接地面临挑战

null 接地防雷技术面临的挑战 接地防雷技术面临的挑战徐义亨null 接地和“引雷入地”技术的发明，应追溯到300年前，来华传教 士、葡萄牙人安文斯（1609-1677）在《中国的十二大奇迹》一书中 对中国建筑的特点和渊源的述说。 他在书中介绍，屋顶脊吻龙上的金属条一端插入地里，这样， 当闪电落在屋上或皇宫时，闪电就被龙舌引向金属条通路，并且直 奔地下消散，因而不至伤害人（见林清凉、戴念祖著的“电磁 学”）。 他的记述比起1753年美国科学家富兰克林在进行雷电试验时， 在大地上安装了接线端子，即实施了所谓的接地，要早一个世纪。null 接地系统在概念和技术上，近数十年已发生了很大的变化，其 中一个重要的转变是： 以前的接地系统是否合格以接地电阻值为准，现在侧重于接地 结构兼顾接地电阻值，特别是从独立接地到等电位连结方式的转变。 据查证，世界上最早提出等电位接地方式的是我国在1958年建设 人民大会堂时，由中国防雷界的泰斗王时煦提出的，比起英国 R.H.GOLDE在经典著作《雷电》一书中提及要早十八年。 null 接地作为由中国人开创的一种应用技术，在电气、电子、控制 等行业里的功能似乎是无可非议的。但是近些年，在这个古老而又 在不断发展的技术领域内，在国内接地和防雷界里却出现了一些令 众家而争鸣的大问题。现不妨简要地予以介绍，以飨读者。1 “接地电阻不可测，应予废除” 1 “接地电阻不可测，应予废除” 由于土壤是由不同的土壤颗粒和其间隙中存在的水和空气组成； 再则，接地体的形状、尺寸又不一，所以接地电阻有着非常复杂的 性质。 过去，人们都这样定性地认为接地电阻包括： 接地极本身的电阻； 接地极与土壤间的接触电阻； 接地极附近的土壤电阻； 接地极至电气设备间连接导线的电阻四者之和。 其中，接地极附近的土壤电阻是最主要的，接地极本身的电阻和 接地极与土壤间的接触电阻可以忽略不计。权威著作《辞海》对接地电阻的定义：权威著作《辞海》对接地电阻的定义： “接地体对地电阻和接地引线电阻的和，数值上等于接地装置对 地电压与通过接地体流入地中电流的比值。” 这个定义似乎很严谨，但在实践中难以测量。null 全国雷电防护标准化技术委员会制定的《信息系统雷电防护 术语》对接地电阻的定义是： “接地极与零的远方接地极之间的欧姆定律值。” 这个定义在措辞上比《辞海》更严谨一点，但仍然没有可操 作性。null 日本高桥健彦在其著作—— 《接地技术》（科学出版社，2003 年）中对接地电阻作了如下的定义： 假设在某一电极上流入接地电 流I，若接地电极的电位比周围大地 高出E时，其电位上升值与接地电流 之比E/I即为接地电阻（见图）。 null 为了能和测量的可操作性结合起来，该定义必须要有以下的两 个条件： 1）要使接地电流流向接地极，必须要有一个闭合回路，即还要 向大地打入另一个辅助电极（见图），然后将电源接入两个电极之 间即可产生电流。 2）接地电极的电位上升，必须以大地的无限远点为基准。所谓 无限远点是指即使有接地电流，电位也不变动的地点，即意味着与 通电前的状态没有变化的地点。null电源null 通常用电位降法测接地电阻， 其原理如图所示。 图中 T---被测接地极； P---接地棒； A---辅助接地极。 测量时，T、P、A极各相距20 米，并成直线排列。 这样用欧姆定理就可计算出接 地电阻 Ra=V/I 相对讲，高桥健彦的定义，虽然还 不够严谨，但有可操作性。对任何事物 的定义，如果没有可操作性，就失去了 它存在的价值。null 但在高桥健彦的这个定义里，实际上存在着两个值得思考的问 题： 1）电阻的最初概念是来自欧姆定律，即R=U/I。欧姆定律的适用范 围是金属导体，而土壤并不是金属导体，所以用欧姆定律来定义接 地电阻是不适宜的。 2）欧姆定律只用于电路，而土壤层不是“路”，而应该是“场”。null 2002年黑龙江省防雷中心六名技术人员用一台从日本进口的 高级地阻测试仪对一个建筑物地网进行了28次测量，测得的数据共 14组，最小值为0.7Ω，最大值为100Ω，两者相差竟达160倍。对 此，有人对“接地电阻”这个已经沿袭100多年的概念产生了怀疑。 其代表人物是清华大学的虞昊教授。他认为（见《中国防雷》 2006年NO.1）：null1）文献上对应于不同形状的接地极的接地电阻 计算公式 六西格玛计算公式下载结构力学静力计算公式下载重复性计算公式下载六西格玛计算公式下载年假计算公式 都是立足于 这样的一个假设：接地电流从接地极进入地下深处，沿着半径的辐 射方向均匀流向无穷远。而迄今为止的任何测量，都是测量两个电 极之间流过的有限范围的地表介质的电阻状态，以至把对象给置换 了。 2）“电路”的概念是不能代替“电磁场”的概念去解释接地电流的 流动状况，接地电流中包括了高频成分，高频电流必有趋肤效应， 若认定土壤为导体，则电流必沿地表面流动。null3）国际上目前之所以还没有各国公认的“接地电阻”标准件，不仅现 在没有，而且永远也不可能有，其原因就是“接地电阻”是不可测的。 4）只有用Maxwell的电磁场理论才能够真正检验和解释有关接地的电 磁现象。 虞昊教授认为，之所以出现上述黑龙江省防雷中心测量接地电阻 时读数相差一百多倍的问题，其原因就在每次测量时，因辅助电极在 土壤中的深浅不一而导致电流流动的分布发生重大的变化，从而导致 测量的不确定性，除非将电流的回归电极即辅助接地极A做成大面积并 埋在几十米以下的深度，但有哪家仪表厂肯如此规定呢？所以他认为： “接地电阻不可测，应予废除。” 2 “引雷入地”和“绝缘避雷”的孰是孰非2 “引雷入地”和“绝缘避雷”的孰是孰非 前几年,台湾大学物理系林清凉博士和中科院戴念祖研究员合 编的《物理学基础教程》第二册中提到了和“引雷入地”完全不一 的防雷技术——“绝缘避雷技术”，即拒雷。 他们提出拒雷这种技术的实际例证是山西应县高67.13米的木塔 已保存了近1000年而完好无损。两位物理学家在进行科学考察后， 发现该塔的地基绝缘良好，将其称之谓“绝缘避雷技术”。2003年 在首届亚洲防雷论坛上介绍了这一技术后，引起了许多防雷专家的 注意。null 2004年中国气象局王雪森高工到宁波郊区天童寺考察，发现该 寺也有拒雷作用。因其近旁一个装有避雷针、避雷器等防雷设备的 建筑物被落地雷击毁，而这个面积达40,000m2的庞大木建筑群却完 好地保存了1700年多。 虞昊教授闻讯赶去观察，看到全部地面用绝缘良好的花岗岩厚 石板砌成，有极好的地下排水系统，与应县木塔的“绝缘避雷技术” 完全一样。 为之，虞昊建议在应县木塔的近旁再建一个同样的木塔，不过 和原木塔不一样的是该塔的基础应采用钢筋混凝土结构。这样，如 新建塔遭到雷击，而老塔安然无恙的话就可印证“绝缘避雷技术” 的可行性。null 不管是“引雷入地”，还是“绝缘避雷”，其基本原理都是利用 国内外防雷界公认的“雷电总是从电阻最小处入地。”只不过前者 用的是电阻最小来引雷入地；而绝缘避雷用的是电阻最大来躲避雷 击。null 中国古代经受了历史考验的这种拒雷技术，近年又有了新的发 展。 那就是2002年底在联合国组织的国际发明博览会上为中国夺得 唯一发明特别金奖的“等离子避雷技术”，许多国家的专家誉之为 “对人类生存和保障的最佳发明”。其发明人为国际宇航科学院院 士、中科院空间中心研究员庄洪春。 它的拒雷技术完全同于绝缘避雷技术，绝对不需要接地。如果 闪电下行先导接近某建筑物闪击距离的瞬间，等离子避雷技术就会 自动开启电荷发生器，产生与接闪器上的感应电荷异号的电荷覆盖 其上，使得建筑物外的大气电场大大减弱，不可能出现空气击穿和 发出迎面先导。null 但对“绝缘避雷”，目前争议还是很大。反对者认为：“绝缘防雷只能 做到将雷电避开某个具体物，而不可能中和或转移向下发展的雷电。因为 从云中向下发展的雷电总得找到入地的通道。”但又有人认为，这个问题 不难解决，只要在用绝缘避雷保护的物体周围设置数以万计的目标可供入 地。3 人类科学技术的发展，总是呈螺旋式的上升3 人类科学技术的发展，总是呈螺旋式的上升 人类科学技术的发展，总是呈螺旋式的上升。 当初人们基于土壤的导电性和具有无限大的容电量，所以把土 壤地层理解为等电位点或等电位面，把它作为电路或电子系统的基 准电位，用来保护人身和设备的安全以及抑制干扰。 之后，人们又发现，在接地系统本身，也存在着许多电磁干 扰，它可以通过各种耦合途径去影响电子系统的正常工作。于是就 想到“浮地”。所谓浮地是指电子系统的地线在电气上与建筑物的 接地保持绝缘，两者之间的绝缘电阻一般应在50兆欧以上。 null 浮地的优点： 1）建筑物接地系统中的电磁干扰不会传递到电子设备上去； 2）地电位的浮动对设备也没有影响。 所以浮地可以提高系统的抗干扰能力。但是浮地又带来了其它 的问题，如： 1）容易产生静电积累； 2）当雷电感应较强时，外壳和其内部电子电路间可能会出现很高的 电压将两者之间的绝缘击穿，造成电子电路的损坏。null 于是人们又在想，减少干扰的关键不仅是减小接地电阻值，更 重要的是设法减小系统漏向接地系统中去的电流。我国接地防雷界 的前辈，中科院电工所的马宏达在《关于防雷接地问题的探讨》 （见“中国防雷“2005年第5期）一文中强调：“电子地稳定的关键 条件是使接地连线中的电流为零。”null 许多DCS、PLC产品，对接地电阻值大小的要求，相差甚远。要 求高的如1欧姆，要求低的只要100欧姆即可。其原因就是存在于系 统的绝缘性能和漏电流上的差异。 任何一种电子信息产品，包括控制系统在内，对正常工作条件 （包括自然环境条件、电气工作条件以及机械工作条件）的要求愈 高，就意味着产品本身的性能和可信性愈差。null 科学的真理往往被少数人掌握，而检验真理的标准只能是实践。 接地技术虽然古老，但还没有达到“自由王国”的地步。 孰是孰非，让我们拭目以待。null 谢谢大家