工業(yè)建筑的防雷及接地設(shè)計(jì)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(shí)到雷電的威力，由于知識(shí)的限制，人類只能對(duì)雷電保持敬畏之心，雷公電母的傳說由此誕生。直到上個(gè)世紀(jì)中葉，美國(guó)科學(xué)家富蘭克林才真正地以科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(xiàn)象。產(chǎn)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(xué)說眾說紛紜，目前國(guó)際上普遍認(rèn)可的有三種學(xué)說：1）感應(yīng)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(xué)說從不同角度分析雷云雨上正下負(fù)的電荷結(jié)構(gòu)的成因，為人類進(jìn)一步探索奠定了基礎(chǔ)。

空氣中的電子在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，形成電子雪崩。在雪崩過程中形成激發(fā)態(tài)原子，射出有高能量的光子，當(dāng)光子能量大于氣體分子的電離能時(shí)，氣體分子在這些光子的作用下產(chǎn)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(fù)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(gè)數(shù)量級(jí)。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(diǎn)，時(shí)間僅為幾十微秒，產(chǎn)生的雷電流卻高達(dá)幾十至幾百千安，電勢(shì)差可達(dá)上萬伏。雷電流的熱效應(yīng)可將接閃點(diǎn)面積較小的金屬熔化，或使非金屬如樹木等內(nèi)部水分瞬間蒸發(fā)產(chǎn)生爆炸燒灼現(xiàn)象。雷電流還能產(chǎn)生沖擊破、次聲波等危害。雷電流能在放電后的地面建構(gòu)筑物上形成局部高電勢(shì)，雷電流的極大峰值和陡度也能形成強(qiáng)大的電磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，高電勢(shì)和大感應(yīng)電流同樣對(duì)建構(gòu)筑物及其內(nèi)部設(shè)備有巨大的破壞作用，可能擊壞設(shè)備，使金屬開口處放電產(chǎn)生火花，甚至釀成火災(zāi)。雷電流巨大的破壞力使人類在現(xiàn)代化建設(shè)中不得不將防雷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作為重中之重。

2 接地保護(hù)的分類、方法

防雷最簡(jiǎn)潔的方法是接地。大地是一個(gè)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(tǒng)中的參考電位體。將非正常電流通過導(dǎo)體泄流到大地中，以保護(hù)人及設(shè)備免受電擊危害，是防雷接地保護(hù)的目的。

接地按作用分類一般分為保護(hù)性接地和功能性接地兩種。

2.1、保護(hù)性接地

2.1.1 防電擊接地 為了防止電氣設(shè)備外絕緣損壞或意外產(chǎn)生漏電流時(shí)，使平時(shí)不帶電的外露導(dǎo)電部分帶電而導(dǎo)致電擊，將設(shè)備的外露導(dǎo)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(shè)備由于高壓竄入而引起的高電壓；當(dāng)電氣設(shè)備故障時(shí)，還有利于過電流保護(hù)裝置動(dòng)作而切斷電源。這種接地，也是狹義的“保護(hù)接地”。

2.1.2 防雷擊接地 將雷電流導(dǎo)入大地，以防止雷電流使人身受到電擊或設(shè)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(dǎo)入大地，以防止由于靜電積聚對(duì)人體和設(shè)備造成危害而設(shè)置的接地。靜電感應(yīng)電流瞬時(shí)極值可達(dá)很大，有擊毀線路設(shè)備的可能。在化工廠內(nèi)防靜電接地多用于防止靜電對(duì)易燃易爆的油、氣儲(chǔ)罐、容器、反應(yīng)裝置及管道等的危險(xiǎn)所做的保護(hù)接地；也用于防止靜電敏感電子元器件遭受損傷而設(shè)。

2.1.4 防電蝕接地 地下埋設(shè)金屬體作為犧牲陽(yáng)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(tǒng)正常運(yùn)行，防止系統(tǒng)振蕩.保證繼電保護(hù)的可靠性，在交直流電力系統(tǒng)的適當(dāng)?shù)胤竭M(jìn)行接地，交流系統(tǒng)一般為中性點(diǎn)，直流系統(tǒng)一般為中點(diǎn)。

2.2.2 邏輯接地 為了確保穩(wěn)定的參考電位，將電子設(shè)備中的某個(gè)適當(dāng)金屬器件作為“邏輯地”，一般采用金屬質(zhì)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(duì)電子設(shè)備的影響，也能減少電子設(shè)備本身產(chǎn)生的干擾影響到其它設(shè)備。

2.2.4 信號(hào)接地 為保證信號(hào)具有穩(wěn)定的基準(zhǔn)電位而設(shè)置的接地，如檢測(cè)漏電流、阻抗測(cè)量電橋以及電暈放電損耗等電氣參數(shù)的接地。

3.接地電阻

接地極或自然接地極的對(duì)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(shù)值等于接地裝置對(duì)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(dǎo)體構(gòu)件、金屬井管、鋼筋混凝土建筑的基礎(chǔ)、金屬管道和設(shè)備等。

無數(shù)事實(shí)證明接地電阻的大小直接影響接地系統(tǒng)的效果。在土壤電阻率很高的地方，要興建工業(yè)項(xiàng)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(xì)菌游離物腐蝕；為了增加土壤的導(dǎo)電性，還會(huì)在土壤中加入導(dǎo)電介質(zhì)，大部分導(dǎo)電介質(zhì)都具有化學(xué)腐蝕性；還有一些電位差導(dǎo)致電腐蝕產(chǎn)生，工廠產(chǎn)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(chǎn)生了矛盾。我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)要在其中找到平衡點(diǎn)，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(tǒng)長(zhǎng)效穩(wěn)定運(yùn)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(wǎng)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(fèi)用及難度比較大，降阻效果不明顯且一定時(shí)間后容易隨著水土流失，達(dá)不到持續(xù)降阻的效果。

加大接地網(wǎng)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(shí)，接地電阻才減小29.3%，有些廠區(qū)受面積限制，使用此方法也很難達(dá)到低接地電阻。

深井法和爆破法常用于地質(zhì)惡劣條件，技術(shù)難度較大，危險(xiǎn)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(wěn)定的特征常用于多種環(huán)境中。但是接地極與土壤接觸范圍較小泄流效果有限，每個(gè)接地極之間要保持一定距離以防止電流反擊，所以在廠區(qū)范圍內(nèi)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(wǎng)配合使用，才能達(dá)到滿意的接地效果。

因?yàn)殂~的導(dǎo)電率較好，而且抗氧化的程度高，在普通腐蝕環(huán)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(dǎo)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(fā)電產(chǎn)核心部分特別適合脫硫裝置等化工裝置強(qiáng)酸性腐蝕地區(qū)使用。

鋅的材料性能也具有陰極保護(hù)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(qū)使用。

4 接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在化工工業(yè)廠區(qū)的設(shè)計(jì)中，一般采用綜合接地系統(tǒng)。防雷接地與防靜電接地等合用一套接地系統(tǒng)。并入全廠接地網(wǎng)中。包含：避雷針、引下線和接地體。

把各種接地并入一個(gè)接地系統(tǒng)可以使全廠成為一個(gè)暢通的大型接地網(wǎng)?？梢杂行У谋苊饫讚魰r(shí)各個(gè)系統(tǒng)接地點(diǎn)間產(chǎn)生電位差，造成雷電反擊。否則在同一廠區(qū)內(nèi)，接地系統(tǒng)分開，還需按《建筑防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]設(shè)計(jì)防雷電反擊措施，增加接地系統(tǒng)的復(fù)雜性。

建構(gòu)筑物的基礎(chǔ)內(nèi)有大量鋼筋，按《建筑防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]要求焊接制作成基礎(chǔ)接地體，基礎(chǔ)接地體與土壤接觸面積大導(dǎo)流效果好，利用基礎(chǔ)和柱內(nèi)鋼筋做等電位連接板，將建筑物內(nèi)部的需要接地的器件全部連接起來，形成一個(gè)大的良好的等電位體。在雷電來襲時(shí)，可以保護(hù)內(nèi)部人員設(shè)備不受雷電反擊傷害。再利用人工接地裝置將基礎(chǔ)接地體和全廠接地網(wǎng)連接起來，這樣既可以增大接地網(wǎng)的接地面積，又克服了單體建構(gòu)筑物接地體的局限性。

綜上所述，一個(gè)大型的防雷接地系統(tǒng)，既要滿足國(guó)家規(guī)范對(duì)防雷接地設(shè)計(jì)的要求，又要結(jié)合實(shí)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(jié)合，并選擇合理的防雷接地材料，使該系統(tǒng)能有效的保護(hù)人員設(shè)備免受傷害，且達(dá)到長(zhǎng)期有效運(yùn)行。

[1].林建民,寧波.寧波防雷裝置設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)規(guī)范[S]，2011.