等电位联结的雷电防护技术探究

唐传云 樊广军

摘要：在当代民用住宅建筑中，由于等电位联结设计缺乏操作很强的注解说明，造成一些工程的施工技术人员对等电位联结实施防护的技术不能正确理解，在施工中存在安全隐患，造成等电位联结的失败。此外，等电位联结对雷电电磁脉冲侵入的防护电学理论，是建立在现代防雷理论之上，在实施中必须掌握雷电防范技术；加之在工程实施后缺乏具有代表性的案例用以参考与借鉴，导致对等电位联结在雷电防护方面的技术理解与论述难度很大；本文以2011年霁月园小区弱电机房内联通设备被雷电击毁的案例，探讨民用住宅建筑中等电位联结实施技术，及其对雷电脉冲的有效防护作用。

关键词：等电位联结，电磁脉冲，暂态过电压，防护

Abstract: in the contemporary civil residence building, because lack of operation equipotential connection design very strong comments that caused some engineering construction technical personnel equivalence equipotential connection defense technology can't implement correct understanding, in construction, unsafe, cause the failure of equipotential connection, etc. In addition, the potential for lightning electromagnetic impulse coupling into protective electrical theory, is based on modern lightning protection theory on, in the implementation must master the lightning prevention technology; And after the implementation of the lack of the typical case for reference and the model, lead to equivalence equipotential connection in the lightning protection technical understanding and discusses very difficult; This paper in 2011, ji month garden district elv the telecom room unicom equipment targeting the case by lightning, discusses civil residence architectural equipotential connection medium implement technology, and the effective protection for lightning pulse role.

Keywords: equipotential connection, electromagnetic pulse, transient overvoltage, protection

中图分类号：S761.5 文献标识码：A文章编号：

一等电位联结技术实施的现状分析

1.1 我国等电位联结技术实施的现状

目前，在民用建筑电气等电位联结的设计中，均是参考02D501-2《等电位联结安装》的图集来设计，由于图集设计中没有操作性很强的注解资料，造成目前设计人员对等电位联结技术的理解的分歧很大，成为当前等电位联结技术在工程实施中发展的瓶颈；此外， 规范、定额存在不协调，由于缺乏相应的定额，尽管有工程设计，但出于施工的成本考虑，导致需要联结的对象未有联结，是造成工程隐患的又一原因。

1.2等电位联结概念分析

引入等电位联结概念的目的是，实现电击间接防护的重要手段和必要措施。其定义和作用可以在相关标准、规范中得出：

IEC在雷击保护标准中指出，等电位联结是建筑物内部防雷措施的一部分。

美国国家电气法规对等电位联结的定义如下：将各金属体做永久的联结以形成导电通路，保证电气的连续导通性并将预期可能加于其上的电流安全导走。

我国标准GB50057-2010对等电位联结的定义：将分开的装置、诸导电物体等用等电位联结导体或电涌保护器联结起来以减小雷电流在其之间产生的电位差。

二雷电电磁脉冲产生电势差的技术分析

1． 雷电电势差的产生

根据当代防雷设计理论，雷电电势差产生的途径主要有两种：a. 雷击建筑物 b. 雷电的电磁感应。

对于民用住宅建筑，雷击建筑物时，主要能量会通过接闪器，引下线及接地体等接地装置泄放大地，与等电位联结的设计关联不多。值得强调的是利用建筑结构内的自然钢筋形成的金属网并不是一个理想的等电位体。根据目前对雷电的研究，建筑物内的钢筋网可以有效的防范住大部分雷电电磁脉冲对建筑内部的侵入。但其仍不是理想的法拉第笼，当金属笼一侧遭受雷击时，沿此处的引下线方向可产生每米几万伏特的电压梯度，电磁脉冲仍可能侵入到建筑物的内部，造成内部设备和人员的危险。换句话说，利用建筑物结构内自然钢筋网格无法彻底防范雷电电磁脉冲侵入，采用等电位联结才是消除或减弱其侵入建筑物内部，造成其对建筑内人员及设备损坏的必要防护措施。

2. 产生雷电电磁感应电势差的理论分析：

雷电电磁感应理论，是建立在当代对雷电不断研究的基础之上，随着人类对雷电的认识不断发展而不断更新的理论；根据目前普遍的认识，雷电流具有很大的幅值和波头上升陡度，能在所流过的路径周围产生很强的脉冲磁场，這种快速变化的脉冲磁场交链导体回路时，能在回路中感应出电动势，产生过电压或过电流。对于住宅工程而言，产生暂态过电压的途径主要有两种：一种是引下线与室内金属导体交链时，另一种是通过架空线路反击产生的高电压。

当建筑A遭受雷击时，沿引下线的方向流入接地体的瞬间，距接地装置一定距离的P点将产生过电压，其Up值为：

Up = I·Ra + la·L 0 ·di / dt 。

式中：Up ： P点的对地暂态电位， kv；

I： 雷电流，kA；

di / dt ： 雷电流波头陡度；

Ra： 冲击接地电阻， Ω；

L 0： 引下线单位长度电感， μH／m；

la ： P点到引下线的距离， m 。

三 消除雷电电磁感应电势差的等电位联结设计的探讨：

1. 消除金属管线交链电磁感应过电压的等电位设计

《民用建筑电气设计规范》JGJ 16-2008中对此条作了规定，详见P146 11.3.5和 P149 11.4.5；强调了利用等电位带的均压作用，为等电位联结设计提供了理论基础。根据暂态过电压形成的图示可以看出，将管线1每隔5-6米和楼板内的钢筋网联结后，无论引下线上传递的过电压有多大，在钢筋网的均压作用下，在其范围内联结的金属管线1都处在近似电位上；同理，若此时人员触及到管线1和其它与接地网联结的金属管线2时，也不会产生危险。此外，文中所述的电压梯度值是建立在一根引下线数学模型中的，工程实施中将引下线及管线1分别与多处等电位带及楼板钢筋网格联结后，结构内的多数竖向主筋均起到对雷电流的限流和分流作用时，引下线P点的电感电压梯度可以明显减小，避免或减弱了雷电电磁脉冲对建筑内部的侵入。

2. 消除外接导线电磁感应过电压的等电位设计

为了说清此问题，笔者先讲述一个案例，探求等电位联结防护技术的实质。

图二 等单位联结防护设计失效分析（红线标注除外）

图示说明：雷击电源避雷线时，产生的过电压电涌沿架空线及电源导线引入建筑物，电源防雷器件正常工作，但与其连接的设备电源被击毁。

图示分析：尽管按照图示作了等电位联结，但仍在雷击防护中产生失败，究其原因，是对雷电的防护理论的概念理解不正确：首先，是对防雷理论中的接地电阻值的认识不正确：对于等电位联结而言，其防雷接地电阻值和供电接地防护系统的电阻值有所不同，在计算供电系统对地电压时，导线的电感是忽略不计的，其电压跟其接地电阻大小相关，但计算雷电电位梯度时必须要考虑导线的电感电压，图集中规定的等电位联结接地电阻值为3Ω，主要是对其导通性作了量化标准，并非强制性要求，更不是衡量等电位联结是否有效的判定方法，这点也可以从一些资料中证实：某些山区的配电所其总等电位联结的接地电阻值高达几十欧姆，但其联结的设备至今仍没有发生被雷击毁的事故，也证实了笔者的观点。图例中按照电涌保护器可以承受的 8／20μs, 40kA电磁波脉冲计算，当其正常工作时a、b导体间产生1.4*40 ／ 8= 7000V,加上电涌保护器上的残压1400V，有将近8400V的高压，也正是此电压将连接设备击穿，造成了等电位联结的防护失败。

四结束语

本文是笔者从事十多年建筑电气设计与施工技术工作的经验总结 ，论述中参考了部分专家学者的建议及亲身经历的工程案例的论证分析，通过查阅相关书籍、规范、学术论文，提出了自己对等电位联结在对雷电电磁波防护方面的设计方法；希望其在类似工程的的实施中能予以借鉴。文章的论述及分析不免存在肤浅之处，希望读者批评、指正。

参 考 文 献

1. 徐华 ，02D501-1等电位联结安装 ，中国建筑标准设计院，2004.4 。

2. 鲍林栋，工程实用电气技术， 中国铁道出版社，2005. 3。

3. 张小青， 建筑防雷与接地技术， 中国电力出版社，2002 。

4. 建筑物防雷设计规范GB 50057-2010 ，2011年版

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。