工業建筑的防雷及接地設計淺析

楊娟 陳辰

東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024

幾千年前人類就見識到雷電的威力，由于知識的限制，人類只能對雷電保持敬畏之心，雷公電母的傳說由此誕生。直到上個世紀中葉，美國科學家富蘭克林才真正地以科學實驗的方式打開了探索雷電之門。

1 雷電的成因及危害

雷電是大氣中的放電現象。產出雷電的云氣象上多為積雨云，更常見的是雷雨云。

雷雨云的成電學說眾說紛紜，目前國際上普遍認可的有三種學說：1）感應起電說。2）溫差起電說。3）大水滴和冰晶的破碎起電說。三種學說從不同角度分析雷云雨上正下負的電荷結構的成因，為人類進一步探索奠定了基礎。

空氣中的電子在強電場的作用下，形成電子雪崩。在雪崩過程中形成激發態原子，射出有高能量的光子，當光子能量大于氣體分子的電離能時，氣體分子在這些光子的作用下產生光電離，形成大量的正離子和電子，這些新電子成為新電子雪崩源，并重復電子雪崩和光電離過程，形成巨大的電子流稱之為流光，其速度比電子雪崩大一個數量級。流光的過程是閃電放電的基本過程。

閃電可分為：云閃、地閃和特殊的球閃。其中破壞力最大的是地閃，一次地閃是將雷云雨蓄藏能量瞬間釋放到地面的閃擊點，時間僅為幾十微秒，產生的雷電流卻高達幾十至幾百千安，電勢差可達上萬伏。雷電流的熱效應可將接閃點面積較小的金屬熔化，或使非金屬如樹木等內部水分瞬間蒸發產生爆炸燒灼現象。雷電流還能產生沖擊破、次聲波等危害。雷電流能在放電后的地面建構筑物上形成局部高電勢，雷電流的極大峰值和陡度也能形成強大的電磁場，從而產生感應電流，高電勢和大感應電流同樣對建構筑物及其內部設備有巨大的破壞作用，可能擊壞設備，使金屬開口處放電產生火花，甚至釀成火災。雷電流巨大的破壞力使人類在現代化建設中不得不將防雷系統的設計作為重中之重。

2 接地保護的分類、方法

防雷最簡潔的方法是接地。大地是一個電阻極低、電容量極大的物體，擁有吸收無限電荷的能力，且在吸收大量電荷后仍能保持電位不變，因此最適合作為電氣系統中的參考電位體。將非正常電流通過導體泄流到大地中，以保護人及設備免受電擊危害，是防雷接地保護的目的。

接地按作用分類一般分為保護性接地和功能性接地兩種。

2.1、保護性接地

2.1.1 防電擊接地 為了防止電氣設備外絕緣損壞或意外產生漏電流時，使平時不帶電的外露導電部分帶電而導致電擊，將設備的外露導電部分接地，稱為防電擊接地。這種接地還可限制線路涌流或低壓線路、設備由于高壓竄入而引起的高電壓；當電氣設備故障時，還有利于過電流保護裝置動作而切斷電源。這種接地，也是狹義的“保護接地”。

2.1.2 防雷擊接地 將雷電流導入大地，以防止雷電流使人身受到電擊或設備受到損害為目的的接地。

2.1.3 防靜電接地 將靜電荷引導入大地，以防止由于靜電積聚對人體和設備造成危害而設置的接地。靜電感應電流瞬時極值可達很大，有擊毀線路設備的可能。在化工廠內防靜電接地多用于防止靜電對易燃易爆的油、氣儲罐、容器、反應裝置及管道等的危險所做的保護接地；也用于防止靜電敏感電子元器件遭受損傷而設。

2.1.4 防電蝕接地 地下埋設金屬體作為犧牲陽極或陰極，防止電纜、金屬管道等受到電蝕。

2.2 功能性接地

2.2.1 工作接地 為了保證電力系統正常運行，防止系統振蕩.保證繼電保護的可靠性，在交直流電力系統的適當地方進行接地，交流系統一般為中性點，直流系統一般為中點。

2.2.2 邏輯接地 為了確保穩定的參考電位，將電子設備中的某個適當金屬器件作為“邏輯地”，一般采用金屬質底板作邏輯地。

2.2.3 屏蔽接地 將電氣的干擾源引入大地中，抑制外來的電磁干擾對電子設備的影響，也能減少電子設備本身產生的干擾影響到其它設備。

2.2.4 信號接地 為保證信號具有穩定的基準電位而設置的接地，如檢測漏電流、阻抗測量電橋以及電暈放電損耗等電氣參數的接地。

3.接地電阻

接地極或自然接地極的對地電阻和接地線電阻的總和，稱為接地裝置的接地電阻。接地電阻的數值等于接地裝置對地電壓與通過接地極流入地中電流的比值。按通過接地極流入地中工頻交流電流求得的電阻，稱為工頻接地電阻；按通過接地極流入地中沖擊電流求得的接地電阻，稱為沖擊接地電阻[2]。接地極是指埋入地中并直接與大地接觸的各種金屬導體構件、金屬井管、鋼筋混凝土建筑的基礎、金屬管道和設備等。

無數事實證明接地電阻的大小直接影響接地系統的效果。在土壤電阻率很高的地方，要興建工業項目首先要考慮降低土壤電阻率。為了得到較低的接地電阻，通常用改變土壤濕度的方法來解決接地電阻高的問題，有濕度必然有酸堿腐蝕及細菌游離物腐蝕；為了增加土壤的導電性，還會在土壤中加入導電介質，大部分導電介質都具有化學腐蝕性；還有一些電位差導致電腐蝕產生，工廠產品融入土壤造成的酸堿腐蝕等。這就使低接地電阻與腐蝕性產生了矛盾。我們在設計時要在其中找到平衡點，選擇合適的方法降低接地電阻，選擇合適的接地材料抗腐蝕性，使接地系統長效穩定運行。

降低接地電阻的方法有：降阻劑及接地模塊、換土、加大接地網的面積、深井法、爆破法、增加接地極等幾種常用方法。

使用降阻劑及接地模塊和換土的方法施工費用及難度比較大，降阻效果不明顯且一定時間后容易隨著水土流失，達不到持續降阻的效果。

加大接地網的面積是最常用的方法之一，但是增加面積降阻的效果有限，面積增大一倍時，接地電阻才減小29.3%，有些廠區受面積限制，使用此方法也很難達到低接地電阻。

深井法和爆破法常用于地質惡劣條件，技術難度較大，危險性較高，施工成本也較高。

接地極以占地面積小、施工難度低、降阻效果持久穩定的特征常用于多種環境中。但是接地極與土壤接觸范圍較小泄流效果有限，每個接地極之間要保持一定距離以防止電流反擊，所以在廠區范圍內接地極也不可無限增加。

因此我們要選擇合適的接地極與接地網配合使用，才能達到滿意的接地效果。

因為銅的導電率較好，而且抗氧化的程度高，在普通腐蝕環境中多采用銅為接地體材料，考慮到成本因素，銅包鋼接地體更適合大面積使用。

鉛是不活潑金屬極耐腐蝕、鉛包銅即有銅的導電性又有鉛的全能防腐性，是目前接地最佳選用的材料，適合變電站，輸電線，發電產核心部分特別適合脫硫裝置等化工裝置強酸性腐蝕地區使用。

鋅的材料性能也具有陰極保護功能，鋅包鋼等含有較厚鍍鋅層的材料適合于堿性腐蝕地區使用。

4 接地系統的設計

在化工工業廠區的設計中，一般采用綜合接地系統。防雷接地與防靜電接地等合用一套接地系統。并入全廠接地網中。包含：避雷針、引下線和接地體。

把各種接地并入一個接地系統可以使全廠成為一個暢通的大型接地網。可以有效的避免雷擊時各個系統接地點間產生電位差，造成雷電反擊。否則在同一廠區內，接地系統分開，還需按《建筑防雷設計規范》[3]設計防雷電反擊措施，增加接地系統的復雜性。

建構筑物的基礎內有大量鋼筋，按《建筑防雷設計規范》[3]要求焊接制作成基礎接地體，基礎接地體與土壤接觸面積大導流效果好，利用基礎和柱內鋼筋做等電位連接板，將建筑物內部的需要接地的器件全部連接起來，形成一個大的良好的等電位體。在雷電來襲時，可以保護內部人員設備不受雷電反擊傷害。再利用人工接地裝置將基礎接地體和全廠接地網連接起來，這樣既可以增大接地網的接地面積，又克服了單體建構筑物接地體的局限性。

綜上所述，一個大型的防雷接地系統，既要滿足國家規范對防雷接地設計的要求，又要結合實際情況，盡量的利用自然接地體或已有接地體與人工接地體相結合，并選擇合理的防雷接地材料，使該系統能有效的保護人員設備免受傷害，且達到長期有效運行。

[1].林建民,寧波.寧波防雷裝置設計與安裝[M].北京：氣象出版社，2010.4.

[2].DL/ T621-1997.交流電氣裝置的接地[S]，2006

[3].GB50057-2010.建筑物防雷設計規范[S]，2011.