對水泥廠接地與防雷中幾個問題的探討

　　0 前言
　　目前我國接地與防雷相關規(guī)范正在逐步完善，以與IEC等國際標準接軌，國家近年推出了一批相關規(guī)范。由于設計人員對現(xiàn)行規(guī)范有一個消化和認識過程，及部分設計者存在的一些固有設計理念，使接地和防雷系統(tǒng)實施時，往往出現(xiàn)措施不當，給工廠造成極大的安全隱患。如1993年11月7日和1994年7月，山西臨汾一水泥廠兩次遭雷擊，使全廠微機生產(chǎn)監(jiān)視系統(tǒng)損壞，造成停產(chǎn)2天，通信線路長期中斷；2001年2月，山東棗莊地區(qū)一大型水泥廠計算機系統(tǒng)遭受雷擊，使部分DCS模塊和計算機燒壞。象這些由于水泥廠接地和防雷措施不當，引起的信號干擾及過電壓損壞計算機設備的事例，時有報道。為此水泥廠必須妥善處理好接地和防雷。

　　下面結合現(xiàn)行規(guī)范和工作實際就水泥廠接地與防雷中的幾個問題進行探討。
 
　　1 外部防雷裝置和內(nèi)部防雷裝置的設計
　　設計人員往往重視防直擊雷的設計，而忽略防雷電波侵人和雷電電磁脈沖感應的設計，但雷電波侵人和雷電電磁脈沖感應侵入建筑物內(nèi)，威脅人員和設備安全的二次雷害已日益嚴重起來，隨著電子設備的廣泛使用，水泥廠雷電電磁脈沖引起的危害和事故也相對嚴重起來。即使是微電子設備因雷電電磁脈沖感應受損，局外人也不知道，本單位做些局部修理也就完事了。面對這種挑戰(zhàn)，必須在注重防外部直接雷的同時，進行有效的內(nèi)部二次雷害的防范。我國防雷設計規(guī)范第3.1.1條已明確規(guī)定，各類防雷建筑物應采取防直擊雷和防雷電波侵入的措施。

　　國際電工委員會IEC標準將防雷裝置分為外部防雷裝置和內(nèi)部防雷裝置，外部防雷裝置即常規(guī)避雷裝置，由接閃器、引下線和接地裝置三部分組成，主要用以防直擊雷。

　　內(nèi)部防雷裝置主要用于減小和防止雷電流在需防空間內(nèi)所產(chǎn)生的電磁效應，減少建筑物內(nèi)的雷電波侵人和雷電波所產(chǎn)生的電磁效應，防止反擊、接觸電壓、跨步電壓等二次雷害，所采用的防雷措施。

　　按照規(guī)范，各類防雷建筑物必須進行外部防雷裝置的設計和內(nèi)部防雷裝置的設計。外部防雷裝置可采用人工接閃器、引下線和接地裝置，也可利用建筑物的金屬構件等自然防雷裝置。對于水泥廠，在滿足相關規(guī)范的前提下，應充分利用建筑物的金屬構件作外部防雷裝置，這不僅可達到美觀、節(jié)約投資及省去日常防腐維護，而且對實施等電位聯(lián)結也非常有利。

　　內(nèi)部防雷裝置一般通過建筑物的等電位聯(lián)結，采用公共接地系統(tǒng)，對于電子、計算機設備房間，尚應輔以屏蔽系統(tǒng)、合理布線系統(tǒng)、浪涌保護器等措施，即可獲得較好的內(nèi)部防雷效果。
 
　　2 等電位聯(lián)結問題
　　在IEC標準和我國GB50057—94  <<建筑物防雷設計規(guī)范>>、GB50343-2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》等相關規(guī)范中都對等電位聯(lián)結作了規(guī)定，但由于施工、設計人員認識問題，對此并沒有引起足夠重視。等電位聯(lián)結是用電安全、內(nèi)部防雷和防止雷電電磁脈沖干擾微電子設備的重要手段，它實施起來并不難，一般只需要幾根連線。

　　水泥廠建筑物以多層廠房、圓庫、金屬框架及一些輕鋼堆棚為主，這些建筑物一般為現(xiàn)澆鋼筋混凝土、金屬構架結構，建筑物內(nèi)部鋼筋網(wǎng)和金屬構件大部分都是焊接或綁扎在一起的,只要有目的地把建筑物內(nèi)部鋼筋網(wǎng)和金屬構件與建筑物的金屬管道、電纜金屬屏蔽層、保護接地、PE線、防雷建筑物的接地線，進行可靠電氣連接，就可使整個建筑物成為良好的等電位體。實施等電位聯(lián)結后，建筑物內(nèi)的結構鋼筋與各種金屬設備及金屬管線連接成了統(tǒng)一的導電體，當雷電襲擊的時候，建筑物內(nèi)部和附近設備、構件等大體上是等電位的，這樣建筑物內(nèi)也就不會產(chǎn)生反擊和危及人身電擊的事故。

　　建筑物實施上述等電位連接后，將使整個建筑物成為一個良好的法拉第網(wǎng)籠，建筑物內(nèi)的電子、計算機等自控設備將受到很好的屏蔽保護作用，對防止雷電電磁脈沖干擾微電子設備將有很大的好處。
 
　　3 公共接地（聯(lián)合接地）問題
　　雖然國際及我國現(xiàn)行有關規(guī)范已要求，建筑物的接地應按均壓等電位原則設計公共接地，但部分設計者仍在采用獨立接地，目前水泥廠計算機信息系統(tǒng)采用獨立接地的，還比較多。造成這種狀況的原因，主要是一些設計者仍在沿襲以往的設計理念，因為五、六十年代為避免各接地系統(tǒng)之間的干擾，普遍采用各種接地獨立設置；另一原因是計算機設備廠，未考慮現(xiàn)場狀況，僅從自身設備運行考慮，提出了獨立接地的要求，由于部分設計者認識的局限性，為滿足計算機設備要求，對強、弱電共用接地，存在顧慮，而將計算機系統(tǒng)接地設計成獨立接地。

　　現(xiàn)在的水泥廠建筑物密集，各種地下金屬管道、電纜金屬屏蔽層和各大金屬構件密布，要使各接地網(wǎng)隔離并保持足夠的距離（真正獨立），在實際設計和施工中是難以做到的，即便在新建系統(tǒng)時做到了，在日后的系統(tǒng)維護和改造中也極易受到破壞。采用這種不能真正獨立的“獨立接地”系統(tǒng)，是相當危險的，因為建筑物在遭受直接雷擊時，雷電流將沿建筑物防雷系統(tǒng)中各引下線和接地體入地，在此過程中，雷電流將在防雷系統(tǒng)中產(chǎn)生暫態(tài)高電壓，如果引下線與周圍設備絕緣距離不夠且設備與避雷系統(tǒng)不共地，將在兩者之間出現(xiàn)很高的電壓，并會發(fā)生放電擊穿，導致設備嚴重損壞，甚至人身安全。

　　試想一下假定“1”為交流電源接地，“2”為計算機系統(tǒng)的信號地（邏輯接地），“3”為機殼安全保護接地。如雷電脈沖過電壓從“1”中引進，由于雷瞬時電壓可達數(shù)十萬伏，這就意味著同一臺計算機上電源、通訊線和外殼相接的有關部分出現(xiàn)危險的電位差，而造成有關部位的擊穿損壞。如果共用一套接地，各種地電位處于大體相當?shù)碾娢?，被擊穿的危險要小的多。據(jù)了解，在計算機通訊網(wǎng)絡中，各系統(tǒng)采用獨立接地被雷擊損壞的概率遠高于共同接地的情況。

　　現(xiàn)代化水泥廠建筑由于很難滿足防雷裝置與其它設施和接地系統(tǒng)安全隔離距離的要求，所以各接地系統(tǒng)應采用公共接地系統(tǒng)。公共接地系統(tǒng)可采用基礎接地網(wǎng)作為強電、弱電及防雷的共同接地裝置，當接地電阻達不到要求時，可補設人工接地體。
 
　　4 一點接地和共用接地電阻問題
　　采用公共接地（聯(lián)合接地），可以解決等電位問題, 但可能會給計算機信息設備帶來干擾, 理論和實踐證明，采用得當?shù)拇胧?，可以很好的避免信號干擾。采用公共接地引起的干擾中最主要的是工頻干擾, 產(chǎn)生的原因主要是共阻耦合，即當線路上存在兩點或多點接地時，當?shù)仉娢簧?，兩點的電位不同，信號地線和地回路將形成通路，而在信號線上產(chǎn)生環(huán)流，當兩個電路電流流經(jīng)一個公共阻抗時，一個電路上的電流在這個公共阻抗上形成的電壓會影響到另一個電路，從而引起共阻耦合和低頻接地環(huán)路干擾。通過一點接地，可避免共阻耦合引起的干擾。

　　為減少干擾，水泥廠應采用單點接地系統(tǒng)，整個建筑物的接地等電位連接采用樹干式結構，單點接地采用絕緣線連接，各層或各段的低頻信號工作接地均應直接接到單點接地板上，不得形成環(huán)路。單點接地系統(tǒng)不應與用作防雷引下線的柱子平行，以防強磁場干擾。建筑物主接地板應置于建筑物的最底層，且直接與基礎或室外接地裝置連接。

　　接地電阻按各接地網(wǎng)中要求的最小電阻設置，采用自然接地體達不到接地電阻要求時，可沿基礎四周補設人工接地體。
　　實施等電位聯(lián)結后，一些文獻資料考慮地線電位升高和過電壓對系統(tǒng)的影響，建議公共接地電阻≤1Ω，其實這是沒必要的。因為實施等電位聯(lián)結后，此時計算機系統(tǒng)信號地是以等電位聯(lián)結系統(tǒng)電位而不是以大地系統(tǒng)為參考電位，所以其對接地電阻沒有要求（《低壓電氣裝置的設計安裝和檢驗》一書對此有專門論述）；另外，減小接地電阻至1Ω以下，并不能有效防范過電壓。按IEC標準規(guī)定，建筑物內(nèi)低壓用電設備絕緣耐沖擊電壓為6kV，當建筑物的防雷裝置接閃雷電時，雷電流幅值在積累次數(shù)取50％時其值為35kA，此時接地體上的電壓為35kV（還未考慮1Ω電阻是工頻接地電阻還是沖擊接地電阻），這是設備耐壓的5.8倍。所以防用電設備絕緣擊穿，要求接地電阻≤1Ω，是沒有多大效果的，最主要措施是裝設過電壓保護器。
 
　　5 防雷裝置的設置
　　在滿足相關規(guī)范的前提下，水泥廠應充分利用屋頂鋼筋網(wǎng)和金屬欄桿作為接閃器，合理利用柱內(nèi)主筋作引下線，利用基礎內(nèi)鋼筋作接地體。但設計實施時，應注意：

　　1）對圓庫筒倉類建筑，需敷設專門的人工避雷引下線。因為圓庫筒倉在施工時，沿庫壁圓周布置的縱向受力鋼筋外形相同或相似，采用庫壁受力鋼筋作避雷引下線時，在混凝土分層澆注后，無法再找到原已施焊的鋼筋繼續(xù)施焊。未施焊的鋼筋在混凝土震搗過程中極易錯位，利用錯位不連續(xù)施焊的鋼筋做引下線，無法保證良好的導電性。

　　2）作引下線的柱內(nèi)主筋必須自下而上可靠焊接，并與屋面作接閃器的鋼筋網(wǎng)、欄桿、作接地體的樁筋與承臺作牢固的焊接，使之成為可靠的電氣通道。對于一些豎直管道，如大立管等應分別于頂端和底端與防雷裝置連接，對其中間斷開，不能形成電氣通路的需設跨接線。

　　3）防雷裝置的駁接處必須焊接，采用綁扎有安全隱患，因為在一些潮濕多雨的地方，由于鋼筋的銹蝕，水泥澆注時的振動，使鋼筋綁扎接口成為不良接觸，使應該作為防雷接地系統(tǒng)的各部分鋼筋連接體未能形成良好的電氣通路，不利于雷電流的泄放；其次，防雷裝置的駁接處綁扎，各接口的過渡電阻值不同，將影響雷電流的平衡分布；其三，經(jīng)過雷電流的沖擊可能使綁扎點相當于點焊一樣，被熔接起來，但雷電沖擊使綁扎點發(fā)生焊接的可能性是不均勻的，而每次雷電流的“點焊”結果，已經(jīng)使建筑物經(jīng)歷了一次局部的災害，無論是墻柱體爆裂，或者是“點焊”處周邊產(chǎn)生的強烈電磁感應，對高層建筑及人體和設備的損害是顯然的。

　　據(jù)南方的一些省份多年對雷電災害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不少高層建筑雖然有完善的防雷針、網(wǎng)、帶的“保護”，因為忽視了這個問題，而使一些建筑物局部出現(xiàn)損壞的情況。現(xiàn)在，南方的一些省對建筑物防雷設施的驗收就包含了對選作防雷裝置的樁、梁、柱、鋼筋的焊接及其焊接質(zhì)量的驗收。

　　4）應采用外墻柱網(wǎng)，不宜用建筑內(nèi)柱網(wǎng)主筋作防雷引下線，以避免引雷時，強大的雷電流產(chǎn)生的電磁干擾影響建筑內(nèi)設備的運行。

　　5）為避免雷電電磁脈沖感應對弱電信號的干擾，應合理布線，信號電纜以及地線的布放應盡量集中在建筑物的中部，其電纜線槽以及地線線槽的布放應盡量避免緊靠建筑物立柱或橫梁，并與之保持較遠的距離。

　　6）為限制過電壓，根據(jù)《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》（GB50343-2004），對計算機及信息設備應安裝適配的浪涌保護器（SPD）。

　　6 小結
　　我們設計的巴基斯坦ATTOCK水泥公司3000t/d水泥熟料生產(chǎn)線、越南緣河1500 t/d熟料水泥生產(chǎn)線總承包工程、湖南懷化2500T/D水泥生產(chǎn)線、湖北京蘭2000T/D水泥生產(chǎn)線等工程，均充分利用建筑物的金屬結構作外部防雷裝置，建筑物的金屬管道、電纜金屬屏蔽層、保護接地、PE線等形成了等電位體連接，DCS系統(tǒng)采用等電位公共接地，利用建筑物基礎接地網(wǎng)作為DCS系統(tǒng)和其它接地系統(tǒng)的公共接地，接地電阻按小于4歐姆設計，當接地電阻達不到要求時，采用補設人工接地體方法。這些項目均已投運1~2年了，設備運行穩(wěn)定，未因接地系統(tǒng)原因而導致系統(tǒng)故障。

　　建筑物的接地與防雷設計是一個系統(tǒng)工程，往往牽涉多個專業(yè)，實施時，需進行統(tǒng)籌規(guī)劃，統(tǒng)一設計。正確的接地與防雷措施已逐漸為更多設計、施工單位所接受。以上是自己結合規(guī)范和實際應用中的一點體會，也是設計中容易困惑和處理不當?shù)膯栴}，呈現(xiàn)出來以與同行交流。