防雷接地技術在建筑電氣安裝中的要求分析

張磊 孫晨宇

北京國際建設集團有限公司 北京 100054

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

北京奔馳汽車有限公司發動機二廠區的聯合廠房，位于北京經濟技術開發區路南區，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。新建發動機聯合廠房，配套建設能源中心、污水處理站、油罐區油泵房以及三個門衛。發動機聯合廠房內含缸體生產線、曲軸生產線、鋼蓋生產線、組裝生產線、冷測區和組裝返修車間。內置很多大型機械，工人數量多，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

防雷接地技術是在遵循相關建筑防雷規范的前提下，利用科學電氣安裝方式將建筑物圍護結構、配電系統內的電氣設備和接地網有效連接，達到內外防雷的效果。以便建筑物遭受雷擊時，起到引流入地、消減電勢的作用，有效保護聯合廠房車間電氣設備和工作人員的安全。

2 發動機聯合廠房雷擊參數計算及防雷需求

我國雷擊對人體和電器設備造成損害的現象十分普遍。發動機聯合廠房作為工作人員和大型機械的工作處，防雷設計尤為重要。《建筑物防雷設計規范》將建筑物的防雷要求分為三類。根據建筑物年預計雷擊次數的公式:

上式中，

N— 全年預計遭雷擊的次數(次/a)；

K— 雷擊次數的校正系數，一般情況取 1；

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

Td— 全年平均雷暴日；取值于當地的氣象數據（d/a），北京奔馳發動機二廠聯合廠房所在地（北京）全年平均雷暴日Td=35.6d/a；

Ae—聯合廠房雷擊次數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

北京奔馳發動機二廠聯合廠房最高標高為9.9m，選擇公式①計算年預計雷擊次數計算參數數據。通過計算，本項目的年預計雷擊次數計算參數見表1。

表1 聯合廠房年預計雷擊參數表

從表1可知，聯合廠房所在地預計雷擊數為0.355，詳細參數如表1所示。該項目為人員密集型建筑，根據《建筑物防雷設計規范》的分類，該建筑物屬于二級防雷建筑物。防雷接地系統應當按照第二類防雷建筑物防雷要求執行電氣安裝。

3 電氣安裝中的防雷接地技術要求分析

3.1 外部防直擊雷接地要求

3.1.1 基礎柱接地作法要求

接地是防雷技術的重要環節，目的是為了把雷電流引入大地。依據第二類防雷建筑物防雷要求，利用基礎鋼筋（包括樁鋼筋網豬籠筋）作為防雷接地，利用柱內兩條主鋼筋作為引下線，利用砼基礎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中的鋼柱及混凝土柱都采用熱鍍鋅圓鋼，沿基礎底部一圈敷設，與基礎四角鋼筋可靠焊通；在地下一米的素土層再用不銹鋼圓鋼，沿基礎底部一圈敷設，再與基礎四角鋼筋可靠焊通。焊接后做防腐處理，再與鋼柱用螺栓連接。

地坪板內底層鋼筋網的上方用40x4熱鍍鋅扁鋼沿每柱敷設，形成約10x10網格。所有地坪板內敷設的鍍鋅扁鋼，均沿其敷設方向每隔4～5m與地坪板內底層鋼筋焊接連接。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；地坪板內敷設的鍍鋅扁鋼，在通過地坪縫時需要進行變形處理。

聯合廠房在-0.5m處利用40×4熱鍍鋅扁鋼作為接地網，通過三處與能源中心接地網可靠連接。基礎接地網主要是將地下所有引下線串聯在一起，然后通過樁基礎中的引下線導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

聯合廠房主要采用鋼結構建成，根據《建筑物防雷設計規范》規定，結合聯合廠房圍護結構特點，本項目利用鋼結構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動機二廠區工業聯合廠房維護板采用瓦楞型彩鋼夾芯板，厚度達到0.7mm，鋼結構屋面維護板搭接部分超過100mm，完全滿足規范中關于接閃器的要求。

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；再次在屋面結構板下敷設主筋組成網格作為屋面接閃網。聯合廠房屋頂主筋焊接成一個壓力共享環，并與每條引下線焊接。外墻上的所有金屬欄桿、金屬門窗均應安裝防雷裝置。與壓力共享環或引線焊接。接閃器（金屬屋面）利用引下線（鋼柱）引入接地網。即使不作防雷系統用，鋼結構廠房的基礎上的主鋼架、凜條及屋面圍護系統，也有很好的連接性能，電氣通路導電能力強，施工時要求按跨度將鋼柱作為引下線，引下線下端與基礎柱鋼筋連接，上端與屋頂樓面鋼筋連接，廠房外墻側面上的金屬構件，用預埋扁鋼與防雷結構連接，可滿足規范中關于引下線的要求。

屋頂防雷接閃網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，聯合廠房的圍護結構中的最外緣的四角，利用建筑鋼柱或者構造柱內鋼筋做下引線。距地面0.5m處設置測試板，以便測試該處的接地電阻。如果基礎自然接地網達不到接地電阻值的要求，需要制作人工接地體，并和基礎自然接地網并聯，最終得到較低接地電阻值。

3.2 內部防雷接地要求

內部接地類型很多，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，所以北京奔馳發動機二廠聯合廠房主要采用聯合接地方式。

3.2.1 變壓器防雷接地

聯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生產線設備供電。根據防雷接地要求進行分析，接線方式應該有利于低壓側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，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為三相四線制系統時，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生很高的感應脈沖電勢。通過D,yn11接線，會使高壓繞組內流通的沖擊電流與低壓側的沖擊電流平衡，雷電流在任何鐵芯柱上產生的磁勢接近于零，達到有效消除正逆變換的過電壓現象。變壓器W-T3防雷接地同時采用外部直接接地和內部地網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 等電位聯結

雷電流沿著引下線下行時可能導致瞬態電位上升，如果周圍的電氣回路缺乏等電位連接，將產生很大的電位差，擊穿介質導致反擊事故，所以要求在整個建筑物內進行總等電位連接，并對相應的電氣回路也實現等電位連接。

工程中的變電房要求采用總等電位接地MEB端子板，使主接地線和柱內主鋼筋有效焊接。總等電位聯結連接到聯合廠房的所有導電部件上。用25mm2型號銅導線作為主母線。每個接地接入線用同一接地系統，和接地網有效接地連接，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局部等電位接地[2]。聯合廠房低壓系統接地方式采用TN-S系統。配電室低壓柜將保護地線(PE)和中性線(N)分開后，嚴禁重復連接。所有電氣設備的金屬外殼都與保護地線(PE)連接。

3.2.3 IT系統在廠房設備中的應用

低壓電氣系統主要分為TN接地系統、TT接地系統和IT接地系統。

(1) TN-S系統將中性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]。分析聯合廠房的電氣設備特點，低壓配電系統的主要接地形式選擇TN-S系統，工作零線只用作單相照明負載回路。

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

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

(3) 當TT系統設備正常運行時，外殼沒有通電，一旦發生故障，外殼的高電位不會沿PE線傳遞給整個系統[5]。因此，TT系統適用于電壓敏感數據處理設備和精密電子設備的供電。例如聯合廠房的冷測車間要求采用TT系統，其中的電氣設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備之間的電位差。

(4) IT系統電氣設備的金屬外殼直接接地，供電側采用高阻抗絕緣或接地。當第一階段發生故障時，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勢。IT系統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。

IT系統的優勢是帶有絕緣監視器。當首次發生接地故障時，系統會繼續工作，如果出現絕緣監視器報警現象，應及時檢查接地線路。以免另外兩相接地也出現故障。如果首次故障排查滯后，導致另現外兩相接地也出現故障，系統會形成相間短路，此時過流保護中斷供電，將電源隔離，有效防止系統漏電。本項目的辦公室、衛生間、庫房、資料室等小區域采用IT系統。

4 總結

本文在計算了該聯合廠房全年的預計雷擊次數后，根據防雷接地規范的要求，對每種接地方式的優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。總之，聯合廠房電氣系統接地有多種方式，內部防雷接地電氣系統主要采用TN-S接地形式，某些小空間按要求采用IT系統接地。防雷接地系統在工業廠房建筑中具有重要的保護意義，防雷接地技術決定了建筑物的防雷性能。進行建筑電氣安裝時，應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、引下線、接閃網等關鍵施工環節，保證工程施工質量，充分建筑電氣安裝中發揮防雷接地技術的作用和價值。