3.2 防雷与接地装置
3.2.1 防雷装置
加油站1——雷电的形成与雷击
（1）雷电的形成。雷电形成的过程为：当强烈的阳光照射在潮湿的地面上，地面上形成了大量的水蒸气，水蒸气在强烈的对流过程中，互相碰撞、摩擦产生静电，在遇到冷空气后便凝结成带电的水珠。水珠自身携带着大量正电荷，聚集后形成带电的积云，并在地面上产生感应电荷。当两块带不同电荷的积云相遇，或碰到地面上的异性电荷时发生反应，便产生放电现象；放电时产生的爆炸声便是雷，释放过程中产生的热能转换成光能，便形成了所谓的“闪电”。
在特殊情况下，雷电在形成中受到地面环境等因素和影响，就会出现球形的滚“雷”或跳“雷”。雷电释放出来的能量是惊人的，由它形成的电压高达几十万千伏或几百万千伏；由此形成的电流达几万安或几十万安。
（2）雷击形式。雷击有直接雷击和间接雷击两种形式，见表3-8。
表3-8 雷击形式
加油站2——尖端放电与避雷针
在强电场作用下，物体曲率大的地方（如尖锐、细小的顶端，弯曲很厉害处）附近，等电位面密，电场强度剧增，致使这里空气被电离而产生气体放电现象，称为电晕放电。而尖端放电为电晕放电的一种，专指尖端附近空气电离而产生气体放电的现象。
当雷雨云过境时，云的中下部是强大负电荷中心，云下的下垫面是正电荷中心，于是在云与地面间形成强电场。在地面凸出物如建筑物尖顶、树木、山顶草、林木、岩石等尖端附近，等电位面就会很密集，这里电场强度极大，空气发生电离，因而形成从地表向大气的尖端放电。
避雷针是一根耸立在建筑物顶上的金属棒，它的作用是将可能会袭击建筑物的闪电吸引到它上面，再引入到地里，借以保护建筑物，如图3-14所示。关于避雷针为何能防雷的机制，尚待进一步研究。有人认为避雷针的尖端放电，中和了雷雨云中积累的电荷，起到了消除电的作用。但近年来通过尖端放电电量计算，它远不能中和所有电荷。
图3-14 避雷针吸引闪电
加油站3——防雷装置的组成
图3-15 避雷针与避雷系统
一套完整的防雷装置由接闪器（避雷针、避雷线、避雷网和避雷带）、金属接地引下线和金属接地体3部分组成，如图3-15所示。
（1）接闪器。避雷针、避雷线、避雷网和避雷带都是接闪器，利用接闪器高出被保护物的凸出地位，把雷电引向自身，然后通过引下线和接地装置，使雷电流泄入大地，以此使被保护物免受雷击。接闪器所用材料应能满足机械强度和耐腐蚀的要求，还应有足够的热稳定性，以能承受雷电流的热破坏作用。接闪器常用材料的最小尺寸见表3-9。
（2）接地引下线。接地引下线是指连接接闪器与接地装置的金属导体，一般用圆钢或扁钢制成，也可以利用柱内两根以上钢筋作为引下线。防雷装置的接地引下线应满足机械强度、耐腐蚀和热稳定的要求。
表3-9 接闪器常用材料的最小尺寸
接地引下线的技术要求是：圆钢直径为φ8mm，扁钢截面为48mm2，扁钢厚度为4mm。所有引下线要镀锌或涂漆，在腐蚀性较强的场所，还应该加大截面积或采取其他防腐措施。
（3）接地体。接地体是防雷装置的重要组成部分。接地装置向大地泄放雷电流，限制防雷装置对地电压不致过高。除独立避雷针外，在接地电阻满足要求的前提下，防雷接地装置可以和其他接地装置共用。
加油站4——避雷器
避雷器，又叫做电压限制器，它的作用是把已窜入电力线、信号传输线的雷电高电压限制在一定范围之内，保证用电设备不被高电压冲击击穿。
避雷器通常接于带电导线与地之间，与被保护设备并联。当过电压值达到规定的动作电压时，避雷器立即动作，流过电荷，限制过电压幅值，保护设备绝缘；电压值正常后，避雷器又迅速恢复原状，以保证系统正常供电。
避雷器有高压避雷器和低压避雷器，物业电工工作职责范围内的主要是低压避雷器（也就是大家平常所说的电涌保护器），如图3-16所示。
图3-16 电涌保护器
常用的避雷器种类繁多，在我国的市场上已经超过了上百种，常用避雷器的分类见表3-10。
表3-10 避雷器的种类
中转站——第一代避雷针技术
随着建筑物智能程度的提升，防雷技术也日益受到重视，一种提前放电避雷针逐渐成为避雷针的主流。它解决了传统避雷针被动接闪、二次雷击效应严重的问题，在我国获得了越来越广泛的应用。
新一代的避雷针无源、无辐射，其能量来自闪电发生前地面和云层之间的电势差。它在雷击发生临界点提前产生一个向上先导，形成雷电优先通路，克服了传统避雷针被动接闪的不足，大幅提高了防雷保护范围。其内部结构示意图如图3-17所示。
图3-17 提前放电避雷针内部结构示意图
新一代避雷针的主要特点如下。
（1）精确地提前放电，完全主动式引雷。
（2）同等条件下，比普通避雷针保护范围大。避雷针提前产生向上先导，相当于将避雷针增长了数十米，因而增大了保护范围。
（3）减小了二次雷击效应影响。由于在远离建筑物的高空处接闪，地面场强大幅度降低。
（4）安全可靠，免维护。新一代避雷针无放射元素，耐腐蚀，抗风能力强，无源，无耗能元件，本身不会受浪涌冲击影响，寿命长。
训练场1——防雷装置的日常维护
（1）检查是否由于修缮建（构）筑物或者建（构）筑物本身的变形使防雷装置的保护情况发生变化。
（2）检查有无因挖土方、敷设其他管（线）路或种植树木而挖断接地装置。
（3）检查各处明装导体有无锈蚀或因受机械力的损伤而折断的情况。
（4）检查接闪器有无因接受雷击而熔化或折断的情况。
（5）检查引下线近地面部分的保护处理有无破坏的情况。
（6）检查断接卡有无接触不良的情况。
（7）检查独立避雷针、架空避雷线（网）的支柱上是否悬挂电话线、广播线、电视接收天线及低压架空线等情况。
（8）检查木结构接闪器支架有无腐朽的现象。
（9）检查接地装置周围的土壤有无沉陷的情况。
（10）检查电涌保护器劣化性能指示，以确定其是否处于正常状态。（11）根据检查情况，针对发现的问题及时做好日常维护工作。
训练场2——三相电路电涌保护器的安装
（1）安装方法
三相电路电涌保护器安装接线图如图3-18所示。
图3-18 三相电路电涌保护器安装接线图
电源连接导线截面积用不小于10mm2的多股铜线，接地线用截面积不小于16mm2的多股铜线。连接线应尽量地短、直、粗。以消除或降低引线电感产生的电压，保证设备安全。
走线过程中弯折要尽量少。如果弯折不可避免，则应该确保它们为平滑的流线型弯折。浪涌保护器内部的元器件均没有方向性，因此，为了确保走线尽量短，可以将浪涌保护器倒置或侧置等。
电涌保护器前端应串联合适的熔断器或空气开关。
指点迷津——电通保护器安装宜与忌
（1）安装时必须断开电源，严禁带电操作，连接导线必须符合要求。
（2）安装完毕后将防雷模块插入到位，检查工作是否正常。
（3）当电涌保护器的模块故障显示窗口指示红色时（遥信端子输出告警信号），则表示电涌保护器发生故障，应及时更换。
（4）电涌保护器无需特别维护，只需定期检查其连接是否有松动，状态指示是否正常。
训练场3——单相电路电涌保护器安装
单相电路电涌保护器安装接线图如图3-19所示。
图3-19 单相电路电涌保护器安装接线图
浪涌保护器安装步骤如下：
（1）电压确认。确保配电系统的工作电压没有超过设备允许的最大工作电压。
注意：若安装点测量所得的电压值高于浪涌保护器允许的最大操作电压，则浪涌保护器不能安装。
（2）接线走向设计。安装前，确认浪涌保护器处于断电状态。首先，要精心地设计连接线走向，确保线路最短。然后，剪断连接线多余的部分，将浪涌保护器接入配电系统接点上。
（3）接线。
①将浪涌保护器的地线与配电系统的母线地线（PE）相连。
②将浪涌保护器的中线（零线）与配电系统的母线中线（零线）相连。
③将浪涌保护器的相线（火线）与配电系统的相线（火线）相连。
因为浪涌保护器内置熔断保险，因此，浪涌保护器外电路可以不安装保险装置或断路器。
3.2.2 接地装置
加油站1——工作接地和保护接地
接地是将电力系统中电气设备或装置的某一点（接地点）与大地之间通过导体进行可靠且符合技术要求的电气连接，从而可保证整个电力系统，包括发电、变电、输电、配电和各用电环节的电气设备、装置和人员的安全，如电动机、变压器和开关设备的外壳接地。
接地可分为工作接地、保护接地、防雷及防过电压接地和防静电接地等多种。在电力系统中，应用最多的是工作接地和保护接地。
（1）工作接地。在电力系统中，凡是因设备运行需要而进行的工作性质上的接地，都叫做工作接地。如配电变压器低压侧中性点的接地，如图3-20所示。
（2）保护接地。在电力系统中，在使用带有各种金属外壳的电气设备、装置及用电器具时，凡是因保护性质需要（主要用来保护人体免遭电击伤）而进行的外壳接地都叫做保护接地。
如果家用电器未采用接地保护，当某一部分的绝缘损坏或某一相线碰及外壳时，家用电器的外壳将带电，人体万一触及到该绝缘损坏的电器设备外壳（构架），就会有触电的危险。相反，若将电器设备做了接地保护，单相接地短路电流就会沿接地装置和人体这两条并联支路分别流过，如图3-21所示。
图3-20 工作接地
图3-21 保护接地
加油站2——保护接零
图3-22 保护接零
保护接零是指在低压电网中性点直接接地系统中，电气设备外壳与零线连接，所以也称为低压保护接零。
保护接零适用于380V／220V的三相四线制中性点接地的供用电系统，其保护原理如图3-22所示。它与保护接地的区别是，电气设备的金属外壳不直接接地，而是与供用电系统（即三相四线制系统）的中性线相接。当电气设备绝缘损坏，金属外壳带电时，由于保护接零的导线电阻很小，相当于对中性线短路，这种很大的短路电流将使线路的保护装置迅速动作，切断电路，既保护了人身安全又保护了设备安全。注意：保护接零不适用于家用电器。
指点迷津
表3-11 保护接地和保护接零比较
加油站3——重复接地
重复接地是指在零线的每一重要分支线路上都进行一次可靠接地的保护接地方式。在采用保护接零的系统中，如果零线在某处断开，若该处又有一台设备外壳带电，短路电流与电源零线无法构成回路，就会造成该处以外的全部设备外壳都带电，将威胁人身安全。为了避免这种情况的发生，必须采用重复接地的保护措施，如图3-23所示。
零线重复接地能够缩短故障持续时间，降低零线上的压降损耗，减轻相、零线反接的危险性。在保护零线发生断路后，当电器设备的绝缘损坏或相线碰壳时，零线重复接地还能降低故障电器设备的对地电压，减小发生触电事故的危险性。因此零线重复接地在供电网络中具有相当重要的作用，而这一作用往往容易被人们忽视。
图3-23 重复接地
加油站4——等电位连接
等电位连接就是将建筑物内部和建筑物本身的所有的大金属构件全部用母排或导线进行电气连接，使整个建筑物的正常非带电导体处于电气连通状态，以减小雷电流在它们之间产生的电位差。
《住宅设计规范》指出：城镇新建住宅中的卫生间宜做等电位连接。专家通俗的解释是：浴室等电位连接就是保护你不会在洗澡的时候被电着。电热水器、坐浴盆、电热墙，浴霸，以及传统的电灯等都有漏电的危险，电气设备外壳虽然与PE线连接，当仍可能会出现足以引起伤害的电位差，发生短路、绝缘老化、中性点偏移或外界雷电而导致浴室出现危险电位差时，人受到电击的可能性非常大，倘若人本身有心脑方面疾病，后果更严重。等电位连接使电气设备外壳与楼板墙壁电位相等，可以极大地避免电击的伤害，其原理类似于站在高压线上的小鸟，因身体部位间没有电位差而不会被电击。
智能建筑物各楼层的智能化系统设备机房、楼层弱电间、楼层配电间及卫生间应采取局部等电位连接。因为这些地方发生电气事故时的危险性较大，要求接触电压更低。一般局部等电位连接也就是一个端子板或在局部等电位范围内构成环形连接。等电位端子箱如图3-24（a）所示。
图3-24 等电位连接举例
等电位连接的技术要求如下。
（1）所有进入建筑物的外来导电物均做等电位连接。当外来导电物、电力线、通信线在不同地点进入建筑物时，宜设若干等电位连接带，并应就近连到环形接地体、内部环形导体或此类钢筋上，使它们在电气上是贯通的并连通到接地体，含基础接地体。
环形接地体和内部环形导体应连到钢筋或金属立面等其他屏蔽构件上，宜每隔5m连接一次。
（2）穿过防雷区界面的所有导电物、电力线、通信线均应在界面处做等电位连接。应采用一局部等电位连接带做等电位连接，各种屏蔽结构或设备外壳等其他局部金属物也连接到该带。
用于等电位连接的接线夹和电涌保护器应分别估算通过的雷电流。
（3）所有电梯轨道、吊车、金属地板、金属门框架、设施管道、电缆桥架等大尺寸的内部导电物，其等电位连接应以最短路径连到最近的等电位连接带或其他已做了等电位连接的金属物，各导电物之间宜附加多次互相连接。
（4）每个等电位连接网不宜设单独的接地装置。
中转站——零地位
电位的高低总是以零电位为参考点的，由于大地是个导体，当其中没有电流流过时，它是等电位的，所以可方便地将此时的地看做是零电位参考点，如果地面上的金属物体与大地具有良好的电气连接，则在没有电流流过的情况下，金属物体与地面之间没有电位差，该金属物体就具有大地电位，即零电位。
我们知道，接地就是把地面上的金属物体或电气回路的某一节点通过导体与大地相连，使该物体或节点与大地保持等电位。
加油站5——共用接地体
在同一建筑物内，将所需接地系统连到一个接地网上，或者把各系统原来的接地网通过地下或地上的金属连接起来，使它们之间形成为电气相通的统一接地网。当发生雷击时，雷电流在各系统上产生的高电压将同时存在于各系统的接地线上，这样就使各接地线之间不存在高电位差，基本清除了系统之间的击穿问题（各系统电位相同，两点间没有电流，电位差为零）。
共用接地体是将交流工作地、直流工作地、安全保护地、防静电地、防雷接地等共用一组接地装置，如图3-25所示。共用接地系统是自然接地体与人工接地体的组合，它的接地电阻值的标准应按信息系统接地设备中要求的最小值确定。如果接地电阻达不到标准，应外延增加人工接地装置使其达到要求。
图3-25 共用接地体
3.2.3 接地装置设计与安装
加油站1——接地技术的常用术语
在接地装置应用、技术要求及安装工艺中，我们常常会遇到一些接地技术中常用的术语，如表3-12所示。
表3-12 接地技术中常用的术语
加油站2——接地装置敷设技术要求
（1）埋于土壤中的人工垂直接地体应用角钢、钢管或圆钢；埋于土壤中的人工水平接地体应用扁钢或圆钢。圆钢直径不应小于10mm；扁钢截面面积不应小于100mm2，其厚度不应小于4mm，角钢厚度不应小于4mm；钢管壁厚不应小于3.5mm。在腐蚀性较强的土壤中，应采取热镀锌等防腐蚀措施或加大截面。接地线应与水平接地体的截面相同。
（2）人工垂直接地体的长度宜为2.5m。人工垂直接地体间的距离及人工水平接地体间的距离宜为5m，当受地方限制时可适当减小。
（3）人工接地体在土壤中的埋设深度不应小于0.5m。接地体应远离由于砖窑、烟道、供暖管道等高温影响使土壤电阻率升高的地方。
（4）在高土壤电阻率地区，降低防直击雷接地装置接地电阻可采用下列方法。
①采用多支线外引接地装置，外引长度不应大于有效长度。
②接地体埋于较深的低电阻率土壤中。
③采用降阻剂。
④换土。
（5）防直击雷的人工接地体距建筑物出入口或人行道不应小于3m，当不小于3m时应采取下列措施之一。
①水平接地体局部深埋不应小于1m。
②水平接地体局部应包绝缘物，可采用50～80mm的沥青层。
③采用沥青碎石地面或在接地体上面敷设50～80mm的沥青层，其宽度应超过接地体2m。
（6）埋在土壤中的接地装置，其连接应采用焊接，并在焊接处做防腐处理。
（7）接地装置工频接地电阻的计算应符合现行国家标准《电力装置的接地设计规范》的规定。
（8）接地电阻的要求。
①交流工作接地，接地电阻不应大于4Ω。
②安全工作接地，接地电阻不应大于4Ω。
③直流工作接地，接地电阻应按计算机系统具体要求确定。
④防雷保护地的接地电阻不应大于10Ω。
⑤对于屏蔽系统，如果采用共同接地体时，接地电阻不应大于1Ω。
训练场——接地装置的安装
接地装置的安装可分为接地体的安装和接地线的安装，接地体的安装又分自然接地体的装设和人工接地体的装设，见表3-13。
表3-13 接地装置的安装
中转站——接地装置施工工艺流程图
图3-26 接地装置施工工艺流程图
接地装置施工工艺流程图如图3-26所示。
想一想
1.雷击有哪两种形式？
2.一套完整的防雷装置由哪些部分组成？各个组成部分有何作用？
3.常用的低压避雷器有哪些种类？
4.防雷装置的日常维护项目有哪些？
5.简述接地、接零及重复接地的概念和它们各自的作用。
6.接地装置可以分为几类？
7.在接地操作中对接地电阻有何要求？