關(guān)鍵詞： 接地 接地電阻 電位 地閃
1.接地與接地電阻
接地電阻是與接地完全不同的物理概念，接地電阻實質(zhì)上是電流經(jīng)地面某點(diǎn)流向地下某確定點(diǎn)之間用歐姆定理計算出來的一個物理值，定義為接地極與電位為零的遠(yuǎn)方接地極之間的歐姆定律電阻。
接地主要是為電路或系統(tǒng)提供一個等電位點(diǎn)或面，如將等電位點(diǎn)或面接在大地，則大地成為等電位點(diǎn)或面。我們均知，一般定義大地為零電位點(diǎn)或面。另外，接地的目的是為電流提供流回源的低阻抗路徑，或為不需要的電流提供泄放的通道。這在GB/T17949.1-2000有定義，即：一種有意或非有意的導(dǎo)電連接，由于這種連接，可使電路或電氣設(shè)備接到大地或接到代替大地的、某種較大的導(dǎo)電體[1]。
接地電阻是與接地完全不同的物理概念，接地電阻實質(zhì)上是電流經(jīng)地面某點(diǎn)流向地下某確定點(diǎn)之間用歐姆定理計算出來的一個物理值[1]，定義為接地極與電位為零的遠(yuǎn)方接地極之間的歐姆定律電阻。在工程實踐中，由于測定接地電阻時，打入地下的接地金屬探針與流入地表某點(diǎn)的距離是人為決定的，因此，接地電阻值是不完全確定的。在防雷接地電阻測量時，是假定雷電流在地下流散至
接地是必須的，而接地電阻不是唯一的。
筆者認(rèn)為，在防雷設(shè)計和工程實踐中，接地是必須的，而接地電阻不是唯一的。我們可以設(shè)想一下，雷電從云中的能量積聚到釋放，必須是天地的有機(jī)結(jié)合，就是說，大氣運(yùn)動造成雷暴云積聚了巨大的電能，電能最后的轉(zhuǎn)化只有通過空氣和大地來實現(xiàn)，從氣象學(xué)來闡述，天氣現(xiàn)象是天地之間的循環(huán)運(yùn)動所致，雷電亦如此。結(jié)合雷電地閃的物理圖象，電能在空氣中的主路徑是狹窄的，在地下的路徑是寬廣的，要減少雷電能量在云地間的釋放，引入下地是最好的辦法，大地的容量是很大甚至是無窮的；問題是，地表層太復(fù)雜，雷電能量在地下的釋放將產(chǎn)生不同的物理效應(yīng)，在地下的多個層面很難遵循唯一的物理定理，解決的辦法不是靠接地電阻來實現(xiàn)，更多的還在于如何轉(zhuǎn)化電能和使電能更快地融入土壤。
2.雷電感應(yīng)事故的一個實例
圖1 韶山氣象局3.21雷擊路徑示意
這是典型的感應(yīng)雷擊現(xiàn)象，由于電話線、MODER的電源保險絲完好以及閃絡(luò)痕跡出現(xiàn)在各個接口，說明途經(jīng)的雷電強(qiáng)度不大。比較有趣的是，主機(jī)內(nèi)網(wǎng)卡和衛(wèi)星卡被損，而夾在兩卡之間的聲卡和視頻卡完好，主板也沒有損壞；與衛(wèi)星卡相連的衛(wèi)星天線距機(jī)房近
由于韶山氣象站在氣象自動站改造時，重點(diǎn)加強(qiáng)了自動站管線的接地和預(yù)埋，數(shù)據(jù)線、網(wǎng)絡(luò)線均采用金屬套管埋地，電源線與數(shù)據(jù)線等分開屏蔽鋪設(shè)，也許因此幸免了雷電感應(yīng)。在事故的分析中，我們認(rèn)為恰恰是因為電話線架空而沒有在入戶時套金屬管接地而引起了雷電感應(yīng)。在防雷實際中，大家通?？紤]比較多的就是避雷器到底發(fā)揮了作用否？韶山站的整體接地系統(tǒng)相對完善，接地電阻值小于2.0歐，零地電壓小于1伏，衛(wèi)星天線基座也接了地，盡管各種線網(wǎng)分布或距離不十分規(guī)范，但不應(yīng)該影響避雷器的動作和衛(wèi)星天線與防雷系統(tǒng)的等電位，也就是說，符合標(biāo)準(zhǔn)的接地電阻還是沒有全部解決雷電入侵的問題。
3.接地電阻在防雷中的作用
雷電的發(fā)生與否及避雷器動作與否，與接地電阻關(guān)系不十分明顯，卻與接地與否關(guān)系密切。
這個問題比較費(fèi)解，但回過頭來細(xì)想，將發(fā)現(xiàn)我們一直在模糊著兩個物理概念。從GB50057的條文解說分析，接地電阻值的大小更多的是運(yùn)用在雷電反擊的計算上；等電位措施更多地是強(qiáng)調(diào)防止反擊引起火花。我們都知道電流的大小其實就是單位時間內(nèi)通過的荷電子數(shù)量，且單位時間通過荷電子數(shù)量的多少與電壓的大小有關(guān)，電壓的大小通常相對大地而言。對于雷電，暫撇開復(fù)雜的概念，云中荷電子達(dá)到地面過程中的任何瞬間所產(chǎn)生的電壓和電場大小都是以大地零電位為參考的；ZnO或空氣間隙等都是因雷電的高電壓而導(dǎo)通使得雷電流改變方向，這個電壓仍然是以大地零電位為參考的。因此，雷電的發(fā)生與否及避雷器動作與否，與接地電阻關(guān)系不十分明顯，卻與接地與否關(guān)系密切。在討論接地電阻時，我們可能更在意接地引下線在承受雷電流時產(chǎn)生的反擊、電磁感應(yīng)等效應(yīng)，所以規(guī)定引下線的材質(zhì)、線徑、長短必須達(dá)到規(guī)范的要求。仍以GB50057條文說明為例，當(dāng)雷電流I經(jīng)過時，對于接地電阻Ri，防雷裝置離地面高度h處的電位U = I·Ri Lo·h·di/dt[2], U是計算反擊的基礎(chǔ)而不是SPD等響應(yīng)的電壓。如果再認(rèn)真分析，U應(yīng)該還包含防雷裝置離地面高度h段金屬件R1、R2形成的電位，Ri則是防雷裝置自接地極到雷電流消失處那段的地電阻，這可以用圖2說明：
圖2 雷電流入地流散示意
可以這么認(rèn)為，工程實踐中的R1、R2相對Ri很小（注：圖2中的R1、R2、Ri 均為下標(biāo)），在數(shù)學(xué)計算時被忽略。結(jié)合圖2，再來分析SPD的響應(yīng)，我們都知道SPD在電壓小的時侯電阻很大，只有當(dāng)電壓大到一個臨界值時，電阻突然變得很小而導(dǎo)通使電流通過，在不考慮引下線的其它效應(yīng)時，這個電壓臨界值是與Ri無關(guān)的。至于為什么要求SPD必須有個確定且小于4歐的接地電阻值，筆者至今沒能找到相關(guān)的理論依據(jù)，GB50057、GB50343等規(guī)范均無相關(guān)解釋。
等電位連接的目的在于減小需要防雷的空間內(nèi)各金屬物與各系統(tǒng)之間的電位差，也就是說系統(tǒng)之間因處在同一電位，雷電不會在系統(tǒng)之間流動或不會產(chǎn)生放電火花，那么等電位的計算還是遵循雷電流I與接地電阻R的乘積，對于同一接地系統(tǒng)，只要做到系統(tǒng)之間的有效接地，同一高度的電位很容易達(dá)到相同，實際上與R的大小沒有關(guān)系。
各國學(xué)者研究的結(jié)論是：接地電阻的大小還與接地極的布局形式、材料、結(jié)構(gòu)以及埋地的深度相關(guān)；通俗的理解就是：好的接地設(shè)計能夠使電流更快地流散消失。
上述分析并不是否定接地電阻的存在，還是結(jié)合圖2看，Ri的大小取決于電流從接地極端到電流消失端的土壤性質(zhì)，各國學(xué)者研究的結(jié)論是：接地電阻的大小還與接地極的布局形式、材料、結(jié)構(gòu)以及埋地的深度相關(guān)；通俗的理解就是：好的接地設(shè)計能夠使電流更快地流散消失。由于雷電流的能量太大，通過合理的設(shè)計，在雷電流到來時，經(jīng)指定的路徑將其引入到地下安全的地方，又為了盡可能減少雷電能量所造成的不利影響，使雷電流更迅速地瀉放到地下是必須的。
如果說接地是一門較精細(xì)的技術(shù)，那么接地電阻相對于接地而言也許簡單些。限于筆者的知識水平，只能粗略地闡述。
4.什么是接地電阻的標(biāo)準(zhǔn)
接地離不開一定的接地電阻，但接地電阻代替不了接地。
《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》規(guī)定了一、二、三類建筑物防雷裝置的沖擊接地電阻分別不大于10、30歐，防感應(yīng)雷的沖擊接地電阻不大于20歐。由于在工程實踐中，防雷通常與建筑物內(nèi)的電子信息系統(tǒng)一起考慮，于是就規(guī)定了共用接地系統(tǒng)的接地電阻值取各接地電阻的最小值，即在設(shè)計中常取接地電阻不大于4歐或1歐的要求。正因為在很多情況下，地面下的地質(zhì)條件很差，接地電阻一時達(dá)不到規(guī)定的值，工程設(shè)計和施工的大部分精力就放到了如何降低接地電阻上。大量的實例說明，根本不會因接地電阻達(dá)標(biāo)而不發(fā)生雷擊事故；而正確的接地設(shè)計和合理的布管線，則可以大大地減輕雷擊損失。因此，接地設(shè)計更優(yōu)于接地電阻設(shè)計，在本文第一部分已經(jīng)闡述，接地離不開一定的接地電阻，但接地電阻代替不了接地。白同云等編著的《電磁兼容設(shè)計》認(rèn)為接地技術(shù)是相當(dāng)復(fù)雜的[3]，筆者有同感，基于對電流的認(rèn)識，接地不應(yīng)該是簡單地用金屬導(dǎo)線連接金屬棒埋地即可。為什么要接地？參考地也好、屏蔽、濾波也好，安全放電也好，作用都是將不需要的雜散電流或累積的電荷從設(shè)備里釋放掉，釋放過程所帶來的問題則靠合理的布線解決。筆者以為，接地電阻的標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)太苛求，尤其在防雷設(shè)計中，1～2歐或更大的實際差值是允許的，可以通過適當(dāng)?shù)乩_管、線等距離解決，就算空間或場地受到限制，也不能因稍大的接地電阻而否認(rèn)合理的防雷設(shè)計。接地電阻的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是基于接地設(shè)計的，以接地設(shè)計為目的而不是其它。
5.接地電阻廢棄與否
作為外行，筆者沒有資格評價清華大學(xué)物理
6.接地地線的特殊性
作為一項事業(yè)或一門科學(xué)，沒有否認(rèn)就缺少創(chuàng)新，沒有創(chuàng)新就談不上發(fā)展，更何況現(xiàn)階段防雷存在的問題和未知領(lǐng)域還很多，故步自封、墨守成規(guī)才真正會阻滯一個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和導(dǎo)致失業(yè)。
7.結(jié)論
接地與接地電阻是不同的概念，接地與接地電阻的作用既有共性又有個性，必須區(qū)別對待；工程實踐中沒有必要將接地電阻當(dāng)作確定的標(biāo)準(zhǔn)，接地電阻不是唯一，接地設(shè)計是值得認(rèn)真研究和深化的技術(shù)；防雷效果的好壞主要是被保護(hù)的系統(tǒng)與防雷系統(tǒng)的和諧共處。
參考文獻(xiàn)：
1.國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.接地系統(tǒng)的土壤電阻率.接地阻抗和地面電位測量導(dǎo)則.北京.2000年
2.國家技術(shù)監(jiān)督局，中華人民共和國建設(shè)部聯(lián)合發(fā)布.建筑物防雷設(shè)計規(guī)范.北京.2000年
3.白同云，呂曉德.電磁兼容設(shè)計.北京.北京郵電大學(xué)出版社， 2001
4.陳春元.自動氣象站防雷技術(shù).安全與電磁兼容.2005.4北京.中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究
