智能樓宇的電氣保護與接地系統(tǒng)設(shè)計研究

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(zhǔn)點，精密電子設(shè)備無法準(zhǔn)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(fù)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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(dāng)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(dǎo)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，計算機房，消防及火災(zāi)報警監(jiān)控室，以及大量易受電磁波干擾的精密電子儀器設(shè)備，所以在智能化樓宇的設(shè)計和施工中，還應(yīng)考慮防靜電接地和屏蔽接地的要求。

　　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(dǎo)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(yán)重干擾。因此對智能化樓宇的防雷接地設(shè)計必須嚴(yán)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(yán)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(zhǔn)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(yán)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(dǎo)電設(shè)備與構(gòu)件，均必須采取安全保護接地措施。當(dāng)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(dāng)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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(yán)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?xí)霈F(xiàn)的設(shè)備損壞，構(gòu)成布線系統(tǒng)的設(shè)備應(yīng)當(dāng)能夠防止內(nèi)部自身傳導(dǎo)和外來干擾。這些干擾的產(chǎn)生或者是因為導(dǎo)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(dǎo)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?xí)⒃O(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(dǎo)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(zhǔn)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(xué)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。