智能建筑的防雷、電氣保護與接地

智能建筑的防雷、電氣保護與接地

摘要：通過對智能建筑防雷、供電接地系統(tǒng)的介紹，對智能樓宇的防雷、供電接地系統(tǒng)所應(yīng)采取的防雷保護各類接地措施作詳盡分析，對電氣保護與接地方法提出建議。

關(guān)鍵字：智能建筑防雷防靜電接地統(tǒng)一接地體1智能建筑的概念智能建筑應(yīng)當是：通過對建筑物的4個基本要素，即結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)和管理，以及它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，以最優(yōu)化的設(shè)計，提供一個投資合理、幽雅舒適、便利快捷、高度安全的環(huán)境空間。建筑智能化的目的是：應(yīng)用現(xiàn)代4C技術(shù)構(gòu)成智能建筑結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)代化的服務(wù)與管理方式為人們提供一個安全、舒適的生活、學(xué)習與工作環(huán)境空間。建筑智能化結(jié)構(gòu)由三大系統(tǒng)組成：樓宇自動化系統(tǒng)（BAS）、辦公自動化系統(tǒng)（OA）、通信自動化系統(tǒng)（CAS）。2防雷保護雷電波入侵智能建筑的形式有兩種：一種是直擊雷；另一種是感應(yīng)雷。一般說來，直擊雷擊中智能樓宇內(nèi)的電子設(shè)備的可能性很小，通常不必安裝防護直擊雷的設(shè)備。感應(yīng)雷是由雷閃電流產(chǎn)生的強大電磁場變化與導(dǎo)體感應(yīng)出的過電壓、過電流形成雷擊。感應(yīng)雷入侵電子設(shè)備及計算機系統(tǒng)主要通過以下三條途徑：（1）雷電的地電位閃絡(luò)電壓通過接地體入侵；（2）由交流供電電源線路入侵；（3）由通信信號線路入侵。智能大廈的通信線路多由綜合布線系統(tǒng)擔當。綜合布線系統(tǒng)由六個子系統(tǒng)組成：（1）建筑群子系統(tǒng)；（2）設(shè)備間子系統(tǒng)；（3）管理子系統(tǒng)；（4）垂直干線子系統(tǒng)；（5）水平干線子系統(tǒng)；（6）工作區(qū)子系統(tǒng)。下面分析綜合布線系統(tǒng)的防雷保護：（1）建筑群子系統(tǒng)：由連接兩個及以上建筑物之間的纜線和配電設(shè)備組成。若采用光纜作為建筑物間網(wǎng)絡(luò)連接介質(zhì)，不需要安裝避雷器，甚至可以架空鋪設(shè)。若采用雙絞線，則必須穿管埋地敷設(shè)。進入建筑后，采用雙絞線敷設(shè)時，導(dǎo)線必須均敷設(shè)在弱電金屬橋架或金屬管道內(nèi)。金屬橋架和金屬管道與綜合接地系統(tǒng)良好連接，充當導(dǎo)線的屏蔽層，不能與強電導(dǎo)線共用強電金屬橋架或強電金屬管道。（2）設(shè)備間子系統(tǒng)：由進線設(shè)備、程控交換機、計算機等各種主機設(shè)備及其配線設(shè)備組成。它是布線系統(tǒng)最主要的管理區(qū)域，通常分為語音管理和數(shù)字管理兩部分。子系統(tǒng)連接大樓外的各種線路，經(jīng)與垂直干線子系統(tǒng)跳接后，連通各語音管理子系統(tǒng)，為防雷電破壞應(yīng)安裝雷柜作為通信線路的第一級防雷措施。連接進出大樓大對數(shù)地敷設(shè)，以防進出大樓的人感應(yīng)雷電。數(shù)據(jù)設(shè)備管理子系統(tǒng)，即計算機網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備，是采用大對數(shù)雙絞電纜作為傳輸主干纜。需要在機柜中安裝計算機網(wǎng)絡(luò)防雷器，作為計算機網(wǎng)絡(luò)的第一級防雷措施。若采用光纜作為計算機網(wǎng)絡(luò)主干線。則絕對避免了雷電影響，是最好的防雷措施。（3）管理子系統(tǒng)：設(shè)置在各層配線間，由配線設(shè)備、輸入／輸出設(shè)備等組成。管理子系統(tǒng)也分為數(shù)據(jù)和語音兩部分。語音部分采用BIX安裝架固定在墻面上。由接線板、繞線環(huán)等組成，需要安裝信號避雷器作為通信線路的第二級防雷措施。數(shù)據(jù)部分絞線作為垂直主干線，也需要在機柜中安裝信號避雷器作為計算機網(wǎng)絡(luò)的第二級防雷措施，防護因引下線泄放雷電流而形成的電磁場突變所產(chǎn)生的感應(yīng)雷。（4）垂直干線子系統(tǒng)：由設(shè)備間的配線設(shè)備和跳線設(shè)備以及設(shè)備間至各樓層配線間的連接電纜組成。分為語音主干線和數(shù)據(jù)主干線兩部分。語音主干線按照程控交換機和電信系統(tǒng)的標準和做法，采用屏蔽大對數(shù)雙絞電纜，因為管理區(qū)子系統(tǒng)安裝了信號避雷器，所以這部分一般不需要再裝防雷設(shè)備。數(shù)據(jù)主干線如采用大對數(shù)雙絞電纜作為數(shù)據(jù)傳輸主干線，因為已在管理區(qū)子系統(tǒng)安裝了信號避雷器，所以一般也不需要在這部分再安裝防雷設(shè)備。如采用光纜作為計算機網(wǎng)絡(luò)主干線，則絕對避免了由于引下線泄放雷電流而形成的電磁場突變產(chǎn)生的感應(yīng)雷，是最好的防雷措施。（5）水平干線子系統(tǒng)：由連接管理子系統(tǒng)至工作區(qū)子系統(tǒng)的水平布線及信息插座組成。數(shù)據(jù)點和語音點均采用雙絞線敷設(shè)在金屬橋架和金屬管道內(nèi)。由于金屬橋架和金屬管道與綜合接地系統(tǒng)相連，形成了信號線路的屏蔽層。并且在管理子系統(tǒng)中，已備防雷保護裝置，所以在水平干線子系統(tǒng)中不必再加裝防雷裝置。（6）工作區(qū)子系統(tǒng)：由連接在信息插座上的各種設(shè)備組成。連接計算機網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)點由于在管理子系統(tǒng)中已采取了防雷措施，所以在工作區(qū)子系統(tǒng)一般不需要再加裝防雷設(shè)施，若需要利用調(diào)制解調(diào)器通過語音點連接計算機，由于語音線路與外線連接，則有必要安裝信號避雷器。3電氣保護與接地措施在建筑物供配電設(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。對常用的接地方式，分析以下幾種接地系統(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，對人身造成威脅，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)（見圖1）。（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)前面已作分析。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)（見圖2）。（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)（見圖3）。（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（見圖4）。（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），無相電壓（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，因此它是不適用于擁有大量單相設(shè)備的智能化大樓的（見圖5）。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；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；或者干脆把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。下面分析智能化樓宇應(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(dǎo)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。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。（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。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。可采用較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，避免可能會出現(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(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