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智能樓宇的電氣保護與接地
【摘 要】 本文通過對幾種供電接地系統(tǒng)的概括介紹，篩選出適合作為智能樓宇的供電接地系統(tǒng)，并對其所應(yīng)采取的各類接地措施作了較為詳盡的說明與分析，對智能樓宇應(yīng)采取的電氣保護與接地方法提出了適當?shù)慕ㄗh。【關(guān)鍵詞】 負荷平衡 電位基準點 TN－S 單點接地 防靜電接地 統(tǒng)一接地體
在建筑物供配電設(shè)計中，接地系統(tǒng)設(shè)計占有重要的地位，因為它關(guān)系到供電系統(tǒng)的可靠性，安全性。不管哪類建筑物，在供電設(shè)計中總包含有接地系統(tǒng)設(shè)計。而且，隨著建筑物的要求不同，各類設(shè)備的功能不同，接地系統(tǒng)也相應(yīng)不同。尤其進入90年代后，大量的智能化樓宇的出現(xiàn)對接地系統(tǒng)設(shè)計提出了許多新的內(nèi)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(tǒng)。
1.TN－C系統(tǒng)
TN－C系統(tǒng)被稱之為三相四線系統(tǒng)，該系統(tǒng)中性線N與保護接地PE合二為一，通稱PEN線。這種接地系統(tǒng)雖對接地故障靈敏度高，線路經(jīng)濟簡單，但它只適合用于三相負荷較平衡的場所。智能化大樓內(nèi)，單相負荷所占比重較大，難以實現(xiàn)三相負荷平衡，PEN線的不平衡電流加上線路中存在著的由于熒光燈、晶閘管（可控硅）等設(shè)備引起的高次諧波電流，在非故障情況下，會在中性線N上疊加，使中性線N電壓波動，且電流時大時小極不穩(wěn)定，造成中性點接地電位不穩(wěn)定漂移。不但會使設(shè)備外殼（與PEN線連接）帶電，對人身造成不安全，而且也無法取到一個合適的電位基準點，精密電子設(shè)備無法準確可靠運行。因此TN－C接地系統(tǒng)不能作為智能化建筑的接地系統(tǒng)。
2.TN－C－S系統(tǒng)
TN－C－S系統(tǒng)由兩個接地系統(tǒng)組成，第一部分是TN－C系統(tǒng)，第二部分是TN－S系統(tǒng)，分界面在N線與PE線的連接點。該系統(tǒng)一般用在建筑物的供電由區(qū)域變電所引來的場所，進戶之前采用TN－C系統(tǒng)，進戶處做重復接地，進戶后變成TN－S系統(tǒng)。TN－C系統(tǒng)前面已做分析。TN－S系統(tǒng)的特點是：中性線N與保護接地線PE在進戶時共同接地后，不能再有任何電氣連接。該系統(tǒng)中，中性線N常會帶電，保護接地線PE沒有電的來源。PE線連接的設(shè)備外殼及金屬構(gòu)件在系統(tǒng)正常運行時,始終不會帶電.因此TN－S接地系統(tǒng)明顯提高了人及物的安全性.同時只要我們采取接地引線,各自都從接地體一點引出,及選擇正確的接地電阻值使電子設(shè)備共同獲得一個等電位基準點等措施,那么TN－C－S系統(tǒng)可以作為智能型建筑物的一種接地系統(tǒng)。
3.TN－S系統(tǒng)
TN－S是一個三相四線加PE線的接地系統(tǒng)。通常建筑物內(nèi)設(shè)有獨立變配電所時進線采用該系統(tǒng)。TN－S系統(tǒng)的特點是，中性線N與保護接地線PE除在變壓器中性點共同接地外，兩線不再有任何的電氣連接。中性線N是帶電的，而PE線不帶電。該接地系統(tǒng)完全具備安全和可靠的基準電位。只要象TN－C－S接地系統(tǒng)，采取同樣的技術(shù)措施，TN－S系統(tǒng)可以用作智能建筑物的接地系統(tǒng)。如果計算機等電子設(shè)備沒有特殊的要求時，一般都采用這種接地系統(tǒng)。
4.TT系統(tǒng)
通常稱TT系統(tǒng)為三相四線接地系統(tǒng)。該系統(tǒng)常用于建筑物供電來自公共電網(wǎng)的地方。TT系統(tǒng)的特點是中性線N與保護接地線PE無一點電氣連接，即中性點接地與PE線接地是分開的。該系統(tǒng)在正常運行時，不管三相負荷平衡不平衡，在中性線N帶電情況下，PE線不會帶電。只有單相接地故障時，由于保護接地靈敏度低，故障不能及時切斷，設(shè)備外殼才可能帶電。正常運行時的TT系統(tǒng)類似于TN－S系統(tǒng)，也能獲得人與物的安全性和取得合格的基準接地電位。隨著大容量的漏電保護器的出現(xiàn)，該系統(tǒng)也會越來越作為智能型建筑物的接地系統(tǒng)。從目前的情況來看，由于公共電網(wǎng)的電源質(zhì)量不高，難以滿足智能化設(shè)備的要求，所以TT系統(tǒng)很少被智能化大樓采用。
5.IT系統(tǒng)
IT系統(tǒng)是三相三線式接地系統(tǒng)，該系統(tǒng)變壓器中性點不接地或經(jīng)阻抗接地，無中性線N，只有線電壓（380V），無相壓壓（220V），保護接地線PE各自獨立接地。該系統(tǒng)的優(yōu)點是當一相接地時，不會使外殼帶有較大的故障電流，系統(tǒng)可以照常運行。缺點是不能配出中性線N。因此它是不適用于擁有大量單相設(shè)備的智能化大樓的。
在智能化樓宇內(nèi)，要求保護接地的設(shè)備非常多，有強電設(shè)備，弱電設(shè)備，以及一些正常情況下不帶電的導電設(shè)備與構(gòu)件，均必須采用有效的保護接地。如果采用TN－C系統(tǒng)，將TN－C系統(tǒng)中的N線同時用做接地線；或者在TN－S系統(tǒng)中將N線與PE線接在一起，再連接到底板上去；再或不設(shè)置電子設(shè)備的直流接地引線，而將直流接地直接接到PE線上；有的干脆把N線、PE線、直流接地線混接在一起。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，在智能化大樓內(nèi)，單相用電設(shè)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線上，加大了N線上的電流量，如果將N線接到設(shè)備外殼上，會造成電擊或火災(zāi)事故；如果在TN－S系統(tǒng)中將N線與PE線連在一起再接到設(shè)備外殼上，那么危險更大，凡是接到PE線上的設(shè)備，外殼均帶電；會擴大電擊事故的范圍；如果將N線、PE線、直流接地線均接在一起除會發(fā)生上述的危險外，電子設(shè)備將會受到干擾而無法工作。因此智能建筑應(yīng)設(shè)置電子設(shè)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(yīng)具備的防雷保護接地。此外，由于智能建筑內(nèi)多設(shè)有具有防靜電要求的程控交換機房，計算? ?浚??蘭盎鷦直ň?囁厥遙?約按罅懇資艿绱挪ǜ扇諾木?艿繾右瞧魃璞福??栽謚悄芑?ビ畹納杓坪褪┕ぶ校?褂?悸欠讕駁緗擁睪推簾謂擁氐囊?蟆?nbsp;
下面，我們接著分析一下智能化樓宇應(yīng)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(nèi)有大量的電子設(shè)備與布線系統(tǒng)，如通信自動化系統(tǒng)，火災(zāi)報警及消防聯(lián)動控制系統(tǒng)，樓宇自動化系統(tǒng)，保安監(jiān)控系統(tǒng)，辦公自動化系統(tǒng)，閉路電視系統(tǒng)等，以及他們相應(yīng)的布線系統(tǒng)。從已建成的大樓看，大樓的各層頂板，底板，側(cè)墻，吊頂內(nèi)幾乎被各種布線布滿。這些電子設(shè)備及布線系統(tǒng)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，反擊都會使電子設(shè)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(shè)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(tǒng)為基礎(chǔ)，并建立嚴密，完整的防雷結(jié)構(gòu)。
智能建筑多屬于一級負荷，應(yīng)按一級防雷建筑物的保護措施設(shè)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(gòu)件作電氣連接，與大樓柱頭鋼筋作電氣連接，引下線利用柱頭中鋼筋，圈梁鋼筋，樓層鋼筋與防雷系統(tǒng)連接，外墻面所有金屬構(gòu)件也應(yīng)與防雷系統(tǒng)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(nèi)設(shè)備，而且還能防止外來的電磁干擾。
各類防雷接地裝置的工頻接地電阻，一般應(yīng)根據(jù)落雷時的反擊條件來確定。防雷裝置如與電氣設(shè)備的工作接地合用一個總的接地網(wǎng)時，接地電阻應(yīng)符合其最小值要求。
2.交流工作接地：將電力系統(tǒng)中的某一點，直接或經(jīng)特殊設(shè)備（如阻抗，電阻等）與大地作金屬連接，稱為工作接地。
工作接地主要指的是變壓器中性點或中性線（N線）接地。N線必須用銅芯絕緣線。在配電中存在輔助等電位接線端子，等電位接線端子一般均在箱柜內(nèi)。必須注意，該接線端子不能外露；不能與其它接地系統(tǒng)，如直流接地，屏蔽接地，防靜電接地等混接；也不能與PE線連接。
在高壓系統(tǒng)里，采用中性點接地方式可使接地繼電保護準確動作并消除單相電弧接地過電壓。中性點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(tǒng)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(shè)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(nèi)的用電設(shè)備以及設(shè)備附近的一些金屬構(gòu)件，用PE線連接起來，但嚴禁將PE線與N線連接。
在智能化樓宇內(nèi)，要求安全保護接地的設(shè)備非常多，有強電設(shè)備，弱電設(shè)備，以及一些非帶電導電設(shè)備與構(gòu)件，均必須采取安全保護接地措施。當沒有做安全保護接地的電氣設(shè)備的絕緣損壞時，其外殼有可能帶電。如果人體觸及此電氣設(shè)備的外殼就可能被電擊傷或造成生命危險。如圖6所示。在中性點直接接地的電力系統(tǒng)中，接地短路電流經(jīng)人身，大地流回中性點；在中性點非直接接地的電力系統(tǒng)中，接地電流經(jīng)人體流入大地，并經(jīng)線路對地電容構(gòu)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(shè)備的絕緣損壞使外殼帶電時，接地短路電流將同時沿著接地體和人體兩條通路流過，Id=Id＇＋IR，我們知道：在一個并聯(lián)電路中，通過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(shù)百倍經(jīng)過人體的電流也比流過接地體的電流小數(shù)百倍。當接地電阻極小時，流過人體的電流幾乎等于零。即Id≈Id＇。實際上，由于接地電阻很小，接地短路電流流過時所產(chǎn)生的壓降很小，所以設(shè)備外殼對大地的電壓是不高的。人站在大地上去碰觸設(shè)備的外殼時，人體所承受的電壓很低，不會有危險。
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(tǒng)安全，有效運行的有效措施，也是保障非智能建筑內(nèi)設(shè)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(nèi)，包含有大量的計算機，通訊設(shè)備和帶有電腦的大樓自動化設(shè)備。在這些電子設(shè)備在進行輸入信息，傳輸信息，轉(zhuǎn)換能量，放大信號，邏輯動作，輸出信息等一系列過程中都是通過微電位或微電流快速進行，且設(shè)備之間常要通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進行工作。因此為了使其準確性高，穩(wěn)定性好，除了需有一個穩(wěn)定的供電電源外，還必須具備一個穩(wěn)定的基準電位�？刹捎幂^大截面的絕緣銅芯線作為引線，一端直接與基準電位連接，另一端供電子設(shè)備直流接地。該引線不宜與PE線連接，嚴禁與N線連接。
5.屏蔽接地與防靜電接地：在智能化樓宇內(nèi)，電磁兼容設(shè)計是非常重要的，為了避免所用設(shè)備的機能障礙，避免甚至會出現(xiàn)的設(shè)備損壞，構(gòu)成布線系統(tǒng)的設(shè)備應(yīng)當能夠防止內(nèi)部自身傳導和外來干擾。這些干擾的產(chǎn)生或者是因為導線之間的耦合現(xiàn)象，或者是因為電容效應(yīng)或電感效應(yīng)。其主要來源是超高電壓，大功率幅射電磁場，自然雷擊和靜電放電。這些現(xiàn)象會對設(shè)計用來發(fā)送或接收很高傳輸頻率的設(shè)備產(chǎn)生很大的干擾。因此對這些設(shè)備及其布線必須采取保護措施，免受來自各種方面的干擾。屏蔽及其正確接地是防止電磁干擾的最佳保護方法�？蓪⒃O(shè)備外殼與PE線連接；導線的屏蔽接地要求屏蔽管路兩端與PE線可靠連接；室內(nèi)屏蔽也應(yīng)多點與PE線可靠連接。防靜電干擾也很重要。在潔凈、干燥的房間內(nèi)，人的走步、移動設(shè)備，各自磨擦均會產(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3.5萬伏的靜電電壓、如果沒有良好的接地，不僅僅會產(chǎn)生對電子設(shè)備的干擾，甚至會將設(shè)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）通過導靜電體與大地構(gòu)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(shè)備外殼及室內(nèi)（包括地坪）設(shè)施必須均與PE線多點可靠連接。
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(yīng)≤10Ω；獨立的安全保護接地電阻應(yīng)≤4Ω；獨立的交流工作接地電阻應(yīng)≤4Ω；獨立的直流工作接地電阻應(yīng)≤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(tǒng)宜采用TN－S系統(tǒng)，按規(guī)范宜采用一個總的共同接地裝置，即統(tǒng)一接地體。統(tǒng)一接地體為接地電位基準點，由此分別引出各種功能接地引線，利用總等電位和輔助等電位的方式組成一個完整的統(tǒng)一接地系統(tǒng)。通常情況下，統(tǒng)一接地系統(tǒng)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(jù)規(guī)范，該系統(tǒng)與防雷接地系統(tǒng)共用，其接地電阻應(yīng)≤1Ω。若達不到要求，必須增加人工接地體或采用化學降阻法，使接地電阻≤1Ω。在變配電所內(nèi)設(shè)置總等電位銅排，該銅排一端通過構(gòu)造柱或底板上的鋼筋與統(tǒng)一接地體連接，另一端通過不同的連接端子分別與交流工作接地系統(tǒng)中的中性線連接，與需要做安全保護接地的各設(shè)備連接，與防雷系統(tǒng)連接，與需做直流接地的電子設(shè)備的絕緣銅芯接地線連接。在智能大廈中，因為系統(tǒng)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(tǒng)宜采用單點接地并宜采取等電位措施。單點接地是指保護接地、工作接地、直流接地在設(shè)備上相互分開，各自成為獨立系統(tǒng)。可從機柜引出三個相互絕緣的接地端子，再由引線引到總等電位銅排上共同接地。不允許把三種接地聯(lián)結(jié)在一起，再用引線接到總等電位銅排上。實際上這是混合接地，這種接法既不安全又會產(chǎn)生干擾，現(xiàn)在的規(guī)范是不允許的。
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