雷電的形成、危害及防雷接地原理

雷擊的形成

雷電是由天空中雲層間的相互高速運動、空氣流動的劇烈摩擦，使高端雲層和低端雲層帶上相反電荷;此時，低端雲層在其下面的大地上也感應出大量的異種電荷，形成一個極大的電容，當場強達到一定強度時，就會產生對地放電，這就是雷電現象。這種迅猛的放電過程產生強烈的閃電並伴隨巨大的聲音。然而，雲層對大地的放電，對建築物、電子電氣設備和人、畜危害極大。

雷擊通常有三種主要形式：其一是帶電的雲層與大地上某一點之間發生迅猛的放電現象，叫做「直擊雷」;其二是帶電雲層由於靜電感應作用，使地面某一範圍帶上異種電荷。當直擊雷發生以後，雲層帶電迅速消失，而地面某些範圍由於散流電阻大，以致出現局部高電壓，或者由於直擊雷放電過程中，強大的脈衝電流對周圍的導線或金屬物產生電磁感應發生高電壓以致發生閃擊的現象，叫做「二次雷」或稱「感應雷」;其三是「球形雷」，球形雷是球狀閃電的現象。

雷擊的危害

1.直擊雷

當雷電直接擊在建築物上，強大的雷電流使建(構)築物水分受熱汽化膨脹，從而產生很大的機械力，導致建築物燃燒或爆炸。另外，當雷電擊中接閃器，電流沿引下線向大地瀉放時，這時對地電位升高，有可能向臨近的物體跳擊，稱為雷電「反擊」，從而造成火災或人身傷亡。

圖4-1　直接雷擊建築物

如圖4-1所示直接雷擊導致架空線中對地電壓瞬時升高。傳導過電壓從架空線傳播到與大地相連接的低壓配電裝置中。電壓升高的不同還可導致與始終保持零電位的大地間的絕緣崩潰，這種情況極少發生。

如圖4-2、4-3所示感應雷擊效應通常產生暫態過電壓，在線路附近的雷擊由於電磁感應會產生脈衝浪湧。由於相線、中性線和大地之間的絕緣損壞，線路、大地和低壓配電裝置之間產生感應迴路，網絡中的所有線路電壓都上升為同一值，並向同一方向傳播。產生的電壓值取決於線路和大地之間的距離，採用地下電纜則有好處。地電壓的升高，雷電流在大地中的消散會在很短距離間產生電壓差，該區域內的不同接地極會有不同電位，從而在低壓配電裝置中產生過電壓。

圖4-2　靜電感應雷直擊建築物

圖4-3　電磁感應雷直擊建築物

2.感應雷

感應雷的破壞也稱為二次破壞。它分為靜電感應雷和電磁感應雷兩種。由於雷電流變化梯度很大，會產生強大的交變磁場，使得周圍的金屬構件產生感應電流，這種電流可能向周圍物體放電，如附近有可燃物就會引發火災和爆炸，而感應到正在聯機的導線上就會對設備產生強烈的破壞。

3.靜電感應雷

帶有大量負電荷的雷雲所產生的電場，將會在金屬導線上感應出被電場束縛的正電荷。當雷雲對地放電或雲間放電時，雲層中的負電荷在一瞬間消失了(嚴格地說是大大減弱)，那麼在線路上感應出的這些被束縛的正電荷也就在一瞬間失去了束縛，在電勢能的作用下，這些正電荷將沿著線路產生大電流衝擊。易燃易爆場所、計算機及其場地的防靜電問題，應特別重視。圖4-2表示了靜電感應雷直擊建築物產生的現象。

4.電磁感應雷

雷擊發生在供電線路附近，擊在避雷針上會產生強大的交變電磁場，此交變電磁場的能量將感應於線路並最終作用到設備上。圖4-3表示了電磁感應雷直擊建築物產生的現象;圖4-4用圖形表示了感應效應的間接耦合的雷擊波。

5.雷電波引入的破壞

當雷電接近架空管線時，高壓衝擊波會沿架空管線侵入室內，造成大電流引入，這樣可能引起設備損壞或人身傷亡事故。如果附近有可燃物，容易釀成火災。

怎樣進行雷電災害防護，在防雷設施的設計和建設時，根據地質、土壤、氣象、環境、被保護物的特點，雷電活動規律等因素綜合考慮，採用安全可靠、技術先進、經濟和常規防雷。

圖4-4　感應效應的間接耦合

常規防雷電可分為防直擊雷電、防感應雷電和綜合性防雷電。防直擊雷電的避雷裝置一般由三部分組成，即接閃器、引下線和接地體。

針對雷電的危害，防雷必須是全面的。防雷主要包括以下六個方面：控制雷擊點(採用大保護範圍的避雷針);安全引導雷電流入地網;利用完善的低阻地網，消除地面迴路;電源的浪湧衝擊防護;信號及數據線的瞬變保護。

防雷接地原理

1.接地系統

接地是避雷技術最重要的環節，從避雷的角度來說，把接閃器與大地做良好的電氣連接的裝置稱為接地裝置。接地裝置的作用是把雷電對接閃器閃擊的電荷儘快地洩放到大地，使其與大地的異種電荷中和。不管是直擊雷、感應雷，還是其他形式的雷，最終都是把雷電流送入大地。因此，沒有合理和良好的接地裝置是不能達到可靠避雷的。

接地電阻越小，散流就越快，被雷擊物體高電位保持時間就越短，危險性就越小。對於計算機場地的接地電阻要求≤4Ω，並且採取共用接地的方法將避雷接地、電器安全接地、交流地、直流地統一為一個接地裝置。如有特殊要求設置獨立地，則在兩地網間用地極保護器連接，這樣，兩地網之間平時是獨立的，防止幹擾，當雷電流來到時兩地網間通過地極保護器瞬間連通，形成接地系統。

(1)等電位連接：防雷工程的一個重要方面是接地以及引下線路的布線工程，整個工程的防雷效果甚至防雷器件是否起作用都取決於此。電力、電子設備的接地，是保障設備安全、操作人員安全和設備正常運行的必要措施。所以，凡是與電網連接的所有儀器設備都應當接地;凡是電力需要到達的地方，就是接地工程需要做到的地方。由此可知接地工程的廣泛性和重要性。接地就是讓已經納入防雷系統的閃電能量洩入大地，良好的接地才能有效地降低引下線上的電壓，避免發生反擊。過去有些規範要求電子設備單獨接地，目的是防止電網中雜散電流或暫態電流幹擾設備的正常工作。

(2)防雷接地：為使雷電浪湧電流洩入大地，使被保護物免遭直擊雷或感應雷等浪湧過電壓、過電流的危害，所有建築物、電氣設備、線路、網絡等不帶電金屬部分，金屬護套，避雷器，以及一切水、氣管道等均應與防雷接地裝置作金屬性連接。防雷接地裝置包括避雷針、帶、線、網，接地引下線、接地引入線、接地匯集線、接地體等。

2.接地的種類

供電系統用變壓器的中性點直接接地;電器設備在正常工作情況下，不帶電的金屬部分與接地體之間作良好的金屬連接，都稱為接地，前者為工作接地，後者為保護接地。配電變壓器低壓側的中性點直接接地，則此中性點叫做零點，由中性點引出的線叫做零線(中性線)。用電設備的金屬外殼直接接到零線上，稱為接零。在接零系統中，如果發生接地故障即形成單相短路，使保護裝置迅速動作，斷開故障設備，從而使人體避免觸電的危險。

3.地網工程概論

防雷接地，按照現行國家標準《建築防雷設計規範》執行。由於接地的良好狀態對防雷有非常重要的影響，所以在製作接地體時一般採用40mm×40mm的角鐵，每根長2.5m，間距約5m垂直打入地下，頂端距地面約0.5～1.0m，頂端再用40mm×40mm左右的扁鐵全部焊接起來，構成一個統一的接地系統。

4.防雷等電位連接

接閃裝置在捕獲雷電時，引下線立即升至高電位，會對防雷系統周圍尚處於地電位的導體產生旁側閃絡，並使其電位升高，進而對人員和設備構成危害。為了減少這種閃絡危險，最簡單的辦法是採用均壓環，將處於地電位的導體等電位連接起來，一直到接地裝置。臺站內的金屬設施、電氣裝置和電子設備，如果其他防雷系統的導體，特別是接閃裝置的距離達不到規定的安全要求時，則用較粗的導線把它們與防雷系統進行等電位連接。這樣在閃電電流通過時，臺站內的所有設施會形成一個「等電位島」，保證導電部件之間不產生有害的電位差，不發生旁側閃絡放電。

5.等電位連接的主體及要求

等電位連接的目的在於減小需要防雷的空間內各金屬物與系統之間的電位差。當建築物內有信息系統時，在那些要求雷擊電磁脈衝影響最小處，等電位連接通常採用金屬板，並與鋼筋或其他屏蔽構件做多點連接。對進入建築物的所有外來導電部件做等電位連接的主體，一般包括設備所在建築物的主要金屬構件和進入建築物的金屬管道;供電線路含外露可導電部分;防雷裝置;由電子設備構成的信息系統等內容。

例如某大樓的計算機房六面敷設金屬屏蔽網，屏蔽網應與機房內環接地母線均勻多點相連。通過星形(S形結構或網形M形)結構把設備直接地，以最短的距離連到鄰近的等電位連接帶上。小型機房選S形，大型機房選M形結構。機房內的電力電纜和鐵管並水平直埋15m以上，鐵管兩端接地。

圖4-5顯示了雷電侵入的途徑和綜合防雷措施，是由避雷針、引下線及接地裝置等組成的防雷措施。圖中表示了由避雷針引雷，經引下線及避雷裝置將雷雨中積存的電荷能量由接地裝置引入大地。

圖4-5　雷電侵入途徑和綜合防雷措施