智能樓宇的電氣保護與接地系統設計研究

在建筑物供配電設計中，接地系統設計占有重要的地位，因為它關(guān)系到供電系統的可靠性，安全性。不管哪類(lèi)建筑物，在供電設計中總包含有接地系統設計。而且，隨著(zhù)建筑物的要求不同，各類(lèi)設備的功能不同，接地系統也相應不同。尤其進(jìn)入90年代后，大量的智能化樓宇的出現對接地系統設計提出了許多新的內容。在常用的幾種接地方式中，哪一種能夠適合智能化樓宇呢？我們不妨分析一下下面幾種接地系統。

1.TN－C系統
　　TN－C系統被稱(chēng)之為三相四線(xiàn)系統，該系統中性線(xiàn)N與保護接地PE合二為一，通稱(chēng)PEN線(xiàn)。這種接地系統雖對接地故障靈敏度高，線(xiàn)路經(jīng)濟簡(jiǎn)單，但它只適合用于三相負荷較平衡的場(chǎng)所。智能化大樓內，單相負荷所占比重較大，難以實(shí)現三相負荷平衡，PEN線(xiàn)的不平衡電流加上線(xiàn)路中存在著(zhù)的由于熒光燈、晶閘管（可控硅）等設備引起的高次諧波電流，在非故障情況下，會(huì )在中性線(xiàn)N上疊加，使中性線(xiàn)N電壓波動(dòng)，且電流時(shí)大時(shí)小極不穩定，造成中性點(diǎn)接地電位不穩定漂移。不但會(huì )使設備外殼（與PEN線(xiàn)連接）帶電，對人身造成不安全，而且也無(wú)法取到一個(gè)合適的電位基準點(diǎn)，精密電子設備無(wú)法準確可靠運行。因此TN－C接地系統不能作為智能化建筑的接地系統。

2.TN－C－S系統
　　TN－C－S系統由兩個(gè)接地系統組成，第一部分是TN－C系統，第二部分是TN－S系統，分界面在N線(xiàn)與PE線(xiàn)的連接點(diǎn)。該系統一般用在建筑物的供電由區域變電所引來(lái)的場(chǎng)所，進(jìn)戶(hù)之前采用TN－C系統，進(jìn)戶(hù)處做重復接地，進(jìn)戶(hù)后變成TN－S系統。TN－C系統前面已做分析。TN－S系統的特點(diǎn)是：中性線(xiàn)N與保護接地線(xiàn)PE在進(jìn)戶(hù)時(shí)共同接地后，不能再有任何電氣連接。該系統中，中性線(xiàn)N常會(huì )帶電，保護接地線(xiàn)PE沒(méi)有電的來(lái)源。PE線(xiàn)連接的設備外殼及金屬構件在系統正常運行時(shí),始終不會(huì )帶電.因此TN－S接地系統明顯提高了人及物的安全性.同時(shí)只要我們采取接地引線(xiàn),各自都從接地體一點(diǎn)引出,及選擇正確的接地電阻值使電子設備共同獲得一個(gè)等電位基準點(diǎn)等措施,那么TN－C－S系統可以作為智能型建筑物的一種接地系統。

3.TN－S系統
　　TN－S是一個(gè)三相四線(xiàn)加PE線(xiàn)的接地系統。通常建筑物內設有獨立變配電所時(shí)進(jìn)線(xiàn)采用該系統。TN－S系統的特點(diǎn)是，中性線(xiàn)N與保護接地線(xiàn)PE除在變壓器中性點(diǎn)共同接地外，兩線(xiàn)不再有任何的電氣連接。中性線(xiàn)N是帶電的，而PE線(xiàn)不帶電。該接地系統完全具備安全和可靠的基準電位。只要象TN－C－S接地系統，采取同樣的技術(shù)措施，TN－S系統可以用作智能建筑物的接地系統。如果計算機等電子設備沒(méi)有特殊的要求時(shí)，一般都采用這種接地系統。

4.TT系統
　　通常稱(chēng)TT系統為三相四線(xiàn)接地系統。該系統常用于建筑物供電來(lái)自公共電網(wǎng)的地方。TT系統的特點(diǎn)是中性線(xiàn)N與保護接地線(xiàn)PE無(wú)一點(diǎn)電氣連接，即中性點(diǎn)接地與PE線(xiàn)接地是分開(kāi)的。該系統在正常運行時(shí)，不管三相負荷平衡不平衡，在中性線(xiàn)N帶電情況下，PE線(xiàn)不會(huì )帶電。只有單相接地故障時(shí)，由于保護接地靈敏度低，故障不能及時(shí)切斷，設備外殼才可能帶電。正常運行時(shí)的TT系統類(lèi)似于TN－S系統，也能獲得人與物的安全性和取得合格的基準接地電位。隨著(zhù)大容量的漏電保護器的出現，該系統也會(huì )越來(lái)越作為智能型建筑物的接地系統。從目前的情況來(lái)看，由于公共電網(wǎng)的電源質(zhì)量不高，難以滿(mǎn)足智能化設備的要求，所以TT系統很少被智能化大樓采用。

5.IT系統
　　IT系統是三相三線(xiàn)式接地系統，該系統變壓器中性點(diǎn)不接地或經(jīng)阻抗接地，無(wú)中性線(xiàn)N，只有線(xiàn)電壓（380V），無(wú)相壓壓（220V），保護接地線(xiàn)PE各自獨立接地。該系統的優(yōu)點(diǎn)是當一相接地時(shí)，不會(huì )使外殼帶有較大的故障電流，系統可以照常運行。缺點(diǎn)是不能配出中性線(xiàn)N。因此它是不適用于擁有大量單相設備的智能化大樓的。

　　在智能化樓宇內，要求保護接地的設備非常多，有強電設備，弱電設備，以及一些正常情況下不帶電的導電設備與構件，均必須采用有效的保護接地。如果采用TN－C系統，將TN－C系統中的N線(xiàn)同時(shí)用做接地線(xiàn)；或者在TN－S系統中將N線(xiàn)與PE線(xiàn)接在一起，再連接到底板上去；再或不設置電子設備的直流接地引線(xiàn)，而將直流接地直接接到PE線(xiàn)上；有的干脆把N線(xiàn)、PE線(xiàn)、直流接地線(xiàn)混接在一起。以上這些做法都是不符合接地要求的，且是錯誤的。前面已經(jīng)分析過(guò)，在智能化大樓內，單相用電設備較多，單相負荷比重較大，三相負荷通常是不平衡的，因此在中性線(xiàn)N中帶有隨機電流。另外，由于大量采用熒光燈照明，其所產(chǎn)生的三次諧波疊加在N線(xiàn)上，加大了N線(xiàn)上的電流量，如果將N線(xiàn)接到設備外殼上，會(huì )造成電擊或火災事故；如果在TN－S系統中將N線(xiàn)與PE線(xiàn)連在一起再接到設備外殼上，那么危險更大，凡是接到PE線(xiàn)上的設備，外殼均帶電；會(huì )擴大電擊事故的范圍；如果將N線(xiàn)、PE線(xiàn)、直流接地線(xiàn)均接在一起除會(huì )發(fā)生上述的危險外，電子設備將會(huì )受到干擾而無(wú)法工作。因此智能建筑應設置電子設備的直流接地，交流工作接地，安全保護接地，及普通建筑也應具備的防雷保護接地。此外，由于智能建筑內多設有具有防靜電要求的程控交換機房，計算機房，消防及火災報警監控室，以及大量易受電磁波干擾的精密電子儀器設備，所以在智能化樓宇的設計和施工中，還應考慮防靜電接地和屏蔽接地的要求。

　　下面，我們接著(zhù)分析一下智能化樓宇應采取的各種接地措施。

１.防雷接地：為把雷電流迅速導入大地，以防止雷害為目的的接地叫作防雷接地。
　　智能化樓宇內有大量的電子設備與布線(xiàn)系統，如通信自動(dòng)化系統，火災報警及消防聯(lián)動(dòng)控制系統，樓宇自動(dòng)化系統，保安監控系統，辦公自動(dòng)化系統，閉路電視系統等，以及他們相應的布線(xiàn)系統。從已建成的大樓看，大樓的各層頂板，底板，側墻，吊頂內幾乎被各種布線(xiàn)布滿(mǎn)。這些電子設備及布線(xiàn)系統一般均屬于耐壓等級低，防干擾要求高，最怕受到雷擊的部分。不管是直擊，串擊，反擊都會(huì )使電子設備受到不同程度的損壞或嚴重干擾。因此對智能化樓宇的防雷接地設計必須嚴密，可靠。智能化樓宇的所有功能接地，必須以防雷接地系統為基礎，并建立嚴密，完整的防雷結構。
　　智能建筑多屬于一級負荷，應按一級防雷建筑物的保護措施設計，接閃器采用針帶組合接閃器，避雷帶采用25×4（mm）鍍鋅扁鋼在屋頂組成≤10×10（m）的網(wǎng)格，該網(wǎng)格與屋面金屬構件作電氣連接，與大樓柱頭鋼筋作電氣連接，引下線(xiàn)利用柱頭中鋼筋，圈梁鋼筋，樓層鋼筋與防雷系統連接，外墻面所有金屬構件也應與防雷系統連接，柱頭鋼筋與接地體連接，組成具有多層屏蔽的籠形防雷體系。這樣不僅可以有效防止雷擊損壞樓內設備，而且還能防止外來(lái)的電磁干擾。
　　各類(lèi)防雷接地裝置的工頻接地電阻，一般應根據落雷時(shí)的反擊條件來(lái)確定。防雷裝置如與電氣設備的工作接地合用一個(gè)總的接地網(wǎng)時(shí)，接地電阻應符合其最小值要求。

2.交流工作接地：將電力系統中的某一點(diǎn)，直接或經(jīng)特殊設備（如阻抗，電阻等）與大地作金屬連接，稱(chēng)為工作接地。
　　工作接地主要指的是變壓器中性點(diǎn)或中性線(xiàn)（N線(xiàn)）接地。N線(xiàn)必須用銅芯絕緣線(xiàn)。在配電中存在輔助等電位接線(xiàn)端子，等電位接線(xiàn)端子一般均在箱柜內。必須注意，該接線(xiàn)端子不能外露；不能與其它接地系統，如直流接地，屏蔽接地，防靜電接地等混接；也不能與PE線(xiàn)連接。
　　在高壓系統里，采用中性點(diǎn)接地方式可使接地繼電保護準確動(dòng)作并消除單相電弧接地過(guò)電壓。中性點(diǎn)接地可以防止零序電壓偏移，保持三相電壓基本平衡，這對于低壓系統很有意義，可以方便使用單相電源。

3.安全保護接地：安全保護接地就是將電氣設備不帶電的金屬部分與接地體之間作良好的金屬連接。即將大樓內的用電設備以及設備附近的一些金屬構件，用PE線(xiàn)連接起來(lái)，但嚴禁將PE線(xiàn)與N線(xiàn)連接。
　　在智能化樓宇內，要求安全保護接地的設備非常多，有強電設備，弱電設備，以及一些非帶電導電設備與構件，均必須采取安全保護接地措施。當沒(méi)有做安全保護接地的電氣設備的絕緣損壞時(shí)，其外殼有可能帶電。如果人體觸及此電氣設備的外殼就可能被電擊傷或造成生命危險。如圖6所示。在中性點(diǎn)直接接地的電力系統中，接地短路電流經(jīng)人身，大地流回中性點(diǎn)；在中性點(diǎn)非直接接地的電力系統中，接地電流經(jīng)人體流入大地，并經(jīng)線(xiàn)路對地電容構成通路，這兩種情況都能造成人身觸電。
　　如果裝有接地裝置的電氣設備的絕緣損壞使外殼帶電時(shí)，接地短路電流將同時(shí)沿著(zhù)接地體和人體兩條通路流過(guò)，Id=Id＇＋IR，我們知道：在一個(gè)并聯(lián)電路中，通過(guò)每條支路的電流值與電阻的大小成反比，即，
　式中：Id―接地回路中的電流總值
　Id＇―沿接地體流過(guò)的電流
　IR―流經(jīng)人體的電流
　rR―人體的電阻
　rd―接地裝置的接地電阻
　　由上式可以看出，接地電阻越小，流經(jīng)人體的電流越小，通常人體電阻要比接地電阻大數百倍經(jīng)過(guò)人體的電流也比流過(guò)接地體的電流小數百倍。當接地電阻極小時(shí)，流過(guò)人體的電流幾乎等于零。即Id≈Id＇。實(shí)際上，由于接地電阻很小，接地短路電流流過(guò)時(shí)所產(chǎn)生的壓降很小，所以設備外殼對大地的電壓是不高的。人站在大地上去碰觸設備的外殼時(shí)，人體所承受的電壓很低，不會(huì )有危險。
　　加裝保護接地裝置并且降低它的接地電阻，不僅是保障智能建筑電氣系統安全，有效運行的有效措施，也是保障非智能建筑內設備及人身安全的必要手段。

4.直流接地：在一幢智能化樓宇內，包含有大量的計算機，通訊設備和帶有電腦的大樓自動(dòng)化設備。在這些電子設備在進(jìn)行輸入信息，傳輸信息，轉換能量，放大信號，邏輯動(dòng)作，輸出信息等一系列過(guò)程中都是通過(guò)微電位或微電流快速進(jìn)行，且設備之間常要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行工作。因此為了使其準確性高，穩定性好，除了需有一個(gè)穩定的供電電源外，還必須具備一個(gè)穩定的基準電位?？刹捎幂^大截面的絕緣銅芯線(xiàn)作為引線(xiàn)，一端直接與基準電位連接，另一端供電子設備直流接地。該引線(xiàn)不宜與PE線(xiàn)連接，嚴禁與N線(xiàn)連接。

5.屏蔽接地與防靜電接地：在智能化樓宇內，電磁兼容設計是非常重要的，為了避免所用設備的機能障礙，避免甚至會(huì )出現的設備損壞，構成布線(xiàn)系統的設備應當能夠防止內部自身傳導和外來(lái)干擾。這些干擾的產(chǎn)生或者是因為導線(xiàn)之間的耦合現象，或者是因為電容效應或電感效應。其主要來(lái)源是超高電壓，大功率幅射電磁場(chǎng)，自然雷擊和靜電放電。這些現象會(huì )對設計用來(lái)發(fā)送或接收很高傳輸頻率的設備產(chǎn)生很大的干擾。因此對這些設備及其布線(xiàn)必須采取保護措施，免受來(lái)自各種方面的干擾。屏蔽及其正確接地是防止電磁干擾的最佳保護方法?？蓪⒃O備外殼與PE線(xiàn)連接；導線(xiàn)的屏蔽接地要求屏蔽管路兩端與PE線(xiàn)可靠連接；室內屏蔽也應多點(diǎn)與PE線(xiàn)可靠連接。防靜電干擾也很重要。在潔凈、干燥的房間內，人的走步、移動(dòng)設備，各自磨擦均會(huì )產(chǎn)生大量靜電。例如在相對濕度10～20％的環(huán)境中人的走步可以積聚3.5萬(wàn)伏的靜電電壓、如果沒(méi)有良好的接地，不僅僅會(huì )產(chǎn)生對電子設備的干擾，甚至會(huì )將設備芯片擊壞。將帶靜電物體或有可能產(chǎn)生靜電的物體（非絕緣體）通過(guò)導靜電體與大地構成電氣回路的接地叫防靜電接地。防靜電接地要求在潔靜干燥環(huán)境中，所有設備外殼及室內（包括地坪）設施必須均與PE線(xiàn)多點(diǎn)可靠連接。

　　智能建筑的接地裝置的接地電阻越小越好，獨立的防雷保護接地電阻應≤10Ω；獨立的安全保護接地電阻應≤4Ω；獨立的交流工作接地電阻應≤4Ω；獨立的直流工作接地電阻應≤4Ω；防靜電接地電阻一般要求≤100Ω。

　　智能化樓宇的供電接地系統宜采用TN－S系統，按規范宜采用一個(gè)總的共同接地裝置，即統一接地體。統一接地體為接地電位基準點(diǎn)，由此分別引出各種功能接地引線(xiàn)，利用總等電位和輔助等電位的方式組成一個(gè)完整的統一接地系統。通常情況下，統一接地系統可利用大樓的樁基鋼筋，并用40×4（mm）鍍鋅扁鋼將其連成一體，作為自然接地體。根據規范，該系統與防雷接地系統共用，其接地電阻應≤1Ω。若達不到要求，必須增加人工接地體或采用化學(xué)降阻法，使接地電阻≤1Ω。在變配電所內設置總等電位銅排，該銅排一端通過(guò)構造柱或底板上的鋼筋與統一接地體連接，另一端通過(guò)不同的連接端子分別與交流工作接地系統中的中性線(xiàn)連接，與需要做安全保護接地的各設備連接，與防雷系統連接，與需做直流接地的電子設備的絕緣銅芯接地線(xiàn)連接。在智能大廈中，因為系統采用計算機參與管理或使用計算機作為工作工具，所以其接地系統宜采用單點(diǎn)接地并宜采取等電位措施。單點(diǎn)接地是指保護接地、工作接地、直流接地在設備上相互分開(kāi)，各自成為獨立系統?？蓮臋C柜引出三個(gè)相互絕緣的接地端子，再由引線(xiàn)引到總等電位銅排上共同接地。不允許把三種接地聯(lián)結在一起，再用引線(xiàn)接到總等電位銅排上。實(shí)際上這是混合接地，這種接法既不安全又會(huì )產(chǎn)生干擾，現在的規范是不允許的。