民用建筑的防雷与接地问题探析

民用建筑的防雷与接地问题探析
摘要：防雷与接地是民用建筑电气设计中不可缺少内容。

文章在分析雷电产生机理及对民用建筑的影响的基础上对民用建筑的防雷保护技术和措施进行了探讨。

分析民用建筑接地保护的形式及特点，提出了民用建筑的接地保护措施。

将民用建筑的防雷和接地作为一个整体性的系统工程考虑和设计对于保护人民的人身安全和设备安全具有关键性的意义。

关键词：民用建筑；过电压；感应雷；接地方式
随着经济技术越来越快的发展，民用建筑的防雷和接地越来越得到了重视，因为其对于建筑物本身的安全和人民的人身安全是极其重要的。

雷和闪电是常见的自然现象，雷击建筑物和电力设备往往造成极大的危害。

防雷涉及到对建筑物内部的设备安全。

而接地涉及到建筑物的供电系统、设备及人身的安全，电气设备接地或接零是保护电气设备的重要手段。

1 民用建筑的防雷保护
1.1 雷电的产生及影响
雷电是一种常见的大气放电现象。

夏天的午后或傍晚，地面的热空气携带大量的水汽不断地上升到高空，形成大范围积雨云，积雨云的不同部位聚集着大量的正电荷或负电荷，形成雷雨云，地面因受到近地面雷雨云的电荷感应，会带上与云底相反符号的电荷。

云层里的电荷越积越多，达到一定强度时，会把空气击穿，打开一条狭窄的通道强行放电。

云层放电时，由于云中的电流很强，通道上的空气瞬间烧得灼热，温度可达6 000～20 000 ℃，以致发出耀眼的强光，形成闪电。

闪道上的高温又使得空气急剧膨胀，同时使空气中的水滴也汽化膨胀，由此产生冲击波，这种强烈的冲击波活动就是雷声。

雷电的形成过程如图1所示。

1.2 防雷保护技术
外部防护主要解决对建筑物外部空间如何截雷，把雷电流向大地中泄放的问题。

由接闪器、引下线、接地体组成，可将绝大部分雷电能量直接导入地下泄放。

过渡防护由合理的屏蔽、接地、布线组成，可减少或阻塞通过各入侵通道引入的感应。

采用有效屏蔽，重复接地等办法，可避免架空导线直接进入建筑物楼内和机房设备，埋地缆进入时用金属导管屏蔽，屏蔽管在进入建筑物或机房前应重复接地，最大限度衰减从各种导线上引入的雷电高电压。

内部防护主要是对建筑物内易受过电压破坏的电子设备或室外独立电子设备加装过压保护装置。

当设备受过电压侵袭时，防雷保护装置能快速动作泄放能量，从而保护设备免受损坏。

由均压等电位连接、过电压保护组成，可均衡系统电位，限制过电压幅值。

连接接闪器与接地装置的金属导体称引下线，雷击时引下线上有很大的雷电流流过，会对附近接地的设备、金属管道、电源线等产生反击或旁侧闪击。

为了减少和避免这种反击，现代建筑利用建筑物的柱筋作避雷引下线。

因为柱钢筋与木梁、楼板的钢筋，都是连接在一起的和接地网络形成一个整体的“法拉第”笼，均处于等电位状态。

雷电流会很快被分散掉，由此避免反击和旁侧闪击现象的发生。

1.3 民用建筑防雷措施
1.3.1 接闪器
防雷装置的接闪器，其由针尖体、基球体、邻球体和底杆体等部分组成，具有提前放电的性能，防直击雷的性能较传统避雷针优，而且具有中国传统建筑装饰文化的特色；适合于一般建筑物顶上使用，尤其适合于小面积的高建筑物和构筑物上使用。

接闪器位于防雷装置的顶部，其作用是利用其高出被保护物的突出地位把雷电引向自身，承接直击雷放电。

除避雷针、避雷线、避雷网、避雷带可作为接闪器外，建筑物的金属屋面可用作第一类防雷建筑物以外建筑物的接闪器。

接闪器所用材料应能满足机械强度、耐腐蚀和热稳定性。

1.3.2 避雷针
某些高层建筑虽然安装了避雷针，但因接地线断裂等原因而“有形无用”了；
30 kA高强度雷电流放电时可对距离雷击点1km范围内网络系统产生电磁感应作用，据统计，这种感应雷击占计算机雷击事故的70%以上。

可见，要确保避雷装置发挥效能，不但要经常保养，使避雷针处于良好状态。

还要正确设计、正确安装，同时兼顾建筑物内部的过压防护。

1.3.3 引下线
连接接闪器与接地装置的金属导体称引下线，雷击时引下线上有很大的雷电流流过，会对附近接地的设备、金属管道、电源线等产生反击或旁侧闪击。

为了减少和避免这种反击，现代建筑利用建筑物的柱筋作避雷引下线。

因为柱钢筋与木梁、楼板的钢筋，都是连接在一起的和接地网络形成一个整体的“法拉第”笼，均处于等电位状态。

雷电流会很快被分散掉，由此避免反击和旁侧闪击现象的发生。

引下线通常采用圆钢或扁钢，尺寸不小于：圆钢直径为8 mm；扁钢截面为48 mm2、厚度为4 mm。

所有引下线要镀锌或涂漆，在腐蚀性较强场所，还应加大截面积或采取其他防腐措施。

引下线的固定支撑点间隔不得大于1.5～2 m，引下线的敷设应保持一定的松紧度，不能拉的太紧，以免热胀冷缩而拉断。

1.3.4 电涌和漏电保护
含有微处理器的电气设备极易受到电涌的损坏，包括计算机和计算机的辅助
设备、程序控制器、PLC、传真机、电话、留言机等；程控交换机、广播电视发送机、微波中继设备；家电行业的产品包括电视、音响、微波炉、录像机、洗衣机、烘干机和电冰箱等。

美国有一项调查数据表明，在保修期内出现问题的电气产品中，其中63%是由于电涌造成的。

在建筑物的不同防雷区界面和所需的特定位置上设置电涌保护器SPD，是建筑物防电涌综合保护措施中至为关键的一项措施。

SPD的主要作用是当电涌来临动作后，钳压和泄流以及暂态均压。

电涌保护器的工作决定于施加其两端的电压U和触发电压Ud值的大小，对不同产品，Ud值为标准给定值，如图2所示。

电涌保护器防护的关键概念是给雷电感应电流提供一个通向大地的短捷有效的通路。

这样雷电涌流将从设备外分流。

当设备发生碰壳故障、电线绝缘破损、人体直接触接相线电压时；在游泳池、淋浴房、厨房、卫生间等特别潮湿的地方，因人体表皮电阻降低，触电死亡的危险大大增加时；当一些电子设备绝缘损坏，其外露金属附件可能带危险电压时，只要安装了漏电保护器，就能保证在人身触电的瞬间迅速切断电路，保证人身安全。

因此，漏电保护器在低压供电系统的应用，可以大幅度地提高供电系统运行的安全性，对进一步保证人身和用电设备的安全具有极为重要的作用。

2 民用建筑的接地保护
工作接地、屏蔽接地、信号接地等属于电气功能性接地。

防雷接地、防静电接地等属于电气保护性接地。

以下对接地保护方式和措施进行分析。

2.1 保护接地方式
①TN制式系统。

如图3所示，这种系统的N线和PE线是分开的，零线N 断开时不会影响PE线的保护作用，常用于安全可靠性要求较高的场所。

对新建的高层建筑、住宅小区，推荐使用TN-S系统。

②TN-C系统。

如图4所示，C表示工作零线与保护零线合二为一。

即系统中的中性线N与PE保护线合二为一。

为了减少因PEN断线后带上近乎相电压的对地电压，常在PEN线上采取重复接地的措施，这种接地系统不能使用漏电保护器RCBO，否则合不上开关。

③TN-C-S系统。

这种系统兼有TN-C和TN-S两种制式的特点，常用于配电系统末端环境较差或对电磁干扰要求较严的场所。

C表示工作零线与保护零线合二为一，S表示工作零线与保护零线严格分开，此系统中，中性线N与PE保护线有一部分合二为一，另一部分分开，以G处为分界点，前部分适用于三相平衡负载，后部适用于三相不平衡负载。

整个系统可以使用漏电保护器RCBO，但是PEN线与G点后的PE线不能穿过漏电保护器。

④TT制式系统。

如图5所示，TT制式系统适用于以低压供电、远离变电所的建筑物，对环境要求防火防爆的场所，以及对接地要求高的精密电子设备和数据处理设备等。

如我国低压公用电，推荐采用TT接地制式。

但是，TT接地系
统为达到接地要求，耗费的钢材多、难以回收，费工费时费料，难以推广。

⑤IT制式系统。

如图6所示，IT制式系统由于中性点不接地，设备漏电时单相对地漏电流小，不会破坏电源电压的平衡，因此适用于供电距离较短，对供电可靠性要求较高的大医院手术室、地下矿井等不停电场所。

当供电距离较长时，供电系统对地分布电容则不可忽视，输电线路越长，分布电容越大，若对地电容电流一旦和电源发生联系时，保护设备不一定动作，是很危险的。

因此，这种系统只用在供电距离较短时才比较安全。

2.2 民用建筑接地要求
系统接地后提供了采用自动切断供电电源这一间接接触防护措施的必要条件。

系统中应实施总电位联结。

在局部区域当自动切断供电电源的条件得不到满足时，应实施辅助等电位连接。

不得在保护回路中装设保护电器或开关，但允许装设只有用工具才能断开的连接点。

严禁将可燃液体、可燃气体管道用作保护导体。

电气装置的外露可导电部分不得用作保护导体的串联过渡接点。

保护导体必须有足够的截面。

3 结语
在民用建筑的设计和建设过程中，要将其防雷和接地作为一个系统工程来考虑。

不管是防雷还是接地，任何一环的缺失都会对民用建筑产生潜在的安全隐患。

如果只采用防雷措施而不进行接地，雷电电流无法快速释放；如果只采取接地设施而不进行防雷，强大的雷击电流会冲击民用建筑中的电气设备。

无论哪种情况都会使民用建筑遭到破坏甚至是瘫痪。

只有科学地设计和配置防雷和接地，合理配置，使之成为一体，才能确保民用建筑的安全。

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