摘要:本文討論了配電網接地系統與建築電氣設備之間的電磁兼容問題。接地網的電阻值和接地網結構在防雷中的作用；外部防雷和內部防雷子系統的放電過程；指出了接地技術中的誤導宣傳。
關鍵詞:建築防雷、雷電電磁脈沖防護、LEMP防雷與接地、電子(邏輯)接地
1.供電系統接地方式與室內電磁兼容性的關系
配電網接地系統關系到電網運行安全和建築物供電安全[1，2]。西方國家特別重視供電質量，對供電頻率和電壓質量有嚴格要求；他們也非常重視智能建築中的電磁兼容性，屏蔽電纜在重要建築中得到了廣泛應用。現在中國的智能建築設計已經註意到了這壹點。目前大城市的配電變壓器都采用了小電阻接地方式，電力線路中普遍采用了TN-S和TN-C-S系統，俗稱三相五線制；註意室內電氣線路的敷設要符合綜合布線的規範。
如果把三相供電系統的火線比作供水管，N線就像下水管道，它輸送的電流包括手電筒、閘流管等用電設備產生的雜波，供電系統故障時產生的過電流。這樣電源就是壹個封閉的系統，PE線只起到接地和固定電位的作用，平時沒有電流流過。如果將N線和PE線合並，這些雜波電流和過電流會在地線中產生浮動電壓，損壞電子設備，使其無法正常工作。所以N線必須絕緣，PE線必須獨立敷設，這就是建立三相五線供電系統的意義。檢查N線和PE線是否絕緣良好的方法是測量PE線中的電流。正常情況下，PE線中應該沒有電流。我們在測量故宮防雷工程中某宮殿的防雷接地時，發現接地電阻表擺動，於是發現存在N線和PE線重疊的故障。PE線的作用是平時作為設備的電子接地(邏輯接地)和安全接地，雷擊時也作為防雷接地。
三相四線筆線也有安全接地的功能，但不能用於電子接地，因為平時會有雜散電流，無法保證電子設備的穩定運行。比如1993，北京西便門立交橋東北側壹平房(店)發生火災。原因是壹輛高架貨車掛線，發生單相電弧接地事故，但店鋪的電氣開關無法立即關閉。這間平房天花板的電線因電流過大而熔化，引發了火災。中國的農村應該特別註意這種架空配電建築的安全。IEC防雷標準和我國現行建築防雷標準選用SPD的U1ma時，只考慮220/380 V電網的中性點接地方式，而不考慮其上級10kV電網的中性點接地方式。甚至經常選擇440V和470V U1ma，不合適。我國配電網大多采用中性點絕緣或消弧線圈接地。當這些網絡中發生單相接地故障時，可能會運行幾個小時。這時相電壓變成線電壓，導致SPD燒壞。根據我國水利電力部和機械工業部制定的國家標準GBll02-2000，考慮到充電率，規定220V MOV為U1ma=600V，MOV為U1ma =1200V。這樣做是合理的，不僅可以減少SPD燒毀，還可以有效地防雷。
建築物雷擊事故統計表明，80 ~ 90%的事故是由電氣線路引起的，直接雷擊引起的事故並不多。山區和農村地區建築物供電直接引入架空線不是好辦法；建議參考參考文獻[3]，改為用鐵管穿線屏蔽敷設(見圖1):在進線電桿前接壹段長度為15m的架空延伸地線，作為避雷針使用(見圖2)。這壹段線路的作用是增加屏蔽鐵管前主線的電感，使1#SPD(氧化鋅避雷器)容易啟動，然後在進線極前使用。
圖1建築物架空線路防雷措施
圖2架空延伸地線和電桿避雷線示意圖。
2、取決於接地電阻元件的大小
經驗表明，接地體的電阻主要取決於其與地面的接觸電阻。當我們在擊中接地棒後立即測量接地電阻時，得到某壹數值；只要抓住接地棒的上端搖動，再次測量時接地電阻值就會增大。這是因為接地棒和它附近的土壤是分開的。鉆孔埋設接地體時，灌水、填土後壹段時間，接地電阻值會發生變化。開始它的接地電阻值很小，然後變大(土壤與接地體分離)，時間長了再變小(由於土壤壓實)。當碳棒和碳模塊作為接地體時，其接地電阻值不如計算的理想，但如果在其周圍塗覆LRCP降阻劑，則可以理想地達到預期的接地電阻值。這些都說明接地體與地面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面積s的平方根成反比。在接地網中增加接地棒和接地樁對降低接地電阻的作用不大。因為接地網周圍的接地棒對其中心有屏蔽作用。而且電子地的穩定性也不是簡單的降低接地電阻就能解決的。重要的是降低接地網的電感，使接地線沒有電流(此時接地線的電感壓降起著重要的作用)。解決方法是用星形連接來連接儀器設備；如果還是有困難，用絕緣線做接地連接，用鐵管包住接地線，屏蔽鐵管兩端接入附近的pe線。原因是地線的電壓無法耦合到電子電路中。內部防雷系統應避免使用開關型和間隙型過電壓保護器。當這些間隙放電時，會急劇切斷電壓，導致電路中分布電容和電感的振蕩過程，損壞電子設備。
3.接地網結構及其防雷性能分析
當建築物遭受雷擊時，鋼筋混凝土結構鋼筋中會產生振蕩電流。這些振蕩電流會在室內電路中感應出次級電流。這些次級電流會損壞電氣設備。利用SPD限制作用在電氣設備上的電壓是內部防雷的任務，而接地網的等電位連接措施使這個二次電流回路中的電流不是很大，這壹點通過8/20μs電流波形得到了驗證。
流過避雷針的雷電流是壹次電流，是建築物向外放電的過程。雖然內部防雷子系統和外部防雷子系統之間有電路連接，但它們是各自的系統，單獨計算時不能混淆，否則會產生嚴重的計算誤差。采用電纜段進線和鐵管屏蔽進線的防雷方法，是防止雷電流經SPD倒灌到供電系統的重要措施。
建築物的基礎接地及其周圍的埋地接地網是安全分散電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者是室外的接地帶，就不能保證建築物的屏蔽條件。北京電力科學研究院的科學家對屏蔽做了理論計算和實驗測試[4，5]。文獻[5]討論了高壓實驗室的接地，可應用於建築物的防雷，並說明了降低接地網電感的原因，以及穿鐵管是壹種有效的屏蔽措施。
作者測量了某通信站天線位置和機房的接地電阻。室外接地帶用於兩個機房的接地，接地網用於天線位置。測量結果表明，機房和天線接地網的共同接地電阻大於單個天線接地網的共同接地電阻，其中更大的部分是接地帶形成的連接電阻。所以機房的接地必須做成環繞機房的環形接地網，不能用機房外的接地帶代替。
埋地接地網CBN和設備連接網EBN的作用和要求不同，如圖3所示。
圖3公共連接網絡CBN和設備連接網絡EBN的示意圖。
作者的個人觀點是:
(1)公共連接網絡CBN的作用是保證安全的電流分散和等電位。必須采用環形接地帶，周圍可以敷設壹些接地棒。埋地是分散電流的重要條件，在土壤電阻率低的地方敷設接地棒降低接地電阻是有效的。而在土壤電阻率比較高，又沒有地下水的山區，制作接地棒的難度很大，降低接地電阻的效果也不明顯。
(2)埋地接地網是保證建築物遭雷擊時整體地電位浮動(屏蔽作用)的必要條件。如果接地體或接地帶敷設在建築物外，則不能起到屏蔽作用。接地網具有比獨立接地體和接地更大的電容。在雷電引至地面的形成和發展過程中，接地網上會感應出大量的感應電荷，這些電荷與雷電引電荷的符號相反。在主放電時，它們在接地導體中重新組合並釋放能量(轉化為熱能)，這樣產生的雷電電壓會比獨立避雷針小，有利於整體防雷效果。
(3)設備連接網絡EBN的作用是保證等電位條件，應具有壹定的低電感要求，這與所安裝的電子設備和設備接地線的連接方式(S-star或M-net)有關。
(4)EBN接地線的電感是幹擾源和危險的地電位波動源。因此，穩定電子接地的關鍵條件是使接地線中的電流為零。要實現這壹點，需要從電梯井道內的接地網CBN中心引出接地線，並與各樓層的等電位聯結板和PE線連接。在嚴密的房間內應鋪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不如靜電等電位理想，建築物內鋼筋中分布有雜散電流。建築物內的各種電氣線路都受到雜散電流的電磁耦合。雜散電流在接地網上的壓降(主要是電感分量)是接地系統不同點的暫態電位差。這種電位差很難直接測量。其實更有意義的是，所謂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
在圖4中，Uab是接地網A和B兩點之間的電位差..電子儀器外殼與EBN地之間，或儀器外殼與電源之間的電位差就是開環電壓。如果儀表的外殼在控制室接地，流經儀表電纜護套(屏蔽層)的電流稱為閉環電流。它是決定* * *模式對電子儀器幹擾的量。開環電壓決定過壓的大小，而閉環電流決定* * *模式幹擾的大小。
(6)只有明確內部防雷和外部防雷兩個子系統中電磁振蕩的過程和特征，人們才能提出有效的抗幹擾方法。原則上，需要合理使用隔離和連接措施來消除不必要的電磁耦合，其中使用鐵管來屏蔽電氣線路，並將所有多余的電氣線路短路和接地。這兩項措施往往非常重要。
4、接地電阻測量的混亂
現在城市的建築密度很高，地下管網很多。準確測量鋼筋混凝土建築物接地網的接地電阻實際上是很困難的。由於接地電阻測量的牽拉距離必須大於接地網直徑的4 ~ 5倍，所以很難做到這壹點。實際上，接地電阻的測量是在接地網的網格中進行的，與接地電阻的定義不符，測量結果不可信(總的趨勢是測量結果太小，有時甚至為負值)。現在廣泛使用的高頻接地電阻測量儀和脈沖接地電阻測量儀測量的接地電阻與工頻接地電阻測量的不同。對接地電阻沒有標準定義的意義，但對接地線斷線的檢測有參考意義。筆者曾專門討論過這個問題[6]。
5.防止浮華炒作。
(1)我不贊成用銅做接地體。接地體的大小是由機械強度和腐蝕因素決定的，而不是由熱穩定條件決定的。銅是戰略物資，我們不應該大量把它埋在地下。西方國家現在都改用鋼管做接地體，而我們主張用銅做接地體。這無非是增加防雷裝置的成本，增加用戶的成本，給施工方帶來利益。
(2)不要聽信壹些防雷公司的宣傳，把接地樁放在接地網中間，無效。電子地的穩定性問題不僅在於接地電阻的大小，還在於使接地線沒有電流。類似“打接地樁”這樣的宣傳是誤導。
(3)還應註意接地措施造成的環境汙染和對附近鋼結構的腐蝕作用。