等電位聯(lián)結(jié)的雷電防護(hù)技術(shù)探究

唐傳云 樊廣軍

摘要：在當(dāng)代民用住宅建筑中，由于等電位聯(lián)結(jié)設(shè)計(jì)缺乏操作很強(qiáng)的注解說明，造成一些工程的施工技術(shù)人員對等電位聯(lián)結(jié)實(shí)施防護(hù)的技術(shù)不能正確理解，在施工中存在安全隱患，造成等電位聯(lián)結(jié)的失敗。此外，等電位聯(lián)結(jié)對雷電電磁脈沖侵入的防護(hù)電學(xué)理論，是建立在現(xiàn)代防雷理論之上，在實(shí)施中必須掌握雷電防范技術(shù)；加之在工程實(shí)施后缺乏具有代表性的案例用以參考與借鑒，導(dǎo)致對等電位聯(lián)結(jié)在雷電防護(hù)方面的技術(shù)理解與論述難度很大；本文以2011年霽月園小區(qū)弱電機(jī)房內(nèi)聯(lián)通設(shè)備被雷電擊毀的案例，探討民用住宅建筑中等電位聯(lián)結(jié)實(shí)施技術(shù)，及其對雷電脈沖的有效防護(hù)作用。

關(guān)鍵詞：等電位聯(lián)結(jié)，電磁脈沖，暫態(tài)過電壓，防護(hù)

Abstract: in the contemporary civil residence building, because lack of operation equipotential connection design very strong comments that caused some engineering construction technical personnel equivalence equipotential connection defense technology can't implement correct understanding, in construction, unsafe, cause the failure of equipotential connection, etc. In addition, the potential for lightning electromagnetic impulse coupling into protective electrical theory, is based on modern lightning protection theory on, in the implementation must master the lightning prevention technology; And after the implementation of the lack of the typical case for reference and the model, lead to equivalence equipotential connection in the lightning protection technical understanding and discusses very difficult; This paper in 2011, ji month garden district elv the telecom room unicom equipment targeting the case by lightning, discusses civil residence architectural equipotential connection medium implement technology, and the effective protection for lightning pulse role.

Keywords: equipotential connection, electromagnetic pulse, transient overvoltage, protection

中圖分類號：S761.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：

一等電位聯(lián)結(jié)技術(shù)實(shí)施的現(xiàn)狀分析

1.1 我國等電位聯(lián)結(jié)技術(shù)實(shí)施的現(xiàn)狀

目前，在民用建筑電氣等電位聯(lián)結(jié)的設(shè)計(jì)中，均是參考02D501-2《等電位聯(lián)結(jié)安裝》的圖集來設(shè)計(jì)，由于圖集設(shè)計(jì)中沒有操作性很強(qiáng)的注解資料，造成目前設(shè)計(jì)人員對等電位聯(lián)結(jié)技術(shù)的理解的分歧很大，成為當(dāng)前等電位聯(lián)結(jié)技術(shù)在工程實(shí)施中發(fā)展的瓶頸；此外， 規(guī)范、定額存在不協(xié)調(diào)，由于缺乏相應(yīng)的定額，盡管有工程設(shè)計(jì)，但出于施工的成本考慮，導(dǎo)致需要聯(lián)結(jié)的對象未有聯(lián)結(jié)，是造成工程隱患的又一原因。

1.2等電位聯(lián)結(jié)概念分析

引入等電位聯(lián)結(jié)概念的目的是，實(shí)現(xiàn)電擊間接防護(hù)的重要手段和必要措施。其定義和作用可以在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范中得出：

IEC在雷擊保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)中指出，等電位聯(lián)結(jié)是建筑物內(nèi)部防雷措施的一部分。

美國國家電氣法規(guī)對等電位聯(lián)結(jié)的定義如下：將各金屬體做永久的聯(lián)結(jié)以形成導(dǎo)電通路，保證電氣的連續(xù)導(dǎo)通性并將預(yù)期可能加于其上的電流安全導(dǎo)走。

我國標(biāo)準(zhǔn)GB50057-2010對等電位聯(lián)結(jié)的定義：將分開的裝置、諸導(dǎo)電物體等用等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體或電涌保護(hù)器聯(lián)結(jié)起來以減小雷電流在其之間產(chǎn)生的電位差。

二雷電電磁脈沖產(chǎn)生電勢差的技術(shù)分析

1． 雷電電勢差的產(chǎn)生

根據(jù)當(dāng)代防雷設(shè)計(jì)理論，雷電電勢差產(chǎn)生的途徑主要有兩種：a. 雷擊建筑物 b. 雷電的電磁感應(yīng)。

對于民用住宅建筑，雷擊建筑物時(shí)，主要能量會通過接閃器，引下線及接地體等接地裝置泄放大地，與等電位聯(lián)結(jié)的設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)不多。值得強(qiáng)調(diào)的是利用建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)的自然鋼筋形成的金屬網(wǎng)并不是一個(gè)理想的等電位體。根據(jù)目前對雷電的研究，建筑物內(nèi)的鋼筋網(wǎng)可以有效的防范住大部分雷電電磁脈沖對建筑內(nèi)部的侵入。但其仍不是理想的法拉第籠，當(dāng)金屬籠一側(cè)遭受雷擊時(shí)，沿此處的引下線方向可產(chǎn)生每米幾萬伏特的電壓梯度，電磁脈沖仍可能侵入到建筑物的內(nèi)部，造成內(nèi)部設(shè)備和人員的危險(xiǎn)。換句話說，利用建筑物結(jié)構(gòu)內(nèi)自然鋼筋網(wǎng)格無法徹底防范雷電電磁脈沖侵入，采用等電位聯(lián)結(jié)才是消除或減弱其侵入建筑物內(nèi)部，造成其對建筑內(nèi)人員及設(shè)備損壞的必要防護(hù)措施。

2. 產(chǎn)生雷電電磁感應(yīng)電勢差的理論分析：

雷電電磁感應(yīng)理論，是建立在當(dāng)代對雷電不斷研究的基礎(chǔ)之上，隨著人類對雷電的認(rèn)識不斷發(fā)展而不斷更新的理論；根據(jù)目前普遍的認(rèn)識，雷電流具有很大的幅值和波頭上升陡度，能在所流過的路徑周圍產(chǎn)生很強(qiáng)的脈沖磁場，這種快速變化的脈沖磁場交鏈導(dǎo)體回路時(shí)，能在回路中感應(yīng)出電動(dòng)勢，產(chǎn)生過電壓或過電流。對于住宅工程而言，產(chǎn)生暫態(tài)過電壓的途徑主要有兩種：一種是引下線與室內(nèi)金屬導(dǎo)體交鏈時(shí)，另一種是通過架空線路反擊產(chǎn)生的高電壓。

當(dāng)建筑A遭受雷擊時(shí)，沿引下線的方向流入接地體的瞬間，距接地裝置一定距離的P點(diǎn)將產(chǎn)生過電壓，其Up值為：

Up = I·Ra + la·L 0 ·di / dt 。

式中：Up ： P點(diǎn)的對地暫態(tài)電位， kv；

I： 雷電流，kA；

di / dt ： 雷電流波頭陡度；

Ra： 沖擊接地電阻， Ω；

L 0： 引下線單位長度電感， μH／m；

la ： P點(diǎn)到引下線的距離， m 。

三 消除雷電電磁感應(yīng)電勢差的等電位聯(lián)結(jié)設(shè)計(jì)的探討：

1. 消除金屬管線交鏈電磁感應(yīng)過電壓的等電位設(shè)計(jì)

《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ 16-2008中對此條作了規(guī)定，詳見P146 11.3.5和 P149 11.4.5；強(qiáng)調(diào)了利用等電位帶的均壓作用，為等電位聯(lián)結(jié)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。根據(jù)暫態(tài)過電壓形成的圖示可以看出，將管線1每隔5-6米和樓板內(nèi)的鋼筋網(wǎng)聯(lián)結(jié)后，無論引下線上傳遞的過電壓有多大，在鋼筋網(wǎng)的均壓作用下，在其范圍內(nèi)聯(lián)結(jié)的金屬管線1都處在近似電位上；同理，若此時(shí)人員觸及到管線1和其它與接地網(wǎng)聯(lián)結(jié)的金屬管線2時(shí)，也不會產(chǎn)生危險(xiǎn)。此外，文中所述的電壓梯度值是建立在一根引下線數(shù)學(xué)模型中的，工程實(shí)施中將引下線及管線1分別與多處等電位帶及樓板鋼筋網(wǎng)格聯(lián)結(jié)后，結(jié)構(gòu)內(nèi)的多數(shù)豎向主筋均起到對雷電流的限流和分流作用時(shí)，引下線P點(diǎn)的電感電壓梯度可以明顯減小，避免或減弱了雷電電磁脈沖對建筑內(nèi)部的侵入。

2. 消除外接導(dǎo)線電磁感應(yīng)過電壓的等電位設(shè)計(jì)

為了說清此問題，筆者先講述一個(gè)案例，探求等電位聯(lián)結(jié)防護(hù)技術(shù)的實(shí)質(zhì)。

圖二 等單位聯(lián)結(jié)防護(hù)設(shè)計(jì)失效分析（紅線標(biāo)注除外）

圖示說明：雷擊電源避雷線時(shí)，產(chǎn)生的過電壓電涌沿架空線及電源導(dǎo)線引入建筑物，電源防雷器件正常工作，但與其連接的設(shè)備電源被擊毀。

圖示分析：盡管按照圖示作了等電位聯(lián)結(jié)，但仍在雷擊防護(hù)中產(chǎn)生失敗，究其原因，是對雷電的防護(hù)理論的概念理解不正確：首先，是對防雷理論中的接地電阻值的認(rèn)識不正確：對于等電位聯(lián)結(jié)而言，其防雷接地電阻值和供電接地防護(hù)系統(tǒng)的電阻值有所不同，在計(jì)算供電系統(tǒng)對地電壓時(shí)，導(dǎo)線的電感是忽略不計(jì)的，其電壓跟其接地電阻大小相關(guān)，但計(jì)算雷電電位梯度時(shí)必須要考慮導(dǎo)線的電感電壓，圖集中規(guī)定的等電位聯(lián)結(jié)接地電阻值為3Ω，主要是對其導(dǎo)通性作了量化標(biāo)準(zhǔn)，并非強(qiáng)制性要求，更不是衡量等電位聯(lián)結(jié)是否有效的判定方法，這點(diǎn)也可以從一些資料中證實(shí)：某些山區(qū)的配電所其總等電位聯(lián)結(jié)的接地電阻值高達(dá)幾十歐姆，但其聯(lián)結(jié)的設(shè)備至今仍沒有發(fā)生被雷擊毀的事故，也證實(shí)了筆者的觀點(diǎn)。圖例中按照電涌保護(hù)器可以承受的 8／20μs, 40kA電磁波脈沖計(jì)算，當(dāng)其正常工作時(shí)a、b導(dǎo)體間產(chǎn)生1.4*40 ／ 8= 7000V,加上電涌保護(hù)器上的殘壓1400V，有將近8400V的高壓，也正是此電壓將連接設(shè)備擊穿，造成了等電位聯(lián)結(jié)的防護(hù)失敗。

四結(jié)束語

本文是筆者從事十多年建筑電氣設(shè)計(jì)與施工技術(shù)工作的經(jīng)驗(yàn)總結(jié) ，論述中參考了部分專家學(xué)者的建議及親身經(jīng)歷的工程案例的論證分析，通過查閱相關(guān)書籍、規(guī)范、學(xué)術(shù)論文，提出了自己對等電位聯(lián)結(jié)在對雷電電磁波防護(hù)方面的設(shè)計(jì)方法；希望其在類似工程的的實(shí)施中能予以借鑒。文章的論述及分析不免存在膚淺之處，希望讀者批評、指正。

參 考 文 獻(xiàn)

1. 徐華 ，02D501-1等電位聯(lián)結(jié)安裝 ，中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)院，2004.4 。

2. 鮑林棟，工程實(shí)用電氣技術(shù)， 中國鐵道出版社，2005. 3。

3. 張小青， 建筑防雷與接地技術(shù)， 中國電力出版社，2002 。

4. 建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50057-2010 ，2011年版

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請以PDF形式查看。