論智能化建筑的電氣保護接地技術

張震

（廈門古龍房地產有限公司，福建 廈門 361000）

概述

接地技術的引入最初是為了防止電力或電子等設備遭雷擊而采取的保護性措施，目的是把雷電產生的雷擊電流通過避雷針引入到大地，從而起到保護建筑物的作用。同時，接地也是保護人身安全的一種有效手段，當某種原因引起的相線（如電線絕緣不良，線路老化等）和設備外殼碰觸時，設備的外殼就會有危險電壓產生，由此生成的故障電流就會流經PE線到大地，從而起到保護建筑物的作用，同時，接地也是保護人身安全的一種有效手段。而智能建筑是計算機技術、通信技術、控制技術與建筑技術密切結合的結晶。建筑物內大量信息的輸入、處理、傳輸等一系列過程都是通過微電位或微電流快速進行，除了需要一個穩定的供電電源外，還必須具備一個穩定的基準電位；另一方面隨著電子技術日益向高頻率、寬頻帶、高集成度、高可靠性和高精度方向發展，電磁干擾日益嚴重，解決電磁兼容的問題刻不容緩。因而在智能建筑中，接地技術不僅是保護設備和人身安全的必要手段，也是保證系統穩定工作、抑制電磁干擾、保證系統電磁兼容性的重要技術措施。接地工程設計是智能建筑工程設計中至關重要的一環。

一、低壓配電系統的接地方式

(1)TT系統。用電設備采用單獨的接地極接地，與電源的接地極無電氣上的聯系。正常運行時，具有較好的安全性并可以提供基準接地電位，因而適用于由低壓公共電網供電及對接地要求高的精密電子設備和數據處理設備的場所。這種系統的不安全因素主要是保護接地靈敏度低，若接地故障電流不足以保護裝置的正確動作，將導致電氣設備的金屬外殼帶有危險電位。因而若將TT系統用于智能建筑中，需采用大容量的漏電電流保護裝置及過電流保護裝置。

(2)TN-C系統。系統的中性線(N線)與保護線(PE線)是合一的，通稱PEN線，所有外露的可導電部分均與PEN線相連。該系統簡單、經濟、接地故障靈敏度高，適合于三相負荷較平衡、單相負荷容量較小的場所。若三相負荷不平衡及線路中有較大的高次諧波電流時，PEN線上有不平衡、不穩定電流流過，不但會使用電設備的金屬外殼帶電，且無法提供一個穩定的電位基準點，因而影響敏感的電子設備和數據處理設備的正常工作。故TN-C系統不適合作為智能建筑的接地系統。(3)TN-S系統。中性線(N線)與保護線(PE線)是分開的。用電設備正常工作時，PE線上無電流通過，安全性高、電磁干擾低、可以提供可靠的基準電位。因此TN-S系統可以用作智能建筑的接地系統。

(4)TN-C～S系統。系統中前一部分是TN-C系統，而在進入用戶配電箱后，則為TN-S系統。因此TN-C-S系統亦可作為智能建筑的接地系統。

(5)IT系統。IT系統是三相三線式接地系統，無中性線（N線)，因此不適用于有大量單相負荷的智能化建筑中。

二、共用接地系統

一棟智能建筑物中通常有交流工作接地、安全保護接地、直流工作接地、防雷接地、屏蔽接地等。將各類接地統一共用一組接地裝置，其接地電阻按其中最小值確定，這種接地稱為共用接地系統。將上述各類接地各自按需要單獨設置接地系統，接地電阻值根據各自要求確定，稱為獨立接地系統。

為了避免安全接地系統對信號接地系統的干擾，似乎可以將兩類接地特別是雷電流接地系統與信號接地系統分開設置。但是，理論和實踐證明。在利用建筑物鋼筋結構作為雷電流引下線和電位均衡線以及利用鋼筋混凝土基礎作為接地體的建筑物中，很難甚至不可能做到將各類接地系統在電路上的絕對分開，即使勉強將電路分開，但由于電容和電感耦合以及隨機的和無法控制的連接而產生的電導耦合，反而對工作系統上的設備的正常運行帶來嚴重干擾。因此，由于上述原因，現今國內外標準均推薦使用共用接地系統。

(1)安全絕緣距離無法保證

雷擊建筑物接閃裝置，雷電流沿接地的鋼筋下泄到地中接地網，鋼筋a點的電位會當高，如圖1所示。

a點和設備b點的電位差為：

圖1 計算參用圖

Uab：鋼筋a點和設備b點之間電位差；Ia：流過鋼筋的電流；ich：流過雷電接地網電流；Ra：鋼筋電阻；Rch：雷電接地網沖擊電阻；La：鋼筋自感；Mab：鋼筋和設備線路之間互感。從(1-1)式中可以看出：設備的線路緊貼鋼筋敷設，即使是在理想耦合的情況下 (La一Mab)，ab兩點問電位差為：

當Rch=10Ω，ich=100KA取空氣平均擊穿強度為600kV／m，ab兩點間的距離至少要保持1.7m以上。顯然，要做到這樣大的空氣絕緣距離，在建筑物內難以實現。如果采用共用接地，當設備的線路仍然緊貼鋼筋敷設(La≈Mab)時。則ab兩點間的電位差為：

由于鋼筋的電阻Ra很小，Uab不大，電位得到均衡，問題的解決就容易得多。

(2)無法控制的隨機連接

即使在接地工程設計時，對各類接地系統做了相互隔離措施，但由于設備安裝、金屬構架和纜線橋架的固定，有金屬護套的電纜引進引出，各類金屬管道的敷設等，往往無法控制它們與各類接地系統的隨機連接。一些接地工程原來也是按照接地分開設計和施工的，但竣工運行后檢查發現，所有的接地系統實際上都與建筑物的鋼筋和金屬構件連接在一起，成為了一個接地系統。

(3)地中電場的耦合

雷電流在地下泄散時，地中電場的分布范圍相當大。在這個范圍內其他接地系統或穿過電場的管線，都會受到雷電流電場的耦合，隨其所在位置的低電位而升高。這些高電位所造成的轉移電位，對人身和設備都是危險的。

由于受到接地范圍的限制，加之建筑物的基礎鋼筋和地下管線交叉重疊，不可能在地下嚴格的進行絕緣隔離。當Rch=10Ω，ich=100kA，地的平均擊穿強度為500kV/m，地下的其他接地網或管線要離雷電接地網2m以上，顯然難以做到。萬一距離不夠而發生火花放電，其后果會更加嚴重。

因此接地工程采用共用接地系統，并以此為接地電位基準點，分別引出各種功能接地引線，且共用接地系統必須是一個電位均衡接地系統，以均衡電位消除或減少電位差。由此可極大提高設備的安全穩定工作及加強人身的安全防護作用。

由于以上原因，一棟智能建筑物應采用共用接地系統。即將建筑物內所有相互連接的電氣裝置，接至一個共用的低電感的網型接地系統上；采用總等電位連接和局部等電位連接，局部信息系統的S型星型結構和M型網型結構等電位連接；并利用建筑鋼筋和基礎接地體做接地裝置，以此組成一個統一的共用接地系統。

四、線纜的屏蔽接地

智能建筑中屏蔽電纜的使用量非常大，而屏蔽電纜電磁干擾的效果與屏蔽層的接地方式密切相關。

（1）高頻電路采用多點接地

對于高頻電路，如果屏蔽層（或金屬護套）接地點的長度接近于0.25λ時，屏蔽層就期不到電磁屏蔽的作用，而是一根輻射天線。因此，高頻電路的屏蔽層或金屬護套一定要采用多點接地。如果不能做到每隔0.1λ有一個接地點，至少應把屏蔽層的兩端接地。這樣就可有效防止電纜屏蔽體上出現高電平噪聲電壓。另外，由于高頻的集膚效應，噪聲電流只在屏蔽層外表面流動，而信號電流在導體內層流動，相互間的干擾也減至最小。

（2）低頻電路采用單點接地

頻率低于1HZ時，電攬屏蔽層應采用單點接地方式，以防止其他電流流經電攬屏蔽層產生電磁干擾。因此，若采用同軸電纜傳輸信號時，如要通過屏蔽層提供信號回路，可在信號源將信號源與屏蔽層相連接地。也可以將屏蔽電纜穿入金屬管內或采用雙層屏蔽電纜，將金屬管或電纜外屏蔽層在兩端接地，而金屬管內的電纜屏蔽層或屏蔽電纜的內屏蔽層一端接地。

五、結束語

通過上述分析，得出智能建筑接地設計要點如下：

（1）計算機及數據處理設備對電源線路中的諧波成分很敏感，尖峰脈沖波和衰減脈沖波會嚴重干擾系統的正常工作。因此對于有大量計算機及數據處理設備的智能建筑，要特別重視其供配電系統的設計。供配電設計時接地系統宜采用TN-S或TN-C-S系統。

（2）智能建筑應采用共用接地系統。為了防止零電位或高電位通過建筑物的管線而轉移，共用接地系統必須是一個電位均衡接地系統。

（3）要抑制電磁干擾，提高電磁兼容性，電纜屏蔽層接地方式的正確選擇至關重要。對于高頻電纜，宜采用雙芯合屏蔽電纜和多點接地方式；低頻電路則應單點接地；無論高頻呵呵低頻電路，負載端不需接地最好不要接地；若在高靜點環境中，如采用雙層屏蔽電纜，則內層屏蔽電纜可在信號源端接地，外層屏蔽電纜可在負載端接地。

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