浅析电气接地技术在智能建筑电气设计中的应用

摘要:随着信息技术的发展,智能建筑越来越多,智能建筑的功能也越来越完善。本文作者通过对电源的接地方式、防雷保护接地、电子电气设备的安全保护接地以及防静电接地和屏蔽接地进行了分析,同时就智能建筑电气设计应采取的接地方法提出了建议。
　　关键词:智能化楼宇;电气设计;电源接地;防雷保护
　　0前言
　　智能建筑中安装有多个子系统,如通信自动化系统、火灾报警及消防联动控制系统、楼宇自动化系统、保安监控系统、办公自动化系统、闭路电视系统等,接地对于智能建筑中设备的安全运行和数据的可靠传输有着很大影响。如果接地不好,轻则会造成设备不能有效传输数据,降低智能建筑设备的可靠性;重则会损坏设备的部件,甚至造成设备瘫痪并影响人员的安全。
　　1供电电源接地
　　国际电工委员会(IEC)标准规定的低压配电系统接地有三种接地方式分别为:IT系统、TT系统及TN系统。其中TN系统又可分为TN-C、TN-S和TN-C–S三种形式。IT是三相三线式接地系统,该系统变压器中性点不接地或经阻抗接地、无中性线N，只有线电压（380V）和相电压（220V），保护接地线PE各自独立接地。IT电力系统的带电部分与大地间不直接连接，而电气设施的外路可导电部分则是接地的。TT系统通常称为三相四线接地系统,TT电力系统有一个直接接地点，电气设施的外露可导电部分接至电气上与电力系统的接地点无关的接地极，即中性线N与保护接地线PE无一点电气连接,。TN-C系统被称为三相四线系统,该系统中性线N与保护接地线PE合二为一,通称PEN线。TN-S系统有五根线,即三根相线、一根中性线N及一根保护线PE,仅电力系统一点接地,用电设备的外露可导电部分接到PE线上，即整个系统的中性线N与保护线PE是分开的。TN-C-S系统由两个接地系统组成,前部分四线后部分五线,第一部分是TN-C系统,第二部分是TN-S系统,分界面在N线与PE线的连接点,分开后即不允许再合并。
　　1.1接地系统特征分析
　　IT系统的优点是当一相接地时,不会使外壳带有较大的故障电源,系统可以照常运行,同时由于各设备PE线分开,彼此没有干扰,电磁适应性也比较强。缺点是不能配出中性线N。
　　TT系统在正常运行时,不管三相负荷是否平衡,在中性线N带电情况下,PE线不会带电。该系统只有单相接地故障时,由于保护接地灵敏度低,故障不能及时切断,设备外壳可能带电,但是故障电流取决于电力系统PE线的接地电阻,其值往往很小,不足以使数千瓦的用电设备的保护装置断开电源。为了保护人身安全,必须采用残余电流开关作为线路及用电设备的保护装置,否则只适用于供给小负荷的系统。
　　TN-C系统虽对接地故障灵敏度高,线路经济简单,在一般情况下,如选用适当的开关保护装置和足够的导线截面,也能达到安全要求，但它只适用于三相负荷较平衡的场所。
　　TN-S系统的特点是:中性线N与保护接地线PE在变压器中性点共同接地后,不能再有任何电气连接。该系统中性线N常会带电,保护接地线PE没有电源,PE线连接的设备外壳及金属构件在系统正常运行时始终不会带电。该接地系统具备安全和可靠的基准电位。其优点是PE线上在正常工作日才不呈现电流,因此设备的外露可导电部分也不呈现对地电压。在事故时也容易切断电源,因此比较安全,但费用较贵,多用于环境条件较差的场所。此外,由于PE线上不呈现电流,故有较强的电磁适应性。
　　TN－C－S系统一般用于建筑物的供电由区域变电所引来的场所。进户之前采用TN－C系统，可使线路系统相对经济。进户处作重复接地，进户后变成TN－S系统。对TN－C及TN-S系统前面已作分析。
　　1.2选用策略
　　从以上分析可以看出,IT系统不适用于拥有大量单相设备的智能建筑。对于TN-C系统,由于智能建筑内单相负荷所占比重较大,难以实现三相负荷平衡,PEN线的不平衡电流加上线路中存在着由于荧光灯、可控硅等设备引起的高次谐波电流,在非故障情况下,会在中性线N上叠加,使中性线N带电,且电流时大时小极不稳定,造成中性点接地电位不稳定漂移,不但会使设备外壳(与PEN线连接)带电,对人身安全造成威胁,而且也无法取到一个合适的电位基准点,精密电子设备无法准确可靠运行,因此TN-C接地系统不能作为智能建筑的接地系统。正常运行时的TT系统能获得人与物的安全性和取得合格的基准接地电位。随着大容量的漏电保护器的出现,该系统也会成为智能建筑的接地系统。从目前的情况来看,由于公共电网的电源质量不高,难以满足智能建筑中各种设备的要求,所以智能建筑不宜选用TT系统。TN-S接地系统明显提高了人与物的安全性,同时只要采取接地引线、各自都从接地体一点引出、并选择正确的接地电阻值、使电子设备共同获得一个接地电位基准点等措施,那么TN-C-S系统可以作为智能建筑的一种接地系统(如图1所示)。从以上分析可以看出,TN-S系统较适合用作智能建筑的接地系统(如图2所示)。
　　图1TN-C-S系统
　　2防雷保护接地
　　无论是防直击雷或感应雷,最终都是通过接地装置将雷电流送入大地。为把雷电流迅速导入大地,以防止雷害为目的的接地叫作防雷接地。所以,没有完善的接地装置是无法完成避雷任务的。在防雷工程设计、施工、验收中,人们往往习惯单方面追求接地电阻的数值,将接地电阻的大小作为衡量防雷工程质量的最重要指标,认为接地电阻越小,防雷效果越好,被保护的对象就越安全。对避雷系统接地装置的接地电阻值有一定的要求是无可非议的,因为接地电阻越小,散流越快,落雷物体高电位保持时间就越短,危险越小,以至于跨步电压、接触电压也越小。然而,理论和实践证明,接地网的结构较接地电阻更应受到重视。智能化楼宇内有大量的电子设备与布线系统,如通信自动化系统、火灾报警及消防联动控制系统、楼宇自动化系统、保安监控系统、办公自动化系统、闭路电视系统等,以及他们相应的布线系统。从已建成的大楼看,大楼的各层顶板、底板、侧墙、吊顶内几乎被各种布线布满。这些电子设备及布线系统一般均属于耐压等级低、防干扰要求高、最怕受到雷击的部分。直击、串击或反击都会使电子设备受到不同程度的损坏或严重干扰。因此对智能化楼宇的防雷接地设计必须严密、可靠。智能建筑的所有功能接地,必须以防雷接地系统为基础,并建立严密、完整的防雷结构。
　　电子信息系统防雷电磁脉冲工程设计的防护等级是依据对工程所处地区的雷电环境进行风险评估，或按信息系统的重要性和使用性质确定的，决定电子信息系统是否需防护和按什么等级防护，以达到安全、适用、经济。一般智能建筑应按一级防护措施设计避雷器,弱电系统按三级设,大楼高低配为第一级、楼层配电箱为第二级、弱电机房配电箱为第三级防护措施设计。防雷装置最广泛使用的是避雷针和避雷器,避雷针通过铁塔或建筑物钢筋入地,避雷器则通过专用地线入地。接闪器采用针带组合接闪器,可由下列形式之一或任意组合而成：一是独立避雷针；二是直接装设在建筑物上的避雷网、避雷带或采用避雷针。避雷针宜采用热镀锌圆钢或焊接钢管制成。避雷针和避雷带宜采用热镀锌圆钢或扁钢。避雷带采用25×4(mm)镀锌扁钢或Φ10镀锌圆钢在屋顶组成相应建筑物防雷类别所规定的尺寸避雷网格,该网格与屋面金属构件作电气连接,与大楼柱头钢筋作电气连接,引下线利用柱头中钢筋、圈梁钢筋、楼层钢筋与防雷系统连接,外墙面所有金属构件也应与防雷系统连接,柱头钢筋与接地体连接,组成具有多层屏蔽的笼形防雷体系。这样不仅可以有效防止雷击损坏楼内设备,而且还能防止外来的电磁干扰。各种防雷接地装置的工频接地电阻,一般应根据落雷时的反击条件来确定。弱电系统与大楼其他电气系统共用一个联合接地体,其接地电阻应小于1Ω,底层弱电井内预留2根40×4热镀锌扁钢作为接地端子,通过40×4铜排引至各楼层弱电间,弱电间内所有设备外壳必须与接地线连接,消控中心、计算中心UPS前端及电信、广电、卫星天线等室外进线应安装浪涌保护器。各主要弱电机房应设置接地端子箱,消控、安保、计算机网络机房应设置局部等电位接地网,接地线由楼层弱电间用BV-50以上线引入。
　　3电子电气设备的接地措施
　　3.1安全保护接地
　　在智能化楼宇内,要求安全保护接地的设备非常多,有强电设备、弱电设备及一些非带电导电设备与构件,均必须采取安全保护接地措施。安全保护接地的电气设备的绝缘一旦损坏,其外壳有可能带电。保护接地就是将设备正常运行时不带电的金属外壳(或构架)和接地装置之间作良好的电气连接,即将大楼内的用电设备及设备附近的一些金属构件,用PE线连接起来,但严禁将PE线与N线连接。如果不作保护接地,一旦电气设备其中一相的绝缘破损,就会产生漏电,使金属外壳带上相电压,人一接触就会发生触电事故。实行保护接地后,设备的金属外壳和大地已有良好的连接。如果发生漏电,只要接地电阻符合规定的要求,接地就能保障人身安全、防止触电事故发生。加装保护接地装置并降低其接地电阻,不仅是保障智能建筑电气系统安全运行的有效措施,也是保障非智能建筑内设备及人身安全的必要手段。
　　3.2直流接地
　　在一幢智能化楼宇内,装有大量的计算机、通讯设备和带有计算机的自动化设备。这些电子设备在进行输入信息、传输信息、转换能量、放大信号、逻辑动作、输出信息等一系列过程中,都是通过微电位或微电流快速进行的,且设备之间常要通过互联网络进行工作。因此,为了使其准确性高、稳定性好,除了需有一个稳定的供电电源外,还必须具备一个稳定的基准电位。可采用较大截面的绝缘铜芯线作为引线,一端直接与基准电位连接,另一端供电子设备直流接地。该引线不宜与PE线连接,且严禁与N线连接。
　　3.3逻辑接地
　　将电子设备的金属板作为逻辑信号的参考点进行的接地,称为逻辑接地。其作用是保证电路有一个统一的基准电位,不致于浮动而引起信号误差。而在智能建筑中各种设备相隔较远,如果逻辑地不处于同一电位,会引起整个系统工作异常。
　　4屏蔽接地
　　将电缆屏蔽或金属外皮接地达到电磁适应性要求的接地称为屏蔽接地。在智能建筑内,电磁兼容设计是非常重要的。为了避免所用设备的机能障碍,设备出现损坏,构成布线系统的设备应能防止内部自身传导和外来干扰。产生这些干扰或者是因为导线之间的耦合现象,或者是因为电容电感电效应。其主要来源是超高电压、大功率辐射电磁场、自然雷击和静电放电。这些现象会对设计用来发送或接收很高传输频率的设备产生很大的干扰。因此,对这些设备及其布线必须采取保护措施,避免来自各方面的干扰。屏蔽及其正确接地是防止电磁干扰的最佳保护方法。可将设备外壳与PE线连接;导线的屏蔽接地要求屏蔽管路两端与PE线可靠连接;室内屏蔽也应多点与PE线可靠连接。
　　5防静电接地
　　将带静电物体或有可能产生静电的物体(非绝缘体),通过导静电体与大地构成电气回路的接地叫防静电接地。在洁净、干燥的房间内,人的走步、移动设备、各自磨擦均会产生大量静电。例如,在相对湿度10%～20%的环境中,人的走步可以积聚3.5万伏的静电电压。如果没有良好的接地,不仅仅会产生对电子设备的干扰,甚至会将设备芯片击坏。防静电接地要求在洁静干燥环境中,所有设备的外壳及室内(包括地坪)设施均须与PE线多点可靠连接。
　　6结束语
　　在智能化建筑的电气设计中除了考虑电源的接地方式、防雷保护接地、电子设备的安全保护接地外,还应考虑防静电接地和屏蔽接地的要求，从而保证建筑中的设备安全可靠地工作。
　　参考文献:
　　[1]黎连业,王超成,等.智能建筑弱电工程设计与实施[M].北京:中国电力出版社,2006.
　　[2]徐晓宁.建筑电气设计基础[M].华南理工大学出版社,2007