5 环形接地和等电位连接
环形接地网就是把接地体沿建筑物周围围成一个闭合环。这样的接地网可以使界面以内的电场分布比较均匀,减少跨步电压对人的危害,也可减少室内在被雷击时,由于地面电位梯度大产生对设备高电压反击的危险。
等电位连接是把建筑物内所有金属物,如混凝土内的钢筋、自来水管、煤气管,以及其它金属管道、机器基础金属物和大型的埋地金属物、电缆金属屏蔽层、电力系统的零线、防雷建筑物的接地线,统统用电气连结的方法连接起来(焊接或可靠的导电连接),使整个建筑物空间成为一个良好的等电位体。当雷电袭击的时候,在这建筑物内部和附近大体上是等电位的,而不会发生内部设备被高电位反击和人被电击的事故。此外,在电力线、电话线、电视信号电缆、电子计算机讯号传输线等,一切与外界有联系的金属线都要接上合理的过电压保护装置(避雷器),且装置要与建筑物的防雷接地装置直接进行电气连结,使之成为等电位(实际上是准等电位,因为正常时各导线之间的电位差和雷击时的残压与雷电压比较是微不足道的,所以一般把这样的连接也称为等电位连接)。
由于采用等电位连接,不但使建筑物及其内部的设备防雷能力大大提高,也可以放宽对建筑物接地电阻的要求。这样可减少建设投资,减低施工难度,尤其是在干旱、沙漠和山地土壤电阻率高的地区更为重要。
关于共用接地的接地电阻值,许多文献建议共用的接地电阻要在1Ω以下。这是不合理的,经济上是浪费的,姑且不论这1Ω是工频还是冲击接地电阻。就按1Ω工频接地电阻等于1Ω冲击接地电阻考虑,建筑物内220/380V用电设备,其绝缘耐冲击电压按国际电工委员会的规定为6kV。当建筑物的防雷装置遭直接雷击时,雷电流幅值在积累次数取50%时其值为35kV,它与1Ω接地电阻的乘积为35kV,这是上述耐冲击电压6kV的5.8倍。在共用接地的条件下,防止用电设备绝缘击穿的最主要措施是采用在绝缘导体与共用接地系统之间装设过电压保护器。在特殊条件下,某类金属物体不允许与共用接地系统直接连接时,也要在它们之间装设过电压保护器,以防发生跳击而在大气中产生火花。过电压保护器是用来限制存在与某两物体之间的冲击过电压的一种设备,如放电间隙避雷器或半导体器件。
6 基础接地体的应用
基础接地体的应用存在各种不同的看法:有些人认为,在基础内的钢筋被混凝土包住,就不可能与大地沟通,这样怎样起接地体的作用呢?事实上干燥的混凝土是很好的绝缘体。而含有水分的混凝土却是另一种情况。在制造钢筋混凝土基础的过程,硅酸盐水泥和水互相作用,干涸后,混凝土中存在许多细小的分支毛细管。基础的混凝土保持与含水分的土壤接触时,毛细管将水分吸到混凝土里,因而降低了混凝土的电阻率。混凝土的实际电阻率实测值见表1。
表1混凝土电阻率的实测数据
电阻率 | (Ω*m) |
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放在水中 | 40~50 |
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埋在潮湿土壤中 | 100~200 |
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埋在干燥的土壤中 | 500~1300 |
从上表实测数据可以看出,钢筋混凝土基础作为接地装置是有利的。较大的楼宇采用基础接地体后的接地电阻一般都能满足要求。若较小的钢筋混凝土建筑,使用它的柱梁结构的埋地钢筋混凝土做接地网,即使它的接地电阻达不到足够小,需要加埋人工接地体补充,这起码也能够起到减少人工接地体的数量,节约投资,是一件有益无害的好事。但有些钢筋混凝土确实不能作为接地装置,如防水水泥,铝酸盐水泥,矾土水泥,以及异丁硅酸盐水泥等,以人造材料水泥做成的钢筋混凝基础,不能做接地装置。
这里有一点要强调,混凝土浇灌前,各钢筋之间必须构成电气连接。主要是作为接地体的桩筋与承台的连接,选定作为引下线和均压环屏蔽网的梁柱筋驳接处必须作牢固的焊接,使之成为可靠的电气通道。有一种观点认为,建筑物由结构的钢筋经过绑扎即可达到电气连接的要求,并可望经过雷电流冲击后把绑扎点熔接起来,相当于点焊一样。事实上这种做法是不可靠的,据防雷设施检测、验收和灾情调查实例分析,对以上说法有三个疑问:其一是在潮湿多雨的南方,钢筋的锈蚀,水泥浇注时的振动,使钢筋绑扎接口成为不良接触,使应该作为防雷接地系统的各部分钢筋连接体未能形成良好的电气通路,不利于雷电流的泄放;其次,在选作接地装置的桩、梁、柱筋的绑接,各接口的过渡电阻值不同,影响了雷电流的平衡分布;其三,因为雷电冲击使绑扎点发生焊接的可能性是不均匀的,而每次雷电流的“点焊”结果,已经使建筑物经历了一次局部的灾害,无论是墙柱体爆裂,或者是“点焊”处周边产生的强烈电磁感应,对人体或设备的损害,特别是对高层建筑和现在所称的“智能大厦”,其危害是显然的。据广东省气象局与广东省公安厅多年对雷电灾害调查发现;广东省内不少高层建筑因为忽视了这个问题,使建筑物防雷能力不足,从外表看似在完善的防雷针、网、带的“保护”之下,还是发生了建筑物局部损坏的情况,在农村地区这种现象就更为常见。因此,在广东省,对建筑物防雷设施建设质量的验收就包含了对隐蔽工程,主要是选作防雷装置的桩、梁、柱、钢筋的焊接及其焊接质量的验收。事实证明,这种措施是非常必要的。
综上所述,作为一座建筑物做地网设计时应遵循以下几条:
(1)尽量采用建筑物基础的钢筋和自然金属接地物统一连接,作为接地网;
(2)在建筑物中选作地网的桩基础、承台作引下线的柱筋,其驳接处应采取焊接而不应用绑扎代替;
(3)尽量以自然接地体为基础辅以人工接地体补充,外形尽可能采用闭合环形;
(4)应采用同一接地网,用一点接地的方式接地;
(5)若使用高频或超高频设备时,应采用机壳或就近用一金属平面做最短接线的多点接地,以减少高频干扰。