防雷接地技术在建筑电气安装中的要求分析

张磊 孙晨宇

北京国际建设集团有限公司 北京 100054

雷电是常见的自然现象，产生雷击时电流最大可达a*106A。其强大的电场，使附近导体发生电磁感应，雷击时电流产生的高电势，足以损坏配电系统和用电设备，如果防雷接地安装处理不当，则会造成巨大的经济损失，甚至影响生命财产的安全[1]。防雷接地工程包括内部和外部两个部分的内容，外部防雷主要指防雷直击。内部防雷主要指雷击时产生的感应电流毁坏室内机械设备或其他用电设备。

北京奔驰汽车有限公司发动机二厂区的联合厂房，位于北京经济技术开发区路南区，北至融兴北二街，南至融兴北一街，西至瑞合东二路，东至亦柏路。项目新增建筑面积93468m2。新建发动机联合厂房，配套建设能源中心、污水处理站、油罐区油泵房以及三个门卫。发动机联合厂房内含缸体生产线、曲轴生产线、钢盖生产线、组装生产线、冷测区和组装返修车间。内置很多大型机械，工人数量多，机械运行时间长，对防雷接地有着很高的要求。

1 防雷接地的意义

防雷接地技术是在遵循相关建筑防雷规范的前提下，利用科学电气安装方式将建筑物围护结构、配电系统内的电气设备和接地网有效连接，达到内外防雷的效果。以便建筑物遭受雷击时，起到引流入地、消减电势的作用，有效保护联合厂房车间电气设备和工作人员的安全。

2 发动机联合厂房雷击参数计算及防雷需求

我国雷击对人体和电器设备造成损害的现象十分普遍。发动机联合厂房作为工作人员和大型机械的工作处，防雷设计尤为重要。《建筑物防雷设计规范》将建筑物的防雷要求分为三类。根据建筑物年预计雷击次数的公式:

上式中，

N— 全年预计遭雷击的次数(次/a)；

K— 雷击次数的校正系数，一般情况取 1；

Ng— 全年内雷击大地平均密度；联合厂房所在地（北京）Ng=0.024Td1.3；

Td— 全年平均雷暴日；取值于当地的气象数据（d/a），北京奔驰发动机二厂联合厂房所在地（北京）全年平均雷暴日Td=35.6d/a；

Ae—联合厂房雷击次数相同的建筑物等效面积(km2)；等效面积的计算计算公式有两种:

当H＜100m 时，采用公式①

当H≥100m 时，采用公式②

北京奔驰发动机二厂联合厂房最高标高为9.9m，选择公式①计算年预计雷击次数计算参数数据。通过计算，本项目的年预计雷击次数计算参数见表1。

表1 联合厂房年预计雷击参数表

从表1可知，联合厂房所在地预计雷击数为0.355，详细参数如表1所示。该项目为人员密集型建筑，根据《建筑物防雷设计规范》的分类，该建筑物属于二级防雷建筑物。防雷接地系统应当按照第二类防雷建筑物防雷要求执行电气安装。

3 电气安装中的防雷接地技术要求分析

3.1 外部防直击雷接地要求

3.1.1 基础柱接地作法要求

接地是防雷技术的重要环节，目的是为了把雷电流引入大地。依据第二类防雷建筑物防雷要求，利用基础钢筋（包括桩钢筋网猪笼筋）作为防雷接地，利用柱内两条主钢筋作为引下线，利用砼基础梁钢筋作为地极连线，利用屋面梁钢筋及女儿墙压顶钢筋作为暗装避雷带。

外部防直击雷接地基础中的钢柱及混凝土柱都采用热镀锌圆钢，沿基础底部一圈敷设，与基础四角钢筋可靠焊通；在地下一米的素土层再用不锈钢圆钢，沿基础底部一圈敷设，再与基础四角钢筋可靠焊通。焊接后做防腐处理，再与钢柱用螺栓连接。

地坪板内底层钢筋网的上方用40x4热镀锌扁钢沿每柱敷设，形成约10x10网格。所有地坪板内敷设的镀锌扁钢，均沿其敷设方向每隔4～5m与地坪板内底层钢筋焊接连接。所有焊接采用双面焊，焊接长度大于6D，焊接点要求做到光滑平整，无咬肉、加渣、漏焊现象。

两根引上的镀锌扁钢用M12螺柱与钢柱翼缘板打孔连接。若为箱形柱，则用8#槽钢先与钢柱焊接，再将引上的镀锌扁钢用M12螺栓与槽钢的另一面打孔连接；引出地面的扁钢做黄绿相间的热塑封处理；地坪板内敷设的镀锌扁钢，在通过地坪缝时需要进行变形处理。

联合厂房在-0.5m处利用40×4热镀锌扁钢作为接地网，通过三处与能源中心接地网可靠连接。基础接地网主要是将地下所有引下线串联在一起，然后通过桩基础中的引下线导入大地的一种防护措施，实测接地电阻要求不大于1Q。

3.1.2 屋顶及其他接地作法要求

联合厂房主要采用钢结构建成，根据《建筑物防雷设计规范》规定，结合联合厂房围护结构特点，本项目利用钢结构厂房的金属屋面做接闪器，施工时要求金属板重叠搭接部分的长度大于或者等于100mm，金属板其厚度要求不得小于0.5mm，一般要求采用0.7mm厚的金属板。北京奔驰汽车有限公司发动机二厂区工业联合厂房维护板采用瓦楞型彩钢夹芯板，厚度达到0.7mm，钢结构屋面维护板搭接部分超过100mm，完全满足规范中关于接闪器的要求。

屋顶平面用塑料防雷支座。沿屋角、屋脊等易受雷击处用10 镀锌圆钢做明装接闪带；再次在屋面结构板下敷设主筋组成网格作为屋面接闪网。联合厂房屋顶主筋焊接成一个压力共享环，并与每条引下线焊接。外墙上的所有金属栏杆、金属门窗均应安装防雷装置。与压力共享环或引线焊接。接闪器（金属屋面）利用引下线（钢柱）引入接地网。即使不作防雷系统用，钢结构厂房的基础上的主钢架、凛条及屋面围护系统，也有很好的连接性能，电气通路导电能力强，施工时要求按跨度将钢柱作为引下线，引下线下端与基础柱钢筋连接，上端与屋顶楼面钢筋连接，厂房外墙侧面上的金属构件，用预埋扁钢与防雷结构连接，可满足规范中关于引下线的要求。

屋顶防雷接闪网共有四处与北附房接闪器可靠连接、三处与能源中心接闪器可靠连接。此外，联合厂房的围护结构中的最外缘的四角，利用建筑钢柱或者构造柱内钢筋做下引线。距地面0.5m处设置测试板，以便测试该处的接地电阻。如果基础自然接地网达不到接地电阻值的要求，需要制作人工接地体，并和基础自然接地网并联，最终得到较低接地电阻值。

3.2 内部防雷接地要求

内部接地类型很多，常见的有防雷接地、阴极保护接地、静电接地等。为了最大限度的排除不安全因素，所以北京奔驰发动机二厂联合厂房主要采用联合接地方式。

3.2.1 变压器防雷接地

联合厂房主车间所有干式变压器均为1000kVA，以2#屋顶机房的缸体CB3生产线变压器W-T3为例，该变压器负荷率为82.6%，负责给缸体CB3生产线设备供电。根据防雷接地要求进行分析，接线方式应该有利于低压侧单相接地故障的切除，有效抑制3n次谐波的影响。通过防雷接地技术，提高变压器单相不平衡负荷的承受能力及变压器的防雷性能。

目前的配电变压器在低压侧为三相四线制系统时，主要的接线方式有Y,yn0 和D,yn11两种方式，相比Y,yn0接线方式，D,yn11接线对以上要求都有很好的承受能力，特别是其防雷性能。

当雷电流入侵变压器时，其低压绕组中的冲击电流磁通会在高压绕组中产生很高的感应脉冲电势。通过D,yn11接线，会使高压绕组内流通的冲击电流与低压侧的冲击电流平衡，雷电流在任何铁芯柱上产生的磁势接近于零，达到有效消除正逆变换的过电压现象。变压器W-T3防雷接地同时采用外部直接接地和内部地网防雷接地多重接地方式，其示意图如图1所示。

图1 变压器W-T3防雷接地示意图

3.2.2 等电位联结

雷电流沿着引下线下行时可能导致瞬态电位上升，如果周围的电气回路缺乏等电位连接，将产生很大的电位差，击穿介质导致反击事故，所以要求在整个建筑物内进行总等电位连接，并对相应的电气回路也实现等电位连接。

工程中的变电房要求采用总等电位接地MEB端子板，使主接地线和柱内主钢筋有效焊接。总等电位联结连接到联合厂房的所有导电部件上。用25mm2型号铜导线作为主母线。每个接地接入线用同一接地系统，和接地网有效接地连接，接地电阻R＜1Ω。要求在配电室、弱电机房、消防中心、电梯机房、水泵房等重要场所均设局部等电位接地[2]。联合厂房低压系统接地方式采用TN-S系统。配电室低压柜将保护地线(PE)和中性线(N)分开后，严禁重复连接。所有电气设备的金属外壳都与保护地线(PE)连接。

3.2.3 IT系统在厂房设备中的应用

低压电气系统主要分为TN接地系统、TT接地系统和IT接地系统。

(1) TN-S系统将中性N线和保护PE线分开。二者不允许再有任何电气连接，PE线在正常情况下没有电流产生，当接地故障电流较大时，过流保护器会对接地故障起保护作用。由于PE线对地没有电压，所以电气设备金属外壳接零保护是接在专用的保护线PE上，安全可靠[3]。分析联合厂房的电气设备特点，低压配电系统的主要接地形式选择TN-S系统，工作零线只用作单相照明负载回路。

本项目的缸体生产线、曲轴生产线、钢盖生产线大部分场所使用TN-S系统接地，以保护机械设备的正常运行。

(2) TN-C-S系统是综合TN-C系统和TN-S系统的特点，在TN-C-S系统中，连接电源线无用电设备，采用TN-C系统，用以传输电能，在用电负荷附近选择合适的节点，将PEN线分开，形成单独的中性N线和保护PE线[4]。TN-C-S系统运用于建筑施工临时供电中。

(3) 当TT系统设备正常运行时，外壳没有通电，一旦发生故障，外壳的高电位不会沿PE线传递给整个系统[5]。因此，TT系统适用于电压敏感数据处理设备和精密电子设备的供电。例如联合厂房的冷测车间要求采用TT系统，其中的电气设备可以利用自身的接地极和PE线。PE线之间没有电气连接，也不需要等电位连接来消除设备之间的电位差。

(4) IT系统电气设备的金属外壳直接接地，供电侧采用高阻抗绝缘或接地。当第一阶段发生故障时，接地故障的电流非常小，故障电流等于其他两相对地电容电流的相量之和，不会引起电击事故，因此有不用断电的优势。IT系统多用于对不间断电源和防震要求较高的空间，本项目部分场所使用了IT系统。

IT系统的优势是带有绝缘监视器。当首次发生接地故障时，系统会继续工作，如果出现绝缘监视器报警现象，应及时检查接地线路。以免另外两相接地也出现故障。如果首次故障排查滞后，导致另现外两相接地也出现故障，系统会形成相间短路，此时过流保护中断供电，将电源隔离，有效防止系统漏电。本项目的办公室、卫生间、库房、资料室等小区域采用IT系统。

4 总结

本文在计算了该联合厂房全年的预计雷击次数后，根据防雷接地规范的要求，对每种接地方式的优缺点和适用场所进行分析，并提供了电气安装防雷接地安全技术。总之，联合厂房电气系统接地有多种方式，内部防雷接地电气系统主要采用TN-S接地形式，某些小空间按要求采用IT系统接地。防雷接地系统在工业厂房建筑中具有重要的保护意义，防雷接地技术决定了建筑物的防雷性能。进行建筑电气安装时，应对建筑类型进行认真的防雷接地施工要求分析，注重接地网、引下线、接闪网等关键施工环节，保证工程施工质量，充分建筑电气安装中发挥防雷接地技术的作用和价值。