1.5 接地与防雷

接地与防雷是保证信息系统的传播质量、阻止环境电磁干扰、保护人员和设备安全的重要措施。由于弱电系统的入地电流错综复杂，相互影响较大，因此对弱电系统的接地和抗干扰提出了更高要求。

1.5.1 供电系统接地

1.系统接地

供电系统接地分为保护接地和工作点接地两类，保护接地是设备外壳接地，工作点接地是指零线接地。工作点接地和保护接地在配电室独立引出。在TN-S三相五线制系统中，零地（N）和保护接地（PE）不能合而为一，如图1-18所示。

重复接地：在TN-S（三相五线制）系统中，中性线N（零线）是不允许重复接地的。因为如果中性线N重复接地（用户处的中性线N再接地），那么三相五线制中的漏电保护检测就不能正常工作而无法起到保护作用了。因此，零线不允许重复接地。

2.联合接地

现代建筑物的面积和高度越来越大，功能性（工作点）接地与保护性接地的分离已越来越困难，使用多个接地系统必然在建筑物内引进不同的电位，导致设备出现功能故障或损坏。因此采用联合接地的等电位接地系统后，使信号接地不形成闭合回路，不易产生共模型态的杂讯，可有效减少静电和电磁干扰。共用接地系统已为国际标准，并已在我国国家标准中推广。

联合接地系统由接地体、接地引入、接地汇集线组成，如图1-19所示。接地体是由数根镀锌钢管或角铁，垂直打入土壤，构成垂直接地体，然后用扁钢连接。接地汇集线是指大楼内接地干线的分布设置；接地汇集线可分垂直接地总汇集线和水平接地分汇集线两种，前者是垂直贯穿于建筑体各层楼的接地用主干线，后者是各层通信设备的接地线与就近水平接地进行分汇集的互连线。接地线是各层需要进行接地的设备与水平接地分汇集线之间的连线。

联合接地方式在技术上使整个大楼内的所有接地系统组成低接地电阻值的均压网，具有下列优点。

1）地电位均衡，同层各地线系统的电位大体相等，消除危及设备的电位差。

2）联合接地母线为全局建立了基准零电位点。全局按一点接地原理而用一个接地系统，当发生地电位上升时，各处的地电位一齐上升，在任何时候，基本上不存在电位差。

3）消除了地线系统的干扰。通常依据各种不同电特性设计出多种地线系统，彼此间存在相互影响，而采用一个接地系统之后，使地线系统做到了无干扰。

4）电磁兼容性变好。由于强、弱电，髙频及低频电都等电位，又采用分屏蔽设备及分支地线等方法，所以提高了电磁兼容性。

3.接地电阻计算

接地电阻越小，抑制干扰和安全保护性能越好。联合接地体（共用接地）的接地电阻应小于1Ω；强电系统接地电阻或一个弱电系统独立接地电阻应小于4Ω。

接地电极的类型主要有单根垂直接地极、水平接地体和接地网等。基本计算公式为

式中 ρ ——土壤电阻率，单位为Ω·m；

L ——地极体的长度，单位为m；

S ——地极体的截面面积，单位为m ² 。

采用直径不小于50mm，长度不小于2.0m的单根镀锌钢管的垂直地极的接地电阻：

式中 ρ ——土壤电阻率，单位为Ω·m；

L ——地极插入地下的深度，单位为m；

d ——钢管地极的外径，单位为m。

土壤电阻率 ρ 与土壤的含水率有明显的关系，含水率高（湿）的土壤比含水率低（干）的土壤的电阻率要低得多。因此采用合适的保湿材料，如绿化用的保湿颗粒、定期补水或盐水等，可较长时间保持土壤湿润。表1-3是土壤电阻率参考值。

1.5.2 防雷

雷电是威胁人类的自然现象，尤其是高科技电子通信系统和计算机网络系统，难以承受雷击电磁脉冲的冲击，因此防雷、避雷是智能弱电工程必须要解决的重要问题。

1.雷击分类

自然界中的雷击一般分为直击雷和感应雷两种：

直击雷：是指闪电直接击在建筑物、大地或防雷装置上，其电压高达数百万伏特，瞬间电流可高达数十万安培，具有极大的破坏性。

感应雷：在雷击点1.5km半径的区域内会产生强大的交变电磁场，并以强大的冲击脉冲形式浪涌窜入用电设备。它对通信系统、计算机网络和弱电系统的危害最大，80%以上的雷击事故是由感应雷造成的。

2.防雷系统的组成

现代防雷、避雷技术包括建筑物外部防雷和内部防雷两个方面：

（1）外部防雷系统：主要功能是将建筑物附近的雷电云通过接闪器［如避雷针（亦称接闪杆）、接闪带、接闪网等］系统引入大地，确保建筑物免受直击雷侵袭。外部防雷系统由接闪器、引下导体和接地电极等组成。

目前各种建筑、设施大多数仍使用传统的避雷针防雷系统；实践证明，避雷针可有效防止直接雷击，但是对于大量电子通信设备、网络设备，避雷针的保护就显得无能为力了，因为它不能阻止感应雷击强大电磁脉冲的破坏。

按照国家标准GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》要求，计算机网络机房所在大楼的接闪网（带）、避雷针或混合接闪器，通过大楼立柱基础的主钢筋，将强大的雷电流引入大地，形成较好的建筑物防雷设施。

计算机机房受建筑物防雷系统保护，直击雷直接击中计算机网络系统的可能性非常小，因此通常不必再安装防护直击雷的设备。

（2）内部防雷系统：是为保护建筑物内部的电子设备和人员安全而设置的第二道避雷防线。通过安装在被保护设备前端的防雷器，将感应到的雷电流安全泄放入地，确保设备和人员的安全。

形成感应雷的概率比直击雷高很多，感应雷会对建筑物内的低压电子设备造成较大的威胁，计算机网络系统的防雷工作重点是防止感应雷入侵。

1）入侵的感应雷电流在建筑物内部的分布是不同的，因此合理选择机房的位置及机房内设备的合理布局可有效减少雷害。

2）在供电系统及计算机网络终端设备的接口处安装电涌保护器，并对出入机房的电缆线采取屏蔽、接地，实现等电位连接等措施，可有效减少雷击过电压对计算机网络系统设备的侵害。

3）机房采用联合接地可有效解决地电位升高的影响，合格的地网是有效防雷的关键。

接地系统的质量直接关系到防雷的效果。改善地网条件、适当扩大地网面积和改善地网结构，使雷电流尽快地泄放，缩短雷电流引起的过电压的保持时间。

4）为防止市电引入感应雷，经常有雷击的地区还需加装电源防雷器和过电压保护装置。

3.防雷接地

接地是避雷技术最重要的环节，不管是直击雷、感应雷或其他形式的雷击，最终都是把雷电流引入大地。因此，没有合理而良好的接地装置是不能可靠地避雷的。

接地电阻越小，散流就越快，被雷击物体的高电位保持时间就越短，危险性就越小。

弱电系统与防雷系统采用联合接地时，接地电阻的取值应是它们两者中要求的最小值，比如防雷系统要求小于10Ω，弱电系统要求小于4Ω，联合接地要求小于4Ω。

4.防雷设计

（1）电视监控系统防雷。电视监控系统防雷包括户外前端摄像机防雷和监控机房防雷两个方面：

1）户外前端监控摄像机防雷。户外前端监控摄像机均安装在比较高的钢质立杆上，设备的直击雷防护必不可少。

①在每根钢质立杆顶端加装避雷针，根据滚球法计算，避雷针的有效保护范围在30°夹角内，避雷针的高度按照设备的安装位置计算。

②视频线、控制线与电源线需加装CAN总线监控专用三合一防雷器，此款防雷器集视频线防雷、控制线防雷、电源线防雷于一体。安装方便，易维护。

③前端设备接地：三合一防雷器必须接地才能避雷，要求接地地阻应小于4Ω。

如果现场土壤情况较好，可以利用钢质立杆直接接地，把摄像机与防雷器的地线直接焊接在立杆上即可。

④监控中心重要设备的电源进线处，安装电源插座式防雷器，作为设备电源的末级防雷保护。

2）监控机房接地与等电位连接。在监控中心机房防静电地板下，沿着地面布置40mm×3mm纯铜排，形成闭合环接地汇流母排。将配电箱金属外壳、电源地、避雷器地、机柜外壳、金属屏蔽线槽和系统设备的外壳，用等电位连接线和铜芯线螺栓紧固线夹就近接至汇流排，实施多点等电位连接。

（2）卫星电视接收天线的防雷。卫星电视地面接收天线一般都为数米直径的大型抛物面天线，通常架设在室外空地或楼顶，易受雷击，因此必须安装避雷装置，根据接收天线附近的环境条件安装避雷针。

1）铁塔或避雷针的保护范围。如果在天线附近已有较高的铁塔或已架设避雷针，则首先判断这些已有铁塔或避雷针是否能对卫星接收天线起保护作用。避雷针的有效保护半径 R 的计算方法如下：

h ≤30m时：

h ＞30m时：

式中 R ——避雷针的有效保护半径，单位为m；

h ——避雷针的高度，单位为m；

H ——被保护物的高度，单位为m。

如果原有的铁塔或避雷针不能满足保护半径的要求，则应另外安装避雷针。避雷针的高度与接收天线之间的距离和被保护物的高度应满足上式要求。

避雷针在直击雷时可将大部分的放电分流入地，避免卫星电视接收天线系统受击毁。

外部防雷装置由接闪器（即避雷针）、支杆、接地引线和接地体四部分组成，如图1-20b所示，避雷针的保护区在避雷针下面45°～60°的伞形区，如图1-20a所示。

避雷针离地越高，保护范围越大。受保护天线与避雷针的距离应大于5m，因雷击时，雷电感应可击穿2～3m的空气。

避雷针的接地与接收天线的接地距离必须大于1m，接地引线埋设深度不小于0.6m，接地电阻不超过4Ω。接地引线要求尽量垂直。

2）卫星接收天线的避雷方法。

①抛物面天线位于地面上时：由于天线离机房建筑物的距离大都在30m以内，并且通过天线基座直接与大地相连形成接地引线，基座的地脚螺栓、钢筋混凝土中的钢筋自然形成接地引线。这时，接地电阻要小于4Ω。

②抛物面天线位于屋顶时：天线与建筑物的防雷应纳入同一防雷系统，所有引下线与天线基座均应与建筑物顶部的避雷针作可靠连接，并至少应有两个不同的泄流引下路径。在多雷地区，抛物面上端和副反射面上端宜设避雷针。

③馈线的防雷：高频头输出电缆，宜穿金属管或紧贴防雷引下线；沿金属天线杆塔体引下；金属管道与电缆外层屏蔽网，应分别与塔杆金属体或避雷针引下线及建筑物的避雷引下线间有良好的电气连接。因为暴露的电缆或金属管道可能招致雷击，这样的连接可使雷电流直接经防雷系统入地；不会招致雷击而产生雷电流的设备，切勿与防雷接地系统连接，以防雷电流或地电流反串进入设备，招致雷击。

（3）中心机房防雷。根据IEC1312防雷及过电压规范中有关防雷分区的划分，中心机房的供电系统采用三级防护，即三相总电源、室内单相电源和设备前防护。只做单级防雷可能会因雷电流过大而导致泄流后的残压过大而引起设备损坏。

一种新型电源防雷装置称为配电系统过电压保护装置（DSOP），它能在一定时间内抑制雷电过电压，可靠地保护设备不受雷电沿电源线引进来造成的危害。

1）第一级电源防雷：三合一防雷器。系统电源进线端第一级的三合一防雷器，在雷击多发地带至少应有100～160kA的电流容量，可将数万甚至数十万伏的雷击过电压降到数千伏，防雷器可并联安装在大楼总配电柜内的电源进线处或配电房的低压输出端。

配电房低压输出端并联安装1套B级电源防雷箱，用于机房整体设备的电源第一级的防雷设备初级保护。或采用电源防雷模块，并联安装在配电房低压输出端。

2）第二级电源防雷：UPS电源防雷器。UPS电源防雷器对通过电源初级防雷器的雷电能量进一步泄放，可将数千伏的过电压进一步降到1kV，雷电多发地带需要具有40kA的通流容量，防雷器可并联安装在UPS处。在电源总进线处，并联安装一套电源二级二合一防雷器用于中心机房内设备的电源第二级防雷保护。或采用电源防雷模块。

3）第三级防雷系统：二合一防雷器。第三级防雷即用电设备的末级防雷，也是系统防雷中最容易被忽视的地方，现代电子设备都使用很多的集成电路和精密元件，这些器件的击穿电压往往只是几十伏，若不做第三级防雷设备，经过一级防雷而进入设备的雷击残压仍将有千伏之上，这将对后接设备造成很大的冲击，并导致设备的损坏。作为第三级防雷系统的二合一防雷器，要求有10kA以上的通流容量。

（4）大楼弱电系统防雷方案。在接地处理过程中，一定要有良好的接地系统，因为所有防雷系统都需要通过接地系统把雷电流泄入大地，才能保护设备和人身安全。图1-21是大楼弱电系统防雷方案。