桂西農(nóng)村學(xué)校建筑物防雷及電氣設(shè)備的接地技術(shù)

黃顯吞 (百色學(xué)院物理與電信工程系，廣西 百色 533000)

摘要針對(duì)桂西農(nóng)村學(xué)校建筑物及其電氣設(shè)備特點(diǎn)，研究建筑物的防雷接地和中性點(diǎn)不接地低壓系統(tǒng)中電氣設(shè)備的接地技術(shù)，解決長(zhǎng)期以來(lái)困擾桂西喀斯特地貌農(nóng)村學(xué)校難于防雷電的問(wèn)題，為全面防護(hù)和綜合治理雷電災(zāi)害提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞雷電高發(fā)區(qū) 學(xué)校建筑物 電氣設(shè)備 接地技術(shù)

AbstractAccording to the characteristics of the rural school buildings and the electrical equipments inside in west Guangxi, the grounding and the neutral point grounding of low voltage electrical equipment in the system technology are researched to solve the long-standing plagued with the problem that it’s hard to lightning-proof in the schools in west Guangxi with karst landscape, provide a reference for comprehensive protection and comprehensive control of lightning disasters.

Keywordshigh incidence of the thunder and lightning, school building, electrical equipment, grounding technology

基金項(xiàng)目：廣西教育廳科學(xué)技術(shù)科研基金資助項(xiàng)目：桂西喀斯特石山地區(qū)農(nóng)村中小學(xué)校防雷電研究(項(xiàng)目編號(hào)：2013YB245)

作者簡(jiǎn)介

桂西主要是指廣西西部百色、河池、崇左三市管轄的行政區(qū)域，總面積8.71×106ha，總?cè)丝? 022萬(wàn)人。桂西地處滇黔桂三省交匯地帶，與東盟國(guó)家越南有著近千公里的邊界線(xiàn)，海拔落差近2 000m。桂西喀斯特地貌別具特色，大部分地區(qū)分布著連綿成片、一望無(wú)邊的尖錐狀、寶劍狀、柱狀、塔狀等形態(tài)各異、挺拔峻峭的石灰?guī)r山峰，是一個(gè)連續(xù)分布的、褶皺平緩和巖石性比較單一的、巨大的可溶性巖體。桂西農(nóng)村學(xué)校大部分都建在喀斯特地貌土壤狀況復(fù)雜地區(qū),其獨(dú)特的地形和地貌極易遭受雷電襲擊，加上桂西農(nóng)村學(xué)校防雷基礎(chǔ)設(shè)施落后，雷災(zāi)事故頻發(fā)，其原有的防雷技術(shù)及方法已經(jīng)成為當(dāng)前防災(zāi)減災(zāi)工作的薄弱環(huán)節(jié)。

1雷電高發(fā)區(qū)及研究意義

桂西屬于典型喀斯特地形地貌的雷電高發(fā)區(qū)，平均每年的雷暴天氣約為80天,且夏季天氣悶熱，沼澤地以及山坡陰面等地水分大量蒸發(fā)，加上白天升溫迅速，水汽以及能量不斷集聚，集中給地面加熱，導(dǎo)致上下層空氣溫差變大，容易形成短時(shí)強(qiáng)對(duì)流天氣。同時(shí)，在暖濕氣流沿山坡抬升過(guò)程中，極易發(fā)展成帶電積云，多重因素下最終形成雷暴天氣。

比如地處桂西的百色地區(qū)，東西長(zhǎng)320km，南北寬230km，地形為南北高，中間低，地勢(shì)由西北向東南遞減，屬于典型的盆地地形。百色市區(qū)四面山峰環(huán)抱，是個(gè)典型的小盆地城市。這樣的地形和氣候使得百色市每年雷暴次數(shù)高于桂東南城市，2012年發(fā)生閃電總次數(shù)為7.03萬(wàn)次[1]，2013年發(fā)生閃電總次數(shù)達(dá)6.33萬(wàn)次[2]，成為廣西壯族自治區(qū)近幾年來(lái)每年最招“雷”的城市。因此，在當(dāng)前學(xué)校安全備受關(guān)注的新形勢(shì)下,探討如何保障農(nóng)村學(xué)校建筑物及其電氣設(shè)備的安全顯得尤其重要，特別是研究桂西農(nóng)村學(xué)校建筑物防雷及其電氣設(shè)備的接地技術(shù)具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

2學(xué)校建筑物的防雷接地

桂西農(nóng)村學(xué)校建筑物大都建在四周地勢(shì)開(kāi)闊的較高處，極易遭受雷電襲擊。且建筑物防雷涉及人身和設(shè)備財(cái)產(chǎn)安全，接地方式是一種簡(jiǎn)單易行且非常有效的防雷措施。根據(jù)建筑物(含構(gòu)筑物)的防雷分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，桂西農(nóng)村學(xué)校建筑物應(yīng)屬于第二類(lèi)需要防雷的建筑物。同時(shí)，針對(duì)桂西農(nóng)村學(xué)校建筑物的結(jié)構(gòu)及地勢(shì)，建筑物應(yīng)裝設(shè)避雷針或采用避雷針和避雷帶混合保護(hù)，以防止直擊雷；建筑物內(nèi)(即室內(nèi))一切金屬設(shè)備和管道均應(yīng)保持良好接地并不得有開(kāi)口環(huán)路等，以防止感應(yīng)雷；建筑物的架空線(xiàn)路應(yīng)裝設(shè)低壓避雷器，以防止高電位沿架空線(xiàn)路侵入建筑物內(nèi)。建筑物防雷接地系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1　建筑物防雷接地示意圖

圖1所示的建筑物防雷接地系統(tǒng)中，避雷針與避雷帶是為防止直擊雷，低壓避雷器與絕緣子鐵腳接地是為防止高電位侵入[3]。而且，在這里必須將150m內(nèi)進(jìn)線(xiàn)段所有電桿上的絕緣子鐵腳接地，并將低壓避雷器安裝在入戶(hù)墻上，這樣當(dāng)高電位沿架空線(xiàn)路侵入時(shí)，由于絕緣子表面發(fā)生閃絡(luò)及避雷器擊穿，便降低了架空線(xiàn)路上的高電位[4]，起到限制高電位侵入的作用。

同時(shí)，在建筑物的防雷接地系統(tǒng)中，由于感應(yīng)雷擊接地裝置的流散電阻(Rd)不應(yīng)大于10Ω，所以靠近建筑物的第一根電桿上絕緣子鐵腳的接地流散電阻不應(yīng)大于10Ω，其余電阻不應(yīng)大于20Ω。且在建筑物內(nèi)，凡是有管道接頭、彎頭等有可能連接不牢靠的地方，都應(yīng)用金屬線(xiàn)跨接[5]；特別是金屬設(shè)備、管道、結(jié)構(gòu)等之間若距離小于100mm，也要用金屬線(xiàn)跨接，以防止感應(yīng)雷電位差和降低接地電阻值。

3學(xué)校公共建筑和宿舍電氣設(shè)備的接地技術(shù)

隨著現(xiàn)代社會(huì)的高速發(fā)展，電氣設(shè)備的使用越來(lái)越廣泛，學(xué)校建筑物和學(xué)生宿舍內(nèi)電氣設(shè)備的應(yīng)用也日益增多。學(xué)校的公共建筑和學(xué)生宿舍又具有人員較密集、流動(dòng)性大等特點(diǎn)，因此電氣設(shè)備的使用安全問(wèn)題顯得十分重要，特別是作為電氣設(shè)備安全主要措施的接地工作就更需引起足夠重視[6]。針對(duì)桂西農(nóng)村學(xué)校電氣設(shè)備、建筑物及其地形地貌土壤特點(diǎn)，采取以下措施進(jìn)行接地。

3.1電氣設(shè)備接地的組成

由于桂西農(nóng)村中小學(xué)校大多處于喀斯特地貌的石山地區(qū)，從經(jīng)濟(jì)、安全等角度考慮，農(nóng)村學(xué)校電氣設(shè)備接地的聯(lián)結(jié)和組成如圖2所示。

圖2　電氣設(shè)備的接地聯(lián)結(jié)和組成

在圖2中，T為接地極，M為電氣設(shè)備的金屬外殼，C為建筑物的金屬結(jié)構(gòu)，B為主接地端子板，PE為保護(hù)線(xiàn)，MPE為連接多個(gè)外露導(dǎo)電部分的導(dǎo)體(即保護(hù)干線(xiàn))，G為接地線(xiàn)，P為建筑物的金屬管道、集中采暖管道、空調(diào)系統(tǒng)的金屬管道以及可利用的金屬構(gòu)件等，LP為等電位連接線(xiàn)，LL為輔助等電位連接線(xiàn)。在這樣的接地系統(tǒng)中，等電位連接線(xiàn)在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)沒(méi)有電流通過(guò)，只有當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)才有故障電流通過(guò)。而且電氣設(shè)備的金屬外殼在系統(tǒng)正常時(shí)也不帶電，故障時(shí)可能帶電。

3.2電氣設(shè)備接地的范圍

根據(jù)接地要求，全封閉組合電器的金屬外殼、互感器的二次繞組、電氣設(shè)備的傳動(dòng)裝置、發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)柜外殼以及變壓器、電動(dòng)機(jī)、金屬照明燈具、固定式電器等金屬底座和外殼等外露導(dǎo)電部分都應(yīng)予以接地，而在非導(dǎo)電場(chǎng)所安裝的電氣設(shè)備、安裝在配電屏和電氣裝置上的電氣測(cè)量?jī)x表以及安裝在干燥場(chǎng)所的交流額定電壓50V以下、直流額定電壓120V以下的電氣設(shè)備等外露導(dǎo)電部分可不接地。

3.3電氣設(shè)備接地電阻的要求

根據(jù)接地裝置在接地短路電流流過(guò)時(shí)允許的對(duì)地電壓來(lái)確定保護(hù)接地電阻的大小，桂西農(nóng)村學(xué)校的供用電線(xiàn)路系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)以及消防、防盜報(bào)警裝置系統(tǒng)的電壓都在1kV以下[7]，當(dāng)發(fā)生單項(xiàng)接地短路時(shí)，一般產(chǎn)生的最大短路電流不超過(guò)15A，則15×4=60(V)，在安全電壓之內(nèi)，所以在中性點(diǎn)不接地低壓系統(tǒng)中電氣設(shè)備的接地電阻應(yīng)限制在4Ω以?xún)?nèi)。同理，對(duì)于1kW以下的小型電氣設(shè)備、單臺(tái)容量或并聯(lián)容量不超過(guò)100kVA的發(fā)電機(jī)和變壓器等，其接地裝置的電阻也可不大于10Ω。

同時(shí)，桂西農(nóng)村學(xué)校地處典型的喀斯特地形地貌地帶，對(duì)于這種高土壤電阻率地區(qū)的低壓中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，由于單相接地短路電流一般小于1A，以致接地電阻為30Ω時(shí)仍可保證接觸電壓在安全值以?xún)?nèi)，但在高壓中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中就不能滿(mǎn)足安全電壓要求。因此，安裝在室外公共場(chǎng)所的配電變壓器、柱上開(kāi)關(guān)等高壓設(shè)備的接地電阻較大而又很難降低到規(guī)定值要求時(shí)，應(yīng)設(shè)置操作和維護(hù)電氣設(shè)備用的絕緣臺(tái)[8]，并采取將接地裝置進(jìn)行屏護(hù)等技術(shù)措施。

4結(jié)束語(yǔ)

學(xué)校建筑物防雷及其電氣設(shè)備接地裝置的設(shè)計(jì)，是集防雷、建筑、電子及信息等學(xué)科于一體的綜合性工作。欲使設(shè)備得到很好的保護(hù)，不但需對(duì)其所處的環(huán)境、受雷電影響的程度作出客觀的分析和判斷，而且需將防雷工作作為一項(xiàng)系統(tǒng)工程來(lái)考慮，強(qiáng)調(diào)全面防護(hù)(包括建筑物、傳輸線(xiàn)路、設(shè)備和接地等)、綜合治理，做到科學(xué)、可靠、實(shí)用和經(jīng)濟(jì)。同時(shí)針對(duì)桂西喀斯特地形地貌特點(diǎn)，具體分析各校區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及地貌特點(diǎn)，尋找最佳接地方式，達(dá)到效果最好、最經(jīng)濟(jì)和最安全。其中，降低土壤電阻率新方法、接地體如何敷設(shè)等將是下一步的研究重點(diǎn)和努力探索的方向。

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黃顯吞

碩士,百色學(xué)院物理與電信工程系副教授,主要從事物理教學(xué)及電工技術(shù)應(yīng)用研究。

Research on Grounding in High Resistance Region

Chen Gang / Pan Bin