馬宏達

摘要： 討論了配電網接地制式與建築物電氣設備的電磁相容問題，接地網的電阻值和其結構在防雷中的作用，外部防雷和內部防雷兩個子系統的放電過程，以及反對誤導宣傳的問題等。

關鍵字：建築物防雷　雷電電磁脈衝防護LEMP防雷接地電子（邏輯）接地

　　中國電信電磁防護支撐中心來函邀請我參加這次電信行業通信局站接地技術研討會，隨函附件寫有研討會的內容提綱，其例示的各種接地問題寫得非常好。人們常說，正確地提出問題就是解決問題的一半，我預祝研討會取得成功。

這次研討會請的都是專家，人也不多，我希望能有更多的時間舉行座談，多一些觀點的交鋒，多一些探討，多一些互相學習的機會。不要像一般的會議那樣，各說各的，說完散會，沒有一定的結果。防雷接地問題與供電系統接地方式、埋地接地網的結構和室內接地網的結構等都有關係。這次我提出一些經驗性的看法，歡迎大家討論，不對之處歡迎大家批評指正。

一，供電系統接地方式與室內電磁相容的關係
　　配電網接地系統的制式關係到電網的運行安全和建築物的供電安全[1、2]。西方國家對於供電品質特別重視，他們對於電源頻率和電壓品質都有嚴格地要求；他們對於智慧建築物內的電磁相容問題很重視，他們的重要建築物廣泛採用遮罩電纜的供電方式。

現在我國智慧建築物的設計已經注意到這一點。現在大城市中的配電變壓器已經採用小電阻接地方式，電源線已經廣泛採用TN-S和TN-C-S系統，俗稱三相五線制；在室內注意按綜合佈線的規範敷設電氣線路。

　　如果把三相電源系統的火線比做上水管道；則N線有如下水管道，它輸送的電流有閃光燈和閘流管等電氣設備產生的雜波，還有電源系統故障時產生的過電流等。

這樣電源自成閉合系統，PE線只是起到接地固定電位的作用，平時並無電流流過。如果把N線與PE線合併，這些雜波電流和過電流就會在地線中產生浮動電壓，使電子設備遭受損壞和不能正常工作。所以，N線必須絕緣敷設，PE線必須獨立敷設，這正是三相五線制供電系統建立的意義。

檢查N線與PE線是否絕緣良好的辦法是測量PE線內的電流，正常情況下PE線內不應該有電流。我們在故宮防雷工程中測量某宮殿的防雷接地，發現接地電阻表搖擺不定，從而發現N線與PE線有搭接的故障。PE線的作用就是平時作為電子地（邏輯接地）和設備的保安接地，在雷擊時兼做防雷接地。

三相四線制的PEN線也有保安接地的作用，但是它不能做電子接地，因為它平時將有雜散電流通過，不能保證電子設備的穩定運行。事故舉例：1993年在北京西便門立交橋東北側曾有一片平房（商店）發生火災，火災原因是有一輛高架貨車把電線掛斷，發生單相電弧接地事故，而該商店的電氣開關未能立即開斷，這片平房頂棚內的電線因過電流而熔化並引發火災。我國農村地區要特別警惕這種架空線配電建築物的安全問題。

IEC防雷標準和我國現行建築物防雷標準選用SPD的U1mA時，只考慮20/380V電網中性點接地方式，而沒有考慮其上一級10kV電網的中性點的接地制式。以至常選用440V、470V的U1mA，這樣做是不妥當的。我國多數配電網是採用中性點絕緣或經消弧線圈接地的方式，這些電網發生單相接地故障可能運行幾個小時，此時相電壓變為線電壓，使SPD燒毀。

我國水利電力部和機械工業部根據本國情況考慮荷電率制定的避雷器國家標準GB1102-2000，對220V級MOV規定U1mA=600V，相間MOV的U1mA=1200V。這樣做既能減少SPD燒毀，又能有效地防雷才是合理的。

建築物雷害事故統計表明：80-90%的事故是由電氣線路引入的，直接雷擊的事故並不多。在山區和農村中建築物的供電用架空線直接引入不是好辦法；建議參考文獻[3]改用鐵管穿線遮罩敷設，見圖1；進線杆前連接一段長度大於15m的架空伸長地線兼做避雷線，見圖2，此段線路的作用是增加遮罩鐵管前主線路的電感，使SPD（氧化鋅避雷器）便於啟動，在進線杆前再連接氧化鋅避雷器2#，進線杆的鐵腳和鐵管的上端聯合接地。

圖1，建築物架空線引入時的防雷措施

圖2，在電杆上做架空伸長地線及避雷線的示意圖

二，接地電阻的大小取決於什麼要素
　　經驗表明，接地體的電阻主要決定於它與地的接觸電阻。我們在打接地棒後立即測量其接地電阻值時測得某一數值；只要抓住接地棒的上端搖一搖，再測時其接地電阻值將增加。

這是因為接地棒與其附近的土壤脫離的緣故。在鑽孔埋接地體的時候，灌水和填土後其接地電阻值將有一變化時期。開始其接地電阻值小，後來變大（土壤與接地體脫離），長時期後又變小（因土壤壓實）。用碳棒和碳質模組做接地體時其接地電阻值並不如計算那樣理想，但是如果在它們的周圍塗以LRCP降阻劑則可較理想地達到預期接地電阻值。這些都說明接地體與地的接觸電阻是決定接地電阻的重要因素。

　　　接地網的接地電阻與接地網的面積S的開方成反比，在接地網內再補充打接地棒和接地樁，對於降低接地電阻的作用不大。因為接地網的周邊接地棒對其中心有遮罩作用。

而且，電子地的穩定不是單靠降低接地電阻值所能解決的，重要的是要想法降低接地網的電感和使接地聯線中沒有電流（此時，接地線的電感電壓降占重要地位），解決的辦法是用星形接法連接儀器設備；如果還有困難，接地聯線用絕緣線，把接地線用鐵管套起來，遮罩鐵管的兩端與其附近PE線相連。

其道理是使接地線的電壓不能耦合到電子回路中去。內部防雷的系統中要避免採用開關型和間隙型過電壓保護器，這些間隙在放電時電壓急劇截斷將引發電路中分佈電容和電感的震盪過程，使電子設備遭到損壞。

三，接地網的結構及其防雷性能的分析
　　　在雷擊建築物時，在鋼筋混凝土的結構鋼筋內將有震盪電流產生。這些震盪電流將感應室內電氣線路產生二次電流。這些二次電流將造成電氣設備的損壞。採用SPD限制作用在電氣設備上的電壓是內部防雷的任務，接地網的等電位連接措施使這二次電流回路中的電流不會很大，用8/20μs電流波形檢驗。

防雷導體流經的雷電流是一次電流，它是排出建築物的外部放電過程。內部防雷子系統與外部防雷子系統、這兩個子系統有電路上的聯繫，但是各自自成系統，要分別計算不能夠混淆。否則將發生嚴重地計算錯誤。採用電纜段進線和穿鐵管遮罩進線的防雷方法，是防止雷電流經SPD向電源系統反灌的重要措施。

　　建築物的基礎接地和其周圍的埋地接地網是安全散流和整體電位浮動的保證條件。如果防雷接地體是獨立的或是室外的一條接地帶，則不能保證建築物的遮罩條件。對此北京電力科學院的科學家曾經做過遮罩理論推算和實驗檢驗[4、5]。鄭文[5]是一篇探討高電壓試驗室接地的檔，它的道理可以運用在建築物防雷中，它說明了減少接地網電感的道理和穿線鐵管是遮罩的有效措施，建議大家參考細讀。

　　筆者在某通訊站測量其天線陣地和機房的接地電阻，兩座機房接地用的是室外接地帶，天線陣地用的是接地網。測量結果發現：機房和天線接地網的聯合接地電阻值比單獨的天線接地網的接地電阻值還要大，大出的部分是接地帶所形成的連線電阻。所以機房的接地一定要做成圍繞機房的周圈式的接地網，不能用機房外的接地帶來代替。

埋地接地網CBN與設備連接網EBN的作用和要求不同，參看圖3。

圖3，公用連接網CBN與設備連接網EBN的原理示意圖

筆者個人的看法是：
　　1、 公用連接網CBN的作用是安全散流和保證等電位。它必須採用周圈式接地帶，其週邊可敷設一些接地棒。埋地是散流的重要條件，在土壤電阻率比較低的地方打接地棒對降低接地電阻有效；但是在土壤電阻率比較高、沒有地下水的山地，打接地棒很難，對降低接地電阻的作用也不明顯。

　　2、 埋地接地網是保證建築物在雷擊時整體地電位浮動（遮罩作用）的必要條件，如果接地體或接地帶敷設在建築物之外，它不能起到遮罩的作用。接地網比獨立接地體和接地帶有更大的電容，在雷電先導形成和向地面發展的過程中，接地網上將感應產生大量的感應電荷，這些電荷與雷電先導電荷的符號相反，在主放電過程中它們複合，在接地導體中放出能量（變為熱能），這樣產生的雷擊電壓將比獨立避雷針小，有利於整體的防雷效果。

　　3、設備連接網EBN的作用是保證等電位的條件，它本身要有一定的低電感的要求，這與安裝的電子設備情況有關，也與設備接地線的連接方法（S星形或M網形）有關。

　　4、 EBN接地連線的電感是造成干擾和危險地電位浮動的根源。所以使電子地穩定的關鍵條件是使接地連線中的電流為零。要達到這一點就是要從地網CBN的中心部位在電梯井中引上接地線，並與各層樓板的等電位連接板和PE線相連接，要求嚴格的房間應敷設單獨的等電位接地板（如用鐵板拉網）。

　　5、 建築物內的等電位狀態也不像靜電學等電位那樣理想，大樓內還有雜散電流在鋼筋中分佈。在大樓內各種電氣線路都要受到雜散電流的電磁耦合作用。雜散電流在接地網上的電壓降（主要是電感分量）就是接地系統不同點的暫態電位差。這個電位差很難直接測量。實際上，更有實際意義的是所謂的開環電壓和閉環電流如圖4所示。

圖4，開環電壓和閉環電流示意圖

　　圖4中，UAB為接地網A、B兩點間的電位差。電子儀器外殼對EBN的地、或儀器外殼對電源的電位差既是開環電壓。假如儀器的外殼在控制室內接地，則儀器電纜外皮（遮罩層)中流過的電流稱為閉環電流。它是決定電子儀器受到共模干擾大小的一個量。開環電壓決定了儀器受到的過電壓的大小；而閉環電流則決定了共模干擾的大小。

　　6、 人們只有明確了內部防雷和外部防雷兩個子系統中電磁震盪的過程及其特性才能提出有效的抗干擾的辦法，原則上是合理地運用隔離與連接的措施，消除不希望的電磁耦合，其中用鐵管穿線遮罩電氣線路外，把冗餘的電氣線路的兩端全部短路並接地，這兩項措施經常是很重要的。

　　四，接地電阻測量問題的困惑
　　現在城市中建築物的密度很大，地下管網很多，鋼筋混凝土建築物的接地網接地電阻的測量實際上很難測准。因為接地電阻測量的拉線距離必須大於接地網直徑的4-5倍，這一點很難做到。實際上接地電阻的測量是在接地網的網眼中進行的，這與接地電阻的定義是不一致的，其測量的結果是不可信的，（其總的趨勢是測量結果偏小，有時甚至成為負值）。現在廣泛採用的高頻接地電阻測量儀和脈衝接地電阻測量儀所測接地電阻與工頻接地電阻不同，它沒有標準定義的接地電阻的意義，但是它對接地線斷線的檢測有參考意義，筆者曾經專門討論過這個問題[6]。
　　 五，防止華而不實的炒做行為
　　1、 我不贊成用銅材做接地體，接地體的尺寸是由機械強度和腐蝕因素決定的，不是由熱穩定條件決定的。銅是一種戰略物資，我們不應把它大量地埋在地下。西方國家現在都已改用鋼管做接地體了，我們卻宣傳用銅作接地體。這無非要提高防雷裝置的造價，增加甲乙雙方的利益。日本侵略中國的“第五次強化治安”時，要百姓“獻銅、獻鐵”，把傢俱的銅鼻子和銅飾件都強行征走。那時的情景筆者依然記憶猶新、不能忘懷。我國銅的資源經過三千多年的開發已經不多了，不應該浪費。
　　2、 不要聽信某些防雷公司建議，在接地網的當中打接地樁的宣傳，那樣做是無效的。電子地的穩定問題不僅在於接地電阻值的大小，關鍵在於要使接地線上沒有電流。所以，此類宣傳是一種誤導。

　　3、還要注意接地措施導致的環境污染的問題和對附近鋼鐵構築物的腐蝕效應的問題。