至少要有近20m的距離，同時又要與各種地下金屬管道、電纜金屬屏蔽層和各大金屬構件有足夠的距離。這些要求在實際設計和施工中是難以做到的。即便在新建系統時做到了，在日后的系統維護和城市其它改造中這些要求也極易受到破壞。
　　以上是獨立接地逐漸被取代的根本原因。

　　4、一點接地及干擾分析
　　設置獨立接地系統的一個主要的原因，是為了避免信號干擾和消除“噪音”。理論和實踐證明，不采用獨立接地方式，上述問題也是可以得到圓滿解決的。



　　60、70年代，“干擾”也被稱為無線電干擾，因為絕大多數電子噪音和干擾信號均在無線電頻段內。隨著科技發展，大量的電子計算機、數字技術、邏輯電路在人們的日常生活和工作中被采用，干擾的定義也被引申為“電磁干擾”。
　　電磁干擾可分為導電性電磁干擾和輻射性電磁干擾，前者的干擾能量是通過線材或電纜從一個電路傳送到另一個電路的。減少導電性電磁干擾的途徑是通過電路的合理設計、采用濾波器和電路的合理接地來實現；輻射性電磁干擾的干擾能量是通過空氣中的電磁場傳送的。通常在設計電子設備外殼、箱體以及布置設備的線路、接地線時，通過選用理想的屏蔽材料、構造技術和合理布置設備的線路、接地線，以及采用科學的接地技術來減少輻射性電磁干擾。由此可見，做好接地是有效防止電磁干擾的重要途徑。
　　低頻干擾絕大部分是通過線路互相耦合而來的，即所謂共阻耦合。當兩個電路電流流經一個公共阻抗時，一個電路上的電流在這個公共阻抗上形成的電壓會影響到另一個電路，這就是共阻抗耦合。
　　
　　5、環形接地和等電位連接
　　環形接地網就是把接地體沿建筑物周圍圍成一個閉合環。這樣的接地網可以使界面以內的電場分布比較均勻，減少跨步電壓對人的危害，也可減少室內在被雷擊時，由于地面電位梯度大產生對設備高電壓反擊的危險。
　　等電位連接是把建筑物內所有金屬物，如混凝土內的鋼筋、自來水管、煤氣管，以及其它金屬管道、機器基礎金屬物和大型的埋地金屬物、電纜金屬屏蔽層、電力系統的零線、防雷建筑物的接地線，統統用電氣連結的方法連接起來（焊接或可靠的導電連接），使整個建筑物空間成為一個良好的等電位體。當雷電襲擊的時候，在這建筑物內部和附近大體上是等電位的，而不會發生內部設備被高電位反擊和人被電擊的事故。此外，在電力線、電話線、電視信號電纜、電子計算機訊號傳輸線等，一切與外界有聯系的金屬線都要接上合理的過電壓保護裝置（避雷器），且裝置要與建筑物的防雷接地裝置直接進行電氣連結，使之成為等電位（實際上是準等電位，因為正常時各導線之間的電位差和雷擊時的殘壓與雷電壓比較是微不足道的，所以一般把這樣的連接也稱為等電位連接）。
　　由于采用等電位連接，不但使建筑物及其內部的設備防雷能力大大提高，也可以放寬對建筑物接地電阻的要求。這樣可減少建設投資，減低施工難度，尤其是在干旱、沙漠和山地土壤電阻率高的地區更為重要。
　　關于共用接地的接地電阻值，許多文獻建議共用的接地電阻要在1Ω以下。這是不合理的，經濟上是浪費的，姑且不論這1Ω是工頻還是沖擊接地電阻。就按1Ω工頻接地電阻等于1Ω沖擊接地電阻考慮，建筑物內220／380V用電設備，其絕緣耐沖擊電壓按國際電工委員會的規定為6kV。當建筑物的防雷裝置遭直接雷擊時，雷電流幅值在積累次數取50％時其值為35kV，它與1Ω接地電阻的乘積為35kV，這是上述耐沖擊電壓6kV的5.8倍。在共用接??是采用在絕緣導體與共用接地系統之間裝設過電壓保護器。在特殊條件下，某類金屬物體不允許與共用接地系統直接連接時，也要在它們之間裝設過電壓保護器，以防發生跳擊而在大氣中產生火花。過電壓保護器是用來限制存在與某兩物體之間的沖擊過電壓的一種設備，如放電間隙避雷器或半導體器件。

　　6、基礎接地體的應用
　　基礎接地體的應用存在各種不同的看法：有些人認為，在基礎內的鋼筋被混凝土包住，就不可能與大地溝通，這樣怎樣起接地體的作用呢？事實上干燥的混凝土是很好的絕緣體。而含有水分的混凝土卻是另一種情況。在制造鋼筋混凝土基礎的過程，硅酸鹽水泥和水互相作用，干涸后，混凝土中存在許多細小的分支毛細管?；A的混凝土保持與含水分的土壤接觸時，毛細管將水分吸到混凝土里，因而降低了混凝土的電阻率。較大的樓宇采用基礎接地體后的接地電阻一般都能滿足要求。若較小的鋼筋混凝土建筑，使用它的柱梁結構的埋地鋼筋混凝土做接地網，即使它的接地電阻達不到足夠小，需要加埋人工接地體補充，這起碼也能夠起到減少人工接地體的數量，節約投資，是一件有益無害的好事。但有些鋼筋混凝土確實不能作為接地裝置，如防水水泥，鋁酸鹽水泥，礬土水泥，以及異丁硅酸鹽水泥等，以人造材料水泥做成的鋼筋混凝基礎，不能做接地裝置。

這里有一點要強調，混凝土澆灌前，各鋼筋之間必須構成電氣連接。主要是作為接地體的樁筋與承臺的連接，選定作為引下線和均壓環屏蔽網的梁柱筋駁接處必須作牢固的焊接，使之成為可靠的電氣通道。有一種觀點認為，建筑物由結構的鋼筋經過綁扎即可達到電氣連接的要求，并可望經過雷電流沖擊后把綁扎點熔接起來，相當于點焊一樣。事實上這種做法是不可靠的，據防雷設施檢測、驗收和災情調查實例分析，對以上說法有三個疑問：其一是在潮濕多雨的南方，鋼筋的銹蝕，水泥澆注時的振動，使鋼筋綁扎接口成為不良接觸，使應該作為防雷接地系統的各部分鋼筋連接體未能形成良好的電氣通路，不利于雷電流的泄放；其次，在選作接地裝置的樁、梁、柱筋的綁接，各接口的過渡電阻值不同，影響了雷電流的平衡分布；其三，因為雷電沖擊使綁扎點發生焊接的可能性是不均勻的，而每次雷電流的“點焊”結果，已經使建筑物經歷了一次局部的災害，無論是墻柱體爆裂，或者是“點焊”處周邊產生的強烈電磁感應，對人體或設備的損害，特別是對高層建筑和現在所稱的“智能大廈”，其危害是顯然的。據廣東省氣象局與廣東省公安廳多年對雷電災害調查發現；廣東省內不少高層建筑因為忽視了這個問題，使建筑物防雷能力不足，從外表看似在完善的防雷針、網、帶的“保護”之下，還是發生了建筑物局部損壞的情況，在農村地區這種現象就更為常見。因此，在廣東省，對建筑物防雷設施建設質量的驗收就包含了對隱蔽工程，主要是選作防雷裝置的樁、梁、柱、鋼筋的焊接及其焊接質量的驗收。事實證明，這種措施是非常必要的。

　　綜上所述，作為一座建筑物做地網設計時應遵循以下幾條：
　?。?）盡量采用建筑物基礎的鋼筋和自然金屬接地物統一連接，作為接地網；
　?。?）在建筑物中選作地網的樁基礎、承臺作引下線的柱筋，其駁接處應采取焊接而不應用綁扎代替；
　?。?）盡量以自然接地體為基礎輔以人工接地體補充，外形盡可能采用閉合環形；
　　（4）應采用同一接地網，用一點接地的方式接地；
　?。?）若使用高頻或超高頻設備時，應采用機殼或就近用一金屬平面做最短接線的多點接地，以減少高頻干擾。