摘要：目前，防雷接地工程五花八門，計算機及電子設(shè)備受雷擊損壞逐年增多。本文依據(jù)IEC有關(guān)防雷標準（如IEC1312-1）和國家有關(guān)防雷標準（如 GB50057-94），結(jié)合筆者多年來在防雷理論及防雷工程研究、實踐經(jīng)驗，論述雷電防護等電位接地系統(tǒng)中迫切需要解決的有關(guān)問題。

　　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、線路過電壓、過電流損壞設(shè)備的原因分析及防護方法

　　1.1 雷擊避雷針、避雷帶、電源線、信號線產(chǎn)生感應(yīng)過電壓（過電流）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是兩臺互相傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備，假設(shè)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(shè)備是否會被損壞？

　　圖１ 獨立接地系統(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)時間和導(dǎo)通后的殘壓不會損壞電子設(shè)備Ａ，雷電流IP=5kA全部流經(jīng)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(shè)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(shè)備開關(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?yōu)?kV，此時，信號傳輸線另一端設(shè)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(yīng)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(shè)備信號接口被雷擊損壞，該雷電不一定是由信號傳輸線產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓所致。

　　1.2.7 由1.2.5項可以發(fā)現(xiàn)，雖然設(shè)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(jié)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(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，應(yīng)同設(shè)備Ａ一樣按1.2.3和1.2.5項的要求去做。

　　假設(shè)雷電從信號線上產(chǎn)生，其分析方法，防護手段同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線；Ｓ是與建筑物外的設(shè)備通信信號線；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；ＰL、ＰS分別為電源避雷器和信號避雷器。

　　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，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(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(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，工作人員剛好與設(shè)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(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2.2項和2.3項的事故發(fā)生后，高電位進入設(shè)備擊穿設(shè)備的電源端或信號端口，雷電從電源線或信號線流出，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項和2.3項事故的發(fā)生，ＲG與ＲS必須是同一個接地體，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，設(shè)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(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(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)果作者曾做過多次試驗）。

　　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（至少兩點相連），并在機房內(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，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(nèi)用細小的銅線將設(shè)備串聯(lián)接地，因為導(dǎo)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(nèi)的環(huán)形接地體無法與大樓內(nèi)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(dǎo)線最長為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)線長度最長為10cm.

　　圖4  機房內(nèi)的環(huán)形接地匯集環(huán)

　　2.5 進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度極大，因此在雷電流入地的過程中，將產(chǎn)生極強的電磁波，該電磁波會近距離感應(yīng)在大樓內(nèi)各種設(shè)備的線路上，產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，從而使設(shè)備損壞。

　　2.6.1 防止直擊雷的感應(yīng)過電壓，傳統(tǒng)的辦法是將各線路進行屏蔽處理或在每一個線路的設(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時會造成接地導(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 以習慣采用的2.5 mm2的銅線為例進行計算：2.5 mm2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(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）

　　實驗室測量值為：106 V

　　由此可見，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(shè)備接地線采用10/350μS、5kA電流波進行檢測、計算和設(shè)計。

　　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，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題，但是，聯(lián)合接地會將工頻干擾、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，該電壓直接加到計算機的邏輯低電平上，造成整個系統(tǒng)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(tǒng)的安全穩(wěn)定工作，聯(lián)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(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的測量方法來測量大樓和地網(wǎng)等效直徑大于15m的接地系統(tǒng)。

　　3.3.2 測量方法不對，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標準）進入室內(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通流量不少于10kA電源避雷器，此處的殘壓仍對設(shè)備有危險，應(yīng)在設(shè)備機房內(nèi)安裝第三級通流量不小于5kA的避雷器。

　　3.4.2 從LpzＯA、ＯB區(qū)進入室內(nèi)的信號線上應(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的信號避雷器。

　　４、兩種防雷產(chǎn)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(yīng)現(xiàn)象，要防止設(shè)備損壞，就必須嚴格進行等電位施工及每臺設(shè)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(shè)全屏蔽機房，在我國很難做到，也不現(xiàn)實。因此當直擊雷發(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(fā)器，在雷云靜電場的作用下，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強度下大３倍以上、并以電暈形式構(gòu)成虛擬高度，提高了雷擊放電點的準確性，增大了保護角，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強度下的雷擊放電概率的試驗數(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，當雷電先導(dǎo)發(fā)生、發(fā)展至ＤＫ限流避雷針時，根據(jù)電流Ｉ的大小和隨時間的變化率自動調(diào)節(jié)阻抗Ｒ值，調(diào)節(jié)后的阻抗值可達幾百兆歐姆。阻抗調(diào)節(jié)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(fā)生旁閃的時間內(nèi)，始終被限制在ＤＫ限流避雷針的阻抗變換器中流過，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，要求接地電阻值達到１Ω，所需的接地面積Ｓ為

　�。樱�0.25×ρ2/R2＝0.25×2002＝10000（ｍ2）

　　由計算所得到的結(jié)論是：一般城市的土壤電阻率ρ為200Ω。ｍ，要做一個１Ω的接地系統(tǒng)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：

　�。遥溅�/2πl(wèi)×ln4l/d

　�。�-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(fā)，導(dǎo)電性能好，對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1m的銅管組成，共有12個呼吸排泄孔，銅管內(nèi)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(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，使原來導(dǎo)電率極差的高山地質(zhì)結(jié)構(gòu)，形成了一個良好電解質(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

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