建筑物雷电防护及等电位保护研究初探

摘 要：雷电灾害严重危害到建筑电气设备正常工作及人身生命安全，因此，采取相应的防雷接地和等电位保护措施是至关重要的。雷击及触电事故通常都是因为过大的电位差引起的，为此，本文探讨了防雷接地和等电位保护措施及其工作原理，对建筑物电气设备的防雷建设有一定参考价值。

关键词：建筑电气；雷电；防雷；电位差；等电位连接；电涌保护器

中图分类号：TU856文献标识码：A随着建筑物内越来越多的装备了各种信息化的电子、电气设备，因此，建筑物的防雷工作更加严峻了。雷电作为一种自然现象，尤其是在广东沿海地区，是雷害最严重的地区之一。雷击时有强大电流通过，产生机械力和热效应，破坏建筑物和电气设备造成干扰或永久性损坏，这也是如今雷电灾害事故频繁发生、导致损失越来越大的一个原因。

1 建筑物雷电防措施

众多雷击、触电事故表明，雷击及触电事故通常都是因为过大的电位差引起的。由于大地是一个电阻非常低，电容非常大的物体，且具有吸收大量电荷后仍然保持电位不变的能力。所以，人们通常把大地作为参考电位体。打接地极与大地连接，通过接地线的传导取得地点位，并可将雷电流写入地下，降低对地电压，这就是我们所说的防雷接地。

1.1 常用电气设备的防雷措施

配电变压器的保护措施：由于夏季多雷，单独采用某一种防雷保护措施往往不能奏效，宜采用综合防雷保护措施；即高压侧装设避雷器单独接地，低压侧避雷器，低压侧中性点及变压器金属外壳连接在一起的分开接地的保护方式。

1.2 防雷电波侵入及防雷电感应措施

建筑物内的设备、管道、构架、电缆金属外皮、钢屋架钢窗等较大金属物和突出屋面的水管、风管等金属物，均应接到接地装置上。低压线路宜全线采用电缆直接埋地敷设，在入户端应将电缆的金属线槽内的电缆引入时，在入户端应将电缆金属外皮，金属线槽接地。

1.3 信息系统防雷击电磁脉冲措施

雷击电磁脉冲是由于雷云间放电和雷云对大地间放电产生的雷电电磁脉冲，使金属物上的金属部件，如管道、电源线、信号线、天馈线等感应出与雷雨云电荷相反的电荷，通过上述介质引入室内造成放电，对电子设备造成损坏。

2 接地与等电位保护研究

2.1 接地按功能可分为功能性接地及保护性接地两大类

第一，功能性接地主要是为了保证电气设备和电子设备的正常和稳定的工作。主要有工作接地：为了交直流系统的可靠运行，要求系统在是到处进行接地。信号接地：为保证信号具有稳定的基准电位而设置的接地；逻辑接地：为了确保稳定的参考电位，常将电子设备中的合适金属件作为"逻辑地"；屏蔽接地：为了防止外来电磁干扰对电子设备的影响，同时减少电子设备产生的干扰影响其他的电子设备，常将干扰源接地，将其引入大地。

第二，保护性接地是为了保护电气设备和人身安全而设置的，主要有放电击接地：当电气设备绝缘损坏或因某些原因产生故障电流时，使平常不带电的外露可导电部分带电，而导致电击事故的发生。

2.2 等电位联结措施及作用原理

为了降低电位差造成的伤害，根据法拉第笼的原理，将电气系统的电气设备可导电外露金属外壳，金属构件等用导体与大地连接或与代替大地的导体连接，使其电位相近或相等，这就是我们所说的等电位连接。等电位连接时建筑施工设计中极其重要的安全措施。直接关系到人们的生命安全。在《建筑电气施工质量验收规范》（GB50303-2002）中做了有关规定。等电位的连接作用范围越小，电气上越安全。

第一，总等电位连接是将建筑物进线配电箱的PE排，公用设施金属管道，建筑的金属结构以及防雷装置等汇接到进线配电箱旁的总接地端子板上，并互相简单连接，总等电位作用于全建筑物，在一定程度上可降低建筑物内间接接触电击的接触电压和不同金属部件间的电位差，并消除自建筑物外经电气线路和各种金属管道引入的危险电压故障的危害。

第二，等电位联结作用。等电位联结使用可以降低预期接触电压达到减少电位差的作用。

在常用的TN-C-S系统，在电源进线处PEN线分成PE线和N线（N线从此处开始与PE线绝缘），设有重复接地，不安装总等电位联结。如果设备发生接地故障，忽略接地故障点的阻抗，RA与RB串联后再与ZPEN并联，RA+RB>>ZPEN；人体阻抗Zh与鞋袜和地板电阻Rp串联后再与ZPEN并联，Zh+Rp>>ZPE，接地故障电流Id流经相线和PE线，PEN线，返回变压器低压绕组，即：

Id=UO/（ZT+ZL+ZPE+ZPEN）（1）

式中U0-相对地标称电压（伏）；ZT-变压器零序阻抗（欧）

ZL-相线阻抗（欧）；ZPE-电气装置内部PE线阻抗（欧）

ZPEN-电气装置内部PE线阻抗（欧）

对预期故障电压UT1可用下式计算：

UT1=Id×ZPEN×RA/(RA+RB)×Id×ZPE（2）

做了总等电位联结后预期接触电压为：

UT2=Id×Zpe（3）

从以上式（1）式（2）可知，做了总等电位联结后，减少的预期电压为：

ΔU=UT1-UT2=Id×ZPEN×RA/(RA+RB)（4）

由此可知，做了总等电位联结后，在总等电位联结区内，作为总等电位联结组成部分的建筑物基础钢筋、金属结构件、金属管道、金属电缆桥架、电缆金属护套、敷设电缆或导线金属管等自然接地体，接地电阻值极小，已起到重复接地的作用。

第三，局部等电位联结作用。局部等电位联结能消除自总等电位联结后沿PEN线或PE线传导的危险故障电压。

当建筑物内配电线路较长，且截面较小时，由于回路阻抗大，接地故障电流小，不能满足保护装置切断时间要求，为此需加大导体截面或装设剩余电流保护器。如果在此局部范围内设置局部等电位联结，则可简单可靠的解决过流保护灵敏度不够的问题。

并未设置局部等电位联结时，一旦设备发生固定式设备接地故障，接地故障电流Id则为：

Id=U0/(ZT+ZL+ZPEN+ZPE1+ZPE2)（5）

式子中，Id-接地故障电流（安）ZT-变压器零序阻抗（欧）；

ZL-相线阻抗（欧）；ZPEN-PEN线阻抗（欧）；

ZPE1-进线配电箱至终端配电箱PE线等值阻抗（欧）；

ZPE2-固定式设备至配电箱PE线等值阻抗（欧）；

U0-相对地标称电压（伏）。

预期接触电压UT为：

UT=Id×（ZPE1+ZPE2)（6）

电源系统接地的电阻值RB与保护导体接地电阻值RA之和远远大于PEN线阻抗ZPEN，故在以上接地故障电流的计算中，忽略了接地极的分流。

但采用上述所示的局部等电位联结时，其接地故障电流为：

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

式子中，ZPEΣ=ZPE3+ZPE4+ZPE5+ZPE6

接地故障电流Id2为：

Id2=[Id2×（ZPE1×ZPEΣ)/(ZPE1+ZPEΣ)]

ZPEΣ=Id×ZPE1/(ZPE1+ZPEΣ)（8）

其固定设备的预期接触电压UT1为：

UT1=Id×ZPE2+Id2×（ZPE3+ZPE4)（9）

其手握式设备的预期接触电压UT2为：

UT2=Id2×（ZPE3+ZPE4）（10）

通过UT与UT1的比较可发现，局部等电位联结消除自总等电位联结后沿PE线的危险故障电压，即使保护电器切断时间超过5s，手握式设备的预期接触电压UT2仅为接地故障电流的分流Id2在ZPE3和ZPE4的电压降，ZPE3和ZPE4值很小，不至于发生电击事故。

3 电涌保护器的设置

电涌保护器是电子设备雷电防护中不可缺少的一种装置，过去常称为"避雷器"或"过电压保护器"英文简写为SPD。电涌保护器的作用是把窜入电力线，信号传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内，或将强大的雷电流泄流入地，保护被保护的设备或系统不受冲击而损坏。其工作原理是当没有瞬时过电压时呈现为高阻抗，但一旦响应雷电瞬时过电压时，其阻抗值就突变为低值，允许雷电流通过。

结语

总而言之，建筑物的防雷建设是一项值得长期的研究和探索工作，防雷建设的好坏直接关系到建筑及建筑内设备、人员安全。只有本着科学、认真的精神，不断完善防雷接地的设计，提高等电位保护的可靠性，才能有效预防和减少雷击的发生，从而保证建筑物电气设备及人员的安全。

参考文献

[1]樊敏.浅析信号设备雷电防护等电位技术[J].铁道通信信号，2007.11.

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