自从雷电电磁脉冲防护问题被明确地提出以来, 建筑物防雷结构的选择成为防雷工程设计的一项重要课题。它关系到该防雷工程系统的保护性能和可靠性。我国现有的防雷书籍很少讨论这个问题, 笔者试图起个头讨论它, 难免有不当和错误之处, 欢迎大家讨论批评。
一、独立接地体的地电位分布和我们控制跨步电压的经验
管形接地体附近地面上的电位分布, 它表明接地体的上端如果用绝缘物隔离, 使其不能够散流, 就能够使地面上的电位分布得到一定的均压效果。还由于地表附近接地线的腐蚀现象比较严重, 所以, 我们在北京的各古建筑和公园的防雷工程中推荐地面下0.5-1m的地线和地面上1.8m-2m的引下线和接地线采用绝缘胶带包扎绝缘的做法。这样做能有效地避免游人的跨步电压和接触电压危险, 也能显著地减少地表附近接地线的腐蚀。为了减少对古建筑原貌的破坏, 古建筑接地工程一般不允许挖沟敷设周圈式接地网 (带) 。对于民用和现代智能建筑的防雷接地我们推荐周圈式接地网 (带) 。
二、周圈式接地网 (带) 的地中电位分布和我们控制室内地电位分布的经验
周圈式接地网 (带) 能使雷击时建筑物室内的电位均衡地浮动, 减少跨步电压和接触电压的危险, 减少室内电气线路和设备对地的电位差, 达到等电位的效果。王时煦先生倡导, 在新建的建筑中可以在施工槽中就近墙基敷设接地带, 这样可以使接地带埋深1m, 取得更好的均压效果;区别于此, 在古旧建筑补做防雷时, 为了保护墙基安全, 在墙基外3m处挖接地带的施工槽。
如果没有周圈式接地网 (带) , 只敷设集中接地体或接地带, 在建筑物内的地电位分布将有很大的梯度, 使电气线路和设备对地产生很大的电位差, 从而有反击的危险。所以, 智能建筑物必须敷设周圈式接地网。有了周圈式接地网 (带) , 这种地电位差减少了, 反击的危险少了;但是, 由于雷击建筑物的被击点位置不同, 引下线的分布不同, 接地网上各点的电位差还可能不同。建筑物内的等电位状态不像静电学等电位那样理想, 大楼内还有杂散电流 (振荡电流) 在钢筋中分布。在大楼内各种电气线路都要受到杂散电流的电磁耦合作用。杂散电流在接地网上的电压降 (主要是电感分量) 就是接地系统不同点的暂态电位差。这个电位差很难直接测量。实际上, 更有实际意义的是所谓的开环电压和闭环电流。
室外进线的埋地屏蔽钢管要避开墙角敷设, 那里引下线的分流雷电流较强, 地电位浪涌较高;如果是塔楼, 埋地屏蔽钢管要接到内环的接地带上, 那里有中心接地线和总布线槽, 那里的地电位浮动较低。
三、再谈对防雷分区图谱的误解及这种错误认识的影响
我们早就讨论过, 防雷分区图谱应该是电气节点的符号, 而不是隔墙的符号。建筑群的供电多数是一个配电室 (站) 向多个建筑物送电, 故宫内的配电网即是如此。故宫紫禁城的外景照明、天安门和角楼等的外景照明都是专线供电的, 它在送出配电室 (站) 时经过10-15m埋地屏蔽钢管 (此段是在地表内, 其管径和壁厚尺寸都比较大, 由预计的进线尺寸和雷电流决定) 、再经过线槽 (沿墙向上敷设或在墙上平敷) 送到照明灯具处。如果没有埋地的屏蔽段, 将接线槽直接地接配电室, 从照明线路来的雷电波就会侵入配电室造成雷击事故。
各个宫殿的室内供电另有埋地屏蔽的电缆供电。自上世纪50年代以来, 故宫内建筑物室内 (特别是宫殿) 配线一律采用Φ10mm屏蔽铁管布线, 管壁厚度约为5mm, 其分线槽为方形的也是铁皮制造的、它有向外的Φ12mm的接管头, 其内部电线固定在绝缘槽上、绝缘槽的表面耐冲击电压值约为2kV。分线槽与铁管接合处用导线焊接电气导通, 以保证其屏蔽性能。经验表明进入室内的脉冲电流不大, 以上室内屏蔽铁管的尺寸已经足够。
为了预防农村学校的雷击事故, 我建议采用故宫的防雷经验, 在这些学校的屋顶敷设避雷网 (带) 、按防雷规范敷设防雷引下线, 在房屋的周围敷设接地网 (带) , 在各个教室内用屏蔽铁管布线。这样, 学生和老师所受到的反击电压将限制在2kV以内 (比较:架空线引入室内的过电压在500-600kV以上) , 不会再有雷击造成群死群伤的危险。这里主要考虑的是人身安全, 不考虑电子设备的防雷, 就用不着安装昂贵的SPD。但是能解决广大农村学校师生防雷安全的问题。
现在北京的民用建筑物大多是钢筋混凝土结构的, 采用的供电系统是由配电室 (中心) 把导线经过埋地屏蔽钢管向各个建筑物内配送的。这样的建筑物很少发生雷击事故。雷击事故经常发生在架空线直接向建筑物供电的郊区房屋 (不论砖木结构还是钢筋混凝土结构) , 而且往往是几户或几十户同时遭受雷击, 不仅伤人还会损坏电气设备。我们在50年前就已经证明, 采用统一接地系统的建筑物不能够采用架空线进线的办法, 那样做将使雷击事故向相邻建筑物扩散, 该建筑本身也得不到可靠的防雷保护。
四、几点结论
(1) 适当埋深接地体 (带) 并将其上端连接线绝缘, 能够改善接地装置的地面电位分布, 使其跨步电压降低并减少接地线的腐蚀效应。
(2) 周圈式接地网 (带) 有均衡地中电位分布的效果, 进线埋地屏蔽铁管应避免从房屋的四角穿入, 应从地电位分布较低的接地带的边线下穿入。
(3) 建筑物防雷的重要措施之一, 是坚决废弃架空线直接进线的做法, 将电源线在进线电杆处穿入埋地屏蔽铁管, 从接地网下引入到室内。
(4) 废弃室内用塑料管布线的做法, 改用屏蔽铁管布线, 穿线铁管内的绝缘线槽将有简易SPD的作用, 雷击时可以保护人身的安全。
摘要：本文讨论了独立接地体、接地带和周圈式接地网 (带) 在地中的电位分布及其防雷性能, 说明了防雷分区的物理意义和优选防雷接地结构的重要性。
关键词：建筑物防雷,雷电电磁脉冲防护 (LEMP) ,防雷结构
参考文献
[1] 王时煦, 马宏达, 陈首新.建筑物防雷设计[J].中国建筑工业出版社, 1980 (9) :111.
[2] 马宏达.关于防雷接地问题的探讨[J].中国防雷, 2005 (3) :31-34.