防雷接地

定义

防雷接地指为雷电防护装置(避雷针、避雷线和避雷器等)向大地泄放雷电流而设置的接地^[3]。在标准术语体系里，承担这一功能的部分称为接地装置(earth-termination system)，是外部防雷装置的组成部分，作用是把雷电流传导并分散入地^[1]。接地装置由接地体和接地线两部分组成：埋入土壤或混凝土基础中作散流用的导体是接地体，从引下线断接卡或接地端子、等电位连接带引至接地体的连接导体是接地线^[1]。

按另一种表述，接地极(earth electrode)是接地装置中与大地直接相连、把雷电流分散入地的部分；利用地基混凝土钢筋或预埋在混凝土中的其他导体做接地极时，称基础接地极(foundation earth electrode)^[4]。由接地体与接地线构成的整体，再加上等电位连接网络，合称接地系统^[1]。

原理

雷电击中接闪器后，雷电流经引下线进入接地装置，再由接地体向周围土壤扩散，形成随距离增大而衰减的散流电场，远处电位趋近于零，从而把能量释放到大地中^[5]。衡量这一过程的核心参数是接地电阻，其数值等于接地体相对远方大地的电压与流入地中电流之比^[6]。按测试电流性质不同，分为工频接地电阻和冲击接地电阻，后者指由冲击电流求得、以接地极上对地电压峰值与电流峰值之比表示的电阻^[2]。

由于雷电流是幅值高、持续时间短的冲击波，接地体的冲击接地电阻与工频接地电阻并不相等，两者间需按换算系数折算，换算系数与接地体长度、土壤电阻率相关，接地体过长时超出有效长度的部分不再有效降低电阻^[7]。用公式表示，接地电阻满足 $R = U/I$，式中 $U$ 为接地体对远方大地的电压，$I$ 为经接地体流入地中的电流^[6]。

雷电流沿引下线和接地装置泄放时，接地体及其周围地电位会瞬时抬升，可能通过共用接地路径反击附近的金属物与电子线路，因此防雷接地设计同时强调均压与等电位，把分开的金属物体直接用连接导体或经电涌保护器接到防雷装置上，以减少雷电流引起的电位差^[2][1]。

flowchart LR

A[雷云放电] --> B[接闪器]

B --> C[引下线]

C --> D[接地线]

D --> E[接地体/基础接地极]

E --> F[土壤散流]

F --> G[地电位趋近于零]

发展历程

对雷电流入地的认识与避雷针的发明直接相关。1752 年，美国研究者本杰明·富兰克林通过风筝实验论证雷电与静电放电性质相同，并据此提出把铁棒插入地下约一米、另一端高出建筑物最高点约一米的装置，即避雷针；其作用是把雷电引向自身并导入大地，而非使雷击不发生^[8]。富兰克林于 1750 年提出用针尖放出电荷中和雷云电荷的设想，后续实践证明避雷针并不能“避雷”，而是将雷引向自身以保护周围物体^[9]。

19 世纪中后期，高压长距离输电线路因架设高、跨距长而频繁受雷击，避雷针保护范围不足以覆盖线路，遂发展出避雷线；建筑物防雷方面又由避雷针演化出敷设在屋脊和屋顶四周的避雷带与避雷网，接闪后由多根引下线共同泄散电流，室内设备上的反击电压相对更低^[9][10]。同一时期出现了用于限制感应过电压的防雷器，即后来电涌保护器的雏形^[10]。

20 世纪初，接地装置被系统引入防雷工程，与避雷针、避雷带和电涌保护器组合为较完整的防护系统，同时兼顾雷击、故障电流与静电三类危害。20 世纪 60 年代起，国际上陆续以击距（考虑雷电流幅值选定保护范围）等方法定量确定保护范围^[9]。此后各国相继制定标准，对接地电阻限值、接地装置设计与安装作出规定，雷电防护由此进入综合防护阶段。

在中国，建筑物防雷设计长期以《建筑物防雷设计规范》为依据。GB 50057-1994 曾于 2000 年局部修订，其中明确每根引下线的冲击接地电阻不宜大于 10Ω，并要求防直击雷接地宜与防雷电感应、电气设备、信息系统等接地共用同一接地装置^[11]。现行版本 GB 50057-2010 于 2010 年 11 月 3 日发布、2011 年 10 月 1 日实施，沿用三类防雷分类框架并保留冲击接地电阻与工频接地电阻的换算方法^[12]。与之配套的还有《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB 50343-2012，其中对共用接地系统、等电位连接等术语作出界定^[2]。

应用

建筑物是最典型的应用场景。按 GB 50057-2010 的划分，第一类与第二类防雷建筑物每根引下线的冲击接地电阻不宜大于 10Ω，第三类不宜大于 30Ω；在土壤电阻率高的地区可适当增大，但土壤电阻率在 3000Ω·m 以下时不应大于 30Ω^[13]。防直击雷的专设接地装置宜围绕建筑物敷设成环形接地体，并与防闪电感应、内部防雷装置、电气和电子系统的接地共用，同时与引入的金属管线做等电位连接^[14]。当采用共用接地装置时，其接地电阻须按接入设备中要求的最小值确定^[15]。

在电力与工业设施中，接地网由埋在地中互相连接的裸导体构成，为电气设备或金属结构提供共同的参考地，必要时可连以辅助接地极以降低接地电阻^[2]。为加强对雷电流的散流作用、降低对地电位，还可在需要处敷设由 3 至 5 根垂直接地极（土壤电阻率较高地区用 3 至 5 根放射形水平接地极）组成的集中接地装置^[2]。石油化工领域对金属储罐另有要求，罐体接地点不应少于 2 处且沿周边均匀布置，接地体距罐壁应大于 3m^[16]。

电子信息系统的要求偏向等电位与低阻抗。机房内设备的金属外壳、机柜、金属管槽、屏蔽线缆外层及电涌保护器接地端，均需以最短距离接到局部等电位连接网络^[17]。等电位连接结构按系统特性选择：300kHz 以下的模拟线路宜采用 S 型单点星形连接，兆赫兹级的数字线路则宜采用 M 型网格连接，此时每台设备的等电位连接线长度不宜大于 0.5m，并宜设置两根长度不同的连接导体，以避免某一根在干扰频率的 1/4 波长处谐振^[17]。

对于地网建设或改造困难的场所，工程上也有隔离式防雷的做法：把防雷接地与保护接地、工作接地之间加装隔离式分组接地装置，防止地电位反击，此类装置的工频接地电阻限值可放宽至不大于 100Ω^[18]。现场一般用三极法测量接地电阻，电流极与接地网边缘的距离取接地网最大对角线长度的 4 至 5 倍，电压极距离取电流极距离的 50% 至 60%^[16]。

局限

接地电阻受土壤条件严格制约。在高土壤电阻率地区要达到低阻值，施工难度大、工程造价高，往往需增设垂直接地极、延长水平接地体、更换土壤或使用降阻剂等措施^[18][16]。接地体长度也不是越长越有效，超过有效长度的部分对降低冲击接地电阻的作用有限^[7]。

冲击接地电阻与工频接地电阻之间存在差异，工频测量结果不能直接等同于雷击时的实际表现，需按换算关系折算^[7]。此外，接地装置本身会带来新的风险路径：雷电流经引下线和接地装置泄放时产生的高电位，可能对附近金属物或电气和电子系统线路造成反击，需通过间隔距离、等电位连接与电涌保护器等措施另行控制^[12]。

从防护能力边界看，防雷接地解决的是雷电流的泄放与电位控制，并不能阻止雷击发生。国际电工委员会防雷委员会公布的防雷标准即指出，当时尚无设备和方法能改变自然天气现象、阻止雷电的发生或其击中被保护建筑物^[19]。接地装置埋于地下，还存在腐蚀与接地电阻随时间变化的问题，需通过材料选择和定期检测维护加以控制，检测时通常利用引下线上距地面 0.3m 至 1.8m 之间装设的断接卡进行测量^[20]。

参见

• 接闪器 —— 直接拦截雷击的金属部件，是雷电流进入防雷接地的起点。

• 引下线 —— 把雷电流从接闪器输送到接地装置的导体通道。

• 接地电阻 —— 衡量防雷接地装置泄流能力与地电位升高幅度的核心参数。

• 等电位连接 —— 与防雷接地配合使用，用于减小雷电流引起的电位差的措施。

• 电涌保护器 —— 限制瞬态过电压、分泄电涌电流的器件，常与接地系统协同工作。

• 共用接地系统 —— 将防雷接地与其他各类接地合并构成的统一接地系统。