防雷接地技術(shù)在建筑電氣安裝中的要求分析

張磊 孫晨宇

北京國際建設(shè)集團有限公司 北京 100054

雷電是常見的自然現(xiàn)象，產(chǎn)生雷擊時電流最大可達a*106A。其強大的電場，使附近導(dǎo)體發(fā)生電磁感應(yīng)，雷擊時電流產(chǎn)生的高電勢，足以損壞配電系統(tǒng)和用電設(shè)備，如果防雷接地安裝處理不當，則會造成巨大的經(jīng)濟損失，甚至影響生命財產(chǎn)的安全[1]。防雷接地工程包括內(nèi)部和外部兩個部分的內(nèi)容，外部防雷主要指防雷直擊。內(nèi)部防雷主要指雷擊時產(chǎn)生的感應(yīng)電流毀壞室內(nèi)機械設(shè)備或其他用電設(shè)備。

北京奔馳汽車有限公司發(fā)動機二廠區(qū)的聯(lián)合廠房，位于北京經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)路南區(qū)，北至融興北二街，南至融興北一街，西至瑞合東二路，東至亦柏路。項目新增建筑面積93468m2。新建發(fā)動機聯(lián)合廠房，配套建設(shè)能源中心、污水處理站、油罐區(qū)油泵房以及三個門衛(wèi)。發(fā)動機聯(lián)合廠房內(nèi)含缸體生產(chǎn)線、曲軸生產(chǎn)線、鋼蓋生產(chǎn)線、組裝生產(chǎn)線、冷測區(qū)和組裝返修車間。內(nèi)置很多大型機械，工人數(shù)量多，機械運行時間長，對防雷接地有著很高的要求。

1 防雷接地的意義

防雷接地技術(shù)是在遵循相關(guān)建筑防雷規(guī)范的前提下，利用科學電氣安裝方式將建筑物圍護結(jié)構(gòu)、配電系統(tǒng)內(nèi)的電氣設(shè)備和接地網(wǎng)有效連接，達到內(nèi)外防雷的效果。以便建筑物遭受雷擊時，起到引流入地、消減電勢的作用，有效保護聯(lián)合廠房車間電氣設(shè)備和工作人員的安全。

2 發(fā)動機聯(lián)合廠房雷擊參數(shù)計算及防雷需求

我國雷擊對人體和電器設(shè)備造成損害的現(xiàn)象十分普遍。發(fā)動機聯(lián)合廠房作為工作人員和大型機械的工作處，防雷設(shè)計尤為重要。《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》將建筑物的防雷要求分為三類。根據(jù)建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)的公式:

上式中，

N— 全年預(yù)計遭雷擊的次數(shù)(次/a)；

K— 雷擊次數(shù)的校正系數(shù)，一般情況取 1；

Ng— 全年內(nèi)雷擊大地平均密度；聯(lián)合廠房所在地（北京）Ng=0.024Td1.3；

Td— 全年平均雷暴日；取值于當?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)（d/a），北京奔馳發(fā)動機二廠聯(lián)合廠房所在地（北京）全年平均雷暴日Td=35.6d/a；

Ae—聯(lián)合廠房雷擊次數(shù)相同的建筑物等效面積(km2)；等效面積的計算計算公式有兩種:

當H＜100m 時，采用公式①

當H≥100m 時，采用公式②

北京奔馳發(fā)動機二廠聯(lián)合廠房最高標高為9.9m，選擇公式①計算年預(yù)計雷擊次數(shù)計算參數(shù)數(shù)據(jù)。通過計算，本項目的年預(yù)計雷擊次數(shù)計算參數(shù)見表1。

表1 聯(lián)合廠房年預(yù)計雷擊參數(shù)表

從表1可知，聯(lián)合廠房所在地預(yù)計雷擊數(shù)為0.355，詳細參數(shù)如表1所示。該項目為人員密集型建筑，根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》的分類，該建筑物屬于二級防雷建筑物。防雷接地系統(tǒng)應(yīng)當按照第二類防雷建筑物防雷要求執(zhí)行電氣安裝。

3 電氣安裝中的防雷接地技術(shù)要求分析

3.1 外部防直擊雷接地要求

3.1.1 基礎(chǔ)柱接地作法要求

接地是防雷技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，目的是為了把雷電流引入大地。依據(jù)第二類防雷建筑物防雷要求，利用基礎(chǔ)鋼筋（包括樁鋼筋網(wǎng)豬籠筋）作為防雷接地，利用柱內(nèi)兩條主鋼筋作為引下線，利用砼基礎(chǔ)梁鋼筋作為地極連線，利用屋面梁鋼筋及女兒墻壓頂鋼筋作為暗裝避雷帶。

外部防直擊雷接地基礎(chǔ)中的鋼柱及混凝土柱都采用熱鍍鋅圓鋼，沿基礎(chǔ)底部一圈敷設(shè)，與基礎(chǔ)四角鋼筋可靠焊通；在地下一米的素土層再用不銹鋼圓鋼，沿基礎(chǔ)底部一圈敷設(shè)，再與基礎(chǔ)四角鋼筋可靠焊通。焊接后做防腐處理，再與鋼柱用螺栓連接。

地坪板內(nèi)底層鋼筋網(wǎng)的上方用40x4熱鍍鋅扁鋼沿每柱敷設(shè)，形成約10x10網(wǎng)格。所有地坪板內(nèi)敷設(shè)的鍍鋅扁鋼，均沿其敷設(shè)方向每隔4～5m與地坪板內(nèi)底層鋼筋焊接連接。所有焊接采用雙面焊，焊接長度大于6D，焊接點要求做到光滑平整，無咬肉、加渣、漏焊現(xiàn)象。

兩根引上的鍍鋅扁鋼用M12螺柱與鋼柱翼緣板打孔連接。若為箱形柱，則用8#槽鋼先與鋼柱焊接，再將引上的鍍鋅扁鋼用M12螺栓與槽鋼的另一面打孔連接；引出地面的扁鋼做黃綠相間的熱塑封處理；地坪板內(nèi)敷設(shè)的鍍鋅扁鋼，在通過地坪縫時需要進行變形處理。

聯(lián)合廠房在-0.5m處利用40×4熱鍍鋅扁鋼作為接地網(wǎng)，通過三處與能源中心接地網(wǎng)可靠連接?；A(chǔ)接地網(wǎng)主要是將地下所有引下線串聯(lián)在一起，然后通過樁基礎(chǔ)中的引下線導(dǎo)入大地的一種防護措施，實測接地電阻要求不大于1Q。

3.1.2 屋頂及其他接地作法要求

聯(lián)合廠房主要采用鋼結(jié)構(gòu)建成，根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，結(jié)合聯(lián)合廠房圍護結(jié)構(gòu)特點，本項目利用鋼結(jié)構(gòu)廠房的金屬屋面做接閃器，施工時要求金屬板重疊搭接部分的長度大于或者等于100mm，金屬板其厚度要求不得小于0.5mm，一般要求采用0.7mm厚的金屬板。北京奔馳汽車有限公司發(fā)動機二廠區(qū)工業(yè)聯(lián)合廠房維護板采用瓦楞型彩鋼夾芯板，厚度達到0.7mm，鋼結(jié)構(gòu)屋面維護板搭接部分超過100mm，完全滿足規(guī)范中關(guān)于接閃器的要求。

屋頂平面用塑料防雷支座。沿屋角、屋脊等易受雷擊處用10 鍍鋅圓鋼做明裝接閃帶；再次在屋面結(jié)構(gòu)板下敷設(shè)主筋組成網(wǎng)格作為屋面接閃網(wǎng)。聯(lián)合廠房屋頂主筋焊接成一個壓力共享環(huán)，并與每條引下線焊接。外墻上的所有金屬欄桿、金屬門窗均應(yīng)安裝防雷裝置。與壓力共享環(huán)或引線焊接。接閃器（金屬屋面）利用引下線（鋼柱）引入接地網(wǎng)。即使不作防雷系統(tǒng)用，鋼結(jié)構(gòu)廠房的基礎(chǔ)上的主鋼架、凜條及屋面圍護系統(tǒng)，也有很好的連接性能，電氣通路導(dǎo)電能力強，施工時要求按跨度將鋼柱作為引下線，引下線下端與基礎(chǔ)柱鋼筋連接，上端與屋頂樓面鋼筋連接，廠房外墻側(cè)面上的金屬構(gòu)件，用預(yù)埋扁鋼與防雷結(jié)構(gòu)連接，可滿足規(guī)范中關(guān)于引下線的要求。

屋頂防雷接閃網(wǎng)共有四處與北附房接閃器可靠連接、三處與能源中心接閃器可靠連接。此外，聯(lián)合廠房的圍護結(jié)構(gòu)中的最外緣的四角，利用建筑鋼柱或者構(gòu)造柱內(nèi)鋼筋做下引線。距地面0.5m處設(shè)置測試板，以便測試該處的接地電阻。如果基礎(chǔ)自然接地網(wǎng)達不到接地電阻值的要求，需要制作人工接地體，并和基礎(chǔ)自然接地網(wǎng)并聯(lián)，最終得到較低接地電阻值。

3.2 內(nèi)部防雷接地要求

內(nèi)部接地類型很多，常見的有防雷接地、陰極保護接地、靜電接地等。為了最大限度的排除不安全因素，所以北京奔馳發(fā)動機二廠聯(lián)合廠房主要采用聯(lián)合接地方式。

3.2.1 變壓器防雷接地

聯(lián)合廠房主車間所有干式變壓器均為1000kVA，以2#屋頂機房的缸體CB3生產(chǎn)線變壓器W-T3為例，該變壓器負荷率為82.6%，負責給缸體CB3生產(chǎn)線設(shè)備供電。根據(jù)防雷接地要求進行分析，接線方式應(yīng)該有利于低壓側(cè)單相接地故障的切除，有效抑制3n次諧波的影響。通過防雷接地技術(shù)，提高變壓器單相不平衡負荷的承受能力及變壓器的防雷性能。

目前的配電變壓器在低壓側(cè)為三相四線制系統(tǒng)時，主要的接線方式有Y,yn0 和D,yn11兩種方式，相比Y,yn0接線方式，D,yn11接線對以上要求都有很好的承受能力，特別是其防雷性能。

當雷電流入侵變壓器時，其低壓繞組中的沖擊電流磁通會在高壓繞組中產(chǎn)生很高的感應(yīng)脈沖電勢。通過D,yn11接線，會使高壓繞組內(nèi)流通的沖擊電流與低壓側(cè)的沖擊電流平衡，雷電流在任何鐵芯柱上產(chǎn)生的磁勢接近于零，達到有效消除正逆變換的過電壓現(xiàn)象。變壓器W-T3防雷接地同時采用外部直接接地和內(nèi)部地網(wǎng)防雷接地多重接地方式，其示意圖如圖1所示。

圖1 變壓器W-T3防雷接地示意圖

3.2.2 等電位聯(lián)結(jié)

雷電流沿著引下線下行時可能導(dǎo)致瞬態(tài)電位上升，如果周圍的電氣回路缺乏等電位連接，將產(chǎn)生很大的電位差，擊穿介質(zhì)導(dǎo)致反擊事故，所以要求在整個建筑物內(nèi)進行總等電位連接，并對相應(yīng)的電氣回路也實現(xiàn)等電位連接。

工程中的變電房要求采用總等電位接地MEB端子板，使主接地線和柱內(nèi)主鋼筋有效焊接。總等電位聯(lián)結(jié)連接到聯(lián)合廠房的所有導(dǎo)電部件上。用25mm2型號銅導(dǎo)線作為主母線。每個接地接入線用同一接地系統(tǒng)，和接地網(wǎng)有效接地連接，接地電阻R＜1Ω。要求在配電室、弱電機房、消防中心、電梯機房、水泵房等重要場所均設(shè)局部等電位接地[2]。聯(lián)合廠房低壓系統(tǒng)接地方式采用TN-S系統(tǒng)。配電室低壓柜將保護地線(PE)和中性線(N)分開后，嚴禁重復(fù)連接。所有電氣設(shè)備的金屬外殼都與保護地線(PE)連接。

3.2.3 IT系統(tǒng)在廠房設(shè)備中的應(yīng)用

低壓電氣系統(tǒng)主要分為TN接地系統(tǒng)、TT接地系統(tǒng)和IT接地系統(tǒng)。

(1) TN-S系統(tǒng)將中性N線和保護PE線分開。二者不允許再有任何電氣連接，PE線在正常情況下沒有電流產(chǎn)生，當接地故障電流較大時，過流保護器會對接地故障起保護作用。由于PE線對地沒有電壓，所以電氣設(shè)備金屬外殼接零保護是接在專用的保護線PE上，安全可靠[3]。分析聯(lián)合廠房的電氣設(shè)備特點，低壓配電系統(tǒng)的主要接地形式選擇TN-S系統(tǒng)，工作零線只用作單相照明負載回路。

本項目的缸體生產(chǎn)線、曲軸生產(chǎn)線、鋼蓋生產(chǎn)線大部分場所使用TN-S系統(tǒng)接地，以保護機械設(shè)備的正常運行。

(2) TN-C-S系統(tǒng)是綜合TN-C系統(tǒng)和TN-S系統(tǒng)的特點，在TN-C-S系統(tǒng)中，連接電源線無用電設(shè)備，采用TN-C系統(tǒng)，用以傳輸電能，在用電負荷附近選擇合適的節(jié)點，將PEN線分開，形成單獨的中性N線和保護PE線[4]。TN-C-S系統(tǒng)運用于建筑施工臨時供電中。

(3) 當TT系統(tǒng)設(shè)備正常運行時，外殼沒有通電，一旦發(fā)生故障，外殼的高電位不會沿PE線傳遞給整個系統(tǒng)[5]。因此，TT系統(tǒng)適用于電壓敏感數(shù)據(jù)處理設(shè)備和精密電子設(shè)備的供電。例如聯(lián)合廠房的冷測車間要求采用TT系統(tǒng)，其中的電氣設(shè)備可以利用自身的接地極和PE線。PE線之間沒有電氣連接，也不需要等電位連接來消除設(shè)備之間的電位差。

(4) IT系統(tǒng)電氣設(shè)備的金屬外殼直接接地，供電側(cè)采用高阻抗絕緣或接地。當?shù)谝浑A段發(fā)生故障時，接地故障的電流非常小，故障電流等于其他兩相對地電容電流的相量之和，不會引起電擊事故，因此有不用斷電的優(yōu)勢。IT系統(tǒng)多用于對不間斷電源和防震要求較高的空間，本項目部分場所使用了IT系統(tǒng)。

IT系統(tǒng)的優(yōu)勢是帶有絕緣監(jiān)視器。當首次發(fā)生接地故障時，系統(tǒng)會繼續(xù)工作，如果出現(xiàn)絕緣監(jiān)視器報警現(xiàn)象，應(yīng)及時檢查接地線路。以免另外兩相接地也出現(xiàn)故障。如果首次故障排查滯后，導(dǎo)致另現(xiàn)外兩相接地也出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會形成相間短路，此時過流保護中斷供電，將電源隔離，有效防止系統(tǒng)漏電。本項目的辦公室、衛(wèi)生間、庫房、資料室等小區(qū)域采用IT系統(tǒng)。

4 總結(jié)

本文在計算了該聯(lián)合廠房全年的預(yù)計雷擊次數(shù)后，根據(jù)防雷接地規(guī)范的要求，對每種接地方式的優(yōu)缺點和適用場所進行分析，并提供了電氣安裝防雷接地安全技術(shù)。總之，聯(lián)合廠房電氣系統(tǒng)接地有多種方式，內(nèi)部防雷接地電氣系統(tǒng)主要采用TN-S接地形式，某些小空間按要求采用IT系統(tǒng)接地。防雷接地系統(tǒng)在工業(yè)廠房建筑中具有重要的保護意義，防雷接地技術(shù)決定了建筑物的防雷性能。進行建筑電氣安裝時，應(yīng)對建筑類型進行認真的防雷接地施工要求分析，注重接地網(wǎng)、引下線、接閃網(wǎng)等關(guān)鍵施工環(huán)節(jié)，保證工程施工質(zhì)量，充分建筑電氣安裝中發(fā)揮防雷接地技術(shù)的作用和價值。