如何安全地进行防雷接地设计？

设计一台设备或一个系统时，安全必须放在首位，包括人身安全及设备安全。为此，在设计接地系统时，首先要考虑安全接地，它包括安全接地和防止雷击的安全。

1.防止设备漏电的安全接地

图4-18是说明设备漏电危及人身安全的示意图。在图4-18a的情况下，U₁是设备或系统内部产生的一个危及人身安全的电压源，Z₁为该电压源到设备机壳的寄生阻抗（一般是容抗和漏电阻），Z₂为该设备机壳对大地的漏电阻。在这种情况下，机壳到大地之间的电压为

图4-18 机壳安全接地必要性示意图

即使在设备内部及外部绝缘良好的情况下（即Z₁、Z₂电阻均很大），U_机壳也可能达到危及人身安全的数值，如果操作人员接触机壳可能造成触电事故。

图4-18b是大多数设备实际存在的情况，通常这些设备均由电网通过变压器供电，经长期使用，变压器的绝缘因长期发热老化，绝缘电阻降低，甚至可能造成绝缘击穿。在这种情况下更加危险，如果操作人员一旦接触设备机壳就会造成严重的触电事故。

任何高压电器及电子设备的机壳和底座都应当接大地，以避免因漏电危及人身安全。可能导致设备漏电的原因很多，如绝缘老化、环境潮湿、多尘、有酸碱气体、局部放电使绝缘碳化、绝缘因擦碰被破坏或鼠咬破损等。

人体的皮肤处于干燥洁净和无破损情况下，人体电阻可达40～100kΩ，当人体处于出汗、潮湿状态时，人体电阻可降到1000Ω左右。通常，人体流过0.2～1mA电流时，会感到麻电；当流过5～20mA时，会发生肌肉痉挛，不能自控脱离带电体；当电流大于几十毫安时，心肌则会停止收缩和扩张；如果电流与时间的乘积超过50mA·s时，便会造成触电死亡。实用上，通常以电压表示安全界限，如我国规定在没有高度危险的建筑物中，安全电压为65V；在高度危险的建筑物中为36V；在特别危险的建筑物中为12V。一般家用电器的安全电压为36V，以保证万一触电时流经人体的电流要小于40mA。

为了确保人身安全，必须将设备的金属外壳或机架与大地的接地体相连。接地体接大地的电阻为5～10Ω。万一设备漏电，当人体接触带电外壳时，大部分漏电流将被接地电阻分流，使流过人体的电流大大减小，保障人身安全。但特别严重情况下（如强雷击、高压击穿等），接地电流过大时，上述接地系统仍会危及人身安全。这是因为，当很大的接地电流经接地棒流入大地时，在接地棒周围会产生流散电流和流散电场。如图4-19所示。设接地棒半径为a，埋入大地的高度为h，流入的接地电流为I₀，接地电阻为r₀，则在接地棒处产生的电压为

U₀=I₀r₀ （4-46）

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图4-19 接地棒周围的杂散电场图

这时，流入大地的电流将沿径向扩散，在接地棒表面处的流散电流密度（A/m²）为

则距中心半径为r处的电流密度（A/m²）为

由此可见，流散电流流经地面，会产生人体两脚跨步之间的电位差（跨步电压）。若接地电流太大，这个跨步电压可能导致人体触电；而对设备和系统而言，“跨步电压”可能导致连接于两地的设备与系统损坏或受干扰。所以，通常在安全接地的地电流回路中，串联一台相应的保护电器设备，进行限流或保护。

2.防雷安全接地

防雷击是电气和电子设备以及人身安全防护的重要内容之一，也是EMC设计中必须考虑的重要问题。防雷接地目的是将雷电电流引入大地，保护设备和人身安全。

从防雷安全保护观点出发，特别要关心的是防止直接雷击，即云层与地面之间发生放电过程。防止雷击的措施，通常是采用避雷针，雷击电流将沿避雷针引导流入大地。若避雷针离地面高度为h，则它的防雷保护面积等于9πh²。实验数据表明，接地电阻为10Ω左右，就可以保证在上述保护面积内的建筑物，变压器、输电线、高塔及其他露天设施得到保护。

但在设计防雷安全接地时，仅仅考虑直接雷击的保护还是不够的，还必须注意防护雷击地，瞬态电流通过避雷针引导所产生的瞬态高压可能对周围物体、设备或人体造成间接伤害。如避雷针引导线直径为0.894cm，长为30m，其电阻为8.64mΩ，引线电感为52μH。若它遭到直接雷击，其一次典型闪电的电流峰值为20kA，上升时间为1μs，则它在该引导线直流电阻分量上建立的瞬态峰值电压为20×10³×8.64×10^-3=173V，这还不算高，但它在电感分量上产生的瞬态电压U_L就非常高，因为这时的U_L为

这样高的瞬态电压足以使离引导线半径为35cm以内的任何物体产生场致击穿。为此，在考虑防雷接地时，离引导体15cm以内所有金属导体都应保持同电位。