电化四段 张彬
摘 要：在供电系统运行中接地装置起着至关重要的作用。它不仅是电力系统的重要组成部分，而且还是人身安全及保护用电器的主要措施。在日益发生的自然雷害面前我们特别论述防雷的危害性、重要性、必要性。
关键词：供电系统 接地 防雷、电磁脉冲防护 LEMP 电子(逻辑)接地 正文：
通过近一段时间在对现场设备及临时电网的维修与维护，发现许多问题的发生及一些最终的解决方法都是与接地有密切关系的，也让我彻底改变了从前对供电系统及用电设备接地不重视、有时候则有要不要没有关系的想法，让自己总是停留在一个业余者的角度上。通过认真地请教、查询资料等途径，来充实自己。在电力系统运行中接地装置起着至关重要的作用。它不仅是电力系统的重要组成部分，而且还是保护人身安全及用电器的主要措施。供电系统和电气设备的某一部分与大地做金属性的良好接触，称为接地。按接地的目的可分为：工作接地、保护接地、保护接零以及防雷接地。特别论述配电网接地制式与建筑物电气设备的电磁兼容问题；接地网的电阻值及接地网的结构在防雷中的作用；外部防雷和内部防雷两个子系统的放电过程；指出了接地技术中的宣传误导。 一、接地分类及作用 1、工作接地
在正常或异常情况下，为了保证正常且可靠地运行，必须将供电系统中的某点与地做可靠的金属连接，称为工作接地。如变压器的中性点与接地装置的可靠金属连接等。其作用：①降低人体的接触电压，在中性点对地绝缘的系统中，当一相接地，而人体又触及另一相时，人体将受到线电压，但对中性点接地系统，
人体受到的为相电压。②迅速切断故障设备。在中性点绝缘的系统中，一相接地时，接地电流仅为电容电流和泄漏电流，数值很小，不足以使保护装置动作以切断故障设备。在中性点接地系统中，发生碰地时将引起单相接地短路，能使保护装置迅速动作以切断故障。③减轻高压窜人低压的危险。 2、保护接地
在正常工作状态下，各种电器的外壳是不带电的。但由于某些原因，造成设备绝缘损坏后可能使外壳带电，人或动物一旦接触到这种外壳带电的设备就有触电的危险。为了防止这种现象出现时危及人身安全，将电器设备正常时不带电的金属外壳、配电装置的金属部分同大地做良好的电气连接，称作保护接地。图1，设备外壳不接地。当故障时，由于带电线路对地电容存在，将产生电容电流。又因为设备外壳与大地间的接触电阻较大，若忽略其分流作用，则故障电流将全部 由地中经人体返回设备外壳。即人体中的电流为：Ir=Ijd。由于人触电的危害程度主要决定于通过人体的电流。人体最小的感觉电流工频约为1mA，直流约为5mA。当工频电流超过10mA时，手已难于摆脱电源；当超过50mA且触电时间超过15~30s，即可致命，所以，在绝缘损坏时，人碰触到电器设备外壳是很危险的。若要使人们触及绝缘损坏的电器设备外壳不遭受触电的危险，关键是减少设备外壳与大地间的接触电阻，使流过人体的电流在安全要求的允许范围内。保护接地的目的就在于此。如图2所示，采用保护接地后，流入人体的电流为：Ir=Ijd*rjd/（rr+rjd）。式中：Ijd----接地电流（A）；Ir----流入人体电流（A）；rjd----接地电阻（Ω）；rr----人体电阻（Ω）。由于人体电阻远大于接地电阻,则上式可以简化为： Ir= rjd/rr。流过人体的电流Ir与接地电阻rjd和接地电流Ijd成 正比。因此，为了保证人身安全，应设法尽量减少接地电阻和故障电流的值。
Ijd Ijd
Ir C Ir C
Ijd Ijd rjd 图1 图2 变电所（站）中需要保护接地的的部分一般有变压器及各种电器设备的底座和外壳、开关电器的操作机构、互感器副边绕组、配电屏与控制屏的框架、屋外配电装置的金属架构、钢筋混凝土架构、电缆金属支架以及靠近带电部分的金属遮栏、金属门等。 3、保护接零
电器设备的中性点接地时，该点称作零点。由零点引出的导线称作零。电器设备的外壳与零线连接时，称作保护接零。在中性点直接接地的低压电力网中采用保护接地时，由于中性点接地电阻设备外壳接地电阻值较大，而系统电压又低（如220v），使得碰壳故障电流Ijd较小，无法起动保护装置切断电源，设备外壳长期带电，危及人身安全，由于在低压电网中为减少接地电阻而敷设接地网不经济，故通常是利用已有的零线作为保护接地线，形成保护接零的保护方式。零线电阻小，故障时电流较大，使保护装置可靠地动作切除电源，保证了人身及设备安全。此方法简单、经济、故在低压电网中较多采用。
当零线断线而未采用重复接地的电网中发生单相碰壳故障后，零线电位升高，故障相对零线电压下降，而非故障相对零电压升高，接近线电压，将产生不良后果。如产生故障相所接的电器电压不够，非故障相所接的用电器将产生高电压而烧毁等。为了避免此类事故发生低压用电器应采用重复接地。由于重
复接地点与大地可靠连接，零线电位不再升高，保证了人身及设备的安全。
值得注意的是，采用重复接地也不是绝对安全的。因为重复接地点固定不变，而零线断线点不定。当零线某点断线后仍可能使一部分设备外壳带有危险电压。
4、 防雷接地
防雷及接地清单计价中的计量单位为项，清单计价表中的综合单价为每项的价。提清单量时，如防雷及接地各自为一个系统，则可分别计算一个防雷装置和一个接地装置。如防雷及接地合用一组接地极，则可合并为一个编码，清单量为一项。⑴接地装置项目特征应表述清除接地母线的材质、规格、敷设部位（室内还是室外）及接地极的材质、规格。如需作特别处理，如换土、化学处理时应表述出。工程内容应按实际需要描述清楚，只作定性描述不作定量分析，既只描述工程内容，不提出工程数量。⑵防雷装置和接地装置一样对于项目特征须按设计要求表述清楚，工程内容描述清楚。⑶防雷及接地装置接地电阻试验应作编码，其一项中不含接地电阻试验。2.接地极一般用钢。
二、防雷接地的特别分析
1、供电系统接地方式与室内电磁兼容的关系
配电网接地系统的制式关系到电网的运行安全和建筑物的供电安全。西方国家特别重视供电质量，对电源频率和电压质量都有严格的要求；他们对智能建筑物内的电磁兼容问题也很重视，重要建筑物广泛采用屏蔽电缆的供电方式。现在我国智能建筑物的设计已经注意到这一点。现在大城市中的配电变压器已经采用小电阻接地方式，电源线已经广泛采用TN-S和TN-C-S系统，俗称三
相五线制；在室内注意按综合布线的规范敷设电气线路。
如果把三相电源系统的火线比做上水管道，则N线有如下水管道，它输送
的电流有闪光灯和闸流管等电气设备产生的杂波，还有电源系统故障时产生的过电流等。这样电源自成闭合系统，PE线只是起到接地固定电位的作用，平时并无电流流过。如果把N线与PE线合并，这些杂波电流和过电流就会在地线中产生浮动电压，使电子设备遭受损坏和不能正常工作。所以，N线必须绝缘敷设，PE线必须独立敷设，这正是三相五线制供电系统建立的意义。检查N线与PE线是否绝缘良好的办法是测量PE线内的电流，正常情况下PE线内不应该有电流。我们在故宫防雷工程中测量某宫殿的防雷接地时，发现接地电阻表摇摆不定，从而发现N线与PE线有搭接的故障。PE线的作用就是，平时作为电子地(逻辑接地)和设备的保安接地，在雷击时兼做防雷接地。
三相四线制的PEN线也有保安接地的作用，但是它不能做电子接地，因为它平时将有杂散电流通过，不能保证电子设备的稳定运行。例如：1993年在北京西便门立交桥东北侧曾有一片平房(商店)发生火灾，原因是有一辆高架货车把电线挂断，发生单相电弧接地事故，而该商店的电气开关未能立即开断，这片平房顶棚内的电线因过电流而熔化并引发火灾。我国农村地区要特别警惕这种架空线配电建筑物的安全问题。IEC防雷标准和我国现行建筑物防雷标准选用SPD的U1ma时，只考虑220／380V电网中性点接地方式，而没有考虑其上一级10kV电网的中性点的接地制式。以至常选用440V、470V的U1ma，这样做是不妥当的。我国多数配电网是采用中性点绝缘或经消弧线圈接地的方式，这些电网发生单相接地故障可能运行几个小时，此时相电压变为线电压，使SPD烧毁。我国水利电力部和机械工业部根据本国情况考虑荷电率制定的避雷器国家标准GBll02-2000，对220V级MOV规定U1ma=600V，相问MOV的U1ma =1200V。这样做既能减少SPD烧毁，又能有效地防雷才是合理的。
建筑物雷害事故统计表明：80～90％的事故是由电气线路引入的，直接雷
击的事故并不多。在山区和农村中建筑物的供电用架空线直接引入不是好办法；建议改用铁管穿线屏蔽敷设：进线杆前连接一段长度大干15m的架空伸长地线兼做避雷线，此段线路的作用是增加屏蔽铁管前主线路的电感，使1#SPD(氧化锌避雷器)便于启动，在进线杆前再连接2#SPD，进线杆的铁脚和铁管的上端联合接地。
2、取决接地电阻大小的要素
经验表明，接地体的电阻主要决定于它与地的接触电阻。我们在打接地棒后立即测量其接地电阻值时测得某一数值；只要抓住接地棒的上端摇一摇，再测时其接地电阻值将增加。这是因为接地棒与其附近的土壤脱离的缘故。在钻孔埋接地体的时候，灌水和填土后其接地电阻值将有一变化时期。开始其接地电阻值小，后来变大(土壤与接地体脱离)，长时期后又变小(因土壤压实)。用碳棒和碳质模块做接地体时其接地电阻值并不如计算那样理想，但是如果在它们的周围涂以LRCP降阻剂则可较理想地达到预期的接地电阻值。这些都说明接地体与地的接触电阻是决定接地电阻的重要因素。
接地网的接地电阻与接地网的面积S的开方成反比，在接地网内再补充打接地棒和接地桩，对于降低接地电阻的作用不大。因为接地网的周边接地棒对其中心有屏蔽作用。而且，电子地的稳定不是单*降低接地电阻值所能解决的，重要的是要想法降低接地网的电感和使接地联线中没有电流(此时，接地线的电感电压降占重要地位)。解决的办法是用星形接法连接仪器设备；如果还有困难，接地联线用绝缘线，把接地线用铁管套起来，屏蔽铁管的两端与其附近PE线相连。其道理是使接地线的电压不能耦合到电子回路中去。内部防雷的系统中要避免采用开关型和间隙型过电压保护器，这些间隙在放电时电压急剧截断将引发电路中分布电容和电感的震荡过程，使电子设备遭到损坏。
3、接地网的结构及其防雷性能的分析
在雷击建筑物时，在钢筋混凝土的结构钢筋内将有震荡电流产生。这些震荡电流将感应室内电气线路产生二次电流。这些二次电流将造成电气设备的损坏。采用SPD限制作用在电气设备上的电压是内部防雷的任务，接地网的等电位连接措施使这二次电流回路中的电流不会很大，用8/20μs电流波形检验。
防雷导体流经的雷电流是一次电流，它是排出建筑物的外部放电过程。内部防雷子系统与外部防雷子系统之间虽有电路上的联系，但是各自自成系统，要分别计算不能够混淆，否则将发生严重的计算错误。采用电缆段进线和穿铁管屏蔽进线的防雷方法，是防止雷电流经SPD向电源系统反灌的重要措施。
建筑物的基础接地和其周围的埋地接地网是安全散流和整体电位浮动的保证条件。如果防雷接地体是独立的或是室外的一条接地带，则不能保证建筑物的屏蔽条件。对此北京电力科学院的科学家曾经做过屏蔽理论推算和实验检验。探讨了高电压试验室的接地，它的道理可以运用在建筑物防雷中，它说明了减少接地网电感的道理和穿线铁管是屏蔽的有效措施。 在某通讯站测量其天线阵地和机房的接地电阻，两座机房接地用的是室外接地带，天线阵地用的是接地网。测量结果发现：机房和天线接地网的联合接地电阻值比单独的天线接地网的接地电阻值还要大，大出的部分是接地带所形成的连线电阻。所以机房的接地一定要做成围绕机房的周圈式的接地网，不能用机房外的接地带来代替。
4、个人的看法
（1） 公用连接网CBN的作用是安全散流和保证等电位。它必须采用
周圈式接地带，其外围可敷设一些接地棒。埋地是散流的重要条件，在土壤电阻率比较低的地方打接地棒对降低接地电阻有效；但是在土壤电阻率比较高、没有地下水的山地，打接地棒很难，对降低接地电阻的作用也不明显。 （2） 埋地接地网是保证建筑物在雷击时整体地电位浮动(屏蔽作用)的必要条件，如果接地体或接地带敷设在建筑物之外，它不能起到屏蔽的作用。接地网比独立接地体和接地带有更大的电容，在雷电先导形成和向地面发展的过程中，接地网上将感应产生大量的感应电荷，这些电荷与雷电先导电荷的符号相反，在主放电过程中它们复合，在接地导体中放出能量(变为热能)，这样产生的雷击电压将比独立避雷针小，有利于整体的防雷效果。 （3）、设备连接网EBN的作用是保证等电位的条件，它本身要有一定的低电感的要求，这与安装的电子设备情况有关，也与设备接地线的连接方法(S星形或M网形)有关。
（4） EBN接地连线的电感是造成干扰和危险地电位浮动的根源。所以使电子地稳定的关键条件是使接地连线中的电流为零。要达到这一点就是要从地网CBN的中心部位在电梯井中引上接地线，并与各层楼板的等电位连接板和PE线相连接，要求严格的房间应敷设单独的等电位接地板(如用铁板拉网)。
（5） 建筑物内的等电位状态也不像静电学等电位那样理想，大楼内还有杂散电流在钢筋中分布。在大楼内各种电气线路都要受到杂散电流的电磁耦合作用。杂散电流在接地网上的电压降(主要是电感分量)就是接地系统不同点的暂态电位差。这个电位差很难直接测量。实际上，更有实际意义的是所谓的开环电压和闭环电流。
（6） 人们只有明确了内部防雷和外部防雷两个子系统中电磁震荡的过
程及其特性才能提出有效的抗干扰的办法，原则上是合理地运用隔离与连接的措施，消除不希望的电磁耦合，其中用铁管穿线屏蔽电气线路外，把冗余的电气线路的两端全部短路并接地，这两项措施经常是很重要的
4、接地电阻测量的困惑
现在城市中建筑物的密度很大，地下管网很多，钢筋混凝土建筑物的接地网接地电阻的测量实际上很难测准。因为接地电阻测量的拉线距离必须大于接地网直径的4～5倍，这一点很难做到。实际上接地电阻的测量是在接地网的网眼中进行的，这与接地电阻的定义是不一致的，其测量的结果是不可信的，(其总的趋势是测量结果偏小，有时甚至成为负值)。现在广泛采用的高频接地电阻测量仪和脉冲接地电阻测量仪所测接地电阻与工频接地电阻不同，它没有标准定义的接地电阻的意义，但是它对接地线断线的检测有参考意义。
5、防止不实际的行为
(1) 我不赞成用铜材做接地体，接地体的尺寸是由机械强度和腐蚀因素决定的，不是由热稳定条件决定的。铜是一种战略物资，我们不应把它大量地埋在地下。西方国家现在都已改用钢管做接地体了，我们却宣传用铜作接地体。这无非要提高防雷装置的造价，增加用户的成本，给施工方带来利益。
(2) 不要听信某些防雷公司的宣传，在接地网的当中打接地桩，那样做是无效的。电子地的稳定问题不仅在于接地电阻值的大小，关键在于要使接地线上没有电流。类似“打接地桩”的宣传是一种误导。
(3) 还要注意接地措施导致的环境污染问题和对附近钢铁构筑物的腐蚀效应问题。
结束语
在我们身边日益增多的电器设备的安全和发生的自然雷害面前、都要以人身安全及保护用电器安全为目的，做好接地，使我们生活的更安全，设备运行更正常。
电化四段 张彬
2008年5月8日
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