关于智能建筑中接地问题的探讨

2012-09-21中国建筑业协会智能建筑分会专家工作委员会何永祥

智能建筑与智慧城市 2012年2期

文｜中国建筑业协会智能建筑分会专家工作委员会何永祥

杭州富旺电子科技有限公司朱加明

接地问题既简单又复杂，每个项目中都会涉及，但往往被忽视。而接地直接牵涉到智能建筑中电子设备能否正常工作，关系到人员安全能否得到保障，信息系统能否运行等一系列问题；如果处理不好，轻则导致设备损坏，重则引发火灾、造成人身遭到电击——不能不提起重视。

“接地”的外延十分丰富，称谓繁多且欠统一，如交流接地、直流接地、屏蔽接地、防静电接地、保护接地、PE接地、模拟接地、数字接地、信号接地、汇流接地、防腐接地、工作接地、功率接地、逻辑接地、防雷接地、安全接地以及独立接地、联合接地、重复接地、共用接地与综合接地等，很容易把人搞得晕头转向。对于接地，无论是IEC（国际电工委员会）、ITU（国际电信联盟）还是IEEE（国际电气和电子工程师协会）都有一些不同的描述；而我国的国家标准《电子信息系统机房设计规范》（GB 50174-2008）、《建筑物防雷设计规范》（GB 50057-2010）、《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB 50343-2004）、《电子信息系统机房施工及验收规范》（GB 50462-2008）、《低压配电设计规范》（GB 50054-2011）、《综合布线系统工程设计规范》（GB 50311-2007）、《智能建筑工程质量验收规范》（GB 50339-2003），也都对接地作了一系列定义，对接地的一些概念作出了规范。本文将根据笔者自己的体会与经验，就接地做一通俗的阐述，欢迎大家批评指正。

1 接地的概念

接地可以分为保护性接地与功能性接地两类。保护性接地是以保护人身和设备安全为目的的接地，功能性接地则是用于保证设备正常运行的接地；当然，实际上两者还是密切相关的，无法严格区别。

1.1 保护性接地及其分类

（1）保护接地

保护接地又称安全接地，是为了防止因电气设备绝缘损坏或产生漏电流使平时不带电的外露导电部分带电而导致电击，将设备的外露导电部分接地，可以防止电器故障漏电时，有人接触设备外壳而触电。对于智能建筑中的TN-S式电子设备供电接地系统来说，其中的PE线已经是真正的地线，也就是说PE接地即保护接地。

（2）防雷接地

防雷接地的作用是将雷电导入大地，防止雷电流使人身受到电击或对设备造成破坏。对高层建筑物而言，突出部分雷击率最高，有时侧击雷危害也较大；因此要保证免遭雷击，不仅屋顶要设防，侧面的雷击也是不可忽视的。高层建筑物防雷接地的特点是可利用高层建筑物的钢筋网作避雷网带、引下线及接地装置，既可节省钢材，又可节省维护费。当建筑物的顶部落雷时，大量的电荷通过防雷引下线、接地装置流入地中，防雷引下线上将产生很大的电压降。在这种情况下，接近防雷引下线的非屏蔽导体将会处于高电位，对设备感应放电，导致器件损坏。只有采用带有屏蔽层的导线（如钢管穿线），并对屏蔽层和防雷引下线实施等电位连接，才能保证当雷电流通过屏蔽层时，导线绝缘电位差为零，绝缘免击穿。但是，采用这种做法必须确保接地电阻小于4Ω，否则反而会引来雷击。因此高层建筑物的电气线路应采用钢管配线或采用铠装电缆及带有屏蔽层的电缆；如条件有限，可将普通导线敷设在封闭的金属桥架内——这也是使用金属桥架的原因之一。为了降低高层建筑雷电流的电位梯度，应每三层设均压环，也就是将引下线与水平层的圈梁钢筋接成闭合通路。如此建筑物的钢筋将全部连接成一个导电系统，成为一个大的“法拉第笼子”，再接到接地装置上便成为了一个安全可靠的暗装笼式的防雷网。

此外，防雷接地装置应共用接地，进行等电位连接（等电位的含义是“将设备外壳或外露金属部分与地线连接”），将建筑物钢筋网、配电盘中的PE线端子、插座、上下水管、暖气管道、煤气管道、电冰箱、空调、导电地板的金属网络，以及卫生间的金属浴盆、浴架、淋浴器扶手连接到各自等电位连接端子箱内的端子板上，使之各自构成等电位体，保护人和设备的安全。

智能建筑中的综合布线，其耐压等级低于强电设备，更容易因感应雷而受到损害；因此在年雷暴日较多的多雷地区，高楼侧面的布线除了可能被侧击雷直接击中外还面临着感应雷的威胁。应对这些问题最好的措施是采用穿金属管布线的方式、做好接地、保证接地电阻小于4Ω、加装信号避雷器。需要注意的是接地干线不能“一根地线走到底”，必须有多处接地——把建筑物的钢筋、建筑物顶部的金属、角钢都运用起来，就近接地。

智能建筑核心机房的防雷接地有其特殊的要求。一是采用共用接地：保护性接地和功能性接地共用一组接地装置，其接地电阻取两者电阻的最小值。二是静电地板下铺设等电位接地网格，网格四周应设置等电位连接带，机房内的各种电子信息设备（进行等电位连接）的接地通过等电位连接导体汇流排（铜排）汇接后与大楼接地网相连，实现汇流接地。网格可采用S型、M型或SM混合型的排布。如采用铜排作为网格，其等电位连接带铜排截面积不可小于50mm2；铜排与各类电子信息设备（机柜）、金属管道、金属桥架、建筑物金属结构用接地线连接，连接铜线的截面积不可小于25mm2，长度不可超过5m。目前有不少施工单位建设的机房达不到以上要求。笔者作为检查组成员参与的检查中时有发现铜排只有一根且截面积还不如筷子粗，甚至连机柜的接地线都不接的情况。等电位连接是机房防雷工程中必不可少的环节；防雷和防洪一样，不能有任何一个漏洞，故任何一家防雷工程单位在方案中都应提出等电位连接措施。以上机房接地的问题，希望引起大家的注意。

（3）防静电接地

防静电接地的目的是将静电荷引入大地，防止由于静电积聚对人体和设备造成危害。储油罐、天然气储罐和管道等特别容易因静电放电而发生爆炸，接地至关重要；此外，目前电子设备中大量应用的集成电路也容易因静电作用产生故障，接地可防止集成电路的损坏。对于机房的防静电，有人以为铺设了防静电地板或防静电地毯就可以实现，这是不对的。必须在铺设防静电地板或防静电地毯后，进行防静电接地处理，才能获得防静电的效果。在防静电接地处理中，采用爪钉、环型端子、母扣、鳄鱼夹等器件，在地板的铜箔铺设到墙边时，汇集几个点接到接地线上（三到五个点最佳，以防在使用中有点断开），接地线的另一端连接一个接地柱，接地柱埋在地面50cm以下——这样才能使地板起到静电释放的作用。

（4）防电蚀接地

防电蚀接地是为了保护电缆与金属管道，在地下埋设金属体作为牺牲阳极或阴极以防止电缆、金属管道等受到电蚀，与智能建筑关系不大。

1.2 功能性接地

1.2.1 工作接地

工作接地即交流接地，就是将变压器的中性点接地。其主要作用是保证系统电位的稳定性，即降低低压系统由于一相接地、高低压短接等原因而产生过电压的风险，并防止绝缘击穿。以往我国对建筑物供电的常用称谓是“三相四线制”、“三相五线制”等，这些用语套用自前苏联的术语，并不十分严谨。目前我国对配电系统接地方式的规范已经使用IEC标准；国家标准《低压配电设计规范》（GB 50054-2011）对此已有说明，其中的不少条款为强制性条款，必须严格执行。国际电工委员会（IEC）对此有统一规定，即将低压配电系统按接地方式的不同分为三类，分别称为TT系统、TN系统、IT系统，又将TN系统分为TN-C、TN-S、TN-C-S系统。上述称谓的含义是：

◆ 第一个字母表示电源接地点对地的关系，其中“T”表示直接接地；

◆ 第二个字母表示电气设备的外露可导电部分与地的关系，其中“T”表示电器外壳导电部分直接接大地，与电源的接地无联系；N表示电器外壳导电部分直接与电源系统接地点或与该点引出的导体连接（N是法文“中性点”一词“Neutre”的第一个字母）。

（1）TT系统

据上文可知，TT系统中性点直接接地，负载设备外壳与大地直接连接。其配电方式如图1所示。

（2）TN系统

TN系统的电源部分中性点直接接地，而电气设备的外壳是与零线相连的。该系统通常是一个中性点接地的三相电网系统。由于电气设备的外露可导电部分直接与系统接地点相连，当相线碰到用电器外壳时，金属导线构成的闭合回路上将产生足够大的短路电流，使保护装置能可靠动作，将故障切除。IEC根据中性线与保护线是否合并，将TN系统分成了TN-C、TN-S及TN-C-S系统。

图1 TT系统配电方式图

①TN-C系统

图2 TN-C系统配电方式图

TN-C系统电源变压器中性点接地，设备外露部分与中性线相连，如图2所示。其特点是从电源配电盘出线处起，系统内的N线和PE线是合一的（C是法文“合一”一词“Combine”的第一个字母）。该系统工作零线兼作接零保护线；保护线与中性线合并为PEN线，能减少投资，节省材料；发生外壳带电时，保护装置可以可靠动作，切除故障。其缺点是：如PEN线断开，将导致设备外壳带电，容易引发触电事故；而在运行过程中，由于外壳有电流通过，存在电磁干扰的问题。

②TN-S系统

工作零线N和专用保护线PE严格分开（全系统内分开）的供电系统称作TN-S供电系统（S是法文“分开”一词“Separe”的第一个字母），如图3所示。

图3 TN-S系统配电方式图

③TN-C-S系统

TN-C-S系统配电方式如图4所示。

图4 TN-C-S系统配电方式图

以上系统都是目前电力系统中所采用的接地系统，TN-C系统的安全水平较低，不允许断开PEN线，检修设备时不安全，易对信息系统和电子设备产生干扰，可用于有专业人员维护管理的一般性工业厂房和场所，目前使用较少；TN-S系统适用于设有变电所的公共建筑、医院及有爆炸和火灾危险的厂房和场所、办公楼及科研楼、计算机房及弱电中心等民用建筑，是应用最多的系统之一；TN-C-S、TT系统适用于不附设变电所的上述场所，即变电所单独设置在建筑物外部的各类民用建筑，TT系统尤其适用于无等电位连接的户外场所。

笔者认为，今后不宜再用“三相四线制”等不规范的术语；应采用TN-S、TN-C-S式的供电系统——它们是把工作零线N和专用保护线PE严格分开的供电系统，安全可靠，适用于工业与民用建筑等的低压供电。

此外，笔者曾经发现某住宅小区的用户，为了接地线，到大配电板的铜排上拉线作为地线，这是很危险的。这是因为大配电板的保护地线PE还未与零线N分开，还是零线，把零线作为地线去与用电器的外壳相连绝对是危险的行为。

1.2.2 屏蔽接地

屏蔽接地的作用是将电气干扰源引入大地，抑制外来电磁干扰对电子设备的影响，也可减少电子设备产生的干扰对其他电子设备的影响；一般采用把设备的外壳作为屏蔽体接地的方法。需要指出的是，屏蔽接地及防静电接地的目的是解决电磁辐射和电磁干扰的问题。随着智能建筑中各种高频率的通信设施的不断增多，抗干扰日益重要。机房内的环境一般较为干燥，容易产生静电，进而对电子设备造成干扰，为此进行的接地为防静电接地。屏蔽接地及防静电接地的一般做法是由楼内总等电位铜排引出PE弱电干线，在每层设弱电等电位铜排，将电子设备的外壳、金属管路及抗静电接地与此等电位铜排相接。

1.2.3 逻辑接地

逻辑接地又称数字接地，是各种开关量的零电位，即为了确保设备有稳定的参考电位，而将电子设备中的适当金属件（一般采用金属底板）作为“逻辑地”。

1.2.4 直流接地

对于直流地的定义，国家标准中没有说明。目前行内有两种说法：一是将逻辑接地及其他模拟信号系统的接地统称为直流地，二是将直流供电电源的接地称为直流接地。前一种接地是把机房的直流地与屏蔽地连接；而第二种接地则是用绝缘导线拉到接地体后再连接，在机房内是绝缘的。笔者建议除了通信电源以外，直流接地均应采用第一种做法。

1.2.5 模拟接地

模拟接地即模拟量信号的零电位。

1.2.6 信号接地

信号接地是为了保证信号具有稳定的基准电位而设置的接地。电子设备、控制设备以及传感器等工作时需要确定信号的参考点，信号参考接地对于保证电子设备及计算机控制系统等的正常工作起着十分重要的作用。从功能上看，信号参考接地是一种特殊的工作接地。其实现因要求不同而采用不同的方式，可参照直流接地。

2 接地方式

（1）共用接地

共用接地又称联合接地或综合接地，是指将建筑物的基础接地体和其他专设接地体连接成一个共用地网，并令电子设备的工作接地、保护接地、逻辑接地、屏蔽体接地、防静电接地以及建筑物防雷接地等共用一组接地系统的接地方式。近年来，很多国内外的标准不主张信息设备采用独立的接地装置，而推荐采用共用接地系统。例如，国标《建筑物防雷设计规范》（GB 50057-2010）中明确提出“防雷电感应的接地装置应与电气和电子系统的接地装置共用”，《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB 50343-2004）中明确提出“防雷接地应与交流工作接地、直流工作接地、安全保护接地共用一组接地装置”，其接地装置的接地电阻值必须按接入设备要求的最小值确定（这样做可以保证接地电阻值小于1Ω；还可保证在有感应雷出现，对应的金属体电位升高时，与其等电位连接的电子产品的电位也升高，从而避免产生电位差，击坏电子设备）。共用接地是目前主流的做法。

共用接地的实现方式是建立共用接地网。共用接地网是建筑物防雷、电力、安全和计算机共用的接地网，相应地可实现防雷接地、交流接地、保护接地与直流接地这四种接地。该接地网上端为建筑顶部的避雷装置；中间为建筑物的钢筋——每隔三层安装等电位连接环，环间垂直距离不应大于12m，环上至少有两条扁钢引下线接地，即垂直接地汇总线与水平接地汇总线。垂直接地汇总线是大楼接地的主干，主要与各层的钢筋和引下线相连，同时又与水平接地汇总线相连。水平汇总线（不能用裸导线充当）分层设置，作为等电位连接线；各房间的保护接地等应就近接入水平接地汇总线。以机房为例，因为有不少精密、贵重的设备，防雷尤为重要：通常以4×40mm的铜排绕机房一周（不闭合。采用S型或M型更好），用绝缘子作支撑，将机房内所有的设备外壳的屏蔽地、机架、门窗、静电地板、电源的PE保护地线与防静电地等全部通过接地线汇总到铜排上；建筑物地下部分为环形接地体（至少下挖2m，每隔5m打一个2.5m长的紫铜体，用扁钢连接），与引下线、钢筋焊接固定。在该接地体上接交流接地——可将零线接入建筑物下面的环形接地体（只能接一次，此后零线不允许再接地）；也可以在距离防雷接地的引下线20m处，将直流接地单独接入环形接地体，中间不与屏蔽地、保护地连接。虽然直流地、交流地和安全地最后都接在地桩上，但并不意味着各种地之间可以随意连接——应按照上述要求，在未接入同一地桩之前彼此保持严格的绝缘。

（2）单独接地

电子设备单独接地的目的是防止电网中的杂散电流或暂态电流干扰设备的正常工作。以往为了抗干扰，一般都采取电源与通信接地分开的办法（采用电子管存在交流声大的问题）。目前有人在进行直流接地时采用单独接地的方式，但这并非主流做法，并且往往用于通信等领域。

（3）直流接地

直流接地的接法有多种，包括在机房就与屏蔽地连接等。在此只介绍其中的串联接地：将信息系统中各个电源的直流地以串联的方式接在作为直流地线的铜板上（应注意连接导线应与机壳绝缘，即不能与保护地相连），然后将作为直流地线的铜板通过绝缘的接地母线接在环形接地体上，使之成为直流接大地——这种做法与单独接地、共用接地是有区别的。

3 接地的作用

接地的重要性是不言而喻的。笔者曾经在主持某高速公路温度测试系统项目时，遇到过埋在地下20cm处的电缆也遭到雷击的情况——雷电的威胁可见一斑。良好的接地能起到保护人身安全、保障电气系统正常运行、防止雷击和静电危害的作用。

（1）保护人身安全

将电气设备在正常运行时不带电的金属导体部分与接地极之间作良好的金属连接，可以防止人身遭受电击。如果没有接地装置的电气设备出现了绝缘损坏，一旦人体触及此电气设备外壳，电流就会经人体而成通路，使人体遭受电击伤害。而有接地装置的电气设备，在绝缘损坏后外壳带电时，接地电流将同时沿着接地极和人体两条通路流过。此时，人体与接地极是并联的关系，流过每一条通路的电流值将与其电阻的大小成反比，接地极电阻越小，流经人体的电流也就越小。通常人体的电阻比接地极电阻大数百倍，所以流经人体的电流将仅是流经接地极的电流的数百分之一。当接地电阻极小时，流经人体的电流几乎等于零，相当于接地极将人体短接；因此，人体就能免于触电的危险。

（2）保障电气系统正常运行

电力系统接地一般为中性点接地，中性点的接地电阻很小，因此中性点与地间的电位差接近于零。在中性点绝缘的系统中，当某一相线碰壳或接地时，其他两相的对地电压将升高为相电压的倍；而在中性点接地的系统中则接近于相电压。因此，中性点接地将有利于保证系统的稳定运行，防止系统振荡，并且由于系统中的电气设备和线路只需按相电压来考虑其绝缘水平，还可降低电气设备的制造成本和线路的建设费用。此外，中性点接地的系统还可以保证继电保护能可靠动作。

（3）防止雷击和静电危害

雷击时会产生的静电感应和电磁感应，燃料在生产和运输过程中因摩擦而引起的静电，都有可能造成电击或是引发火灾，必须有效地应对。直接遭受雷击，其危害比感应雷更大，而且发生的机会更多；所以，为了免受直击雷的危害，必须装设防雷装置。