对水泥厂接地与防雷中几个问题的探讨

　　0 前言
　　目前我国接地与防雷相关规范正在逐步完善，以与IEC等国际标准接轨，国家近年推出了一批相关规范。由于设计人员对现行规范有一个消化和认识过程，及部分设计者存在的一些固有设计理念，使接地和防雷系统实施时，往往出现措施不当，给工厂造成极大的安全隐患。如1993年11月7日和1994年7月，山西临汾一水泥厂两次遭雷击，使全厂微机生产监视系统损坏，造成停产2天，通信线路长期中断；2001年2月，山东枣庄地区一大型水泥厂计算机系统遭受雷击，使部分DCS模块和计算机烧坏。象这些由于水泥厂接地和防雷措施不当，引起的信号干扰及过电压损坏计算机设备的事例，时有报道。为此水泥厂必须妥善处理好接地和防雷。

　　下面结合现行规范和工作实际就水泥厂接地与防雷中的几个问题进行探讨。
 
　　1 外部防雷装置和内部防雷装置的设计
　　设计人员往往重视防直击雷的设计，而忽略防雷电波侵人和雷电电磁脉冲感应的设计，但雷电波侵人和雷电电磁脉冲感应侵入建筑物内，威胁人员和设备安全的二次雷害已日益严重起来，随着电子设备的广泛使用，水泥厂雷电电磁脉冲引起的危害和事故也相对严重起来。即使是微电子设备因雷电电磁脉冲感应受损，局外人也不知道，本单位做些局部修理也就完事了。面对这种挑战，必须在注重防外部直接雷的同时，进行有效的内部二次雷害的防范。我国防雷设计规范第3.1.1条已明确规定，各类防雷建筑物应采取防直击雷和防雷电波侵入的措施。

　　国际电工委员会IEC标准将防雷装置分为外部防雷装置和内部防雷装置，外部防雷装置即常规避雷装置，由接闪器、引下线和接地装置三部分组成，主要用以防直击雷。

　　内部防雷装置主要用于减小和防止雷电流在需防空间内所产生的电磁效应，减少建筑物内的雷电波侵人和雷电波所产生的电磁效应，防止反击、接触电压、跨步电压等二次雷害，所采用的防雷措施。

　　按照规范，各类防雷建筑物必须进行外部防雷装置的设计和内部防雷装置的设计。外部防雷装置可采用人工接闪器、引下线和接地装置，也可利用建筑物的金属构件等自然防雷装置。对于水泥厂，在满足相关规范的前提下，应充分利用建筑物的金属构件作外部防雷装置，这不仅可达到美观、节约投资及省去日常防腐维护，而且对实施等电位联结也非常有利。

　　内部防雷装置一般通过建筑物的等电位联结，采用公共接地系统，对于电子、计算机设备房间，尚应辅以屏蔽系统、合理布线系统、浪涌保护器等措施，即可获得较好的内部防雷效果。
 
　　2 等电位联结问题
　　在IEC标准和我国GB50057—94  <<建筑物防雷设计规范>>、GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》等相关规范中都对等电位联结作了规定，但由于施工、设计人员认识问题，对此并没有引起足够重视。等电位联结是用电安全、内部防雷和防止雷电电磁脉冲干扰微电子设备的重要手段，它实施起来并不难，一般只需要几根连线。

　　水泥厂建筑物以多层厂房、圆库、金属框架及一些轻钢堆棚为主，这些建筑物一般为现浇钢筋混凝土、金属构架结构，建筑物内部钢筋网和金属构件大部分都是焊接或绑扎在一起的,只要有目的地把建筑物内部钢筋网和金属构件与建筑物的金属管道、电缆金属屏蔽层、保护接地、PE线、防雷建筑物的接地线，进行可靠电气连接，就可使整个建筑物成为良好的等电位体。实施等电位联结后，建筑物内的结构钢筋与各种金属设备及金属管线连接成了统一的导电体，当雷电袭击的时候，建筑物内部和附近设备、构件等大体上是等电位的，这样建筑物内也就不会产生反击和危及人身电击的事故。

　　建筑物实施上述等电位连接后，将使整个建筑物成为一个良好的法拉第网笼，建筑物内的电子、计算机等自控设备将受到很好的屏蔽保护作用，对防止雷电电磁脉冲干扰微电子设备将有很大的好处。
 
　　3 公共接地（联合接地）问题
　　虽然国际及我国现行有关规范已要求，建筑物的接地应按均压等电位原则设计公共接地，但部分设计者仍在采用独立接地，目前水泥厂计算机信息系统采用独立接地的，还比较多。造成这种状况的原因，主要是一些设计者仍在沿袭以往的设计理念，因为五、六十年代为避免各接地系统之间的干扰，普遍采用各种接地独立设置；另一原因是计算机设备厂，未考虑现场状况，仅从自身设备运行考虑，提出了独立接地的要求，由于部分设计者认识的局限性，为满足计算机设备要求，对强、弱电共用接地，存在顾虑，而将计算机系统接地设计成独立接地。

　　现在的水泥厂建筑物密集，各种地下金属管道、电缆金属屏蔽层和各大金属构件密布，要使各接地网隔离并保持足够的距离（真正独立），在实际设计和施工中是难以做到的，即便在新建系统时做到了，在日后的系统维护和改造中也极易受到破坏。采用这种不能真正独立的“独立接地”系统，是相当危险的，因为建筑物在遭受直接雷击时，雷电流将沿建筑物防雷系统中各引下线和接地体入地，在此过程中，雷电流将在防雷系统中产生暂态高电压，如果引下线与周围设备绝缘距离不够且设备与避雷系统不共地，将在两者之间出现很高的电压，并会发生放电击穿，导致设备严重损坏，甚至人身安全。

　　试想一下假定“1”为交流电源接地，“2”为计算机系统的信号地（逻辑接地），“3”为机壳安全保护接地。如雷电脉冲过电压从“1”中引进，由于雷瞬时电压可达数十万伏，这就意味着同一台计算机上电源、通讯线和外壳相接的有关部分出现危险的电位差，而造成有关部位的击穿损坏。如果共用一套接地，各种地电位处于大体相当的电位，被击穿的危险要小的多。据了解，在计算机通讯网络中，各系统采用独立接地被雷击损坏的概率远高于共同接地的情况。

　　现代化水泥厂建筑由于很难满足防雷装置与其它设施和接地系统安全隔离距离的要求，所以各接地系统应采用公共接地系统。公共接地系统可采用基础接地网作为强电、弱电及防雷的共同接地装置，当接地电阻达不到要求时，可补设人工接地体。
 
　　4 一点接地和共用接地电阻问题
　　采用公共接地（联合接地），可以解决等电位问题, 但可能会给计算机信息设备带来干扰, 理论和实践证明，采用得当的措施，可以很好的避免信号干扰。采用公共接地引起的干扰中最主要的是工频干扰, 产生的原因主要是共阻耦合，即当线路上存在两点或多点接地时，当地电位升高，两点的电位不同，信号地线和地回路将形成通路，而在信号线上产生环流，当两个电路电流流经一个公共阻抗时，一个电路上的电流在这个公共阻抗上形成的电压会影响到另一个电路，从而引起共阻耦合和低频接地环路干扰。通过一点接地，可避免共阻耦合引起的干扰。

　　为减少干扰，水泥厂应采用单点接地系统，整个建筑物的接地等电位连接采用树干式结构，单点接地采用绝缘线连接，各层或各段的低频信号工作接地均应直接接到单点接地板上，不得形成环路。单点接地系统不应与用作防雷引下线的柱子平行，以防强磁场干扰。建筑物主接地板应置于建筑物的最底层，且直接与基础或室外接地装置连接。

　　接地电阻按各接地网中要求的最小电阻设置，采用自然接地体达不到接地电阻要求时，可沿基础四周补设人工接地体。
　　实施等电位联结后，一些文献资料考虑地线电位升高和过电压对系统的影响，建议公共接地电阻≤1Ω，其实这是没必要的。因为实施等电位联结后，此时计算机系统信号地是以等电位联结系统电位而不是以大地系统为参考电位，所以其对接地电阻没有要求（《低压电气装置的设计安装和检验》一书对此有专门论述）；另外，减小接地电阻至1Ω以下，并不能有效防范过电压。按IEC标准规定，建筑物内低压用电设备绝缘耐冲击电压为6kV，当建筑物的防雷装置接闪雷电时，雷电流幅值在积累次数取50％时其值为35kA，此时接地体上的电压为35kV（还未考虑1Ω电阻是工频接地电阻还是冲击接地电阻），这是设备耐压的5.8倍。所以防用电设备绝缘击穿，要求接地电阻≤1Ω，是没有多大效果的，最主要措施是装设过电压保护器。
 
　　5 防雷装置的设置
　　在满足相关规范的前提下，水泥厂应充分利用屋顶钢筋网和金属栏杆作为接闪器，合理利用柱内主筋作引下线，利用基础内钢筋作接地体。但设计实施时，应注意：

　　1）对圆库筒仓类建筑，需敷设专门的人工避雷引下线。因为圆库筒仓在施工时，沿库壁圆周布置的纵向受力钢筋外形相同或相似，采用库壁受力钢筋作避雷引下线时，在混凝土分层浇注后，无法再找到原已施焊的钢筋继续施焊。未施焊的钢筋在混凝土震捣过程中极易错位，利用错位不连续施焊的钢筋做引下线，无法保证良好的导电性。

　　2）作引下线的柱内主筋必须自下而上可靠焊接，并与屋面作接闪器的钢筋网、栏杆、作接地体的桩筋与承台作牢固的焊接，使之成为可靠的电气通道。对于一些竖直管道，如大立管等应分别于顶端和底端与防雷装置连接，对其中间断开，不能形成电气通路的需设跨接线。

　　3）防雷装置的驳接处必须焊接，采用绑扎有安全隐患，因为在一些潮湿多雨的地方，由于钢筋的锈蚀，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，防雷装置的驳接处绑扎，各接口的过渡电阻值不同，将影响雷电流的平衡分布；其三，经过雷电流的冲击可能使绑扎点相当于点焊一样，被熔接起来，但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，对高层建筑及人体和设备的损害是显然的。

　　据南方的一些省份多年对雷电灾害调查发现，不少高层建筑虽然有完善的防雷针、网、带的“保护”，因为忽视了这个问题，而使一些建筑物局部出现损坏的情况。现在，南方的一些省对建筑物防雷设施的验收就包含了对选作防雷装置的桩、梁、柱、钢筋的焊接及其焊接质量的验收。

　　4）应采用外墙柱网，不宜用建筑内柱网主筋作防雷引下线，以避免引雷时，强大的雷电流产生的电磁干扰影响建筑内设备的运行。

　　5）为避免雷电电磁脉冲感应对弱电信号的干扰，应合理布线，信号电缆以及地线的布放应尽量集中在建筑物的中部，其电缆线槽以及地线线槽的布放应尽量避免紧靠建筑物立柱或横梁，并与之保持较远的距离。

　　6）为限制过电压，根据《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343-2004），对计算机及信息设备应安装适配的浪涌保护器（SPD）。

　　6 小结
　　我们设计的巴基斯坦ATTOCK水泥公司3000t/d水泥熟料生产线、越南缘河1500 t/d熟料水泥生产线总承包工程、湖南怀化2500T/D水泥生产线、湖北京兰2000T/D水泥生产线等工程，均充分利用建筑物的金属结构作外部防雷装置，建筑物的金属管道、电缆金属屏蔽层、保护接地、PE线等形成了等电位体连接，DCS系统采用等电位公共接地，利用建筑物基础接地网作为DCS系统和其它接地系统的公共接地，接地电阻按小于4欧姆设计，当接地电阻达不到要求时，采用补设人工接地体方法。这些项目均已投运1~2年了，设备运行稳定，未因接地系统原因而导致系统故障。

　　建筑物的接地与防雷设计是一个系统工程，往往牵涉多个专业，实施时，需进行统筹规划，统一设计。正确的接地与防雷措施已逐渐为更多设计、施工单位所接受。以上是自己结合规范和实际应用中的一点体会，也是设计中容易困惑和处理不当的问题，呈现出来以与同行交流。