防雷接地电阻

防雷接地电阻 摘要:接地能否作为雷电防护中不可缺少的技术,接地电阻值到底多少才是的,接地应该是必须的，接地电阻的大小不应该成为评价防雷好坏的主要或唯一标准。避雷器接受雷电能量到释放雷电能量与接地有关却与接地电阻值的大小关系不十分密切;等电位连接不取决于接地电阻值;接地电阻值的大小与“反击”成正比。本文提出防雷实践中的接地电阻命题，旨在对接地和接地电阻的认识和促进学术界对接地电阻的讨论。 关键词: 接地 接地电阻 电位 地闪 1.接地与接地电阻 接地电阻是与接地完全不同的物理概念，接地电阻实质上是电流经地面某点流向地下某确定点之间用欧姆定理计算出来的一个物理值，定义为接地极与电位为零的远方接地极之间的欧姆定律电阻。 接地主要是为电路或系统提供一个等电位点或面，如将等电位点或面接在大地，则大地成为等电位点或面。我们均知，一般定义大地为零电位点或面。另外，接地的目的是为电流提供流回源的低阻抗路径，或为不需要的电流提供泄放的通道。这在GB/T17949.1-2000有定义，即:一种有意或非有意的导电连接，由于这种连接，可使电路或电气设备接到大地或 [1]接到代替大地的、某种较大的导电体。 接地电阻是与接地完全不同的物理概念，接地电阻实质上是电流经地面某点流向地下某 [1]确定点之间用欧姆定理计算出来的一个物理值，定义为接地极与电位为零的远方接地极之间的欧姆定律电阻。在工程实践中，由于测定接地电阻时，打入地下的接地金属探针与流入地表某点的距离是人为决定的，因此，接地电阻值是不完全确定的。在防雷接地电阻测量时，是假定雷电流在地下流散至40米处基本为零的前提下进行的。虽则如此，地下土壤结构的不同以及电流探针与接地极的方向不同、电压探针与电流探针之间的距离不同，接地电阻值有时有本质上的不同，数值差异也很大。 接地是必须的，而接地电阻不是唯一的。 笔者认为，在防雷设计和工程实践中，接地是必须的，而接地电阻不是唯一的。我们可以设想一下，雷电从云中的能量积聚到释放，必须是天地的有机结合，就是说，大气运动造成雷暴云积聚了巨大的电能，电能最后的转化只有通过空气和大地来实现，从气象学来阐述，天气现象是天地之间的循环运动所致，雷电亦如此。结合雷电地闪的物理图象，电能在空气中的主路径是狭窄的，在地下的路径是宽广的，要减少雷电能量在云地间的释放，引入下地是最好的办法，大地的容量是很大甚至是无穷的;问题是，地表层太复杂，雷电能量在地下的释放将产生不同的物理效应，在地下的多个层面很难遵循唯一的物理定理，解决的办法不是靠接地电阻来实现，更多的还在于如何转化电能和使电能更快地融入土壤。 2.雷电感应事故的一个实例 2006年3月21日，韶山气象站的网络机房遭受雷击，雷电侵袭路径见图1: 图1 韶山气象局3.21雷击路径示意 这是典型的感应雷击现象，由于电话线、MODER的电源保险丝完好以及闪络痕迹出现在各个接口，说明途经的雷电强度不大。比较有趣的是，主机内网卡和卫星卡被损，而夹在两卡之间的声卡和视频卡完好，主板也没有损坏;与卫星卡相连的卫星天线距机房近20米，其上的高频头亦损坏，但避雷器接口、主机的各个接口没有出现明显的雷击痕迹。从周围住户的多台电视机被打坏以及该站其它网络设备和气象自动站运转良好的情况分析，可以肯定雷电是经电话线感应过来的，雷电定位信息也证实了当地发生地闪。 由于韶山气象站在气象自动站改造时，重点加强了自动站管线的接地和预埋，数据线、网络线均采用金属套管埋地，电源线与数据线等分开屏蔽铺设，也许因此幸免了雷电感应。在事故的分析中，我们认为恰恰是因为电话线架空而没有在入户时套金属管接地而引起了雷电感应。在防雷实际中，大家通常考虑比较多的就是避雷器到底发挥了作用否,韶山站的整体接地系统相对完善，接地电阻值小于2.0欧，零地电压小于1伏，卫星天线基座也接了地，尽管各种线网分布或距离不十分规范，但不应该影响避雷器的动作和卫星天线与防雷系统的等电位，也就是说，符合标准的接地电阻还是没有全部解决雷电入侵的问题。 3.接地电阻在防雷中的作用 雷电的发生与否及避雷器动作与否，与接地电阻关系不十分明显，却与接地与否关系密切。 这个问题比较费解，但回过头来细想，将发现我们一直在模糊着两个物理概念。从GB50057的条文解说分析，接地电阻值的大小更多的是运用在雷电反击的计算上;等电位更多地是强调防止反击引起火花。我们都知道电流的大小其实就是单位时间内通过的荷电子数量，且单位时间通过荷电子数量的多少与电压的大小有关，电压的大小通常相对大地而言。对于雷电，暂撇开复杂的概念，云中荷电子达到地面过程中的任何瞬间所产生的电压和电场大小都是以大地零电位为参考的;ZnO或空气间隙等都是因雷电的高电压而导通使得雷电流改变方向，这个电压仍然是以大地零电位为参考的。因此，雷电的发生与否及避雷器动作与否，与接地电阻关系不十分明显，却与接地与否关系密切。在讨论接地电阻时，我们可 能更在意接地引下线在承受雷电流时产生的反击、电磁感应等效应，所以引下线的材质、线径、长短必须达到规范的要求。仍以GB50057条文说明为例，当雷电流I经过时，对于接 [2]地电阻R，防雷装置离地面高度h处的电位U = I?R L?h?di/dt, U是计算反击的基iio 础而不是SPD等响应的电压。如果再认真分析，U应该还包含防雷装置离地面高度h段金属件R、R形成的电位，R则是防雷装置自接地极到雷电流消失处那段的地电阻，这可以用图12i 2说明: 图2 雷电流入地流散示意 可以这么认为，工程实践中的R、R相对R很小(注:图2中的R、R、R均为下标)，12i12i 在数学计算时被忽略。结合图2，再来分析SPD的响应，我们都知道SPD在电压小的时侯电阻很大，只有当电压大到一个临界值时，电阻突然变得很小而导通使电流通过，在不考虑引下线的其它效应时，这个电压临界值是与R无关的。至于为什么要求SPD必须有个确定且i 小于4欧的接地电阻值，笔者至今没能找到相关的理论依据，GB50057、GB50343等规范均无相关解释。 等电位连接的目的在于减小需要防雷的空间内各金属物与各系统之间的电位差，也就是说系统之间因处在同一电位，雷电不会在系统之间流动或不会产生放电火花，那么等电位的计算还是遵循雷电流I与接地电阻R的乘积，对于同一接地系统，只要做到系统之间的有效接地，同一高度的电位很容易达到相同，实际上与R的大小没有关系。 各国学者研究的结论是:接地电阻的大小还与接地极的布局形式、材料、结构以及埋地的深度相关;通俗的理解就是:好的接地设计能够使电流更快地流散消失。 上述分析并不是否定接地电阻的存在，还是结合图2看，R的大小取决于电流从接地极i 端到电流消失端的土壤性质，各国学者研究的结论是:接地电阻的大小还与接地极的布局形式、材料、结构以及埋地的深度相关;通俗的理解就是:好的接地设计能够使电流更快地流散消失。由于雷电流的能量太大，通过合理的设计，在雷电流到来时，经指定的路径将其引入到地下安全的地方，又为了尽可能减少雷电能量所造成的不利影响，使雷电流更迅速地泻放到地下是必须的。 如果说接地是一门较精细的技术，那么接地电阻相对于接地而言也许简单些。限于笔者的知识水平，只能粗略地阐述。 4.什么是接地电阻的标准 接地离不开一定的接地电阻，但接地电阻代替不了接地。 《建筑物防雷设计规范》规定了一、二、三类建筑物防雷装置的冲击接地电阻分别不大于10、30欧，防感应雷的冲击接地电阻不大于20欧。由于在工程实践中，防雷通常与建筑物内的电子信息系统一起考虑，于是就规定了共用接地系统的接地电阻值取各接地电阻的最小值，即在设计中常取接地电阻不大于4欧或1欧的要求。正因为在很多情况下，地面下的地质条件很差，接地电阻一时达不到规定的值，工程设计和施工的大部分精力就放到了如何降低接地电阻上。大量的实例说明，根本不会因接地电阻达标而不发生雷击事故;而正确的接地设计和合理的布管线，则可以大大地减轻雷击损失。因此，接地设计更优于接地电阻设计，在本文第一部分已经阐述，接地离不开一定的接地电阻，但接地电阻代替不了接地。白 [3]同云等编著的《电磁兼容设计》认为接地技术是相当复杂的，笔者有同感，基于对电流的认识，接地不应该是简单地用金属导线连接金属棒埋地即可。为什么要接地,参考地也好、屏蔽、滤波也好，安全放电也好，作用都是将不需要的杂散电流或累积的电荷从设备里释放掉，释放过程所带来的问题则靠合理的布线解决。笔者以为，接地电阻的标准不应太苛求，尤其在防雷设计中，1,2欧或更大的实际差值是允许的，可以通过适当地拉开管、线等距离解决，就算空间或场地受到限制，也不能因稍大的接地电阻而否认合理的防雷设计。接地电阻的标准应该是基于接地设计的，以接地设计为目的而不是其它。 5.接地电阻废弃与否 作为外行，笔者没有资格评价清华大学物理虞昊教授关于废弃接地电阻的论述，但感觉虞教授提出了防雷实践中的敏感又实在的问题。笔者也经历了从检测到设计施工以及雷电灾情调查等10多年的实践，又因为对雷暴云的观测、雷达资料的分析和学习、了解人工影响天气部分原理等，越来越感到防雷领域至今仍有大量不为人们所熟悉的东西。雷电属于高电，自然与高压电力有很深的关系，然而，雷电的形成及雷电波的传播始终是空间场的东西，解决防雷之道最终不是靠防雷接地或接地电阻的大小。雷电不能消灭，人类也无法过于改变雷电的形成和路径，人类只能认识和接近雷电，用正确的方法从空中、地下转化雷电能量，将雷电所形成的物理场控制在一定范围。雷暴云一般只有1,2小时生命史，是天地间结合的产物，云闪、地闪是雷暴云生命的激烈展示，地闪是雷暴云发展到一定厚度时不可缺的表现， 8无论是云底荷电累积达到10伏对地放电还是雪崩效应产生先导趋向地面引发地面流光，雷电能量总是要释放的。落地的高压电线总会使地表溅起火球，如果事先与入地的金属棒连接，至少肉眼是看不到溅火的，旷野的雷电入地亦如此。回到老话题，接地不可少。既接地就须有良好的接地电阻，是而不是，并非悖论，笔者认为只要将雷电引入深地则可，有接地电阻但并非十分确定的电阻值。 6.接地地线的特殊性 作为一项事业或一门科学，没有否认就缺少创新，没有创新就谈不上发展，更何况现阶段防雷存在的问题和未知领域还很多，故步自封、墨守成规才真正会阻滞一个产业的发展和导致失业。 虞昊教授认为“废弃接地电阻”会影响防雷产业的发展甚至使得大批防雷工程师失业，其实不然。作为一项事业或一门科学，没有否认就缺少创新，没有创新就谈不上发展，更何况现阶段防雷存在的问题和未知领域还很多，故步自封、墨守成规才真正会阻滞一个产业的 发展和导致失业。我们还可以继续设想，接地电阻不是防雷最重要的技术，那么，避雷针、避雷器就是最重要的技术,目前看来，避雷针、避雷器暂时无法扮演最重要的角色。笔者感性地认为，相对前述防雷技术，相关的接地技术显得更重要，从电磁兼容的角度，地线的布 [4]局就有特殊的意义，不合理的布线是很难防御雷电的，笔者在《自动气象站防雷技术》列举了相关个例。安装过避雷器的工程师大概知道，信道上的避雷器一旦接地就有可能影响信号的传递，这一方面涉及到避雷器本身的问题，另一方面是接地线的布置问题。事实上，加载在通讯线路上的避雷器的电容性作用和地线的电感性作用很强，电子设备中的元器件对信号非常地敏感，所以，认为地线在与地平面或机壳连接前沿着地平面或机壳走线时，类似 [3]一条传输线，地线长度应小于最小波长的1/20。可想而知，雷电的侵袭是什么结果,白同云、吕晓德提出地线设计步骤是:?分析设备内各类部件的骚扰特性和敏感特性; ?搞清楚设备内各类电路的工作电平、信号种类和电源电压; ?将地线分类、划组;画出总体布 [3]局框图;?排出地线网。防雷设计的地线有特殊性，雷电是非常强烈的骚扰源，消除这个骚扰，到底是远离还是能够通过共地解决,这方面涉及多方面的知识，既有深度又有广度，当我们的技术人员从单纯的接地电阻圈里跳出来，技术的领域和天地更加宽广。现实中，无论是电信工程师、计算机网络工程还是防雷中心工程师，都没有很好地区分地线的作用和影响，往往各自为阵，最终与建筑物的电力、防雷等系统共处，仅仅注意到等电位而忽视共地的其它影响。 7.结论 接地与接地电阻是不同的概念，接地与接地电阻的作用既有共性又有个性，必须区别对待;工程实践中没有必要将接地电阻当作确定的标准，接地电阻不是唯一，接地设计是值得认真研究和深化的技术;防雷效果的好坏主要是被保护的系统与防雷系统的和谐共处。 参考文献: 1.国家质量技术监督局.接地系统的土壤电阻率.接地阻抗和地面电位测量导则.北京.2000年 2.国家技术监督局，中华人民共和国建设部联合发布.建筑物防雷设计规范.北京.2000年 3.白同云，吕晓德.电磁兼容设计.北京.北京邮电大学出版社， 2001 4.陈春元.自动气象站防雷技术.安全与电磁兼容.2005.4北京.中国电子技术标准研究