接地技术在防雷工程中的应用 毕业论文

1、接地技术在防雷工程中的应用【摘 要】接地问题既是传统问题也是目前的实际问题。在防雷工程中，多种类别和形式的接地经常同时存在，如何处理好各种不同的接地方式、作好接地网的建设并进行合理的布线，是我们十分关注的问题。本文对此进行了一些探讨。【关键词】连接方式 接地网 布线一、引言防雷工程的一个重要的方面是接地及其布线工程，整个工程的防雷效果甚至防雷器件是不是起作用都取决于此，所以应该得到高度重视并进行系统地研究。 电力、电子设备的接地，是保障设备安全、操作人员安全和设备正常运行的必要措施。可以认为，凡是与电网连接的所有仪器设备都应当接地；凡是电力需要到达的地方，就是接地工程需要作到的地方。由此可以我

2、们知道，接地工程的广泛性和重要性。 一方面，随着时代的进步，强功能高价值设备的广泛使用，要求提供更加可靠的接地保护；另一方面，微电子技术的推广，使得现代设备要求更低的接地电阻，还往往需要抗干扰。实践要求有更加系统的接地理论来对工程实际进行指导。因此我们认为，在接地问题上应作到：接地连接方式和接地参数并重；根据地网所在地的接地电阻、土层分布等地质情况，尽量进行准确设计； 以减小或消除同系统中不同性质的接地（如防雷地、工作地、外壳接地、静电地、信号地等）之间的电位差为目的，选用适当的布线方式。二、目的和要求 （一）接地的分类和目的 接地的作用总的来说可以分为两个：保护人员和设备不受损害的叫保护接地

3、；保障设备正常运行的叫工作接地。这里的分类是指接地工程设计施工中考虑的各种要求，并不表示每种“地”都需要独立开来。相反，除了有地电信号抗干扰、设备本身专门要求等特殊原因之外，我们提倡尽量采用联合接地的方案。 （1）保护接地 防雷接地是受到雷电袭击（直击、感应或线路引入）时，为防止造成损害的接地系统。常有信号（弱电）防雷地和电源（强电）防雷地之分，区分的原因不仅仅是因为要求接地电阻不同，而且在工程实践中信号防雷地常附在信号独立地上，和电源防雷地分开建设。 机壳安全接地是将系统中平时不带电的金属部分（机柜外壳，操作台外壳等）与地之间形成良好的导电连接，以保护设备和人身安全。原因是系统的供电是强电供

4、电（380 V、220 V或110V），通常情况下机壳等是不带电的，当故障发生（如主机电源故障或其它故障）造成电源的供电相线与外壳等导电金属部件短路时，这些金属部件或外壳就形成了带电体，如果没有很好的接地，那么带电体和地之间就有很高的电位差，如果人不小心触到这些带电体，就会通过人身形成通路，产生危险。因此，必须将金属外壳和地之间作很好的连接，使机壳和地等电位。此外，保护接地还可以防止静电的积聚。  （2）工作接地   工作接地是为了使系统以及与之相连的仪表均能可靠运行并保证测量和控制精度而设的接地。它分为机器逻辑地、信号回路接地、屏蔽接地，在石化和其它防爆系统中还有本安接地

5、。 ·机器逻辑地，也叫主机电源地，是计算机内部的逻辑电平负端公共地，也是+5V等电源的输出地。 ·信号回路接地，如各变送器的负端接地，开关量信号的负端接地等。 ·屏蔽接地，模拟信号的屏蔽层的接地。 ·本安接地，是本安仪表或安全栅的接地。这种接地除了抑制干扰外，还有使仪表和系统具有本质安全性质的措施之一。本安接地会因为采用的设备的本安措施不同而不同，下面以齐纳式安全栅为例，说明其接地内容：   安全栅的作用是保护危险现场端永远处于安全电源和安全电压范围之内。如果现场端短路，则由于负载电阻和安全栅电阻R的限流作用，会将导线上的电流限制在安全范围内，

6、使现场端不至于产生很高的温度，引起燃烧。如果计算机一端产生故障，则高压电信号加入了信号回路，由于齐纳二级的嵌位作用，也使电压位于安全范围。   值得注意的是，由于齐纳安全栅的引入，使得信号回路上的电阻增大了许多，因此，在设计输出回路的负载能力时，除了要考虑真正的负载要求以外，还要充分考虑安全栅的电阻，留有余地。   除了上述几种接地外，在很多场合下容易引起混乱的还有一个供电系统地，也叫交流电源工作地，它是电力系统中为了运行需要设的接地(如中性点接地)。 （二）接地的要求和方法  上面介绍了六种接地：供电系统地、保护地、机器逻辑地、屏蔽接地、信号回路地和安全栅接地。

7、对于这六种接地，虽然大都强调一点接地，接地电阻必须小于1欧姆等，但具体内容上差别很大，下面给出几个例子介绍常遇到的接地要求和方法。   （1）供电系统地：在很多企业，特别是电厂、冶炼厂等，其厂区内有一个很大的接地网，而通常供电系统的地是与接地网连在一起的。有的厂家强调计算机系统的所有接地必须和供电系统地以及其它地（如避雷地）严格分开，而且它们之间至少应保持15m以上的距离。从抑制干扰的角度来看，将电力系统地和计算机系统的所有地分开是很有好处的，因为一般电力系统的接地并不是纯净的。但从工程角度来看，在有些场合下单设计算机系统地并保证其与供电系统地隔开一定距离是很困难的，这时可以考虑能否

8、将计算机系统的地和供电地共用一个，这时要考虑几个因素：     ·供电系统地上是否干扰很大，如大电流设备启停是否频繁、对地产生的干扰是否大、是否造成地电位波动； ·供电系统地的接地电阻是否足够小，而且整个地网各个部分的电位差是否很小，即地网的各部分之间是否阻值很小（1）；   ·弱电子系统的抗干扰能力以及所用到的传输信号的抗干扰能力，如有无小信号(电偶，热电阻)的直接传输等。   （2）所有计算机接线涉及到的接地均采用一点接地方式。有的厂家系统提出几个地：逻辑地、屏蔽地（又叫模拟地）、信号地、保护地分别各自接地，在地上打接地

9、装置，而大部分系统则指出各种地在机柜内部各自分别接地，汇于一点，然后用较粗的导体（铜）将各汇地点朕起来，接到一个公共的接地体上。这里需要注意的是：   控制系统本身是由多台设备组成的，除了控制站以外，还包括很多外部设备，而且数据设备也往往不止一台，这就涉及到了多台设备、多种接地的问题。此外，一般的系统的供电是各站（控制站，操作站等)用专门一条线单独供电，即彼此之间不相互供电。图1是一种的GCS接地图代表性的示意。图1 DCG接地图（3）保护接地：系统的所有设备均有一个保护地，该保护一般在机柜和其它设备设计加工时就已在内部接好，有的系统中已将该保护地在内部同电源进线的保护地（三芯插头的

10、中间头）连在一起，有的不允许将保护地同该线相连。不管哪种方式，CG必须将一台设备（控制站、操作员站等）上所有的外设或系统的CG连在一起，然后用较粗的绝缘铜导线将各站的CG连在一起，最后从一点上与大地接地系统相连。还有一点值得提醒的是，同一系统的所有外设必须从一条供电线上供电，而且一台设备（如操作员站）所连接的所有外设和主机系统（计算机、打印机、拷贝机主机系统等）的电源必须从设备的供电分配器上取电，而不允许从其它地方取电，否则可能会烧坏接口甚至设备，对于不得不用长线连接的场合，或用较粗导线提供供电，或采取通信隔离措施（如采用UPS等）。   各站的CG在连接时可以采用幅射连接法，也可以

11、采用串行接法。首先，各站内的逻辑地必须位于一点PG，然后，粗绝缘导线以辐射状接到一点上，然后接到大地接地线上。在有些系统中，所有的输入、输出均是隔离的，这样其内部逻辑地就是一个独立的单元，与其它部分没有电器连接，这种系统中往往不需要PG接地，而是保持内部浮空。 （4）模拟地（AG），模拟地（又叫屏蔽地）是所有的接地中要求最高的一种。几乎所有的系统都提出AG一点接地，而且接地电阻小于1。 DCS设计和制造中，在机柜内部都安置了AG汇流排或其它设施。用户在接线时将屏蔽线分别接到AG汇流排上，在机柜底部，用绝缘的铜辫连到一点，然后将各机柜的汇流点再用绝缘的铜辫或铜条以辐射状连到接地点。大多数的DCS

12、要求，不仅各机柜AG对地电阻1，而且各机柜之间的电阻也要1。   （5）信号地的处理：原则上不允许各变送器和其它的传感器在现场端接地，而都应将其负端在计算机端子处一点接地。但在有些场合，现场端必须接地，这时，必须注意原信号的输入端子（上双端）绝对不许和计算机的接地线有任何电气连接，而计算机在处理这类信号时，必须在前端采用有效的隔离措施。   （6）安全栅的接地：下面是图2所示的安全栅线路图：图2 安全栅接地原理图从图中可以看出有三个接地点：B，E，D，通常B和E两点都在计算机这一侧。可以连在一起，形成一点接地。而D点是变送器外壳在现场的接地，若现场和控制室两接地点间有电位差

13、存在，那么，D点和E点的电位就不同了。假设我们以E作为参考点，假定是D点出现10V的电势，此时，A点和E点的电位仍为24V，那么A和D间就可能有34V的电位差了，己超过安全极限电位差，但齐纳管不会被击穿，因为A和E间的电位差没变，因而起不到保护作用。这时如果不小心现场的信号线碰到外壳上，就可能引起火花，可能会点燃周围的可燃性气体，这样的系统也就不具备本安性能了。所以，在涉及到安全栅的接地系统设计与实施时，一定要保证D点和B（E）点的电位近似相等。在具体实践中可以用以下方法解决此问题：用一根较粗的导线将D点与B点连接起来，保证D点与B点的电位比较接近。另一种就是利用统一的接地网，将它们分别接到接

14、地网上，这样，如果接地网的本身电阻很少，再用较好的连接，也能保证D点和B点的电位近似相等。但注意，此接地一定不要与上面几种接地发生冲突。      以上讨论了几种接地的方法和注意事项。在不同的系统中，对这几种接地的组态要求不同，但大多数系统对AG的接地电阻一般要求1欧姆以下，而安全栅的接地电阻应4欧姆，最好<1欧姆，PG和CG的接地电阻应<4欧姆。三、接地网的建设   接地网是在接地系统的基础，由接地环（网）、接地极（体）和引下线组成，以往常有种误解，把接地环作为接地的主体，很少使用接地体，在接地要求不高或地质条件相当优越的情况下，接地环也能

15、够起到接地的作用，但是通常的情况下，这是不可行的，接地环可以起到辅助接地地作用，主导作用是用接地体来完成的。 决定接地电阻大小的因素很多，下面先来分析一下计算传统地网接地电阻的公式（仅以接地环接地时）： （1） （2） （3） 式（1）表明，传统的接地方式在土壤电阻率已经确定的情况下，要想达到设计要求的电阻必须有足够的接地面积，要降低接地电阻只有扩大接地面积，每扩大4倍的接地面积，接地电阻会降低一倍。 式（2）、（3）表明，在上述的接地网中，要降低接地电阻的另一个方法是加大接地材料的尺寸，但是耗材太大而且效果并不理想。 单使用接地环要达到某个接地电阻值，接地环包围的面积S和土壤电阻率有关。我们

16、以一个城市常见的土壤电阻率200·m来分析，要做接地电阻1的地网站地应为10000平方米。即使对于大型建筑物而言，本身占地很大，也最多可以建设一个这样的地网，但是对于这样大型的建筑即使是以联合接地的办法，考虑到要求独立地的设备，一个地网是远远不够的。在建筑林立的城市和地形复杂的山地要求大面积可供施工的的土质空地是不太可能的，即使在地理条件许可的地方，由于开挖量大、耗材多，费工费料工程费用高，也是不可取的。所以，需要运用更好的接地材料和施工设计方法。要达到设计接地电阻要求，克服环境条件的制约，有把握的达到良好稳定的接地效果，应从三方面入手进行施工设计： （一）因地制宜的设计方案 通常的

17、防雷接地的接地电阻是10，实际上有弱电设备的感应防雷都要求4或1的接地电阻。这里常常有个误区，认为作到10、4或1的接地电阻就满足了设计要求，而没有考虑季节因数。因为，土壤电阻率是随季节变化的，规范所要求的接地电阻实际上是接地电阻的最大许可值，为了满足这个要求，地网的接地电阻要达到： R=Rmax/式中 Rmax-接地电阻最大值，就是我们说的10、4或1的接地电阻 -是季节因数，根据地区和工程性质取值，常用值为1.45 。所以，我们所说的接地电阻实际是： R=6.9- Rmax=10R=2.75- Rmax=4R=0.65- Rmax=1这样，地网才是合乎规范要求的，在土壤电阻率最高的时候（常

18、为冬季）也满足设计要求。 接地工程本身的特点就决定了周围环境对工程效果的决定性的影响，脱离了工程所在地的具体情况来设计接地工程是不可行的。设计的优劣取决于对当地土壤环境的诸多因数的综合考虑。土壤电阻率、土层结构、含水情况、季节因数、气候以及可施工面积等等因素决定了接地网形状、大小、工艺材料的选择。 下面将设计中考虑的主要因素进行简要的说明：   1、地网形式 地网的形状直接影响接地达到的效果和达到设计要求所需要的地网站地积。首先应建立接地环（或接地面），提倡使用水平接地极（常用的是外部接地环）和水平垂直接地体配合使用。在很容易达到接地目的，要求低的接地中可以选用平面的接地方法（接地环

19、接地）；一般应用接地体和接地环配合使用，形成三维的结构。 三维的接地有三种不同类型：等长接地、非等长接地和法拉第笼式接地。 、等长接地用相同的接地体，这种方式接地体的埋设深度基本一致，施工方便同时可以取得较好的效果。 、非等长接地是更科学的接地方式，采用不同的接地体相互配合，由于接地体长度和埋设深度不同，大大的加大了等势面积，突破地网面积局限。要求设计人员对多种接地工艺有一定认识，本身施工并不困难，使用得当可以完成相当难度的接地工程。这种方法也叫“半法拉第笼”接地工艺。 、法拉第笼式接地是多层水平接地网，用垂直接地体相互连接形成笼式结构。由于施工量大，并不常用。 在设计中还应考虑地网集肤效应、

20、跨步电压等因素。 2、岩土条件 、岩土类型 岩土直接关系接地的难度，设计中最重要的参数之一就是的是岩土的土壤电阻率，但仅仅考虑土壤这个参数是不够的，还要考虑开挖（或钻井）难度、破碎以及整体岩石、持水能力等因素。 有的岩土电阻率高，但是在整体岩石之间常有较好的土壤间隙层，在这样的环境中，避开整体岩石，在间隙中开挖灌降阻剂效果很好。阿坝卡吉岭（ ）通讯机站，土壤电阻率4500·m，原联合地网接地电阻率68，上述施工后接地电阻降为9.4。 地形制约 施工环境常常是受到各种情况的制约，按照理想的模式考虑大面积的地网是不现实的。 有专家认为，接地面积一定后，如果接地极长度不超过地网1/20，要

21、想突破局限是不可能的，即使做成整块铜板也没有用的。实践中也应证了这一理论。所以，当地形局限时，我们可以考虑地网的纵深方向，使用离子接地系统（见第8页）或深井施工工艺。西昌某航天观测站，土壤电阻率1100.m，设备需要4信号屏蔽独立地，考虑季节因数，应作到2.75，而可供施工的面积只有8平方米的狭长位置，采用加长（20m）离子接地系统3套安装后，达到2.5的接地电阻。 含水情况 一般来说，湿润的土壤导电性较好，但是在实际工程中，当含水量超过饱以后，接地效果反而不好。 当地底下有潮湿，接地体深入到这一层时，降阻效果会好得多。例如，云尾（ ）移动通讯站，土壤电阻率测量值1200欧，使用（？）接地块2

22、40块，接地电阻达到1欧以下；同样的，湖南柯壶口变电所也是1200欧的从土壤电阻率，地表破碎沙石层，但是开挖150mm发现潮湿土层，埋设接地块80只，原预计达到4欧的地网，结果达到了1.2欧。（二）施工工艺正确的施工工艺才能达到良好的设计的实施效果，看起来不重要的实施细节常常导致严重的后果。因为接地工程是隐蔽工程，当施工完成后，错误不一定马上可以检测到，即使发现问题补救也是很麻烦的，尤其是防腐细节。 使用接地块时，埋设应尽量选择适合的土层进行， 预先开挖80100cm的土坑（平埋），底部尽量平整，使埋设的接地块受力均匀。接地块水平设置，用连接线使连接头与接地网连接，用螺栓连接后热焊接或热融接，

23、焊接完成以后应去处焊渣等，再用防腐沥青或防锈漆进行焊接表面的防锈处理，回填需要分层夯实，保证土壤的密实和接地块与土壤的接触紧密，底部回填4050cm后，应适量加水，保证土壤的湿润，令接地块充分吸湿。使用降阻剂时，为了防腐，包裹厚度应在30mm以上。接地用的钢材一般有50mm×50mm×4mm或50mm×50mm×5mm角钢；40mm×4mm或40mm×5mm的扁钢；50mm、h>3mm的钢管。角钢对角线长的约为70mm，短的约为56.6mm。若包裹厚度为30mm，地网开挖直径尺寸应在130mm。对水平扁钢来说，由于地面开挖高低不

24、平，扁钢本身弯曲不直，在施工中许多部位刚刚被降阻剂盖住。这样，钢材实际上处在两个介质的交界处，大大地加快了腐蚀程度，因此地网开挖尺寸也应该加大。我们认为垂直极灌降阻剂直径以130200mm为好，水平沟以150mm×100mm为好（扁钢竖放）。这样做的开挖工程量和降阻剂用量都会增加，但从整体降阻、防腐效果看是合理的。   离子接地系统埋深一般为30004000mm，当加长时相应加深，有条件的用钻机施工。孔径保证100250mm（根据接地系统的形式选择）。施工中应保证导电为辅料包裹密实，消除空管和气泡。 （三）接地材料的选型 接地材料是接地的工作主体，材料的选择很重要。下面对常

25、用的接地材料的属性做个简单的介绍。 广泛使用的接地工程材料有各种金属材料（最常用的如扁钢）、接地体、降阻剂和离子接地系统等。金属材料如扁钢，也常用铜材替代，主要用于接地环的建设，这是大多接地工程都选用的；接地体有金属接地体（角钢、铜棒和铜板）这类接地体寿命较短，接地电阻上升快，地网改造频繁（有的地区每年都需要改造），维护费用比较高，但是从传统金属接地极（体）中派生出类特殊结构的接地体（带电解质材料），使用效果比较好，一般称为离子（或中空）接地系统；另外就是非金属接地体，使用比较方便，几乎没有寿命的约束，各方面比较认可。 在以下的讨论中以降阻剂、非金属接地块和离子接地系统为代表进行探讨。 降阻剂

26、分为化学将阻剂和物理降阻剂，化学降阻剂自从发现有污染水源事故和腐蚀地网的缺陷以后基本上没有使用了，现在广泛接受的是物理降阻剂（也称为长效型降阻剂）。物理降阻剂是接地工程广泛接受的材料，属于材料学中的不定性复合材料，可以根据使用环境形成不同形状的包裹体，所以使用范围广，可以和接地环或接地体同时运用，包裹在接地环和接地体周围，达到降低接触电阻的作用。并且，降阻剂有可扩散成分，可以改善周边土壤的导电属性。现在的较先进降阻剂都有一定的防腐能力，可以加长地网的使用寿命，其防腐原理一般来说有几种：牺牲阳极保护（电化学防护），致密覆盖金属隔绝空气，加入改善界面腐蚀电位的外加剂成分等方法。物理降阻剂有超过二十

27、年的工程运用历史，经过不断的实践和改进，现在无论是性能还是使用施工工艺都已经是相当成熟的产品了。 非金属接地体有是在通讯、广电等部门广泛使用的工程材料。基本成分是导电能力优越的非金属材料材料复合加工成型的，加工方法有浇注成型和机械压模成型的，一般来说浇注成型的产品结构松散、强度低、导电性能差，而且质量不稳定，一些小型厂家少量生产使用这样的办法；机械压模法，是使用设备在几到十几吨的压力下成型的，不仅尺寸精度较高、外观较好，更重要的是材料结构致密、电学性能好、抗大电流冲击能力强，质量也相当稳定，但是生产成本较高，批量生产多采用。选型时，尽量采用后者，特别是接地体有抗大电流或大冲击电流的要求（如电力

28、工作地、防雷接地）时，不宜采用浇注成型的非金属接地体。非金属接地体的特点是稳定性优越，其气候、季节、寿命都是现有接地材料中最好的，是不受腐蚀的接地体，所以，不需要地网维护，也不需要定期改造，但是，非金属接地体施工需要的地网面积比传统接地面积小很多，但是在不同地质条件下也需要的保证足够接地面积才可以达到良好的效果。序降阻剂非金属接地体中空接地棒传统接地1类型地网与接地极接地极接地极地网与接地极2新建地网施工简单简单较简单简单3改造地网施工复杂简单较简单复杂4适用环境普通地网通用恶劣地质条件 腐蚀环境较高要求地网地网面积小的城市或复杂山岩环境通用5价格比较低较高较高地好要求低便宜，地坏要求高较贵或

29、很贵6抗腐蚀有防腐作用不被腐蚀较好抗腐能力低7气候稳定性普通优异较好不好8使用寿命较长最长长最长短，常需要改造离子（或中空）接地系统是传统的金属接地改进而来，从工作原理到材料选用都脱胎换骨的变化，形成各种形状的结构。这些接地系统的共同点是结构部分采用防腐性更好的金属，内填充电解物质及其载体组分的内填料，外包裹导点性能良好的不定性导电复合材料，一般称为外填料。接地系统的金属材料已经出现的有不锈钢、铜包钢和纯铜材的。不锈钢的防腐较钢材好，但是在埋地环境中依然会多多少少的锈蚀，以不锈钢为主体的接地系统不宜在腐蚀性严重的环境中使用。表面处理过的铜是很好的抗锈蚀材料，铜包钢是铜钢复合材料，钢材表面覆盖铜

30、，可以节约大量的贵金属铜材。套管法或电镀法生产，表面铜层的厚度从0.01mm到0.50mm，厚度越厚防腐效果越好。纯铜材料防腐性能最好，但是要耗用大量的贵金属，在性能要求较高的工程中使用。由于接地系统大多向垂直方向伸展，所以接地面积大多要求很小，可以满足地形严重局限的工程需要。以上介绍的接地材料各有优势，但是都有自身的局限。我们提倡各取所长，选择适当的材料满足不同的工况。 四、接地布线 提倡单点法的联合接地与独立地相结合。接地布线的原则是提供良好的接地通路，并且尽量降低各系统的电位差，使其等电位化，并且防止接地信号干扰。 室内系统通过接地引下线与地网联系，建筑内的线路排布直接关系到接地系统是否

31、真正有效地工作。如果处理不好线路地排布，常常造成设备地损害。 为了更清楚的阐述布线的原则，我们模拟一个建筑来考察他在受到雷击时候的情况： 雷击避雷针、避雷带、电源线、信号线产生感应过电压（过电流）的现象是经常发生的。图3中的电子设备A和B是两台互相传输数据的设备，假设电源线上传输进来5kA雷电电流波（10/350S），按图4所示的等效电路，设备是否会被损坏？ 图3 独立接地系统的设备电位差图图4 用避雷器防雷的等电位接地图假设：电源避雷器性能优良，其响应时间和导通后的残压不会损坏电子设备A，雷电流IP=5kA全部流经避雷器P进入接地点G1入地； 接地电阻R11、R21、R31，且互为独立接地。

32、 雷电流IP流过接地电阻R1时，接地点G1的地电位将抬升为UG1Ip·R1该电位UG1此时会加到电源的输入端1，而设备A的接地点G2为零电位，则电源输入端与入地点G2之间的电位差Ua1G25kV。 电子设备开关电源能耐受的最高电压为8001500V（10/350S波形）,若5kV的电压波加到a1G2两端，则设备的电源端将被过电压损坏。 为了避免设备A的电源端免受雷击损坏，应将接地点G1与G2相连接（如图4所示）。 该电位UG1此时会加到电源的输入端1，而设备A的接地点G2为零电位，则电源输入端与入地点G2之间的电位差Ua1G25kV。 电子设备开关电源能耐受的最高电压为8001500V（10/350S波）,若5kV的电压波加到1G2两端，则设备的电源端将被过电压损坏。 为了避免设备A的电源端免受雷击损