建筑物雷電防護及等電位保護研究初探

摘 要：雷電災害嚴重危害到建筑電氣設備正常工作及人身生命安全，因此，采取相應的防雷接地和等電位保護措施是至關重要的。雷擊及觸電事故通常都是因為過大的電位差引起的，為此，本文探討了防雷接地和等電位保護措施及其工作原理，對建筑物電氣設備的防雷建設有一定參考價值。

關鍵詞：建筑電氣；雷電；防雷；電位差；等電位連接；電涌保護器

中圖分類號：TU856文獻標識碼：A隨著建筑物內越來越多的裝備了各種信息化的電子、電氣設備，因此，建筑物的防雷工作更加嚴峻了。雷電作為一種自然現象，尤其是在廣東沿海地區，是雷害最嚴重的地區之一。雷擊時有強大電流通過，產生機械力和熱效應，破壞建筑物和電氣設備造成干擾或永久性損壞，這也是如今雷電災害事故頻繁發生、導致損失越來越大的一個原因。

1 建筑物雷電防措施

眾多雷擊、觸電事故表明，雷擊及觸電事故通常都是因為過大的電位差引起的。由于大地是一個電阻非常低，電容非常大的物體，且具有吸收大量電荷后仍然保持電位不變的能力。所以，人們通常把大地作為參考電位體。打接地極與大地連接，通過接地線的傳導取得地點位，并可將雷電流寫入地下，降低對地電壓，這就是我們所說的防雷接地。

1.1 常用電氣設備的防雷措施

配電變壓器的保護措施：由于夏季多雷，單獨采用某一種防雷保護措施往往不能奏效，宜采用綜合防雷保護措施；即高壓側裝設避雷器單獨接地，低壓側避雷器，低壓側中性點及變壓器金屬外殼連接在一起的分開接地的保護方式。

1.2 防雷電波侵入及防雷電感應措施

建筑物內的設備、管道、構架、電纜金屬外皮、鋼屋架鋼窗等較大金屬物和突出屋面的水管、風管等金屬物，均應接到接地裝置上。低壓線路宜全線采用電纜直接埋地敷設，在入戶端應將電纜的金屬線槽內的電纜引入時，在入戶端應將電纜金屬外皮，金屬線槽接地。

1.3 信息系統防雷擊電磁脈沖措施

雷擊電磁脈沖是由于雷云間放電和雷云對大地間放電產生的雷電電磁脈沖，使金屬物上的金屬部件，如管道、電源線、信號線、天饋線等感應出與雷雨云電荷相反的電荷，通過上述介質引入室內造成放電，對電子設備造成損壞。

2 接地與等電位保護研究

2.1 接地按功能可分為功能性接地及保護性接地兩大類

第一，功能性接地主要是為了保證電氣設備和電子設備的正常和穩定的工作。主要有工作接地：為了交直流系統的可靠運行，要求系統在是到處進行接地。信號接地：為保證信號具有穩定的基準電位而設置的接地；邏輯接地：為了確保穩定的參考電位，常將電子設備中的合適金屬件作為"邏輯地"；屏蔽接地：為了防止外來電磁干擾對電子設備的影響，同時減少電子設備產生的干擾影響其他的電子設備，常將干擾源接地，將其引入大地。

第二，保護性接地是為了保護電氣設備和人身安全而設置的，主要有放電擊接地：當電氣設備絕緣損壞或因某些原因產生故障電流時，使平常不帶電的外露可導電部分帶電，而導致電擊事故的發生。

2.2 等電位聯結措施及作用原理

為了降低電位差造成的傷害，根據法拉第籠的原理，將電氣系統的電氣設備可導電外露金屬外殼，金屬構件等用導體與大地連接或與代替大地的導體連接，使其電位相近或相等，這就是我們所說的等電位連接。等電位連接時建筑施工設計中極其重要的安全措施。直接關系到人們的生命安全。在《建筑電氣施工質量驗收規范》（GB50303-2002）中做了有關規定。等電位的連接作用范圍越小，電氣上越安全。

第一，總等電位連接是將建筑物進線配電箱的PE排，公用設施金屬管道，建筑的金屬結構以及防雷裝置等匯接到進線配電箱旁的總接地端子板上，并互相簡單連接，總等電位作用于全建筑物，在一定程度上可降低建筑物內間接接觸電擊的接觸電壓和不同金屬部件間的電位差，并消除自建筑物外經電氣線路和各種金屬管道引入的危險電壓故障的危害。

第二，等電位聯結作用。等電位聯結使用可以降低預期接觸電壓達到減少電位差的作用。

在常用的TN-C-S系統，在電源進線處PEN線分成PE線和N線（N線從此處開始與PE線絕緣），設有重復接地，不安裝總等電位聯結。如果設備發生接地故障，忽略接地故障點的阻抗，RA與RB串聯后再與ZPEN并聯，RA+RB>>ZPEN；人體阻抗Zh與鞋襪和地板電阻Rp串聯后再與ZPEN并聯，Zh+Rp>>ZPE，接地故障電流Id流經相線和PE線，PEN線，返回變壓器低壓繞組，即：

Id=UO/（ZT+ZL+ZPE+ZPEN）（1）

式中U0-相對地標稱電壓（伏）；ZT-變壓器零序阻抗（歐）

ZL-相線阻抗（歐）；ZPE-電氣裝置內部PE線阻抗（歐）

ZPEN-電氣裝置內部PE線阻抗（歐）

對預期故障電壓UT1可用下式計算：

UT1=Id×ZPEN×RA/(RA+RB)×Id×ZPE（2）

做了總等電位聯結后預期接觸電壓為：

UT2=Id×Zpe（3）

從以上式（1）式（2）可知，做了總等電位聯結后，減少的預期電壓為：

ΔU=UT1-UT2=Id×ZPEN×RA/(RA+RB)（4）

由此可知，做了總等電位聯結后，在總等電位聯結區內，作為總等電位聯結組成部分的建筑物基礎鋼筋、金屬結構件、金屬管道、金屬電纜橋架、電纜金屬護套、敷設電纜或導線金屬管等自然接地體，接地電阻值極小，已起到重復接地的作用。

第三，局部等電位聯結作用。局部等電位聯結能消除自總等電位聯結后沿PEN線或PE線傳導的危險故障電壓。

當建筑物內配電線路較長，且截面較小時，由于回路阻抗大，接地故障電流小，不能滿足保護裝置切斷時間要求，為此需加大導體截面或裝設剩余電流保護器。如果在此局部范圍內設置局部等電位聯結，則可簡單可靠的解決過流保護靈敏度不夠的問題。

并未設置局部等電位聯結時，一旦設備發生固定式設備接地故障，接地故障電流Id則為：

Id=U0/(ZT+ZL+ZPEN+ZPE1+ZPE2)（5）

式子中，Id-接地故障電流（安）ZT-變壓器零序阻抗（歐）；

ZL-相線阻抗（歐）；ZPEN-PEN線阻抗（歐）；

ZPE1-進線配電箱至終端配電箱PE線等值阻抗（歐）；

ZPE2-固定式設備至配電箱PE線等值阻抗（歐）；

U0-相對地標稱電壓（伏）。

預期接觸電壓UT為：

UT=Id×（ZPE1+ZPE2)（6）

電源系統接地的電阻值RB與保護導體接地電阻值RA之和遠遠大于PEN線阻抗ZPEN，故在以上接地故障電流的計算中，忽略了接地極的分流。

但采用上述所示的局部等電位聯結時，其接地故障電流為：

Id=U0/[ZT+ZL+ZPEN+(ZPE1×ZPEΣ)/(ZPE1+ZPEΣ)+ZPE2]（7）

式子中，ZPEΣ=ZPE3+ZPE4+ZPE5+ZPE6

接地故障電流Id2為：

Id2=[Id2×（ZPE1×ZPEΣ)/(ZPE1+ZPEΣ)]

ZPEΣ=Id×ZPE1/(ZPE1+ZPEΣ)（8）

其固定設備的預期接觸電壓UT1為：

UT1=Id×ZPE2+Id2×（ZPE3+ZPE4)（9）

其手握式設備的預期接觸電壓UT2為：

UT2=Id2×（ZPE3+ZPE4）（10）

通過UT與UT1的比較可發現，局部等電位聯結消除自總等電位聯結后沿PE線的危險故障電壓，即使保護電器切斷時間超過5s，手握式設備的預期接觸電壓UT2僅為接地故障電流的分流Id2在ZPE3和ZPE4的電壓降，ZPE3和ZPE4值很小，不至于發生電擊事故。

3 電涌保護器的設置

電涌保護器是電子設備雷電防護中不可缺少的一種裝置，過去常稱為"避雷器"或"過電壓保護器"英文簡寫為SPD。電涌保護器的作用是把竄入電力線，信號傳輸線的瞬時過電壓限制在設備或系統所能承受的電壓范圍內，或將強大的雷電流泄流入地，保護被保護的設備或系統不受沖擊而損壞。其工作原理是當沒有瞬時過電壓時呈現為高阻抗，但一旦響應雷電瞬時過電壓時，其阻抗值就突變為低值，允許雷電流通過。

結語

總而言之，建筑物的防雷建設是一項值得長期的研究和探索工作，防雷建設的好壞直接關系到建筑及建筑內設備、人員安全。只有本著科學、認真的精神，不斷完善防雷接地的設計，提高等電位保護的可靠性，才能有效預防和減少雷擊的發生，從而保證建筑物電氣設備及人員的安全。

參考文獻

[1]樊敏.淺析信號設備雷電防護等電位技術[J].鐵道通信信號，2007.11.