自来水管能否作为有效的接地装置

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摘要：埋在地下的自来水金属管的接地电阻通常小于4 Ω，可以用于避雷器的接地。由于自来水管接触大地的面积非常大且埋地深度适当，因此，自来水管从理论上讲利于雷电能量的流散。认为利用金属自来水管作为防雷接地会危及人体是一种缪传。文中讨论了合理的自来水金属管接地的可行性并指出其安全性。 关键词：防雷接地；雷电安全；流散 1 接地电阻的再认识 我们知道，电极的接地电阻是电极接地点与远处地面上一点之间的电位差（伏）与泄放电流（安）之比，电极的接地电阻是电极周围土壤的欧姆电阻，如果土壤电阻率为ρ，电极的等效半径为r，则有电极的接地电阻： R ＝ ρ/（2πr）[1] Personen(1960)计算表明，接地电阻主要与电极长度有关与电极表面积关系不大。大量的接地实践也表明，接地极的长度和埋地深度的大小与接地电阻成反比，且垂直接地体比水平接地体更能得到较小的接地电阻。 不同的防雷规范都规定了不同的接地电阻，比如对避雷器的接地电阻就要求小于4Ω或更低。对小的接地电阻要求也许是为了使雷电能量能够更快地流散到地下，另方面可能是基于对雷电电位安全性的考虑，因为对地面上接地线任意点的高电位是由I（雷电流强度kA）和R（接地电阻Ω）决定（这里没有考虑电流变化及接地线电感所引起的高电位）。因此，避雷器能否起到保护作用，不仅仅需要避雷器的优良性能（启动电压、相应时间、能量释放强度等），科学合理的接地方式（接地线径、路径、接地电阻）也很重要。然而，实践中，大量的雷击事故发生时，防雷接地电阻通常很小，因此，接地电阻的大小也许不是决定因素。这方面，我们借助（见图1）简单的说明下。 图1中，假定避雷器及其接线一定，设备的耐压为U0（忽略线路影响），U1、U2、U分别为泄放雷电流I通过时因雷电流变化引起的电感电压和避雷器动作时施加在避雷器两端的电压，根据电工原理和GB50057第3.2.1条第五款的解释，泄放雷电流与接地电阻产生的电压将加在引下线上，这时设备两端的电压应该是（U1＋U2＋U）；要使设备安全，必须使： U1＋U2＋U＋IR≤U0+ IR 显然有： U1＋U2＋U≤U0 以上等式在一定程度反映接地电阻（IR）起的作用不大 2 雷电流泄放的认识 从雷暴云释放的雷电流基本上与大地组成回路。在雷电流通过地面物往地下泄放时，雷电流并不遵循基尔霍夫定律，其雷电流在各个分支或在同一之路里不完全相等。雷电流在地下流散的快慢与土壤电阻率关系很大，土壤电阻率小更有利雷电流流散。根据接地电阻测量原理，我们也知道，对于土壤电阻率一定的地质情况，小的接地电阻需要更大雷电流流散半径，也就是说，必须使雷电流更快地流散到地下雷电流完全消失的地方。帕索南（Personen,1960）计算表明，深埋的接地极比浅埋的接地极能够得到更低的接地电阻；垂直的接地极比水平的接地极得到的接地电阻更加小。 关于雷电流的泄放与分支，实践中，我们经常会被电路的欧姆定律所左右。实际上，雷电流是高频电流，其波前非常陡，雷电流在分支和在同一之路电流强度、电压大小均不一致。清华大学陈水明、刘荣等的计算和试验表明[2]，对于1×1×1m3金属网格，4根均等接地引下线的承载的雷电流是不相等的，雷击点最近的引下线承载的雷电流为雷电流的47%左右，离雷击点最远的引下线只承载雷电流的13％左右。 2.1 水平接地线的雷电流散模型 考虑水平接地极与地表（或深土）的接触，雷电流的流散基本如图2： 这里，我们认为接地极与土壤的接触相当于一根导体与另一个导体的平行连接，由于雷电流是高频电流，流经地极的雷电流与土壤存在电漏和电容，当雷电流落在地极某点时，雷电流主要是通过电漏、电容（土壤击穿）的方式向地下伸出泄放，沿着地极水平前行的雷电由于受到电感和电阻的作用，则以波的形式逐步减小，离落雷点愈远的地方，雷电流愈小（在测量接地电阻时，按Gurdts(1958)的研究，通常取离被测地极40米处为一个重要电极点，且认为雷电流在地下流散到40米处基本为零）。至于雷电流沿水平地极流散到多远才达到最小（安全值），我们仍不妨借用清华大学陈水明、刘荣等的计算和试验[2]作个简单的估算（见图3）： 图3虚线框内是陈水明等雷电流分流试验数据，据此，我们以雷击点最远泄流点作为一个雷击点重新布置如前一样的网格，在注入最初雷电流强度的13.4％后，以此类推其第n个网格最远点引下线的雷电流为[13.4％]n,很显然，n等于2时，最远点的引下线的雷电流只有最初雷电流强度的1.8％；n等于3时，末端的引下线的雷电流只有原来的0.2％左右；如果计最初的雷电流强度为100KA，采取类图3的网格形式，则网格末端的引下线的雷电流只有1.8KA、0.2KA，当接地电阻很小时，由此产生的地电位是安全的。 2.1的讨论可以适用于接地网的设计和实践。 3 接地实践中可借鉴的方法 如何接地，诸多文献已有相关介绍，本文将不予赘述。本文将讨论的是：对于地理环境复杂，不便采用常规接地技术的情况下可以采用的接地技术。我们知道，金属自来水管是埋在地下的，一般自来水管埋地深度接近0.5m，在地下的长度远远大于一般接地网的长度，大多数地段，自来水管的接地电阻小于4Ω甚至更低且金属自来水管的分布面积较大。至于利用自来水管作为接地，在一些设计文件中不予支持，这关键的原因就是自来水管因建设或改造需要被变动。另外，作为防直击雷装置的接地，本文也不支持，毕竟直击雷的高压电效应太大。但实践中，对于安装避雷器所需要的接地，我们认为可以利用金属自来水管进行可靠接地；权威著作《雷电》提到“在用户电话间把终端避雷器与自来水管相连（如果用的是金属水管）是被推荐的。[1]”考虑到水管的布局以及避雷器接地线最短直的需要，在实际接水管时，我们还必须做个简单的垂直接地极或利用具有一定容积（厚度和面积）铜排作为过渡型接地在与水管连接。至于雷电安全性理解，我们参照GB50057第3.2.2条三款“防雷电感应的接地装置应和电气设备接地装置共用，其工频接地电阻不应大于10Ω。”和第6.3.1条“为改进电磁环境，所有与建筑物组合在一起的大尺寸金属件都应等电位连接在一起，并与防雷装置相连，但第一类防雷建筑物的独立避雷针及其接地装置除外。”进行理解。 基于上述，笔者提供两个接地的实践方法以供参考。 3．1过渡性接地装置的设计 考虑到自来水管埋地的特殊性，在利用自来水管作为接地时一般应该在自来水管附近安装过渡性的接地装置，在地质地貌许可的情况下，如果被测自来水管的接地电阻达到设计要求，通常在自来水管附近做个简易的垂直接地桩，使泄流的雷电先经过接地桩然后到水管，这一方面使得整个接地电阻降低利于安全泄流，另方面使自来水管承载更小的雷电流（见图4）。 图4所示的接地桩尽可能深和有一定的长度，连接到水管的接地母线尽可能的长，这样做的目的就是让雷电流能量提前释放到地下。至于雷电流泄流理论和安全性已在本文2.1阐述。 3．2 汇流排的设计 汇流排不是简单的一块铜排，作为汇流排，一方面起到连接诸种接地的作用，另方面还可以减少避雷器与被保护设备间共同对地的接地线长度，起到有效降低因电流变化引起的线感电压的作用。对于安装在室内设备附件的接地排实际上是一块过渡性的接地板，因此，汇流排的宽度和厚度与直流电阻和高频阻抗有一定的关系。对汇流排而言，通常当汇流排有一定厚度时，直流电阻非常小，但高频阻抗却因为骚扰频率大而很大，能够引发较强的电磁骚扰。就此，其高频阻抗Z为: Z = （369√( μf/σ)）×10-6/(1-e-t/σ)[3] 式中, μ—金属相对于铜的磁导率 f—骚扰频率 σ—集肤深度 　　　t —汇流排厚度 显然，汇流排的厚度大，其高频阻抗和直流电组相对小些。 在大多工程实践中，汇流排被设计的简单且安装位置随意。笔者认为，汇流排的位置一方面应使避雷器接地线最短直，更主要的应该使避雷器动作后施加到被保护设备端的电压在设备耐压安全范围内。于此，实践中的做法如图5： 在汇流排的设计问题上，我们不妨将汇流排当作一个被抬升到设备附近的基准地，但在选择安装位置时要充分考虑其承载雷电流时产生的电磁场可能对工作设备的影响。 4 实践应用的说明 在城市银行和税务系统做防雷工程主要是防感应雷击，由于城市地面硬化等因素和成本因素，在安装避雷器时为了达到小的接地电阻或符合一定要求的接地装置，在操作层面有很大的困难。为了最大效应发挥避雷器的作用，使避雷器的接地线达到短和直的要求，我们基本上按照3．1和3．2的方法进行接地，即在金属自来水管旁边打过渡性接地桩或通过一定容积的汇流排连接到金属水管上。 当然，这种方法存在争论，最主要的是安全性的考虑。部分工程人员认为，电流的传导性将引起水管导电并可能导致对人员的伤害。关于这点，本文在2中从物理模型和相关的实验中作了初步的阐释。简单的理解，我们把雷电当作有一定能量的水，当水经过一个多孔水管时，大量的水将通过管孔流散，水很难达到水管的另端。雷电流尽管不能等同于水，但因为金属水管与土壤的紧密接触，电流的导电性和电漏与水流性质也差不多，因此是安全的。这也许是《雷电》推荐的原因之一。在我们已经实施的工程中不存在安全性隐患或事故报道。 5 结束语 上述是针对如何利用金属自来水管做接地讨论的，对于现流行的PVC自来水管不在本文讨论范围。不过，无论需要接地的地形地貌和接地环境如何，上述讨论都是有益且值得借鉴的。 相关的理论和实践还将继续探讨。 参考文献： [1] [英]R.H.Golde.李文恩等译.雷电[M].水利电力出版社，北京.1983.(72)、（300） [2] 陈水明等.建筑物钢筋引下线电流分布计算[J].工科物理.1999. [3] 白同云，吕晓德.电磁兼容设计[M].北京邮电大学出版社，北京.2001：（262） 作者简介 龚哈燕（1965—），女，湖南攸县，本科学历，助理工程师，现从事防雷行政管理。