接地電阻值對防雷效果的影響

韓方雨 于華都

（1. 長吉城際鐵路有限責(zé)任公司，長春 130000；2. 中國鐵路通信信號集團(tuán)公司 基礎(chǔ)設(shè)備事業(yè)部，北京 100166）

隨著鐵路發(fā)展步伐的加快，鐵路信號技術(shù)取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，信號設(shè)備向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和綜合化方向邁進(jìn)，大規(guī)模集成電路等低耐壓器件在信號設(shè)備中大量使用。這些微電子設(shè)備在大幅度提升信號設(shè)備技術(shù)水平的同時，也面臨著嚴(yán)峻的雷電考驗(yàn)，這主要由于微電子設(shè)備對過電壓和電磁感應(yīng)的敏感性所決定。因此，雷電災(zāi)害對信號設(shè)備所帶來的危害越來越大，對信號設(shè)備的雷電防護(hù)已成為保證鐵路安全運(yùn)輸?shù)闹匾n題。在此僅對接地電阻值對雷電防護(hù)效果的影響進(jìn)行探討，不當(dāng)之處請專家批評指正。

1 目前防雷的主要設(shè)備

防雷設(shè)備是設(shè)備的雷電保護(hù)裝置，其對設(shè)備的保護(hù)方式是在雷電及電磁脈沖侵入時，應(yīng)能及時限制雷電高壓并將雷電大電流引導(dǎo)入地，防雷設(shè)備是根據(jù)雷電的危害特點(diǎn)研制的。防雷設(shè)備主要包括：改善電磁兼容環(huán)境條件，包含屏蔽、等電位設(shè)置以及合理布線；分區(qū)分級設(shè)置防雷保安器；良好的接地措施等。在此，僅就良好的接地措施對防雷設(shè)備防護(hù)效果的影響進(jìn)行分析，尤其是接地電阻值大小對防雷效果的影響進(jìn)行重點(diǎn)分析。

雷電災(zāi)害主要有直擊雷、感應(yīng)雷(包括靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng))和球形雷，但不論哪種雷害，都表現(xiàn)為高電壓、大電流和地電位反擊的形式。

針對上述雷電危害的特點(diǎn)，防雷設(shè)備的防護(hù)原理就是限壓、泄流和等電位連接。防雷設(shè)備限壓主要是對雷電高電壓進(jìn)行限制，使得到達(dá)被保護(hù)設(shè)備端的雷電壓低于被保護(hù)設(shè)備的耐壓；泄流就是對雷電大電流能迅速引導(dǎo)入地，使得進(jìn)入被保護(hù)設(shè)備的雷電流在安全范圍內(nèi)；等電位連接是把同一區(qū)域內(nèi)的設(shè)備等電位連接后，再做接地處理。

2 良好接地的防雷效果分析

在目前的防雷設(shè)備中，限壓功能是利用防雷保安器來實(shí)現(xiàn)的，通過合理地選用防雷保安器，實(shí)現(xiàn)對不同耐壓等級的設(shè)備進(jìn)行防護(hù)；等電位連接不難理解，不再解釋；而泄流的主要因素就是接地，影響泄流能力的因素，除了防雷保安器的通流能力外，還受到泄流線路長度、電阻值和接地電阻值的大小影響。在影響泄流能力的因素中，防雷保安器、線路容易人為控制，而接地電阻值不容易人為控制，其主要原因是受投資能力的限制。因?yàn)樽鼋拥赜袝r要在山區(qū)、沙漠地質(zhì)環(huán)境下，在這樣的地質(zhì)環(huán)境下要把接地電阻做得很小很困難，尤其是在投資有限的情況下就更困難。那么在接地電阻不能有效地做到很小的情況下，接地電阻值的大小對防雷效果的影響有多大呢？

當(dāng)有雷電流通過接地電阻時，會造成接地點(diǎn)的地電位升。在通過同樣的雷電流時，接地電阻值大，地電位升的幅度就高，接地電阻值小，地電位升的幅度就低，但地電位升是不可避免的。地電位升對被防護(hù)設(shè)備有危害，這是由于地電位升引起的反擊所致，稱之為地電位反擊。

地電位反擊通常是指：建筑物的外部防雷系統(tǒng)（如避雷針、避雷網(wǎng)等）遭受直接雷擊，則在接地電阻的兩端產(chǎn)生危險過電壓，此過電壓由設(shè)備的接地線、建筑物或附近其他建筑物的外部防雷系統(tǒng)或其他自然接閃物（各種管道、電纜屏蔽管等）引入設(shè)備，造成設(shè)備的損壞現(xiàn)象。

地電位的反擊通常存在2種形式：（1）雷電流流入大地時，由于泄放電流較大和接地電阻的存在，產(chǎn)生較大的壓降，使地電位抬高，反向擊穿設(shè)備；（2）2個地網(wǎng)之間，由于沒有足夠的安全距離，其中一個地網(wǎng)接受了雷電流，產(chǎn)生高電位，則向沒有接受雷擊的地網(wǎng)產(chǎn)生反擊，使得該接地系統(tǒng)上帶有危險的高電壓。雷電流泄放產(chǎn)生高壓示意如圖1所示。

圖1表明，建筑物在遭受直接雷擊時，雷電流將沿建筑物防雷系統(tǒng)各引下線和接地體入地，在此過程中，雷電流將在入地點(diǎn)的大地產(chǎn)生暫態(tài)高電壓。如果引下線與周圍網(wǎng)絡(luò)設(shè)備絕緣距離不夠，且設(shè)備的電源系統(tǒng)PE線接地及信號系統(tǒng)邏輯接地與避雷系統(tǒng)不共地，則將在兩者之間出現(xiàn)很高電壓，并會發(fā)生放電擊穿，導(dǎo)致設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞，甚至危及人身安全。

地電位暫態(tài)高電位不僅危害本建筑物內(nèi)的設(shè)備，還會危及到相鄰建筑物內(nèi)的設(shè)備。該相鄰建筑物內(nèi)的設(shè)備雖然沒有遭直接雷擊，但在附近建筑物遭雷擊后，暫態(tài)高電位將沿地下管道傳至相鄰建筑物內(nèi)的設(shè)備接地系統(tǒng)，對線路發(fā)生反擊，使得與這些線路相連接的設(shè)備受到暫態(tài)高電位的損害。地電位反擊可感生出幾kV到幾十kV至數(shù)百kV的反擊電壓，這種反擊會沿著電力系統(tǒng)的零線，保護(hù)接地線和各種形式的接地線，以波的形式傳入室內(nèi)或傳播到更大的室內(nèi)范圍，造成大面積的危害。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50057-94（2000）《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》第三章，第3.4.8條規(guī)定：為防止雷電流流經(jīng)引下線和接地裝置時產(chǎn)生的高電位對附近金屬物或線路的反擊，則其間的最小安全距離應(yīng)按下列表達(dá)式計(jì)算：

式中：Se2為地中的距離；Ri為引下線的沖擊接地電阻；kc為分流系數(shù)。

在鐵運(yùn)【2006】127號《鐵路信號維護(hù)規(guī)則》中，規(guī)定這個安全距離為20 m。

3 解決地電位反擊的方法

針對地電位反擊問題的解決方法：（1）引入了等電位連接的原理，實(shí)現(xiàn)本防護(hù)區(qū)域內(nèi)設(shè)備地電位升相同，很好地解決了本防護(hù)區(qū)域的設(shè)備地電位反擊問題；（2）對于使用不同接地裝置的2個防護(hù)區(qū)設(shè)備，為很好地解決地電位升高引起的反擊問題，就要保證兩個接地裝置間保持足夠的安全距離，最少要保持20 m以上。

4 結(jié)論

綜上所述，接地電阻值越小，地電位升就越小，地電位反擊電壓就低，對本防護(hù)區(qū)域和臨近防護(hù)區(qū)域的設(shè)備影響就小，防雷效果好。但如果接地裝置與其他接地裝置間有足夠的距離，同時，本防護(hù)區(qū)域內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行了很好的等電位連接，即使接地電阻值較大，也能很好地解決地電位反擊問題。因此，在有限的投資條件下，一味地強(qiáng)調(diào)要把接地電阻值做小是沒有必要的。

[1] 鐵運(yùn)【2006】6號 關(guān)于印發(fā)《鐵路信號設(shè)備雷電及電磁兼容綜合防護(hù)實(shí)施指導(dǎo)意見》的通知[S].

[2] GB 50057-94（2000）建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].