智能建筑电气接地技术探析

2011-07-07重庆水利电力职业技术学院黄才光

智能建筑与智慧城市 2011年11期

文｜重庆水利电力职业技术学院黄才光

1 引言

接地技术的引入最初是为了防止电力或电子设备遭雷击而采取的保护性措施，目的是把雷电产生的雷击电流引入到大地，从而起到保护建筑物的作用，同时，接地也是保护人身安全的一种有效手段。而智能建筑是计算机技术、通信技术、控制技术与建筑技术密切结合的结晶。建筑物内大量信息的输入、处理、传输等一系列过程都是通过微电位或微电流快速进行，除了需要一个稳定的供电电源外，还必须具备一个稳定的基准电位；另一方面随着电子技术日益向高频率、宽频带、高集成度、高可靠性和高精度方向发展，电磁干扰日益严重，解决电磁兼容的问题刻不容缓。因而在智能建筑中，接地技术不仅是保护设备和人身安全的必要手段，也是保证系统稳定工作、抑制电磁干扰、保证系统电磁兼容性的重要技术措施。接地工程设计是智能建筑工程设计中至关重要的一环。

2 低压配电系统的接地方式

（1）TT系统。用电设备采用单独的接地极接地，与电源的接地极无电气上的联系。正常运行时，具有较好的安全性并可以提供基准接地电位，因而适用于由低压公共电网供电及对接地要求高的精密电子设备和数据处理设备的场所。这种系统的不安全因素主要是保护接地灵敏度低，若接地故障电流不足以保护装置的正确动作，将导致电气设备的金属外壳带有危险电位。因而若将TT系统用于智能建筑中，需采用大容量的漏电电流保护装置及过电流保护装置。

（2）TN-C系统。系统的中性线（N线）与保护线（PE线）是合一的，通称PEN线，所有外露的可导电部分均与PEN线相连。该系统简单、经济、接地故障灵敏度高，适合于三相负荷较平衡、单相负荷容量较小的场所。若三相负荷不平衡及线路中有较大的高次谐波电流时，PEN线上有不平衡、不稳定电流流过，不但会使用电设备的金属外壳带电，且无法提供一个稳定的电位基准点，因而影响敏感的电子设备和数据处理设备的正常工作。故TN-C系统不适合作为智能建筑的接地系统。

（3）TN-S系统。中性线（N线）与保护线（PE线）是分开的。用电设备正常工作时，PE线上无电流通过，安全性高、电磁干扰低、可以提供可靠的基准电位。因此TN-S系统可以用作智能建筑的接地系统。

（4）TN-C-S系统。系统中前一部分是TN-C系统，而在进入用户配电箱后，则为TN-S系统。因此TN-C-S系统亦可作为智能建筑的接地系统。

（5）IT系统。IT系统是三相三线式接地系统，无中性线（N线），因此不适用于有大量单相负荷的智能化建筑中。

3 共用接地系统

一栋智能建筑物中通常有交流工作接地、安全保护接地、直流工作接地、防雷接地、屏蔽接地等。将各类接地统一共用一组接地装置，其接地电阻按其中最小值确定，这种接地称为共用接地系统。将上述各类接地各自按需要单独设置接地系统，接地电阻值根据各自要求确定，称为独立接地系统。

为了避免安全接地系统对信号接地系统的干扰，似乎可以将两类接地特别是雷电流接地系统与信号接地系统分开设置。但是，理论和实践证明，在利用建筑物钢筋结构作为雷电流引下线和电位均衡线以及利用钢筋混凝土基础作为接地体的建筑物中，很难甚至不可能做到将各类接地系统在电路上的绝对分开，即使勉强将电路分开，但由于电容和电感耦合以及随机的和无法控制的连接而产生的电导耦合，反而对工作系统上的设备的正常运行带来严重干扰。因此，由于上述原因，现今国内外标准均推荐使用共用接地系统。

（1）安全绝缘距离无法保证

雷击建筑物接闪装置，雷电流沿接地的钢筋下泄到地中接地网，钢筋a点的电位会相当高，如图1所示。

图1 计算参用图

a点和设备b点的电位差为：

式中：

Uab：钢筋a点和设备b点之间电位差；ia：流过钢筋的电流；ich：流过雷电接地网电流；Ra：钢筋电阻；Rch：雷电接地网冲击电阻；La：钢筋自感；Mab：钢筋和设备线路之间互感。

从（1-1）式中可以看出：设备的线路紧贴钢筋敷设，即使是在理想耦合的情况下（La≈Mab），ab两点间电位差为：

当Rch=10Ω，ich=100kA，取空气平均击穿强度为600kV/m，ab两点间的距离至少要保持1.7m以上。显然，要做到这样大的空气绝缘距离，在建筑物内难以实现。如果采用共用接地，当设备的线路仍然紧贴钢筋敷设（La≈Mab）时。则ab两点间的电位差为：

由于钢筋的电阻Ra很小，Uab不大，电位得到均衡，问题的解决就容易得多。

（2）无法控制的随机连接

即使在接地工程设计时，对各类接地系统做了相互隔离措施，但由于设备安装、金属构架和缆线桥架的固定，有金属护套的电缆引进引出，各类金属管道的敷设等，往往无法控制它们与各类接地系统的随机连接。一些接地工程原来也是按照接地分开设计和施工的，但竣工运行后检查发现，所有的接地系统实际上都与建筑物的钢筋和金属构件连接在一起，成为了一个接地系统。

（3）地中电场的耦合

雷电流在地下泄散时，地中电场的分布范围相当大。在这个范围内其他接地系统或穿过电场的管线，都会受到雷电流电场的耦合，随其所在位置的低电位而升高。这些高电位所造成的转移电位，对人身和设备都是危险的。

由于受到接地范围的限制，加之建筑物的基础钢筋和地下管线交叉重叠，不可能在地下严格的进行绝缘隔离。当Rch=10Ω，ich=100kA，地的平均击穿强度为500kV/m，地下的其他接地网或管线要离雷电接地网2m以上，显然难以做到。万一距离不够而发生火花放电，其后果会更加严重。

因此接地工程采用共用接地系统，并以此为接地电位基准点，分别引出各种功能接地引线，且共用接地系统必须是一个电位均衡接地系统，以均衡电位消除或减少电位差。由此可极大提高设备的安全稳定工作以及加强人身的安全防护作用。

由于以上原因，一栋智能建筑物应采用共用接地系统。即将建筑物内所有互相连接的电气装置，接至一个共用的低电感的网型接地系统上；采用总等电位连接和局部等电位连接，局部信息系统的S型星型结构和M型网型结构等电位连接；并利用建筑物钢筋和基础接地体做接地装置，以此组成一个统一的共用接地系统。

4 线缆的屏蔽接地

智能建筑中屏蔽电缆的使用量非常大，而屏蔽电缆的屏蔽电磁干扰的效果与屏蔽层的接地方式密切相关。

（1）高频电路采用多点接地

对于高频电路，如果屏蔽层（或金属护套）接地点的长度接近于0.25λ时，屏蔽层就起不到电磁屏蔽的作用，而是一根辐射天线。因此，高频电路的屏蔽层或金属护套一定要采用多点接地。如果不能做到每隔0.1λ有一个接地点，至少应把屏蔽层的两端接地。这样就可有效防止电缆屏蔽体上出现高电平噪声电压。另外，由于高频的集肤效应，噪声电流只在屏蔽层的外表面流动，而信号电流在导体内层流动，相互间的干扰也减至最小。

（2）低频电路采用单点接地

频率低于1MHz时，电缆屏蔽层应采用单点接地方式，以防止其他电流流经电缆屏蔽层产生电磁干扰。因此，若采用同轴电缆传输信号时，如要通过屏蔽层提供信号回路，可在信号源端将信号源与屏蔽层相连接地。也可以将屏蔽电缆穿入金属管内或采用双层屏蔽电缆，将金属管或电缆外屏蔽层在两端接地，而金属管内的电缆屏蔽层或屏蔽电缆的内屏蔽层一端接地。