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摘要:本文从作者多年来参与的通信及弱电工程设计及施工管理中接地专业存在的问题出发，从地网布置、地网寿命、设备绝缘失效防护、浪涌保护器安装工艺几方面谈谈解决方法，与同行探讨学习。
关键词：地；地网；间接接触防护；电化学腐蚀；浪涌保护器；凯文接线
地，能供给或接受大量电荷，自身电位保持稳定，可用来作为良好的参考电位的物体，一般指大地。工程上普遍的做法是取大地为零电位。将电力系统或电气装置的某些可导电部分，经接地线连接至“大地”，这个“大地”通常指埋入土壤中与土壤保持良好电气连接的金属接地极。
根据接地的不同作用分类：
1、功能性接地：工作接地，信号接地；
2、保护性接地：雷电防护接地，防静电接地，阴极保护接地；
3、电磁兼容性接地。
由基本电磁学理论及电工知识，我们知道，电流流过生物体、电气设备、建筑物时，会产生热效应、电磁效应、化学效应等效应。电流是造成破坏的直接原因。当通过物体内部的电流超过其可承受的电流，就会造成伤害甚至烧毁。在物理实体内产生一定大小的电流，就必须在其二端加上一定大小的电压。换句话说，物体二端形成一定大小的电位差，就会在物体内形成电流。这个电位差（电压）的大小因物理实体不同而差别很大。比如，干燥条件下，普通人体的安全电压是交流50V。如果整个人体都触及带电金属，只要带电金属本身是等电位的等位体，无论电位多大，只要在人体不形成电位差，都不会在人体内产生电流，也就不会对人体造成伤害。这个现象可以举个我们常见的例子来说明，我们平常常见的小鸟站在10KV、35KV的高压线上，不管高压线电压多高，由于小鸟二只脚站在同一根高压火线上，小鸟与高压电线电位相等，身体对地与高压线对地有着同样高的电位──35/√3kV，小鸟身上没有形成电位差，在体内没有产生电流，不会对小鸟来造成伤害。
我们在信息设备的安装使用过程中，遇到电击伤害人体或设备的情况有：
雷电流流过人体和设备；
从外部电源线路及信息线路过来的电流流过设备；
不同设备之间由于某种原因存在电位差，对同时接触二设备的人体或物体产生电流。
这几种原因在设备或人体内产生足够大的破坏电流造成电击伤害，必须要在设备或人体二端存在达到危险的电位差。为了设备和人体的安全，必须使同一区间内的设备之间、外线路与设备之间的电位差低于安全电压。要做到这点，有二个办法，一是等电位联结，使得同一区间内的所有的设备外壳或外露可导电部分等电位；二是在设备之间的电位差或者外线输入电压高于危险电压值时，在规定的时间内把电源切断。
本文从防雷地网布置、地网寿命、设备绝缘失效防护、浪涌保护器安装工艺几方面简述工程施工中的问题及解决方法。
一、地网埋地部分的导体布置形状是个关键点，比地网本身的工频接地电阻值更重要，地网导体在地中的埋设有个有效长度，过长部分纯属浪费材料，这二点常被忽视
相当多的项目室外建筑物联合接地防雷地网的设计或者施工中，不注重接地网的金属材料的布置形状、埋深等性能，只单纯的关注接地网的工频交流电阻值，测试合格就算地网施工合格。这种做法是严重错误的。
要认识这个问题重要性，我们先回到雷电产生的机理。雷电是雷雨云之间或者雷雨云与地之间产生的短时间剧烈的放电。现在初步探明，雷电放电电流约为十几KA至200KA，极少数雷电电流超过400KA，持续时间为50μS至2000μS，放电电荷约为几十库仑至200库仑。雷击对建筑物或者设备造成破坏的直接原因是雷电流。雷电流产生的原因是由于雷雨云带大量的电荷，使得云与地面上的建筑物或物体之间产生很大的电压，这个电压积累到足够大可以击穿雷雨云和建筑物之间的空气时，雷雨云积累的电荷通过空气向建筑物放电。由于雷电流时间很短、数值很大，因而对雷电流流过的物体产生极其强大的电流效应：热效应，电磁效应，电动力。特别是热效应，可以烧毁设备、建筑物。目前采取的防雷措施是，根据电荷尖端放电原理，用金属导体（俗称接闪器）雷电通过金属导体引下流入大地，使雷电流不流过设备、建筑物，从而保护设备或建筑物免受直接雷击。
通过避雷导体流入大地的电流是几KA至上百KA，波前变化时间μS，还是足够强大到可以通过空间的电磁感应耦合到附近的线路、设备，在设备端产生感应电压从而产生浪涌电流，使设备遭受雷击。把感应电压降低到设备能接受的电压范围，是通过设备之间的、建筑防雷金属导体之间等电位联结实现。从这点来说，设备接地、防雷地网分布均匀，使得雷电流或者感应电流流过的防雷导体均匀对称的布置，使得做了电位联结的设备与建筑防雷地网电位均匀升高，从而避免设备内部、设备之间产生过高的电位差，也就不会产生大的电流。因而，地网需要均匀布置，防雷引下与室内地排联结需要均匀分布。从很多防雷地网工程案例的防雷效果评估来看，这点比降低地网本身的工频接地电阻阻值重要得多。国家标准也强调，地网在地下的形状及布置要均匀分布。
我们再看看埋地导体长度对散流的效果影响。IEC的TC81指出，由于电脉冲在地中的泄放传播速度是有限的，而且由于雷电流是波头很陡的冲击电流，而埋在地下泄放雷电流的金属导体由于自身的感抗对高频电流阻碍作用随频率升高（或者时域来说就是陡度增大）而增大，加上土壤对雷电流的散流作用，使得导体对雷电流的的泄放随着接地体长度增长而变得越来越微弱，这个有效长度不超过4√ρ（ρ为土壤电阻率），国家标准取2√ρ。举个例子来说，我们平时在普通泥质山上建通信机房，土壤电阻率约为800Ω•m~2000Ω•m，埋地铜带有效长度为4×√800~4×√2000米，即113~179米。而很多项目建在野外高山上的机房综合地网，土壤电阻率很高的地方，用几百米长的铜带或扁钢引至远离机房的山脚或者潮湿的山坡，再做敷设地网，对于这种做法对于建筑物里的设备防止雷击收效很微。部分工程师对地网防雷机理不太理解，只是简单的用地阻表测量工频接地电阻，工频接地电阻达到设计要求则判断为地网合格。
为了追求很低的接地电阻，把建筑物避雷针引下线引接至离建筑物很远的低电阻率土壤敷设地网的做法，防雷效果无法达到既定的要求，是不合格的做法。为将雷电流泄流散入大地而不会产生对建筑物内设备危险的过电压，接地装置的布置形状和尺寸比接地电阻值更为重要，这两点是地网技术的关键。
二、地网要与建筑物同样的寿命，埋地金属导体的防腐蚀是关键
埋地金属腐蚀分为土壤接触氧化腐蚀和电化学腐蚀。
我们知道，埋地的金属或者露在自然空气中的金属会跟水、空气中的氧或者其他可反应的化学成分发生化学反应，使得原接地导体有效导电面积变得越来越小直至从而完全被腐蚀而使得地网失效。防止化学腐蚀的方法常用有三种：1、在导体外表涂一层性质稳定的金属（比较常用的方法是在钢材表面热镀锌）；2、用性质稳定的金属（常用铜、不锈钢）；3、把钢材用混凝土包封，这个方法可以获得与建筑物同样的寿命。
如果二种不同种金属接触在一起埋在土壤中或露于空气中，还会产生另一种腐蚀：电化学腐蚀。这是由于两种金属在化学元素周期表中排列位置不同的，自然电位也就不同。如果将二种金属直接连接起来，就会形成原电池。阳极金属表面因不断地失去电子转化为正离子，发生氧化反应，也就是说阳极遭到了腐蚀；而阴极金属则相反，它不断地从阳极处得到电子，其表面因富集了电子，金属表面发生还原反应，没有腐蚀现象发生。这便是电化学腐蚀。电化学腐蚀程度与阳极和阴极间的电位差、接地极面积有关。根据相关的国家标准《GB4943.1-2011信息技术设备安全第1部分：通用要求》附录J注释：“如果二种不同的金属接触所形成电化学电位在0.6V以下，则由电化学作用引起的腐蚀最小”。
为了减少电化学腐蚀，工程上常用的有二个方案：
在土壤中敷设的接地体用混凝土包封，使接地体完全敷设在相同场所内，并与空气或水分隔离，则不会产生电化学腐蚀。
使用的二种金属非常接近的电位差，使得电化学腐蚀速度减少到可接受的程度。
（一）案例1：中南某省会城市二次雷达站地网熔接接头。
问题：本项目热镀锌扁钢是从塔台建筑主体结构引出的防雷扁钢，为更好的保护设备，在塔台周边围绕塔台加做铜带防雷地网，并与主体结构引下的热镀锌扁钢熔接。二种金属埋地敷设，需要考虑电化学腐蚀的问题。从下表可以看出，混凝土内的钢筋电极电位为-0.1～-0.3V，而在土壤中敷设的镀锌铁电极电位为-0.7～-1.0V；如果将二处的接地体连接起来，就会形成原电池，其电位差为约1V，使镀锌铁腐蚀加快，而铜腐蚀减慢。使从基础钢筋引出与埋于土壤中的铜熔接的镀锌铁腐蚀加快，使得铜地网与基础钢筋防雷引下的钢筋断开有效的电气连接使地网失效。主体建构引出的热镀锌扁钢部分是由土建结构设计，而铜金属工艺地网是由设备安装专业设计的，二个专业设计不是同一家设计院，所以存在这种问题。
在土壤中的接地体连接到混凝土基础内的钢材的情况下，土壤中的接地体宜采用铜质、外表面镀铜的钢或不锈钢导体。
改正方法：工艺地网的铜导体直接引至结构柱体的钢筋，与结构钢筋熔接，再进行混凝土浇筑，使得埋地部分的铜导体与结构钢材连接处完全被混凝土包封。由于铜与埋在混凝土中的钢材有着很相近的化学电位，电化学腐蚀在可接受的范围。
注：摘自DIN57100《标称电压1000V及以下的电气装置的安装》附录1中的表6
三、设备绝缘失效电击防护──间接接触防护重点：等电位联结并接地
设备用等电位联结保证了设备绝缘失效而外壳带电时，使得带电的设备外壳与地面电位相等，使得站在地面上同时接触到带电设备外壳的人体手脚电位差接近于零，保证人体不受电击。等电位联结的同时采用接地工艺，为采用自动切断供电这一间接接触防护措施提供了必要的条件。为保证自动切断供电措施的可靠和有效，要求做到：
当电气装置中发生了带电部分与外露可导电部分（或保护导体）之间的故障时，所配置的保护电器应能自动切断发生故障部分的供电，并保证不出现这样的情况：一个超过交流50V（有效值）的预期接触电压会持续存在到足以对人体产生危险的生理效应（在人体一旦触及它时）。在与系统接地型式有关的某些情况下，不论接触电压大小，切段时间允许放宽到不超过5秒。
电气装置中的外露可导电部分，都应通过保护导体或保护中性导体与接地极相连接，以保证故障回路的形成。
案例3：南方某市地铁自动售检票系统站厅设备之间的设备外壳接地线采用手拉手连接。
◎问题：同一区域的设备等电位联结、接地，按国家标准《GB/T50065-2011交流电气装置的接地设计规范》4.3.7-6-5）:“电气装置每个接地部分应以单独的接地导体（线）与接地母线相连接，严禁在一个接地导体（线）中串接几个需要接地的部分”；《GB50303-2015建筑电气工程施工质量验收规范》3.1.7：“电气设备的外露可导电部分应单独与保护导体相连接，不得串联连接，连接导体的材质、截面积应符合设计要求”。不允许把每台设备的等电位接地线手拉手串联，再在一点联结到等地排。
◎改正方法：同一区域或者机房内的每台设备接地端子分别各自用符合设计要求的接地铜导线联结至机房总等电位接地排。
等电位联结接地不能采用手拉手串联再接地的原因，还有另一个重要原因。电气原理告诉我们，减少电气对人体的电击伤害的方法有加防护隔离或间距、绝缘、电气分隔、采用特低电压供电系统、等电位联结、切断故障电源。而对于我们日常用的220V市电设备来讲，常用的有绝缘、等电位联结、切断故障电源几种。现代工业制造，绝缘材料老化快慢是个概率事件。当用电设备出现绝缘老化时，可能由于火线碰壳故障而出现设备外壳带电，从而使到同时接触设备外壳不同部分或者外壳和地的人体遭受电击伤害。规范的工艺是用一根足够粗的接地导体把同一区域或者机房内的每台设备接地端子至机房总等电位接地排进行有效电气联结。当设备的空间面积很大、设备本身又分散的时候，经常有做法是在机房做等电位田字网。而经常有不规范的做法是把各台设备的接地端子手拉手连接，最后在回到机房的总等电位接地排。等电位联结线断线或者接触不良，一般不影响设备的正常工作，一般也没有自动检测报警。这就会出现二个问题：一旦其中某一台设备接地不良，使得其后所有设备出现接地不良，使得接地电阻大大增加，这时，由于不影响设备的正常运行，我们并不知道。当设备出现漏电或者碰壳等故障时，设备的外壳接近220V，使得接触到故障设备的人体受电击伤害的危险性大大增加，由于接地线的手拉手式的连接，同时也使得出其中某台设备出现接地不良，其后续所有设备都会出现接地不良，其后续其中一台设备出现漏电，都可能使得其后所有的设备外壳带电，从而使得人体遭受电击的概率呈几何级数上升。国家标准禁止接地线用手拉手串接的方式。
四、电源线路浪涌保护器（简称SPD）接线普遍存在引线过长的问题，使得SPD的性能大打折扣甚至失效。
案例4：南方某市航管楼配电机房市电引入防雷SPD接线较长，有部分SPD的接线超过5米。
一般的SPD接线图如图1。浪涌电流加在SPD端时，由于SPD本身的限压特性，其二端电压保持在嵌位电压（UW），使得加在设备端的电压在安全电压以内，从而保护设备。由于实际的导线不是一根理想的短路线，而是电感与电阻的串联，其电气等效如图2。长度为1米的导线电感值约为1.3~1.5μH，几乎不随导线面积的变化而变化（根据《GB50057-2010建筑物防雷设计规范》附录表6）。举个例子来说：16mm2的铜芯线，每米长度的电阻值为0.001075Ω，不随频率变化；电感约为1.3μH，其感抗为2πfL，与频率f成正比。例如，对于频率为100KHz的电磁波，其阻抗复数表示为0.001075+j0.8168Ω，≈j0.8168Ω（感抗）。因而对于高频浪涌电流或者波前变化率很高的浪涌，铜导线可以等效为一个电感，而且这个电感与导线的截面积几乎无关。因而，图1的SPD接线对于高频雷电流来说等效电路如图3。
浪涌电流流过SPD时，同时也流过SPD接线，经过SPD限压后加在设备端的电压为SPD本身的嵌位电压UW和接线电感感抗的电压降UL1+UL2之和。SPD的接线感抗上的电压降为j2πfLI，或者用时域表达式Ldi/dt，这个电压降和频率或者说电流的变化率成正比的关系。这个电压降到底有多大，是被很多技术人员忽视的。举个例子来说明：对于二级配电出来，可能会有5KA/10μS的浪涌波前，这个浪涌流过SPD及导线时，每一米的SPD接线其感抗可能产生的电压降为：
Ldi/dt=1.3×10-6×5000/10×10-6=650V
按国家标准，普通电子设备二端浪涌电压不超过1500V。如果SPD接火线、地线长度分别为1.2米，也就是2.4米长的接线，5KA电流流过SPD时，如果SPD二端电压嵌位在400V左右，不考虑SPD本身的嵌位电压情况下，光是在浪涌电流流过引线产生的感应电压UL=UL1+UL2=650×2.4=1500V，如果再考虑SPD的压降，将达到1900V，足以威胁到电子设备的安全，使得用电设备遭受电击而损坏的几率大大增加。所以SPD接线按规范不能超过0.5米，否则，会使得SPD防雷效果大打折扣甚至不起作用。
如果接线由于安装位置原因很长，解决的办法是SPD接线采用凯文接线，如图4所示。设备直接从从SPD二个端子引出，图4所示SPD凯文接线的电气等效电路原理图如图5。无论SPD引线多长，引线的感抗的电压降不会加到后级设备上，从而保证设备二端的电压是经过SPD嵌位的安全电压UW，从而很好的保护了后级设备免受浪涌电流电击。
参考文献
[1]《工业与民用供配电设计手册（第四版）》,中国电力出版社.
[2]《建筑防雷工程与设计（第三版）》，气象出版社.
[3]《GB/T50065-2011交流电气装置的接地设计规范》，中国计划出版社.
[4]《GB50057-2010建筑物防雷设计规范》，中国计划出版社.
[5]《GB50343-2012建筑物电子信息系统防雷技术规范》.
[6]《GB50303-2015建筑电气工程施工质量验收规范》，中国计划出版社.
[7]《GB14050-2008系统接地的型式及安全技术要求》.
[8]《GB4943.1-2011信息技术设备安全第1部分：通用要求》.
[9]《YD5098-2005通信局（站）防雷与接地工程设计规范》.
[10]《DIN57100标称电压1000V及以下的电气装置的安装》.
[11]《DIN57100/VDE0100等电位联接和基础接地》.