對(duì)水泥廠接地與防雷中幾個(gè)問題的探討

　　0 前言
　　目前我國接地與防雷相關(guān)規(guī)范正在逐步完善，以與IEC等國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，國家近年推出了一批相關(guān)規(guī)范。由于設(shè)計(jì)人員對(duì)現(xiàn)行規(guī)范有一個(gè)消化和認(rèn)識(shí)過程，及部分設(shè)計(jì)者存在的一些固有設(shè)計(jì)理念，使接地和防雷系統(tǒng)實(shí)施時(shí)，往往出現(xiàn)措施不當(dāng)，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(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)遭受雷擊，使部分DCS模塊和計(jì)算機(jī)燒壞。象這些由于水泥廠接地和防雷措施不當(dāng)，引起的信號(hào)干擾及過電壓損壞計(jì)算機(jī)設(shè)備的事例，時(shí)有報(bào)道。為此水泥廠必須妥善處理好接地和防雷。

　　下面結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范和工作實(shí)際就水泥廠接地與防雷中的幾個(gè)問題進(jìn)行探討。
 
　　1 外部防雷裝置和內(nèi)部防雷裝置的設(shè)計(jì)
　　設(shè)計(jì)人員往往重視防直擊雷的設(shè)計(jì)，而忽略防雷電波侵人和雷電電磁脈沖感應(yīng)的設(shè)計(jì)，但雷電波侵人和雷電電磁脈沖感應(yīng)侵入建筑物內(nèi)，威脅人員和設(shè)備安全的二次雷害已日益嚴(yán)重起來，隨著電子設(shè)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(duì)嚴(yán)重起來。即使是微電子設(shè)備因雷電電磁脈沖感應(yīng)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(duì)這種挑戰(zhàn)，必須在注重防外部直接雷的同時(shí)，進(jìn)行有效的內(nèi)部二次雷害的防范。我國防雷設(shè)計(jì)規(guī)范第3.1.1條已明確規(guī)定，各類防雷建筑物應(yīng)采取防直擊雷和防雷電波侵入的措施。

　　國際電工委員會(huì)IEC標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)，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(yīng)，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(jìn)行外部防雷裝置的設(shè)計(jì)和內(nèi)部防雷裝置的設(shè)計(jì)。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(gòu)件等自然防雷裝置。對(duì)于水泥廠，在滿足相關(guān)規(guī)范的前提下，應(yīng)充分利用建筑物的金屬構(gòu)件作外部防雷裝置，這不僅可達(dá)到美觀、節(jié)約投資及省去日常防腐維護(hù)，而且對(duì)實(shí)施等電位聯(lián)結(jié)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(jié)，采用公共接地系統(tǒng)，對(duì)于電子、計(jì)算機(jī)設(shè)備房間，尚應(yīng)輔以屏蔽系統(tǒng)、合理布線系統(tǒng)、浪涌保護(hù)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(jié)問題
　　在IEC標(biāo)準(zhǔn)和我國GB50057—94  <<建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范>>、GB50343-2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范中都對(duì)等電位聯(lián)結(jié)作了規(guī)定，但由于施工、設(shè)計(jì)人員認(rèn)識(shí)問題，對(duì)此并沒有引起足夠重視。等電位聯(lián)結(jié)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(shè)備的重要手段，它實(shí)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(gòu)架結(jié)構(gòu)，建筑物內(nèi)部鋼筋網(wǎng)和金屬構(gòu)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(gòu)件與建筑物的金屬管道、電纜金屬屏蔽層、保護(hù)接地、PE線、防雷建筑物的接地線，進(jìn)行可靠電氣連接，就可使整個(gè)建筑物成為良好的等電位體。實(shí)施等電位聯(lián)結(jié)后，建筑物內(nèi)的結(jié)構(gòu)鋼筋與各種金屬設(shè)備及金屬管線連接成了統(tǒng)一的導(dǎo)電體，當(dāng)雷電襲擊的時(shí)候，建筑物內(nèi)部和附近設(shè)備、構(gòu)件等大體上是等電位的，這樣建筑物內(nèi)也就不會(huì)產(chǎn)生反擊和危及人身電擊的事故。

　　建筑物實(shí)施上述等電位連接后，將使整個(gè)建筑物成為一個(gè)良好的法拉第網(wǎng)籠，建筑物內(nèi)的電子、計(jì)算機(jī)等自控設(shè)備將受到很好的屏蔽保護(hù)作用，對(duì)防止雷電電磁脈沖干擾微電子設(shè)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(guān)規(guī)范已要求，建筑物的接地應(yīng)按均壓等電位原則設(shè)計(jì)公共接地，但部分設(shè)計(jì)者仍在采用獨(dú)立接地，目前水泥廠計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)采用獨(dú)立接地的，還比較多。造成這種狀況的原因，主要是一些設(shè)計(jì)者仍在沿襲以往的設(shè)計(jì)理念，因?yàn)槲?、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(dú)立設(shè)置；另一原因是計(jì)算機(jī)設(shè)備廠，未考慮現(xiàn)場狀況，僅從自身設(shè)備運(yùn)行考慮，提出了獨(dú)立接地的要求，由于部分設(shè)計(jì)者認(rèn)識(shí)的局限性，為滿足計(jì)算機(jī)設(shè)備要求，對(duì)強(qiáng)、弱電共用接地，存在顧慮，而將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)成獨(dú)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(gòu)件密布，要使各接地網(wǎng)隔離并保持足夠的距離（真正獨(dú)立），在實(shí)際設(shè)計(jì)和施工中是難以做到的，即便在新建系統(tǒng)時(shí)做到了，在日后的系統(tǒng)維護(hù)和改造中也極易受到破壞。采用這種不能真正獨(dú)立的“獨(dú)立接地”系統(tǒng)，是相當(dāng)危險(xiǎn)的，因?yàn)榻ㄖ镌谠馐苤苯永讚魰r(shí)，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(shè)備絕緣距離不夠且設(shè)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(huì)發(fā)生放電擊穿，導(dǎo)致設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞，甚至人身安全。

　　試想一下假定“1”為交流電源接地，“2”為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的信號(hào)地（邏輯接地），“3”為機(jī)殼安全保護(hù)接地。如雷電脈沖過電壓從“1”中引進(jìn)，由于雷瞬時(shí)電壓可達(dá)數(shù)十萬伏，這就意味著同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上電源、通訊線和外殼相接的有關(guān)部分出現(xiàn)危險(xiǎn)的電位差，而造成有關(guān)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(dāng)?shù)碾娢唬粨舸┑奈ｋU(xiǎn)要小的多。據(jù)了解，在計(jì)算機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)中，各系統(tǒng)采用獨(dú)立接地被雷擊損壞的概率遠(yuǎn)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(shè)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(yīng)采用公共接地系統(tǒng)。公共接地系統(tǒng)可采用基礎(chǔ)接地網(wǎng)作為強(qiáng)電、弱電及防雷的共同接地裝置，當(dāng)接地電阻達(dá)不到要求時(shí)，可補(bǔ)設(shè)人工接地體。
 
　　4 一點(diǎn)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(huì)給計(jì)算機(jī)信息設(shè)備帶來干擾, 理論和實(shí)踐證明，采用得當(dāng)?shù)拇胧?，可以很好的避免信?hào)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(dāng)線路上存在兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地時(shí)，當(dāng)?shù)仉娢簧?，兩點(diǎn)的電位不同，信號(hào)地線和地回路將形成通路，而在信號(hào)線上產(chǎn)生環(huán)流，當(dāng)兩個(gè)電路電流流經(jīng)一個(gè)公共阻抗時(shí)，一個(gè)電路上的電流在這個(gè)公共阻抗上形成的電壓會(huì)影響到另一個(gè)電路，從而引起共阻耦合和低頻接地環(huán)路干擾。通過一點(diǎn)接地，可避免共阻耦合引起的干擾。

　　為減少干擾，水泥廠應(yīng)采用單點(diǎn)接地系統(tǒng)，整個(gè)建筑物的接地等電位連接采用樹干式結(jié)構(gòu)，單點(diǎn)接地采用絕緣線連接，各層或各段的低頻信號(hào)工作接地均應(yīng)直接接到單點(diǎn)接地板上，不得形成環(huán)路。單點(diǎn)接地系統(tǒng)不應(yīng)與用作防雷引下線的柱子平行，以防強(qiáng)磁場干擾。建筑物主接地板應(yīng)置于建筑物的最底層，且直接與基礎(chǔ)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(shè)置，采用自然接地體達(dá)不到接地電阻要求時(shí)，可沿基礎(chǔ)四周補(bǔ)設(shè)人工接地體。
　　實(shí)施等電位聯(lián)結(jié)后，一些文獻(xiàn)資料考慮地線電位升高和過電壓對(duì)系統(tǒng)的影響，建議公共接地電阻≤1Ω，其實(shí)這是沒必要的。因?yàn)閷?shí)施等電位聯(lián)結(jié)后，此時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)信號(hào)地是以等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)電位而不是以大地系統(tǒng)為參考電位，所以其對(duì)接地電阻沒有要求（《低壓電氣裝置的設(shè)計(jì)安裝和檢驗(yàn)》一書對(duì)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，建筑物內(nèi)低壓用電設(shè)備絕緣耐沖擊電壓為6kV，當(dāng)建筑物的防雷裝置接閃雷電時(shí)，雷電流幅值在積累次數(shù)取50％時(shí)其值為35kA，此時(shí)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(shè)備耐壓的5.8倍。所以防用電設(shè)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(shè)過電壓保護(hù)器。
 
　　5 防雷裝置的設(shè)置
　　在滿足相關(guān)規(guī)范的前提下，水泥廠應(yīng)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(chǔ)內(nèi)鋼筋作接地體。但設(shè)計(jì)實(shí)施時(shí)，應(yīng)注意：

　　1）對(duì)圓庫筒倉類建筑，需敷設(shè)專門的人工避雷引下線。因?yàn)閳A庫筒倉在施工時(shí)，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(shí)，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(cuò)位，利用錯(cuò)位不連續(xù)施焊的鋼筋做引下線，無法保證良好的導(dǎo)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(tái)作牢固的焊接，使之成為可靠的電氣通道。對(duì)于一些豎直管道，如大立管等應(yīng)分別于頂端和底端與防雷裝置連接，對(duì)其中間斷開，不能形成電氣通路的需設(shè)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?yàn)樵谝恍┏睗穸嘤甑牡胤?，由于鋼筋的銹蝕，水泥澆注時(shí)的振動(dòng)，使鋼筋綁扎接口成為不良接觸，使應(yīng)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(diǎn)相當(dāng)于點(diǎn)焊一樣，被熔接起來，但雷電沖擊使綁扎點(diǎn)發(fā)生焊接的可能性是不均勻的，而每次雷電流的“點(diǎn)焊”結(jié)果，已經(jīng)使建筑物經(jīng)歷了一次局部的災(zāi)害，無論是墻柱體爆裂，或者是“點(diǎn)焊”處周邊產(chǎn)生的強(qiáng)烈電磁感應(yīng)，對(duì)高層建筑及人體和設(shè)備的損害是顯然的。

　　據(jù)南方的一些省份多年對(duì)雷電災(zāi)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(hù)”，因?yàn)楹鲆暳诉@個(gè)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(duì)建筑物防雷設(shè)施的驗(yàn)收就包含了對(duì)選作防雷裝置的樁、梁、柱、鋼筋的焊接及其焊接質(zhì)量的驗(yàn)收。

　　4）應(yīng)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(shí)，強(qiáng)大的雷電流產(chǎn)生的電磁干擾影響建筑內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行。

　　5）為避免雷電電磁脈沖感應(yīng)對(duì)弱電信號(hào)的干擾，應(yīng)合理布線，信號(hào)電纜以及地線的布放應(yīng)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(yīng)盡量避免緊靠建筑物立柱或橫梁，并與之保持較遠(yuǎn)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(shù)規(guī)范》（GB50343-2004），對(duì)計(jì)算機(jī)及信息設(shè)備應(yīng)安裝適配的浪涌保護(hù)器（SPD）。

　　6 小結(jié)
　　我們?cè)O(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)作外部防雷裝置，建筑物的金屬管道、電纜金屬屏蔽層、保護(hù)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(chǔ)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(shè)計(jì)，當(dāng)接地電阻達(dá)不到要求時(shí)，采用補(bǔ)設(shè)人工接地體方法。這些項(xiàng)目均已投運(yùn)1~2年了，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，未因接地系統(tǒng)原因而導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

　　建筑物的接地與防雷設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，往往牽涉多個(gè)專業(yè)，實(shí)施時(shí)，需進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，統(tǒng)一設(shè)計(jì)。正確的接地與防雷措施已逐漸為更多設(shè)計(jì)、施工單位所接受。以上是自己結(jié)合規(guī)范和實(shí)際應(yīng)用中的一點(diǎn)體會(huì)，也是設(shè)計(jì)中容易困惑和處理不當(dāng)?shù)膯栴}，呈現(xiàn)出來以與同行交流。