防雷接地初探

聞 垚

（中國聯合網絡通信有限公司蘭州市分公司，甘肅 蘭州 730000）

1 防雷概述

1.1 防雷工程簡述

在防雷工程中，分為外部防雷和內部防雷。其中外部防雷主要是防直擊雷，內部防雷主要是防感應雷[1]。由于兩者性質有別、入侵路徑各異、造成損失程度也不同，兩者的防護措施各有特點。直擊雷主要采取外部防護，由接閃器（避雷針、避雷帶、避雷網或避雷線）、均壓裝置、引下線（網）、接地體等組成法拉第籠式避雷網，將雷電瀉入大地。雷電感應主要是電器設備的電源線、信號線、天饋線等由于遭受雷擊電磁脈沖入侵，而事先未采取相應的等電位、屏蔽、電涌保護等措施，造成電子元器件損壞，進而破壞整個電器設備、網絡設備、信息系統，帶來重大損失。

這兩部分相輔相成，缺一不可。防直擊雷是防感應雷的基礎，防感應雷又是對防直擊雷的補充。

1.2 接地的概念

接地是接地體和接地線的總稱，不論是直擊雷防護還是雷電的靜電感應、電磁感應和雷電波入侵的防護技術，最終都是把雷電流送入大地，防止雷電能量對被保護物體產生破壞作用。

防雷接地是為了消除過電壓危險影響而設的接地，通常是由接閃器（避雷針）、引下線（避雷線）和接地體組成的接地系統。防雷接地只是在雷電沖擊的作用下才會有電流流過，流過防雷接地系統的雷電流峰值成百上千安培，電壓能達到十億伏，盡管持續時間很短，其破壞力卻極大，造成的經濟損失不可估量。

2 等電位聯接

考慮到獨立接地系統所存在的實際困難，現已趨向防雷、安全、工作三種接地連接在一起的接地方式，稱為聯合接地，目的是消除他們之間的電位差，消除反擊現象[2]。這種接地方式就很好的解決了等電位連接的問題。

但是并不是說所有的防雷接地都要采用聯合接地，采用聯合接地有時會發生干擾現象。目前的解決辦法是把防干擾的邏輯地單獨設置，與避雷接地隔離起來，在兩個接地之間設置一個低電壓避雷器或火花塞，當閃電擊中避雷裝置入地時，兩者瞬時接通，短時間內達到等電位的連接。

3 接地體

3.1 接地電阻概述

在防雷工程的設計中，接地體電阻越小，其散流就越快，被雷擊保持高電位時間就越短，當然防雷效果也就越好。但是，實際生產的接地體電阻到底能需要做到多小呢？

這里首先解釋一個概念問題，有的初學者認為，既然防雷接地體要越小越好，那么干脆在工程中直接將引下線埋入地下，這時沒有接地體，那么接地電阻就為零了嗎？

接地體的作用是散流，那么如果不連接接地體，引下線的入地段就會起散流的作用，它在此時就充當了接地體，這段導體作為金屬線的一部分也是有內阻的。也就是說，只要引下線埋入地下，接地體就已經存在。所以為了加強的散流效果，人們就將這段導體換成散流效果更好的金屬，即常說的接地體。人們只能想辦法將它的阻值降底，而不可能讓其為零。

3.2 接地體的散流及影響其大小的因素

大地具有一定的電阻率，一旦有電流經經過，大地的近端和遠端之間就會產生電位差。泄入大地的電流總是從一點進入，向遠端擴散。那就是說，電流從引入點開始向大地做半球狀散開，擴散的電流隨著與接地體的距離增大，電流強度逐漸減小。理論上，距離接地體無限遠處電位降低至零。根據實際經驗可知，距離接地體25 m 開外的位置，由于半球面已足夠大，電流強度已趨于零，電位差極小，在工程中，可將該處作為零電位點。

從人們一開始研究防雷，金屬就是人們首選的接地體材料[3]。根據公式R=ρl/S可知，金屬的阻值取決于3 個因素：金屬本身的電阻率ρ和它本身的長度l 以及面積S。目前，在大多數情況下都被選用鍍鋅鋼做接地體。

實際上，接地電阻中，接地體的內阻較小，在工程計算中可忽略不計，而起重要作用的是大地的散流電阻，所以減小接地電阻還要從降低土壤電阻率上下功夫。

4 降低土壤電阻率

4.1 降阻常用方法介紹

第一，置換土壤（換土）。最快捷也是最普遍采用的方法，俗稱換土。原理是用較低電阻率的土壤（粘土、黑土及砂質粘土等）直接置換原來的土壤，使其電阻率快速降低，其缺點是隨著時間的增長，土壤容易劣化。

第二，埋深接地極。當地下較深處的土壤電阻率較低或地下深處有水時，可采取此方法來降低土壤電阻率。這種方法對砂質土壤最有效果，其施工方法簡單，但其缺點是深度有一定的限制，不可能不計成本挖的太深。

第三，利用自然接地體。建筑物中的鋼筋骨架、金屬結構件與接地極有效連接，形成法拉第籠式避雷網，不但能將直擊雷有效泄入大地，還能起引流、分流、均壓的作用，從而保護樓內各類電子設備。

第四，使用降阻劑。一般在接地工程完成后，還未達到接地電阻時采用這種方法。在接地體周圍敷設降阻劑，降低其與周圍土地之間的接觸電阻，可在一定程度上繼續降低接地電阻，從而達到工程要求。降阻劑敷設至小規模集中接地或小型接地網周圍時，其降阻效果尤為顯著。

第五，水下接地網。利用水工建筑物或其他與水接觸的混凝土內的金屬體作為自然接地體，利用焊接連通或在有適宜水源的地方直接敷設水下接地網，由于水的電阻率比大地電阻率小的多，可以取得比較明顯的減小接地電阻的效果，缺點是造價相對較大，并且隨著時間延續，接地體會出現銹蝕。

第六，延長水平接地體。結合工程實際運用，一般接地體的最大長度應小于等于其的有效長度的兩倍。因為當水平接地體長度越大，電感的影響隨之也越大，從而使沖擊系數增大。當接地體達到一定長度后，再增加其長度，沖擊接地電阻也不會下降。

第七，增加垂直接地體。當增加的垂直接地體長度和接地網長、寬尺寸相近時，接地網由原本的平面二維地網接地變為三維立體接地系統，電容顯著增大，從而使接地電阻有較大幅度的降低。

4.2 特殊地質條件下的降阻方法

4.2.1 外引接地法

外引接地法也就是擴大原有接地網的面積，在已建接地網附近，找一處土壤電阻率較低的地方，再新建一接地網，將兩接地網相連，從而達到降低接地電阻的目的。這種方法也可以用于建設住宅區樓與樓之間的輔助地網。

處在不同土壤電阻率的兩地網連接后的接地電阻R 按公式（1）、公式（2）、公式（3）計算，兩地網如圖1 所示。

圖1 不同土壤電阻率的兩地網

其中ρ1為原地網電阻率（Ω·m）；ρ2為新地網電阻率（Ω·m）；S為兩地網面積之和（m2）；A1為原地網面積（m2）；A2為新地網面積（m2）；R1為原地網接地電阻（Ω）；R2為新地網接地電阻（Ω）；K為屏蔽系數。

由式（1）和式（2）得，新地網接地電阻和其對應土壤電阻率成正比，并且其面積對降低接地電阻有很大影響，結論是在原地網附近選一處電阻率較低的區域，同時新地網面積盡量做大。反之，無論土壤電阻率或新地網面積哪一個不滿足要求，都會減弱總體接地電阻的降低效果，從而失去實施外引接地工程的意義。

4.2.2 爆破制裂壓力灌漿法

如果所需降低地阻區域為堅硬土壤時，可通過爆破，在土壤裂縫中安插接地體，再將降阻劑壓入裂隙中，從而整體改變一定范圍內的土壤導電性能，以達到工程要求的條件。

采用本方法降低接地電阻，其原理是通過爆破，形成的裂縫可與土壤中原有的裂隙交叉形成新的裂縫網，在裂縫中安裝接地體，然后向裂縫中灌注降阻劑，從而形成一個低電阻率通道，形成樹枝效應，相當于擴展了接地體的尺寸，有利于電流通過裂隙中的降阻劑散流到外部土壤。

5 結論

在防雷工程中，接地作為最重要的組成部分之一，越來越受到人們關注。盡管目前在等電位連接、接地體、降阻方面還存在一些難以解決的問題，但為了防雷工程的不斷優化，防雷接地研究仍然要繼續做下去。這就需要充分發揮研究人員及工程人員的聰明才智，從材料選擇，設計方法，施工工藝上下功夫，針對不同地區、不同土壤條件采用不同的方法，達到最佳的效果，盡最大可能的減少因雷電襲擊所造成的財產的損失。