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现代建筑物防雷接地装置结构探讨


时间:2005-3-12   阅读1139次

    1 有关概念
   
      把电气设备与接地装置连接起来,称为接地。电气设备的接地是保证人身安全及电气设备正常工作的重要部分,也是防雷技术最重要的环节。接地按其作用可分为三类:
   
      (1)保护接地,指正常情况下将电气设备外壳及不带电金属部分的接地。如发电机、变压器等电气设备外壳的接地。
   
      (2)工作接地,指电力、通讯等系统中利用大地做导线或为保证其正常运行所进行的接地。如供电系统中的三相四线制中的地线,某些变压器中性点接地等。
   
      (3)防雷接地,指过电压保护装置或设备的金属结构的接地。如避雷器的接地、避雷针构架的接地等,也称过电压保护接地。
   
      接地装置由接地体和接地线组成。
   
      接地电阻,指电流通过接地装置流向大地受到的阻碍作用。在数值上,接地电阻是电气设备的接地体对接地体无穷远处的电压与接地电流之比,即
   
   
                      Re=Uj/Ie
   
   
      式中:Re──接地电阻(Ω)
   
         Ie──接地电流(A)
   
         Uj──接地体对接地体无穷远处的电压(V)
   
      影响接地电阻的主要原因有土壤电阻率、接地体的尺寸、形状及埋入深度、接地线与接地体的连接等。
   
   
    2 防雷接地装置的结构
   
   
      无论是防直击雷或感应雷,最终都是通过接地装置将雷电流送入大地。所以,没有完善的接地装置是无法完成避雷任务的。
   
      在防雷工程设计、施工、验收中,人们往往习惯单方面追求接地电阻的数值,将接地电阻的大小,作为衡量防雷工程质量的最重要指标,认为接地电阻越小,防雷效果越好,被保护的对象就越安全。对避雷系统接地装置的接地电阻值有一定的要求是无可非议的,因为接地电阻越小,散流越快,落雷物体高电位保持时间就越短,危险越小,以至于跨步电压、接触电压也越小。然而,理论和实践证明,接地网的结构较接地电阻更应受到重视。
   
      随着科学技术的飞速发展,人们对现代建筑物这一名词已不陌生。所谓现代建筑物,即标志着建筑物内有供电、计算机、通讯等系统在运行。为了这些系统的安全运行,往往需要多种类别的接地装置,怎样合理、科学的处理其相互关系也就成为不可回避的问题。
   
   
    3 独立接地已基本被取代
   
   
      独立接地是指需要接地的系统分别独立地建立接地网,且各接地网之间要求有足够的距离。这种接地方式在50和60年代较多采用,原因是各接地系统之间不会造成相互干扰,这一特点在通讯系统中显得尤其重要。但近年来这种独立的接地方式除非在特别危险的环境下必须采用外,在绝大多数情况下,均采用共同接地方式。这是因为:
   
      (1)各通讯系统、计算机系统和电源系统的接地是为了获得一个零电位点。如果各系统分别接地,当发生雷击的时候各系统接地点的电位可能相差很大。假定“1”为交流电源接地,“2”为计算机系统的逻辑接地,“3”为机壳安全保护接地。在假定电流冲击波从“1”中引进,由于雷瞬时电压可达数十万伏,这就意味着同一台计算机上电源、通讯线和外壳相接的有关部分就要承担各地网间的这一高电压,因此造成有关部位的击穿损坏。对于计算机网络,调制解调器和网卡将首先被击穿。据了解,在计算机通讯网络中,各系统采用独立接地被雷击损坏的概率远高于共同接地的情况。
   
      (2)在一座楼房或一个建筑群范围内,分别做几个互相没有电气联系的地网是相当困难的,尤其在现代的大城市更是如此。因此采用独立接地方式时要求各地网之间至少要有近20m的距离,同时又要与各种地下金属管道、电缆金属屏蔽层和各大金属构件有足够的距离。这些要求在实际设计和施工中是难以做到的。即便在新建系统时做到了,在日后的系统维护和城市其它改造中这些要求也极易受到破坏。
   
      以上是独立接地逐渐被取代的根本原因。
   
   
    4 一点接地及干扰分析
   
   
      设置独立接地系统的一个主要的原因,是为了避免信号干扰和消除“噪音”。理论和实践证明,不采用独立接地方式,上述问题也是可以得到圆满解决的。
   
      60、70年代,“干扰”也被称为无线电干扰,因为绝大多数电子噪音和干扰信号均在无线电频段内。随着科技发展,大量的电子计算机、数字技术、逻辑电路在人们的日常生活和工作中被采用,干扰的定义也被引申为“电磁干扰”。
   
      电磁干扰可分为导电性电磁干扰和辐射性电磁干扰,前者的干扰能量是通过线材或电缆从一个电路传送到另一个电路的。减少导电性电磁干扰的途径是通过电路的合理设计、采用滤波器和电路的合理接地来实现;辐射性电磁干扰的干扰能量是通过空气中的电磁场传送的。通常在设计电子设备外壳、箱体以及布置设备的线路、接地线时,通过选用理想的屏蔽材料、构造技术和合理布置设备的线路、接地线,以及采用科学的接地技术来减少辐射性电磁干扰。由此可见,做好接地是有效防止电磁干扰的重要途径。
   
      低频干扰绝大部分是通过线路互相耦合而来的,即所谓共阻耦合。当两个电路电流流经一个公共阻抗时,一个电路上的电流在这个公共阻抗上形成的电压会影响到另一个电路,这就是共阻抗耦合。
   
   
      图1(略)为一个共用的接地网,在不同的地方分别接上不同的连线,由于共阻抗耦合的关系,各连线之间将有Vg1,Vg2……等电压,A、B、C三点不可能处于同一电位,这就出现干扰源,经放大后可能直接影响通讯和控制讯号。
   
   
      图2(略)是同样的3台设备,但地线都接于B点,因此,避免了由电流Ic引发的共阻抗耦合效应。当频率低时,B和C点的电位基本上与B点一致。这样的连接方法叫“一点接地法”。一点接地法由于解决了各系统接地线的等电位问题,各系统之间的干扰问题也初步得到了解决,尤其是50Hz工频讯号的干扰基本消除。所以一点接地法在工程上得到广泛应用。
   
      一点接地消除了公共阻抗耦合和低频接地环路引起的干扰。单点接地能很好工作于1MHz及以下的频率,并且当整个系统的尺寸较小时(最大尺寸小于λ/20,λ为人们感兴趣的产生干扰信号的波长)也能应用到10MHz。
   
   
    5 环形接地和等电位连接
   
   
      环形接地网就是把接地体沿建筑物周围围成一个闭合环。这样的接地网可以使界面以内的电场分布比较均匀,减少跨步电压对人的危害,也可减少室内在被雷击时,由于地面电位梯度大产生对设备高电压反击的危险。
   
      等电位连接是把建筑物内所有金属物,如混凝土内的钢筋、自来水管、煤气管,以及其它金属管道、机器基础金属物和大型的埋地金属物、电缆金属屏蔽层、电力系统的零线、防雷建筑物的接地线,统统用电气连结的方法连接起来(焊接或可靠的导电连接),使整个建筑物空间成为一个良好的等电位体。当雷电袭击的时候,在这建筑物内部和附近大体上是等电位的,而不会发生内部设备被高电位反击和人被电击的事故。此外,在电力线、电话线、电视信号电缆、电子计算机讯号传输线等,一切与外界有联系的金属线都要接上合理的过电压保护装置(避雷器),且装置要与建筑物的防雷接地装置直接进行电气连结,使之成为等电位(实际上是准等电位,因为正常时各导线之间的电位差和雷击时的残压与雷电压比较是微不足道的,所以一般把这样的连接也称为等电位连接)。
   
      由于采用等电位连接,不但使建筑物及其内部的设备防雷能力大大提高,也可以放宽对建筑物接地电阻的要求。这样可减少建设投资,减低施工难度,尤其是在干旱、沙漠和山地土壤电阻率高的地区更为重要。
   
      关于共用接地的接地电阻值,许多文献建议共用的接地电阻要在1Ω以下。这是不合理的,经济上是浪费的,姑且不论这1Ω是工频还是冲击接地电阻。就按1Ω工频接地电阻等于1Ω冲击接地电阻考虑,建筑物内220/380V用电设备,其绝缘耐冲击电压按国际电工委员会的规定为6kV。当建筑物的防雷装置遭直接雷击时,雷电流幅值在积累次数取50%时其值为35kV,它与1Ω接地电阻的乘积为35kV,这是上述耐冲击电压6kV的5.8倍。在共用接地的条件下,防止用电设备绝缘击穿的最主要措施是采用在绝缘导体与共用接地系统之间装设过电压保护器。在特殊条件下,某类金属物体不允许与共用接地系统直接连接时,也要在它们之间装设过电压保护器,以防发生跳击而在大气中产生火花。过电压保护器是用来限制存在与某两物体之间的冲击过电压的一种设备,如放电间隙避雷器或半导体器件。
   
   
    6 基础接地体的应用
   
   
      基础接地体的应用存在各种不同的看法:有些人认为,在基础内的钢筋被混凝土包住,就不可能与大地沟通,这样怎样起接地体的作用呢?事实上干燥的混凝土是很好的绝缘体。而含有水分的混凝土却是另一种情况。在制造钢筋混凝土基础的过程,硅酸盐水泥和水互相作用,干涸后,混凝土中存在许多细小的分支毛细管。基础的混凝土保持与含水分的土壤接触时,毛细管将水分吸到混凝土里,因而降低了混凝土的电阻率。混凝土的实际电阻率实测值见表1。
   
   
             表1混凝土电阻率的实测数据
   
   
            混凝土所处的条件     电阻率(Ω*m)
   
   
              放在水中        40~50
   
             埋在潮湿土壤中      100~200
   
            埋在干燥的土壤中      500~1300
   
   
      从上表实测数据可以看出,钢筋混凝土基础作为接地装置是有利的。较大的楼宇采用基础接地体后的接地电阻一般都能满足要求。若较小的钢筋混凝土建筑,使用它的柱梁结构的埋地钢筋混凝土做接地网,即使它的接地电阻达不到足够小,需要加埋人工接地体补充,这起码也能够起到减少人工接地体的数量,节约投资,是一件有益无害的好事。但有些钢筋混凝土确实不能作为接地装置,如防水水泥,铝酸盐水泥,矾土水泥,以及异丁硅酸盐水泥等,以人造材料水泥做成的钢筋混凝基础,不能做接地装置。
   
      这里有一点要强调,混凝土浇灌前,各钢筋之间必须构成电气连接。主要是作为接地体的桩筋与承台的连接,选定作为引下线和均压环屏蔽网的梁柱筋驳接处必须作牢固的焊接,使之成为可靠的电气通道。有一种观点认为,建筑物由结构的钢筋经过绑扎即可达到电气连接的要求,并可望经过雷电流冲击后把绑扎点熔接起来,相当于点焊一样。事实上这种做法是不可靠的,据防雷设施检测、验收和灾情调查实例分析,对以上说法有三个疑问:其一是在潮湿多雨的南方,钢筋的锈蚀,水泥浇注时的振动,使钢筋绑扎接口成为不良接触,使应该作为防雷接地系统的各部分钢筋连接体未能形成良好的电气通路,不利于雷电流的泄放;其次,在选作接地装置的桩、梁、柱筋的绑接,各接口的过渡电阻值不同,影响了雷电流的平衡分布;其三,因为雷电冲击使绑扎点发生焊接的可能性是不均匀的,而每次雷电流的“点焊”结果,已经使建筑物经历了一次局部的灾害,无论是墙柱体爆裂,或者是“点焊”处周边产生的强烈电磁感应,对人体或设备的损害,特别是对高层建筑和现在所称的“智能大厦”,其危害是显然的。据广东省气象局与广东省公安厅多年对雷电灾害调查发现;广东省内不少高层建筑因为忽视了这个问题,使建筑物防雷能力不足,从外表看似在完善的防雷针、网、带的“保护”之下,还是发生了建筑物局部损坏的情况,在农村地区这种现象就更为常见。因此,在广东省,对建筑物防雷设施建设质量的验收就包含了对隐蔽工程,主要是选作防雷装置的桩、梁、柱、钢筋的焊接及其焊接质量的验收。事实证明,这种措施是非常必要的。
   
   
      综上所述,作为一座建筑物做地网设计时应遵循以下几条:
   
   
      (1)尽量采用建筑物基础的钢筋和自然金属接地物统一连接,作为接地网;
   
      (2)在建筑物中选作地网的桩基础、承台作引下线的柱筋,其驳接处应采取焊接而不应用绑扎代替;
   
      (3)尽量以自然接地体为基础辅以人工接地体补充,外形尽可能采用闭合环形;
   
      (4)应采用同一接地网,用一点接地的方式接地;
   
      (5)若使用高频或超高频设备时,应采用机壳或就近用一金属平面做最短接线的多点接地,以减少高频干扰。


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