工业建筑的防雷及接地设计浅析

杨娟 陈辰

东华工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024

几千年前人类就见识到雷电的威力，由于知识的限制，人类只能对雷电保持敬畏之心，雷公电母的传说由此诞生。直到上个世纪中叶，美国科学家富兰克林才真正地以科学实验的方式打开了探索雷电之门。

1 雷电的成因及危害

雷电是大气中的放电现象。产出雷电的云气象上多为积雨云，更常见的是雷雨云。

雷雨云的成电学说众说纷纭，目前国际上普遍认可的有三种学说：1）感应起电说。2）温差起电说。3）大水滴和冰晶的破碎起电说。三种学说从不同角度分析雷云雨上正下负的电荷结构的成因，为人类进一步探索奠定了基础。

空气中的电子在强电场的作用下，形成电子雪崩。在雪崩过程中形成激发态原子，射出有高能量的光子，当光子能量大于气体分子的电离能时，气体分子在这些光子的作用下产生光电离，形成大量的正离子和电子，这些新电子成为新电子雪崩源，并重复电子雪崩和光电离过程，形成巨大的电子流称之为流光，其速度比电子雪崩大一个数量级。流光的过程是闪电放电的基本过程。

闪电可分为：云闪、地闪和特殊的球闪。其中破坏力最大的是地闪，一次地闪是将雷云雨蓄藏能量瞬间释放到地面的闪击点，时间仅为几十微秒，产生的雷电流却高达几十至几百千安，电势差可达上万伏。雷电流的热效应可将接闪点面积较小的金属熔化，或使非金属如树木等内部水分瞬间蒸发产生爆炸烧灼现象。雷电流还能产生冲击破、次声波等危害。雷电流能在放电后的地面建构筑物上形成局部高电势，雷电流的极大峰值和陡度也能形成强大的电磁场，从而产生感应电流，高电势和大感应电流同样对建构筑物及其内部设备有巨大的破坏作用，可能击坏设备，使金属开口处放电产生火花，甚至酿成火灾。雷电流巨大的破坏力使人类在现代化建设中不得不将防雷系统的设计作为重中之重。

2 接地保护的分类、方法

防雷最简洁的方法是接地。大地是一个电阻极低、电容量极大的物体，拥有吸收无限电荷的能力，且在吸收大量电荷后仍能保持电位不变，因此最适合作为电气系统中的参考电位体。将非正常电流通过导体泄流到大地中，以保护人及设备免受电击危害，是防雷接地保护的目的。

接地按作用分类一般分为保护性接地和功能性接地两种。

2.1、保护性接地

2.1.1 防电击接地 为了防止电气设备外绝缘损坏或意外产生漏电流时，使平时不带电的外露导电部分带电而导致电击，将设备的外露导电部分接地，称为防电击接地。这种接地还可限制线路涌流或低压线路、设备由于高压窜入而引起的高电压；当电气设备故障时，还有利于过电流保护装置动作而切断电源。这种接地，也是狭义的“保护接地”。

2.1.2 防雷击接地 将雷电流导入大地，以防止雷电流使人身受到电击或设备受到损害为目的的接地。

2.1.3 防静电接地 将静电荷引导入大地，以防止由于静电积聚对人体和设备造成危害而设置的接地。静电感应电流瞬时极值可达很大，有击毁线路设备的可能。在化工厂内防静电接地多用于防止静电对易燃易爆的油、气储罐、容器、反应装置及管道等的危险所做的保护接地；也用于防止静电敏感电子元器件遭受损伤而设。

2.1.4 防电蚀接地 地下埋设金属体作为牺牲阳极或阴极，防止电缆、金属管道等受到电蚀。

2.2 功能性接地

2.2.1 工作接地 为了保证电力系统正常运行，防止系统振荡.保证继电保护的可靠性，在交直流电力系统的适当地方进行接地，交流系统一般为中性点，直流系统一般为中点。

2.2.2 逻辑接地 为了确保稳定的参考电位，将电子设备中的某个适当金属器件作为“逻辑地”，一般采用金属质底板作逻辑地。

2.2.3 屏蔽接地 将电气的干扰源引入大地中，抑制外来的电磁干扰对电子设备的影响，也能减少电子设备本身产生的干扰影响到其它设备。

2.2.4 信号接地 为保证信号具有稳定的基准电位而设置的接地，如检测漏电流、阻抗测量电桥以及电晕放电损耗等电气参数的接地。

3.接地电阻

接地极或自然接地极的对地电阻和接地线电阻的总和，称为接地装置的接地电阻。接地电阻的数值等于接地装置对地电压与通过接地极流入地中电流的比值。按通过接地极流入地中工频交流电流求得的电阻，称为工频接地电阻；按通过接地极流入地中冲击电流求得的接地电阻，称为冲击接地电阻[2]。接地极是指埋入地中并直接与大地接触的各种金属导体构件、金属井管、钢筋混凝土建筑的基础、金属管道和设备等。

无数事实证明接地电阻的大小直接影响接地系统的效果。在土壤电阻率很高的地方，要兴建工业项目首先要考虑降低土壤电阻率。为了得到较低的接地电阻，通常用改变土壤湿度的方法来解决接地电阻高的问题，有湿度必然有酸碱腐蚀及细菌游离物腐蚀；为了增加土壤的导电性，还会在土壤中加入导电介质，大部分导电介质都具有化学腐蚀性；还有一些电位差导致电腐蚀产生，工厂产品融入土壤造成的酸碱腐蚀等。这就使低接地电阻与腐蚀性产生了矛盾。我们在设计时要在其中找到平衡点，选择合适的方法降低接地电阻，选择合适的接地材料抗腐蚀性，使接地系统长效稳定运行。

降低接地电阻的方法有：降阻剂及接地模块、换土、加大接地网的面积、深井法、爆破法、增加接地极等几种常用方法。

使用降阻剂及接地模块和换土的方法施工费用及难度比较大，降阻效果不明显且一定时间后容易随着水土流失，达不到持续降阻的效果。

加大接地网的面积是最常用的方法之一，但是增加面积降阻的效果有限，面积增大一倍时，接地电阻才减小29.3%，有些厂区受面积限制，使用此方法也很难达到低接地电阻。

深井法和爆破法常用于地质恶劣条件，技术难度较大，危险性较高，施工成本也较高。

接地极以占地面积小、施工难度低、降阻效果持久稳定的特征常用于多种环境中。但是接地极与土壤接触范围较小泄流效果有限，每个接地极之间要保持一定距离以防止电流反击，所以在厂区范围内接地极也不可无限增加。

因此我们要选择合适的接地极与接地网配合使用，才能达到满意的接地效果。

因为铜的导电率较好，而且抗氧化的程度高，在普通腐蚀环境中多采用铜为接地体材料，考虑到成本因素，铜包钢接地体更适合大面积使用。

铅是不活泼金属极耐腐蚀、铅包铜即有铜的导电性又有铅的全能防腐性，是目前接地最佳选用的材料，适合变电站，输电线，发电产核心部分特别适合脱硫装置等化工装置强酸性腐蚀地区使用。

锌的材料性能也具有阴极保护功能，锌包钢等含有较厚镀锌层的材料适合于碱性腐蚀地区使用。

4 接地系统的设计

在化工工业厂区的设计中，一般采用综合接地系统。防雷接地与防静电接地等合用一套接地系统。并入全厂接地网中。包含：避雷针、引下线和接地体。

把各种接地并入一个接地系统可以使全厂成为一个畅通的大型接地网。可以有效的避免雷击时各个系统接地点间产生电位差，造成雷电反击。否则在同一厂区内，接地系统分开，还需按《建筑防雷设计规范》[3]设计防雷电反击措施，增加接地系统的复杂性。

建构筑物的基础内有大量钢筋，按《建筑防雷设计规范》[3]要求焊接制作成基础接地体，基础接地体与土壤接触面积大导流效果好，利用基础和柱内钢筋做等电位连接板，将建筑物内部的需要接地的器件全部连接起来，形成一个大的良好的等电位体。在雷电来袭时，可以保护内部人员设备不受雷电反击伤害。再利用人工接地装置将基础接地体和全厂接地网连接起来，这样既可以增大接地网的接地面积，又克服了单体建构筑物接地体的局限性。

综上所述，一个大型的防雷接地系统，既要满足国家规范对防雷接地设计的要求，又要结合实际情况，尽量的利用自然接地体或已有接地体与人工接地体相结合，并选择合理的防雷接地材料，使该系统能有效的保护人员设备免受伤害，且达到长期有效运行。

[1].林建民,宁波.宁波防雷装置设计与安装[M].北京：气象出版社，2010.4.

[2].DL/ T621-1997.交流电气装置的接地[S]，2006

[3].GB50057-2010.建筑物防雷设计规范[S]，2011.