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【摘要】高速公路隧道内机电系统特点是点多、面广、线长，量的监控、通信、传感等弱电设备，往往经常穿越复杂的地质层面，这些都是易遭雷击或雷电感应的薄。长期以来，认为接地电阻越小保护效果就越好，被保护的对象就安全。当然电阻越小散流越快，雷击的高电位保留时间越短，危险性越小，其跨步电压、接触电压产生的机遇也就越小。，根据笔者近十几年来的实践证明，与其说接地电阻值重要，不如说接地装置的结构更合理重要。
【关键词】防雷；电流；接地；电阻
Grounding resistance on the discussion of the tunnel
Li Zhi-chao
（Shaanxi Han Tang Computer Co., Ltd Xi'an Shaanxi 710000）
【Abstract】Highway tunnel electro-mechanical systems characterized by many points, a wide range of length, volume control, communications, sensing and other electronic equipment, often through the often complex geological level, these are vulnerable to lightning or lightning induced thin. For a long time that the protective effect of grounding resistance the smaller the better, the protected object security. Of course, the smaller the resistance the faster diffuser, high-potential lightning shorter retention time, the smaller the risk, the step voltage, touch voltage generated by the smaller opportunities. , According to the author proved the last decade, so much important ground resistance values, but rather that the structure is more reasonable grounding important.
【Key words】Lightning;Current;Ground;Resistance
1. 防雷接地和设备接地的实际需要
依据IEC1024-1《设备接地》、GB5057-94《建筑物防雷设计规范》、GB50343-2004《电子信息系统防雷技术规范》、GB50348-2004《安全防范工程技术规范》等国家标准要求：一类建筑物直击雷要求接地阻值不大于10欧姆，三类建筑物直击雷要求接地阻值不大于30欧姆。系统接地阻值不大于4欧姆；建在野外的安全防范系统，接地电阻不大于10欧姆：在高山岩石地区的土壤电阻率大于2000Ω/M时，接地电阻不大于10欧姆。
设备的工作过程中过电压过电流对其造成损坏的主要表现形式为：大电流、高电压的冲击，通过线路传导、感应耦合、电位反击等方法传播，因此，对于不同工作性质设备的防护重点是不同的。
1.1 电源系统：主要表现在对传导电流电压的防护。当在信息系统上安装电涌保护器时，在电涌保护器承受雷电流冲击而对地泄放时，被保护的信息系统设备绝缘承受的电涌电压为电涌保护器上的残压和其连接线上的电压降之和，即：
UUres+L
其中残压Ures与电涌保护器的性能有关， 为雷电流的陡度，L与专用引下线的长度成正比，专用引下线过长，整个U值将偏大，而使设备损坏。也就是说在一定的接地阻值内，接地电阻值的大小对于电涌保护器的影响，已经非常小可以忽略不计了，而较长的接地引线的电压降是影响设备的使用重要因素。
1.2 信号系统：信号设备在使用过程中，电磁干扰、静电等问题对其传输过程中造成的频率、波形以及信号衰减的危害比较大。由于传输方法的不同，信息网络设备的接地方法也不同，主要为S与M两种接法。当采用S型连接网络时，该信息系统的所有金属组件，除等电位连接点外，应与共用接地系统的各组件有足够的绝缘（＞10KV 1.2/50μs）。通常，S型连接网络用于相对较小、限定于局部的系统，所有服务性设施和电缆仅在一点进入该信息系统。本网络应仅通过唯一的一点（即接地基准点 ERP）组合到共用接地系统中去。在此情况下，在各设备之间的所有线路和电缆应按照星形结构与各等电位连接线平行敷设，以避免产生感应环路。由于采用唯一的一点进行等电位连接，故不会有与雷电有关联的低频电流进入信息系统，而信息系统内的低频干扰源也不会产生大的电流。因此等电位连接的这唯一的点也是接电涌保护器以限制传导来的过电压的理想连接点，而不是依靠小的接地电阻来限制低频干扰源与感应环路。
S型接地消除了公共阻抗耦合和低频接地环路引起的干扰。能很好地工作于1MHZ及以上的频率，当整个系统的尺寸较小时（最大尺寸小于λ/20，λ为干扰信号的波长）可以应用到10MHZ。通常，M型网络用于延伸较大和开环的系统，而且在设备之间敷设许多线路和电缆，服务性设施和电缆在几个点进入该信息系统用于各种高频，也能得到一个低阻抗网络。这种网络所具有的多重短路环路对磁场将起到衰减环路的作用，从而在信息系统的邻近区域使初始磁场减弱，起到保护的做用。在复杂系统中，两种型式（M型和 S型）的优点可组合在一起（GB50057《建筑物防雷技术规范》）。
1.3 反击：目前IEC国际标准及GB50057-94国家标准都推荐采用综合地网，但是，某些单位及某些设备制造商仍在强调采用独立的直流地网。此地被称为直流工作地或信号地、逻辑地，它实质上是高频信号的接地。
单独信号地的目的，是防止地网中杂散电流或暂态电流干扰设备的正常工作，有时也过分强调要求接地电阻的低值。在IEC标准和国家相关标准中均不提倡单独接地。IEEE1100-1992更尖锐的指出：不建议采用任何一种所谓分开的、独立的、绝缘的、专用的、干净的、静止的、信号的、计算机的、电子的或其它这类不正确的大地接地体作为设备接地导体的连接点。据国际有关专家统计，微电子设备遭受雷电危害，大约有60%是来自地电位反击。假设建筑物公用地网冲击接地电阻值≤1Ω，一个中等（100kA）的直击雷击中大厦屋顶防雷针系统，100kA雷电浪涌电流通过避雷针、引下线（有可能是大厦结构钢筋）、地网泄入大地，在地网接地电阻（1Ω）上形成瞬时电压降时电压降1×100000＝100kV，即10万伏高压。机房内微电子设备，正常不带电的金属外壳保护接地，此时电位为100kV，而微电子设备内部电路接直流地，其电位为0伏，微电子设备的内外电位差达100kV高压，必毁无疑！而且是毁坏机房内一大批设备。
1.4 等电位连接。按照GB50057-94《建筑物防雷设计规范》规定，定义大楼接闪电能力为波形10×350μs三角波，雷击电流为150KA。避雷针线由于线路电感的作用，IEC1312定义最多只能将50%的电流引入大地。100余米高的大楼它的引下线电感为155μH左右（1.55μH/米），IEC1312定义电感大于37.5μH，则发生测闪雷击，也就是说，10×350μs直击雷引下线只能引下50%的电流，余下的电流将通过电力线屏蔽槽、水管、暖气管、金属门窗等与地面有连接的金属物质联合引雷，但也只引下部分雷电流，余下总电流的25%在大楼流窜至交流电源输入输出负载的电源线、局域网线等，击穿小型机局域网端，最终由逻辑地线处下泄入地。对设备而言，部分雷电流将由交流电源输入电源线对交流地线进行L-PE、N-PE泄放，交流电源输出L-PEˊ（逻辑地）、N-PEˊ泄放，小型 机电源对逻辑地线网口对逻辑地线。为此，必须对交流电源输入输出火线零线对交流地和直流逻辑地进行保护，才能有效的保护设备免受雷电的侵害。而不是依靠小的接地阻值泄放。
2. 隧道接地方式的论述
隧道接地系统的制做应采用隧道两端接地系统，即在隧道两端均制做接地装置，通过接地干线将两个接地装置连通，形成一个多点接地的系统。如果采用一端接地，将不会起到保护设备的作用。具体如下：
2.1 隧道接地的目的。接地的作用主要是防止人身遭受电击、设备和线路遭受损坏、预防火灾和防止雷击、静电损害和保障系统正常运行。隧道的接地主要考虑人员的安全和设备的正常运行，抵御目标雷击、漏电、电磁干扰、满足同一系统中不同设备之间的电位相等等。因此，接地是必不可少的。也正是以上原因，我们认为，对于接地的要求，不能单纯是追求接地电阻值的大小，而应该建设科学合理的接地连接系统。
2.2 屏蔽、等电位的要求 虽然在各种工程中都要求很多设备的电位相等，但是真正做到等电位是很难的事情，只能尽量的做到把同一系统中的设备的电位差减到最小。如果采用隧道一端接地，可以把隧道内接地的设备之间的电位降到比较小的地步，但是，因为距离太长，在接地近端的设备对地的电位肯定比远端的要低，这样并不能做到最小的电位差。而且隧道内的设备、电缆、金属构架、电缆沟内的电源电缆、电话电缆、传输光纤、PLC线路等是贯穿的，其长度、横截面积、材料、电路特性等不同。如果一端接地，在整条接地线路上的导体材料受电位差、阻抗的影响将产生不同的电压降。如果此时无接地的隧道一端的远处，发生雷击，雷电流将沿金属导体、电缆外绝缘层（肌肤效应）向隧道接地一端传导，其经过的区域由于无接地、屏蔽系统，雷电流与空间电磁脉冲无衰减。
如果隧道两端都接地，而且我们通过接地支线把两个地都连接起来，那么隧道内需要接地的设备都做到的就近接地，而且能把个设备之间的电位差减到最小。同时两条接地系统将整个隧道连接成一个笼式结构，起到屏蔽与法拉第笼结构，对于隧道内人员的安全；设备与设备之间的屏蔽阻抗；线路防雷防电磁脉冲等都大大加强与提高。不难看出，长隧道一端接地，对于远端设备来说，不但没有起到保护设备的作用，反而增加了各设备之间的电位差、减小了屏蔽效果，在防止地电位反击上存在难于处理的问题。而采取两端接地，不但可以减少接地干线的线阻，杜绝反击的发生，还可以增加屏蔽效果，更有利于保护设备。因此，采用隧道两端接地的方式。
3. 综上所述
一个合理完善的隧道接地系统，应从接地装置的合理性，保护地线连接的合理性、系统同等电位的合理性来考虑，而不是一味追求接地电阻值越小越好。
参考文献
［1］ EC1024-1《设备接地》.
［2］ GB5057-94《建筑物防雷设计规范》.
［3］ GB50343-2004《电子信息系统防雷技术规范》.
［文章编号］1006-7619（2011）07-15-731
【关键词】防雷；电流；接地；电阻
Grounding resistance on the discussion of the tunnel
Li Zhi-chao
（Shaanxi Han Tang Computer Co., Ltd Xi'an Shaanxi 710000）
【Abstract】Highway tunnel electro-mechanical systems characterized by many points, a wide range of length, volume control, communications, sensing and other electronic equipment, often through the often complex geological level, these are vulnerable to lightning or lightning induced thin. For a long time that the protective effect of grounding resistance the smaller the better, the protected object security. Of course, the smaller the resistance the faster diffuser, high-potential lightning shorter retention time, the smaller the risk, the step voltage, touch voltage generated by the smaller opportunities. , According to the author proved the last decade, so much important ground resistance values, but rather that the structure is more reasonable grounding important.
【Key words】Lightning;Current;Ground;Resistance
1. 防雷接地和设备接地的实际需要
依据IEC1024-1《设备接地》、GB5057-94《建筑物防雷设计规范》、GB50343-2004《电子信息系统防雷技术规范》、GB50348-2004《安全防范工程技术规范》等国家标准要求：一类建筑物直击雷要求接地阻值不大于10欧姆，三类建筑物直击雷要求接地阻值不大于30欧姆。系统接地阻值不大于4欧姆；建在野外的安全防范系统，接地电阻不大于10欧姆：在高山岩石地区的土壤电阻率大于2000Ω/M时，接地电阻不大于10欧姆。
设备的工作过程中过电压过电流对其造成损坏的主要表现形式为：大电流、高电压的冲击，通过线路传导、感应耦合、电位反击等方法传播，因此，对于不同工作性质设备的防护重点是不同的。
1.1 电源系统：主要表现在对传导电流电压的防护。当在信息系统上安装电涌保护器时，在电涌保护器承受雷电流冲击而对地泄放时，被保护的信息系统设备绝缘承受的电涌电压为电涌保护器上的残压和其连接线上的电压降之和，即：
UUres+L
其中残压Ures与电涌保护器的性能有关， 为雷电流的陡度，L与专用引下线的长度成正比，专用引下线过长，整个U值将偏大，而使设备损坏。也就是说在一定的接地阻值内，接地电阻值的大小对于电涌保护器的影响，已经非常小可以忽略不计了，而较长的接地引线的电压降是影响设备的使用重要因素。
1.2 信号系统：信号设备在使用过程中，电磁干扰、静电等问题对其传输过程中造成的频率、波形以及信号衰减的危害比较大。由于传输方法的不同，信息网络设备的接地方法也不同，主要为S与M两种接法。当采用S型连接网络时，该信息系统的所有金属组件，除等电位连接点外，应与共用接地系统的各组件有足够的绝缘（＞10KV 1.2/50μs）。通常，S型连接网络用于相对较小、限定于局部的系统，所有服务性设施和电缆仅在一点进入该信息系统。本网络应仅通过唯一的一点（即接地基准点 ERP）组合到共用接地系统中去。在此情况下，在各设备之间的所有线路和电缆应按照星形结构与各等电位连接线平行敷设，以避免产生感应环路。由于采用唯一的一点进行等电位连接，故不会有与雷电有关联的低频电流进入信息系统，而信息系统内的低频干扰源也不会产生大的电流。因此等电位连接的这唯一的点也是接电涌保护器以限制传导来的过电压的理想连接点，而不是依靠小的接地电阻来限制低频干扰源与感应环路。
S型接地消除了公共阻抗耦合和低频接地环路引起的干扰。能很好地工作于1MHZ及以上的频率，当整个系统的尺寸较小时（最大尺寸小于λ/20，λ为干扰信号的波长）可以应用到10MHZ。通常，M型网络用于延伸较大和开环的系统，而且在设备之间敷设许多线路和电缆，服务性设施和电缆在几个点进入该信息系统用于各种高频，也能得到一个低阻抗网络。这种网络所具有的多重短路环路对磁场将起到衰减环路的作用，从而在信息系统的邻近区域使初始磁场减弱，起到保护的做用。在复杂系统中，两种型式（M型和 S型）的优点可组合在一起（GB50057《建筑物防雷技术规范》）。
1.3 反击：目前IEC国际标准及GB50057-94国家标准都推荐采用综合地网，但是，某些单位及某些设备制造商仍在强调采用独立的直流地网。此地被称为直流工作地或信号地、逻辑地，它实质上是高频信号的接地。
单独信号地的目的，是防止地网中杂散电流或暂态电流干扰设备的正常工作，有时也过分强调要求接地电阻的低值。在IEC标准和国家相关标准中均不提倡单独接地。IEEE1100-1992更尖锐的指出：不建议采用任何一种所谓分开的、独立的、绝缘的、专用的、干净的、静止的、信号的、计算机的、电子的或其它这类不正确的大地接地体作为设备接地导体的连接点。据国际有关专家统计，微电子设备遭受雷电危害，大约有60%是来自地电位反击。假设建筑物公用地网冲击接地电阻值≤1Ω，一个中等（100kA）的直击雷击中大厦屋顶防雷针系统，100kA雷电浪涌电流通过避雷针、引下线（有可能是大厦结构钢筋）、地网泄入大地，在地网接地电阻（1Ω）上形成瞬时电压降时电压降1×100000＝100kV，即10万伏高压。机房内微电子设备，正常不带电的金属外壳保护接地，此时电位为100kV，而微电子设备内部电路接直流地，其电位为0伏，微电子设备的内外电位差达100kV高压，必毁无疑！而且是毁坏机房内一大批设备。
1.4 等电位连接。按照GB50057-94《建筑物防雷设计规范》规定，定义大楼接闪电能力为波形10×350μs三角波，雷击电流为150KA。避雷针线由于线路电感的作用，IEC1312定义最多只能将50%的电流引入大地。100余米高的大楼它的引下线电感为155μH左右（1.55μH/米），IEC1312定义电感大于37.5μH，则发生测闪雷击，也就是说，10×350μs直击雷引下线只能引下50%的电流，余下的电流将通过电力线屏蔽槽、水管、暖气管、金属门窗等与地面有连接的金属物质联合引雷，但也只引下部分雷电流，余下总电流的25%在大楼流窜至交流电源输入输出负载的电源线、局域网线等，击穿小型机局域网端，最终由逻辑地线处下泄入地。对设备而言，部分雷电流将由交流电源输入电源线对交流地线进行L-PE、N-PE泄放，交流电源输出L-PEˊ（逻辑地）、N-PEˊ泄放，小型 机电源对逻辑地线网口对逻辑地线。为此，必须对交流电源输入输出火线零线对交流地和直流逻辑地进行保护，才能有效的保护设备免受雷电的侵害。而不是依靠小的接地阻值泄放。
2. 隧道接地方式的论述
隧道接地系统的制做应采用隧道两端接地系统，即在隧道两端均制做接地装置，通过接地干线将两个接地装置连通，形成一个多点接地的系统。如果采用一端接地，将不会起到保护设备的作用。具体如下：
2.1 隧道接地的目的。接地的作用主要是防止人身遭受电击、设备和线路遭受损坏、预防火灾和防止雷击、静电损害和保障系统正常运行。隧道的接地主要考虑人员的安全和设备的正常运行，抵御目标雷击、漏电、电磁干扰、满足同一系统中不同设备之间的电位相等等。因此，接地是必不可少的。也正是以上原因，我们认为，对于接地的要求，不能单纯是追求接地电阻值的大小，而应该建设科学合理的接地连接系统。
2.2 屏蔽、等电位的要求 虽然在各种工程中都要求很多设备的电位相等，但是真正做到等电位是很难的事情，只能尽量的做到把同一系统中的设备的电位差减到最小。如果采用隧道一端接地，可以把隧道内接地的设备之间的电位降到比较小的地步，但是，因为距离太长，在接地近端的设备对地的电位肯定比远端的要低，这样并不能做到最小的电位差。而且隧道内的设备、电缆、金属构架、电缆沟内的电源电缆、电话电缆、传输光纤、PLC线路等是贯穿的，其长度、横截面积、材料、电路特性等不同。如果一端接地，在整条接地线路上的导体材料受电位差、阻抗的影响将产生不同的电压降。如果此时无接地的隧道一端的远处，发生雷击，雷电流将沿金属导体、电缆外绝缘层（肌肤效应）向隧道接地一端传导，其经过的区域由于无接地、屏蔽系统，雷电流与空间电磁脉冲无衰减。
如果隧道两端都接地，而且我们通过接地支线把两个地都连接起来，那么隧道内需要接地的设备都做到的就近接地，而且能把个设备之间的电位差减到最小。同时两条接地系统将整个隧道连接成一个笼式结构，起到屏蔽与法拉第笼结构，对于隧道内人员的安全；设备与设备之间的屏蔽阻抗；线路防雷防电磁脉冲等都大大加强与提高。不难看出，长隧道一端接地，对于远端设备来说，不但没有起到保护设备的作用，反而增加了各设备之间的电位差、减小了屏蔽效果，在防止地电位反击上存在难于处理的问题。而采取两端接地，不但可以减少接地干线的线阻，杜绝反击的发生，还可以增加屏蔽效果，更有利于保护设备。因此，采用隧道两端接地的方式。
3. 综上所述
一个合理完善的隧道接地系统，应从接地装置的合理性，保护地线连接的合理性、系统同等电位的合理性来考虑，而不是一味追求接地电阻值越小越好。
参考文献
［1］ EC1024-1《设备接地》.
［2］ GB5057-94《建筑物防雷设计规范》.
［3］ GB50343-2004《电子信息系统防雷技术规范》.
［文章编号］1006-7619（2011）07-15-731