防雷接地工程技术方案.docx
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防雷接地工程技术方案
防雷接地工程
技
术
方
案
第一部分雷电概述及破坏性
雷电是由天空中云层间的相互高速运动、剧烈磨擦，使高端云层和低端云层带上相反电荷。
此时，低端云层在其下面的大地上也感应出大量的异种电荷，形成一个极大的电容，当其场强达到一定强度时，就会产生对地放电，这就是雷电现象。
在气象学中，常用雷暴日数、年平均雷暴日数、年平均地面落雷密度，来表征某个地方雷电活动的 频繁程度和强度。
此外，也使用年雷闪频数来评价雷电活动,它是指1000平方公里范围内一年共发生雷闪击的次数。
我国一般按年平均雷暴日数将雷电活动区分为少雷区（<20天）、多雷区（20—40天）、高雷区（40—80天）、强雷区（>80天）。
我国的雷电活动，夏季最活跃，冬季最少。
全球分布是赤道附近最活跃，随纬度升高而减少，极地最少。
a.雷电的破坏性
雷电的破坏主要是由于云层间或云和大地之间以及云和空气间的电位差达到一定程度（25— 30kV/cm）时，所发生的猛烈放电现象。
通常雷击有三种形式，直击雷、感应雷、球形雷。
直击雷是带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象。
感应雷是当直击雷发生以后，云层带电迅速消失，地面某些范围由于散流电阻大，出现局部高电压，或在直击雷放电过程中，强大的脉冲电流对周围的导线或金属物产生电磁感应发生高电压、而发生闪击现象的二次雷。
1）直击雷破坏：
当雷电直接击在建筑物上，强大的雷电流使建（构）筑物水份受热汽化膨胀，从而产生很大的机械力，导致建筑物燃烧或爆炸。
另外，当雷电击中接闪器，电流沿引下线向大地泻放时 ，这时对地电位升高，有可能向临近的物体跳击，称为雷电“反击”，从而造成火灾或人身伤亡。
2）感应雷破坏：
感应雷破坏也称为二次破坏。
它分为静电感应雷和电磁感应雷两种。
由于雷电流变化梯度很大，会产生强大的交变磁场，使得周围的金属构件产生感应电流，这种电流可能向周围物体放电，感应到正在联机的导线上就会对设备产生强烈的破坏性。
附图：
某烟厂配电柜及设备被雷击损坏图
3）静电感应雷：
带有大量负电荷的雷云所产生的电场将会在金属导线上感应出被电场束缚的正 电荷。
当雷云对地放电或云间放电时，云层中的负电荷在一瞬间消失了（严格说是大大减弱），那么在线 路上感应出的这些被束缚的正电荷也就在一瞬间失去了束缚，在电势能的作用下，这些正电荷将沿着线路产生大电流冲击。
4）电磁感应雷：
雷击发生在供电线路附近，或击在避雷针上会产生强大的交变电磁场，此交变电磁场的能量将感应于线路并最终作用到设备上。
由于避雷针的存在，建筑物上落雷机会反倒增加，内部设备遭感应雷危害的机会和程度一般来说是增加了，对用电设备造成极大危害。
因此，避雷针引下线通体要有良好的导电性，接地体一定要处于低阻抗状态。
5）雷电波引入的破坏：
当雷电接近架空管线时，高压冲击波会沿架空管线侵入室内，造成高电流引入，这样可能引起设备损坏或人身伤亡事故。
附图：
传导雷对设备的损坏
6）开关过电压:
供电系统中的电感性和电容性负载开启或断开、地极短路、电源线路短路等，都能在电源线路上产生高压脉冲，其脉冲电压可达到线电压的3.5倍，从而损坏设备。
破坏效果与雷击类似。
由此产生的雷电及过电压对电子设备的破坏主要有以下几个方面：
a、过高的过电压击穿半导体，造成永久性损坏；
b、较低而更为频繁的过电压虽在元器件的耐压范围之内，亦使器件的工作寿命大大缩短；
c、电能转化为热能，毁坏触点、导线及印刷电路板，甚至造成火灾；
2008年超过12722多件案例损坏原因的分析：
风暴
0．78%
2．雷电防护原理
雷电防护系统由三部分组成，各部分都有其重要作用，不存在替代性。
外部防护，由接闪器、引下线、接地体组成，可将绝大部分雷电能量直接导入地下泄放。
过渡防护，由合理的设置防雷器、屏蔽、接地、布线组成，可减少入侵引入的感应雷电流。
内部防护，由均压等电位连接和过电压保护组成，可均衡系统电位，限制过电压幅值。
概括地说，当今电子设备的防雷手段，主要采用分流、接地、屏蔽、等电位和过电压保护五种方法。
（1）分流
利用避雷针、避雷带和避雷网等将雷电流沿引下线安全地流入大地，防止雷电直接击在建筑物和设备上。
（2）屏蔽
控制室内所有的电力电缆、通信电缆和信号线均采用屏蔽线或穿金属管屏蔽，在控制室建设中，利用建筑物钢筋网和其他金属材料，使其形成一个屏蔽笼。
用以防止外来电磁波（含雷电的电磁波和静电感应）干扰控制室内设备。
（3）等电位连接
将控制室内所有金属物体，包括电缆屏蔽层、金属管道、金属门窗、设备外壳等金属构件进行电气连接，以均衡电位。
（4）接地
在控制室电源系统中，为保证其稳定可靠的工作、保护控制室设备和人身安全，解决环境电磁干扰及静电危害，需要一个良好的接地系统。
（5）过电压保护
在电源线上安装相应的过电压保护器（防雷器），利用其非线性效应，将线路上过高的脉冲电压滤除，保护设备不被过电压破坏。
主要的保护器件为氧化锌压敏电阻、二极或三极放电管、快速钳位二极管等，根据需要进行组合，构成完整的防雷保护器。
附图：
雷电防护原理
第二部分设计依据
a.设计依据
建筑物防雷设计规范GB50057-94建筑物电子信息系统防雷技术规范GB50543-2004
建筑物防雷—防雷装置保护、级别的选择IEC61024-1-1
民用建筑电气设计规范范 JGJ/T16-92
雷电电磁脉冲的防护护 IECI312
2．方案设计原则
本方案根据机房所处的地理、地质、土壤、气象、环境等条件和雷电活动规律等的基础上，因地制宜地采取防雷措施，防止或减少雷击所发生的财产损失，以安全可靠、技术先进、经济合理为原则，设计本方案，以达到对机房弱电系统的防雷保护。
第三部分雷电防护措施
一．方案设计范围
室外机柜接地地网的制作。
二．方案设计目标
保护机柜内的电源系统免遭感应雷损坏，保障设备的安全和工作的有序进行。
三．机柜接地系统防雷设计
1.接地地网制作
地网是提供雷电泄放的重要通道，一个良好的接地地网是非常重要的，它是防雷的基础。
良好的接地和合理的接地方式能够充分发挥防雷器件的作用，接地电阻越大，越不利于过压过流的消散，因此接地电阻应严格控制在规定的范围内。
根据现场实际情况来看，机柜在室外，且周围地面为水泥路面，对于接地施工来讲难度较大。
如采用非金属接地模块或作传统接地，不仅对路面的破坏性很大而且降阻效果不十分理想。
具体解决方案一：
采用联合接地：
要求地阻＜4Ω。
接地方式：
垂直/水平接地体，采用离子棒。
（纯铜）
联接方式：
采用铜包钢火熔焊接。
地网：
沿机柜外对称敷设，地网与室外机柜地线相连。
依据以上要求，设计接地如下，选用型号为LKX高导活性离子接地单元以及型号为HX-AA17铜包钢，接地体采用高导活性离子填充剂填充，型号为LKX-JZJ，接地体及填充剂具体数量计算过程如下：
（1）接地体数量计算
1）单根垂直接地极加降阻剂后的接地电阻计算公式
P
l
d1
R1
土壤电阻率Ω.M
单根垂直接地体长度m
降阻剂充填后的直径m
单根垂直接地极接地电阻
320
2.5
0.15
85.59908439
2）多根垂直接地极并联后的接地电阻计算公式
R1
η
N
Rc
单根垂直接地极接地电阻
利用系数
垂直接地体根数
垂直接地极并联后电阻Ω
85.59908439
1
24
3.566628516
3）水平接地体使用降阻剂后的接地电阻计算公式
P
L
h
d2或b
A
Rs
土壤电阻率Ω.M
水平接地体的长度m
水平接地体埋设深度m
降阻剂充填后的直径m/等效直径
系数
水平接地体的电阻Ω
320
165
1
0.09774528
1
4.18059256
系数A参考DL/T621-1997《交流电气装置的接地》附录A（第16页）
4）水平接地体填充降阻剂后等效直径d2计算公式
Jzkd
Jzgd
d2
降阻剂填充宽度m
降阻剂填充高度m
截面等效直径m
0.15
0.05
0.097745282
5）垂直接地体与水平接地体并联后的接地电阻公式
Rc
Rs
ηn水平连接线
R
垂直接地极并联后电阻Ω
水平接地体的电阻Ω
利用系数（见下表）
复合网总接地电阻Ω
3.566628516
4.180592564
1
1.924641171
（2）垂直接地体填充剂填充数量计算公式
1）单根垂直接地体填充降阻剂的体积计算公式
d1
d
l
v1
降阻剂充填后的直径m
垂直接地体直径m
单根垂直接地体长度m
单根体积差m3
0.15
0.053
2.5
0.038643588
2）全部垂直接地体外填充降阻剂数量计算公式
gc=Vc*g1
N
Vc
g1
gc
垂直接地体根数
垂直接地体外总体积m3
1立方米填充数量kg/m3
垂直接地体所需要降阻剂数量kg
24
0.9274461
835
774.4174935
3）水平接地体外填充降阻剂数量计算公式
gs=g1*Vs
Jzkd
Jzgd
L
Vs
g1
gs
降阻剂填充宽度m
降阻剂填充高度m
水平接地体的长度m
水平接地体填充降阻剂总体积m3
1立方米填充数量kg/m3
水平接地体所需要降阻剂数量kg
0.15
0.05
165
1.2375
835
1033.3125
4）降阻剂总数量计算公式
gc
gs
g
垂直接地体所需要降阻剂数量kg
水平接地体所需要降阻剂数量kg
降阻剂总量kg
774.4174935
1033.3125
1807.729994
设计结论：
采用2套LKX-JDJ型离子接地单元在机柜外对称埋设；接地体周边采用离子填充剂回填。
离子填充剂数量为4袋。
接地装置的使用寿命计算
由于接地体外都填充高导活性离子填充剂进行防腐处理，该填充剂对钢接地体的平均年腐蚀率为0.0035mm/a，接地装置的水平接地体使用40×4mm的扁钢，100年仅腐蚀去0.35mm，即扁钢腐蚀后截面积为144mm2。
取保守值，接地装置的使用寿命可达30年以上。
长效离子接地极特点
近几年的工程实践及多行业的应用表明，长效离子接地技术真正适合于高土壤电阻率地区应用，从降阻原理看属于降低土壤电阻率技术，克服了降阻剂的众多缺点，阻值长效稳定。
长效离子接地技术，已经可以解决降低岩土电阻率不持久的技术难题，施工后的接地电阻值可稳定在30年以上。
该技术具有如下先进特点：
1．以离子接地极为单位的单元接地技术。
每套接地极降阻效果好，在同等土壤条件下是同样尺寸接地极电阻的1/10。
2．离子接地极采用（3米长度）铜合金管作为垂直接地极，内、外分别填充离子矿物结构，形成高效、持续离子扩散机制，改善电阻区域岩土的物理化学特征，提高岩土离子交换的程度，使得电阻区域离子浓度始终维持在一个相对稳定的水平，破坏岩土中金属电化学腐蚀机制，有效地防止了金属接地体的腐蚀。
3．双层离子矿物结构具有良好的容水性、持水性、给水性特点，能综合改善电阻区域岩土水理特征，使含水量长期、稳定地保持在一定的水平，接地电阻也长期、稳定地保持在低阻值状态。
4．离子接地系统中，双层离子矿物结构可进行维护，定期补充流失掉的离子,厂家可后续服务。
高导活性离子填充剂特点
1.高导活性离子填充剂本身具有极低的电阻率，并能够渗透到周边土壤中，形成树根状结构，其主要用途是改善接地体周边的土壤电阻率，进而降低接地电阻。
2.接地电阻的影响因素中最重要的是土壤电阻率，并且接地电阻的绝大部分集中在环绕接地体周围很小一部分的土壤中，外置高导活性离子填充剂取代了环绕接地体周围很小的这部分土壤，降低了接地电阻。
同时由于其具有强渗透性，在填充剂外部形成树根状结构，等效于增加了接地体与土壤的接触面积，同样具有大幅度降低接地电阻的作用。
3.填充剂的材料配比是高导活性离子接地单元的核心技术之一。
其目标是使得填充剂整体性能具有高导电性和强渗透性，同时填充剂还能在接地体安装后适度产生膨胀，使土壤、外填充剂和金属接地体间紧密接触，一方面减少了接触电阻，另一方面外填充剂和金属接地体间的紧密接触隔绝了空气，避免了其对金属的腐蚀，与金属接地体的钝化处理共同作用，有效地防止了接地体的腐蚀，大幅度延长了接地体的使用寿命。
此外，填充剂还具有吸水、保水的功能，使水分含量长期、稳定地保持在一定的水平，接地电阻也长期、稳定地保持在低阻值状态。
长效离子接地单元与地网的连接技术—热熔焊接技术
离子接地单元通过铜管接地极上的铜缆与地网镀锌扁钢采用快速热熔焊接工艺连接。
快速热熔焊接工艺特别为工地恶劣环境使用而设计，能有效避免铜铁腐蚀，高效迅速。
热熔焊接是放热熔接的一种，它利用化学反应（放热反应）时产生超高热来完成熔接的一种方法。
热熔焊接化学反应速度非常快，仅几秒就可以完成焊接，产生热量极高可以有效的传导至熔接部位，使其熔为一体，形成分子结合。
它无须其他任何热能，若用于接地线路金属导体的连接是最好的方法。
使用热熔焊接须使用特制的模具为工具，它是用耐高温的石墨经过精心设计而成。
一个熔模有几部分组成，它包括摸穴、注入孔熔接剂等组成。
模穴的形状、尺寸熔化金属的流向等，均经过严密的设计制造而成接的接头不仅外观精美而且能保证质量。
热熔焊接接头形式为下图：
接地单元安装施工方法
1、长效离子接地单元的安装施工方法与传统接地网的接地体施工有很大不同。
离子接地单元安装可通过机具钻孔或人工开挖的方式，形成符合安装要求的孔坑，然后将接地极植入其中，注入外层填充剂，盖好维护帽，回填土、夯实即可。
2、施工步骤：
（1）可通过机具钻孔或人工开挖的方式指定位置上打出约4米深的Φ150mm极坑；
（2）将接地单元所配的填充料用水充分搅拌为糊状，注入孔内；
（3）将金属接地极下端封住小孔的封带去除后垂直放入地上孔中。
（4）注意将接地极连接导线引出至合适位置，将其余填充料注入接地极周围的空隙中，将细土回填直至与地面相平，回填土时应适量洒水，分层夯实。
（5）各接地单元引出线与扁钢连接使用火熔焊接；
（6）扁钢与扁钢电气焊接，工艺要求符合规程要求；
（7）离子接地单元示意图
垂直接地体之间间隔为6-12m，水平接地体用35m2的铜包钢绞线，水平接地体与垂直接地体须焊接牢固。
。
接地体安装完成后，逐层回填泥土，在接地体周围不得填入砖石、焦渣、垃圾之类的杂物，并保证接地体阻值不大于4Ω。
方案二：
电铸铜包钢接地棒作接地体制作地网，接地阻值小于4Ω。
铸铜接地棒、接地扁钢是用特殊的电铸技术将99.9%的纯铜均匀覆盖到低碳钢芯上，具有铜层厚（0.25mm）、粘合度好、不剥离（可轧制螺纹）等特点。
它的优点是抗拉强度大（高达60N/mm2），耐腐蚀性强（可保证使用寿命在10年以上），有恒定的低电阻及良好的可塑性，既有与铜相同的导电性能又兼有钢材特性。
铸铜接地棒配有高强度特种钢材制成的驱动头和钻头，施工时可以轻易地将棒打入地下，深度可达30m以上，减少了施工时很多麻烦，降低安装成本。
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