刍议建筑防雷接地的相关问题

摘要：随着电气、电子设备的广泛应用,电磁干扰问题日益突出,将影响到众多设备的正常使用以及干扰源周围的生态环境。接地是抑制与减少电磁干扰的重要措施。阐述了接地的分类,指出了在实际施工中因接地而带来的地电位反击、损坏变压器、干扰信号系统等方面的问题。 关键词：防雷接地;分类;问题

Abstract: With the wide application of electrical, electronic equipment, electromagnetic interference problems have become increasingly prominent, will affect the ecological environment around the normal use of large equipment and interference source. Grounding is suppressed and an important measure to reduce electromagnetic interference. It expounds the classification of grounding, points out that in the actual construction caused by earth ground potential counterattack, damaging the transformer, the interference signal system.

Key words: lightning protection and grounding problems; classification;

中图分类号：TU856

一直以来,电子设备的接地工作都是电磁防护领域的重要课题。在进入数字化网络时代以后,大量的计算机、通信等工作在低电压等级的电子设备得到广泛应用,有线、无线网络的结合也越来越紧密,设备的运行环境也从过去的专业机房扩展到各种复杂环境。网络化给电子设备的防护和接地带来了新的挑战。现就“接地”这一重要防雷措施要素给整个电源、电子或通信网络系统带来的若干问题谈一些认识,供同行们参考。

一、接地的分类 接地就是将电气设备的某一可导电部分与大地作电气连接或金属性连接,称电气接地,简称接地。通常把大地当做参考电位,即零电位,实际上这个零电位是很不稳定的。目前,防雷系统的接地主要采用2种方式。一是分散接地。就是将通信大楼的防雷接地、电源系统接地、通讯设备的各类接地以及其他设备的接地分别接入相互分离的接地系统。由于地线系统不断增多,地线间潜在的耦合影响往往难以避免,分散接地反而容易引起干扰。同时主体建筑物的高度不断增加,其接地方式所带的不安全因素也越来越大。当某一设施被雷击中,容易形成地下反击,损坏其他设备。二是联合接地。联合接地方式也称单点接地方式,所有接地系统共用一个共同的“地”。这是目前普遍采用的接地方式,即将工作接地(直流工作接地或者交流工作接地)、保护接地(机壳接地)、防雷接地(防雷器件或接闪器、防雷线的接地)统一与电子设备所在建筑物地基下铺设的接地网(或者另建的联合接地网)连接。这样可以有效避免各接地体、各系统之间出现耦合影响或电位差。

二、接地带来的问题

1、地电位反击 以移动通信基站为例,电压反击是当雷电流沿基站的接闪器(铁塔)、避雷器等引雷器件对地泄放时,由于地网接地电阻的存在引起基站的地电位升高,基站直流负荷如BTS和光端机电源、开关电源整流模块、基站的动力环境监控器等设备相对远端地一般都存在寄生电容,这些设备一端与工作接地相连,无流的远端地与基站的工作接地间存在电位差(工作地与地网相连),因而产生差模脉冲电压,当超过设备的容许限度(耐压值)时必然造成设备的损坏。基站的单相交流负荷如基站空调、照明等设备的零线接在变压器的交流地上,当雷电流沿基站的避雷器对地泄放时,变压器的交流地和交流重复接地的电位也会升高,因此基站的单相交流设备也同样存在地电压反击的问题。基站设备接地的简单等效电路,即把基站设备与接地有关的电路简单等效为线路电阻、线路寄生电感(可忽略不计)、线路负载(如传感器、BTS、空调、灯具等)终端对远端地的寄生电容组成的串联回路。假设基站的冲击接地电阻r为2Ω,防雷器对地的泄放电流I为2kA,这时基站的接地排的瞬间电压为U=Ir=4kV,负载两端的瞬间浪涌电压可达4kV,如不采取措施,必然造成设备损坏。同时,由于联合接地的原因,地电位的提高也必然造成保护地(即机壳接地)电位的提高,因此当机壳与设备电路间的电压差达到击穿电压时,必然造成通信设备外壳与电子元器件间的放电,致使设备短路损坏甚至起火。另外,防雷接地由于与地网电压一致,当地网瞬间形成高压时,基站内所有防雷器件(SPD)的接地端都会产生对受保护端(如低压供电线路和天馈线)的逆向电压差,当电压差达到防雷器的启动电压时,形成反向放电,即把地网上的瞬间雷电流泻放到电源供电线路和信号线路上面,这就是为什么移动基站附近的居民或单位(尤其是学校和自来水厂)遭雷击频率高的原因。

2、损坏变压器 以损坏频率高的民用变压器为例,常见的变压器损坏,通常是雷电流击穿损坏变压器高压端线圈(绕组)。其原因主要是雷电波侵入配电变压器高压侧绕组所引起的正、逆变换过电压造成的,而这2个变换的产生都与接地有关。一是逆变换过电压。即当3～10kV侧侵入雷电波,引起避雷器动作时,在接地电阻上流过大量的冲击电流,产生压降(即地电位),这个压降作用在低压绕组的中性点上,使中性点电位升高,当低压线路比较长时,低压线路相当于波阻抗接地。因此,在中性点电位作用下,低压绕组流过较大的冲击电流,三相绕组中流过的冲击电流方向相同、大小相等,它们产生的磁通在高压绕组中按变压器匝数比感应出极高的脉冲电势。三相脉冲电势方向相同、大小相等。由于高压绕组接成星形,且中性点不接地,因此在高压绕组中,虽有脉冲电势,但无冲击电流。冲击电流只在低压绕组中流通,高压绕组中没有对应的冲击电流来平衡。因此,低压绕组中的冲击电流全部成为激磁电流,产生很大的零序磁通,使高压侧感应很高的电势。由于高压绕组出线端电位受避雷器残压固定,该感应电势就沿着绕组分布,在中性点幅值最大。因此,中性点绝缘容易击穿。同时,层间和匝间的电位梯度也相应增大,可能在其他部位发生层间和匝间绝缘击穿。这种过电压首先是由高压进波引起的,再由低压电磁感应至高压绕组,通常称之为逆变换。二是正变换过电压。即当雷电波由低压线路侵入时,配电变压器低压绕组就有冲击电流通过,该冲击电流同样按匝数比在高压绕组上产生感应电动势,使高压侧中性点电位大大提高,它们层间和匝间的梯度电压也相应增加。这种由于低压进波在高压侧产生感应过电压的过程,称为正变换。试验表明,当低压进波为10kV,接地电阻为5Ω时,高压绕组上的层间梯度电压有的超过配电变压器的层间绝缘全波冲击强度1倍以上,变压器层间绝缘被击穿。

3、干扰信号系统 在监控系统防雷的施工过程中,当在视频线路上或网络线路上安装信号保护器时,安装前设备正常,安装防雷器并接地后发现监视器出现雪花点或无显示,网络则出现数据丢包或失常。通过试验发现,在线路上装上防雷器件但不接地时,对系统无干扰或者干扰很小,一旦接地后,系统出现上述问题,由此推断该现象是由接地引起的。该现象与视频或网络信号防雷器的构造有关。信号防雷器主要由陶瓷气体放电管(粗保护)和4个快恢复二极管(FRD)及1个双相瞬态电压抑制二极管(TVS)组成(细保护)。气体放电管具有高绝缘电阻和低电容,瞬态管也有较高的工作阻抗,因此均不会对系统造成干扰。问题在于4个快恢复二极管组成的高速桥,快恢复二极管是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管,其正向压降很低(1～2V),一般视频或网络线路工作电压为几伏至几十伏,因此尽管有分压电阻,二极管仍很容易导通,与地网相连,这样必然造成视频或网络线路工作电流的分流,使信号衰减。同时,大地杂波及热噪音也将通过该通道反向干扰线路,出现视频失常或中断等现象。 另外,关于接地电阻和地电位反击之间的关系,当雷电流为10kA级别时,SPD启动对地导通,通过地网泻流,根据欧姆定律,此时不论地阻是5Ω或15Ω,其在地网上产生的瞬间电势(50kV和150kV)都超过交流端口的耐压值(一般为1 200V),这样的电压加载在交流负载端,必然造成损坏。由此可知,地电位反击造成的破坏与接地地阻的大小无直接关系。

三、结束语接地从字面来看是十分简单的事情,其实是一门很复杂的学科。在电磁兼容设计中,接地是最难的技术。面对一个系统,没有一个人能够提出一个绝对正确的接地方案,多少会遗留一些问题。防雷与接地是统一的,二者缺一不可。只有防雷措施而无接地,无法迅速泄流放电,反之,设备将直接遭受强大电流的冲击,无论哪种情况系统都将受到破坏甚至瘫痪。笔者提出这些问题,以供参考,在设计防雷系统时考虑如何通过合理配置,避开这些问题,从而有效确保系统的稳定工作,发挥出系统防护工作的最佳效果。