智能建筑设备的电气保护与接地初探

1、智能建筑设备的电气保护与接地初探周升建（上海市机电设计研究院，上海200040） 摘要：在供配电系统中，用电的可靠性极其重要供配电系统中合理的接地系统是决定供电系统安全可靠的重要因素，对于功能的实现往往依赖用电设备安全运行的智能建筑来说，用电可靠性尤为重要智能建筑中安装大量不同类型的智能设备，因而选择一个合适的设备接地系统类型对于供配电系统的安全可靠具有重要意义 关键词：智能建筑；电气保护；接地系统 引 言智能建筑并不是特殊的建筑物，而是以最大限度激励人的创造力、提高工作效率为中心，配置大量智能型设备的建筑此类建筑广泛应用数字通信技术、控制技术、电视技术、光纤技术、传感技术及数据库技术等高新技

2、术，构成各类智能化系统就目前来说，智能建筑的核心可归纳为以下6个方面： 1通信网络系统（CNS）； 2办公自动化系统（OA）； 3建筑设备监控系统（BA）； 4安全防范系统（SA）； 5综合布线系统（GCS）； 6建筑物管理系统（BMS）实现上述系统配置须安装大量诸如数字交换、空调、冷热源、照明、电梯、火灾报警设备，以及防盗报警监视、联动管理计算机等设备，而这些设备几乎全部需要供电后才能正常运行因此，必须保证智能建筑物供配电系统的安全可靠在任何建筑物供配电设计中，接地系统设计占有十分重要的地位，因为它关系到供电系统的可靠性、安全性不管哪类建筑物，在供电设计中总包含有接地系统设计，而且随着对建筑

3、物的要求以及各类设备功能的不同，接地系统也相应不同，尤其在进入20世纪90年代后，随着大量智能化楼宇的出现，对接地系统设计提出了许多新的要求智能建筑中安装大量的自动化设备，其运行及控制的核心部件大部分为计算机类型的电子设备，因此，在电源与接地问题上必须考虑以下两个问题：1电磁兼容指智能建筑物中大量电子设备或系统必须在其电磁环境中能正常运行，且不对该环境中任何其他设备构成不能承受的电磁干扰；2过电压保护电子设备（计算机通讯网络接口及数字逻辑控制设备）对电源干扰与电压波动十分敏感，其电源干扰一般以“共模”或“差模”方式存在，共模干扰指由电源与大地、或中性线与大地之间的电位差引起的干扰，差模干扰存在

4、于电源相线与中性线之间，对三相电源来说，还存在于相线之间因此，在智能建筑设计中必须在滤波、接地、屏蔽、抗电源干扰方面下功夫在常用的几种接地方式中，哪一种接地方式能够适合智能化楼宇，本文将作初浅的探讨 1接地系统的分类、基本特点及分析接地系统可分为TNC系统、TNCS系统、TNS系统、TT系统和IT系统等，它们各有特点11TNC系统TNC系统被称之为三相四线系统，该系统中性线N与保护接地PE合二为一，通称PEN线这种接地系统虽对接地故障灵敏度高、线路经济简单，但它只适用于三相负荷较平衡的场所智能化大楼内的单相负荷往往所占比重较大，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的由于荧

5、光灯、晶闸管（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电压波动，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这不但会使设备外壳（与PEN线连接）带电，对人身造成不安全，而且也无法取到一个合适的电位基准点，使精密电子设备无法准确可靠运行因此，笔者认为TNC接地系统不能作为智能化建筑的接地系统TNC系统示意图见图112TNCS系统TNCS系统由两个接地系统组成：其一是TNC系统；其二是TNS系统分界面在N线与PE线的连接点该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TNC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TNS系统

6、对TNC系统前面已作分析TNS系统的特点是：中性线N与保护接地线PE在进户时共同接地后，不能再有任何电气连接该系统中，中性线N常会带电，保护接地线PE没有电的来源PE线连接的设备外壳及金属构件在系统正常运行时，始终不会带电因此，TNS接地系统的安全性明显提高只要我们同时采取各自都从接地体一点引出的接地引线措施，并选择正确的接地电阻值使电子设备共同获得一个等电位基准点，那么，TNCS系统可以作为智能型建筑物的一种接地系统TNCS系统示意图见图213TNS系统TNS是一个三相四线加PE线的接地系统通常建筑物内设有独立变配电所时，其进线采用该系统TNS系统的特点是：中性线N与保护接地线PE除在变压器

7、中性点共同接地外，两线不再有任何的电气连接中性线N是带电的，而PE线则不带电该接地系统完全具备安全和可靠的基准电位只要采取像TNCS接地系统同样的技术措施，TNS系统可以用作智能建筑物的接地系统如果对计算机等电子设备没有特殊的要求，即指对这些设备本身未指定接地形式，一般都可采用这种接地系统TNS系统示意图见图314TT系统通常称TT系统为三相四线接地系统该系统常用于来自公共电网的建筑物供电设备TT系统的特点是：中性线N与保护接地线PE无一点电气连接，即中性点接地与PE线接地是分开的该系统在正常运行时，不管三相负荷平衡不平衡，在中性线N带电情况下，PE线不会带电只有当单相接地发生故障时，由于保护

8、接地灵敏度低，故障不能及时切断，设备外壳才可能带电正常运行时的TT系统类似于TNS系统，也具有较高的安全性，并能取得合格的基准接地电位随着大容量漏电保护器的出现，该系统会越来越广泛地作为智能型建筑物的接地系统由于公共电网的电源质量不高，难以满足智能化设备的要求，因此，TT系统很少被智能化大楼采用TT系统示意图见图415IT系统IT系统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各自独立接地该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流，系统可以照常运行缺点是不能配出中性线N因此，该系统不适用于拥有大量

9、单相设备的智能化大楼IT系统示意图见图52 智能建筑应采用的接地系统 智能建筑中用电设备有以下特点： 1在智能化大楼内，单相用电设备较多，单相负荷比重较大，三相负荷通常是不平衡的，因此，在中性线N中带有随机电流；2由于大量采用荧光灯照明，其所产生的3次谐波叠加在N线上，加大了N线上的电流量，如果将N线接到设备外壳上，会造成电击或火灾事故；3在TNS系统中将N线与PE线连在一起再接到设备外壳上的危险更大，凡是接到PE线上的设备，外壳均带电，并会扩大电击事故的范围；4智能化楼宇内，要求保护接地的设备非常多，有强电设备、弱电设备，以及一些正常情况下不带电的导电设备与构件，对这些设备均必须采用有效的保

10、护接地措施将TNC系统中的N线同时用作接地线，或者在TNS系统中将N线与PE线接在一起，再连接到底板上去，或不设置电子设备的直流接地引线，而将直流接地线直接接到PE线上，或者干脆把N线、PE线、直流接地线混接在一起这将使接在N线上的弱电设备受到三相不平衡电流引起的电击或火灾，而且将会使其受到干扰无法正常工作因此，智能建筑的接地系统通常应采用TNS系统，且智能建筑弱电接地系统应在弱电竖井内设有单独接地干线PE2，将弱电设备的保护接地和工作接地线与接地干线相连智能建筑TNS系统示意如图6所示图6中：PE1强电保护接地干线； PE2弱电保护接地干线； SE弱电系统工作接地； PE保护接线.3智能化楼

11、宇的各种接地措施智能建筑除应设置电子设备的直流接地、交流工作接地、安全保护接地，以及与普通建筑一样的防雷保护接地外，在智能化楼宇的设计和施工中，还应考虑防静电接地和屏蔽接地的要求这是因为智能建筑内大多设有具有防静电要求的程控交换机房、计算机房、消防和火灾报警监控室，以及大量易受电磁波干扰的精密电子仪器设备等，其各种接地方式均有特殊的要求，需要采取特殊的措施31防雷接地智能化楼宇内有大量的电子设备，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，以及各自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、吊顶内几乎被各种电线布满

12、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不管是直击、串击、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，智能化楼宇的所有功能接地，必须以防雷接地系统为基础，并建立严密、完整的防雷结构智能建筑多属于一级负荷，应按一级防雷建筑物的保护措施设计，接闪器采用针带组合接闪器，避雷带采用254mm镀锌扁钢，在屋顶组成小于等于1010m的网格该网格与屋面金属构件作电气连接，与建筑柱内钢筋作电气连接，引下线利用柱内主钢筋，相互之间的距离不小于规定标准当然引下线多，分流效果好，每根引下线雷电流就小引下线长，可在中间部分增加均压环

13、，以减少引下线电感，降低反击电压圈梁钢筋、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，柱内钢筋与接地体连接，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导致的楼内设备的损坏，而且还能防止外来电磁的干扰各类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当防雷装置与电气设备的工作接地合用一个总的接地网时，接地电阻应符合其最小值要求32交流工作接地 工作接地主要指的是变压器中性点或中性线（N线）接地N线必须用铜芯绝缘线在配电中存在辅助等电位接线端子，等电位接线端子一般均在箱柜内必须注意，该接线端子不能外露，不能与其他接地系统，如直流接地、屏蔽接地、防静电接地

14、等混接，也不能与PE线连接在高压系统里，采用中性点接地方式可使接地继电保护准确动作并消除单相电弧接地过电压中性点接地可以防止零序电压偏移，保持三相电压基本平衡，这对于低压系统很有意义，可以方便使用单相电源33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，强电设备、弱电设备，以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当没有进行安全保护接地的电气设备的绝缘损坏时，其外壳有可能带电，如果人体触及此电气设备的外壳就可能被电击伤或造成生命危险在中性点直接接地的电力系统中，接地短路电流经人身、大地流回中性点；在中性点非直接接地的电力系统中，接地电流经人体流入大地，并经线路对地电容

15、构成通路，这两种情况都能造成触电事故如果装有接地装置的电气设备的绝缘损坏使外壳带电时，接地短路电流将同时沿着接地体和人体两条通路流过，即IdIdIR我们知道，在一个并联电路中，通过每条支路的电流值与电阻的大小成反比，即：接地电阻越小，流经人体的电流越小，通常人体电阻要比接地电阻大数百倍，经过人体的电流也比流过接地体的电流小数百倍；当接地电阻极小时，流过人体的电流几乎等于零即IdId实际上，由于接地电阻很小，接地短路电流流过时所产生的压降很小，所以设备外壳对大地的电压是不高的人站在大地上去碰触设备的外壳时，人体所承受的电压很低，不会有危险加装保护接地装置并且降低它的接地电阻，不仅是保障智能建筑电

16、气系统安全和有效运行的重要措施，也是保障非智能建筑内设备及人身安全的必要手段34直流接地在一幢智能化楼宇内，包含有大量的计算机、通讯设备和带有电脑的自动化设备这些电子设备在输入信息、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需要通过微电位或微电流快速进行，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，也严禁与N线连接35屏蔽接地与防静电接地在智能化楼宇内，电磁兼容设计是非常重要的，为了避免

17、设备的机能障碍，甚至损坏，构成布线系统的设备应当能够防止内部自身传导和外来干扰这些干扰的产生或者是因为导线之间的耦合现象，或者是因为电容效应或电感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，以免受来自各种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，电源线最好使用金属管并良好接地室内屏蔽也应与PE线多点可靠连接此外，防止静电干扰也很重要在洁净、干燥的房间内，人的行走、移动设备，及其各自摩擦均会产生大

18、量静电例如在相对湿度1020的环境中人的行走可以积聚35kV的静电电压，如果没有良好的接地，不仅会产生对电子设备的干扰，甚至可能将设备芯片击坏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防静电接地要求在洁静干燥环境中，所有设备外壳及室内（包括地坪）设施必须均与PE线多点可靠连接各接地系统示意如图7所示36接地电阻智能化楼宇的供电接地系统宜采用TNS系统，按规范宜采用一个总的共同接地装置，即采用统一接地体统一接地体为接地电位基准点，由此分别引出各种功能接地引线，利用总等电位和辅助等电位的方式组成一个完整的统一接地系统智能建筑接地装置的接地电阻越小越好：独立的防雷保护接地电阻应小于等于10；独立的安全保护接地电阻应小于等于4；独立的交流工作接地电阻应小于等于4；独立的直流工作接地电阻应小于等于4；防静电接地电阻一般要求小于等于100通常情况下，统一接地系统可利用大楼的桩基钢筋，基础钢筋、承台钢筋作为自然接地体，框架柱钢筋与基础承台钢筋用电气焊接作为引下线（截面应大于100mm2）根据规范，该系统与防雷接地系统共用，其接地电阻应小于等于1若达不到要求，必须增加人工接地体或采用化学降阻法，使接地电阻小于等于137等电位连接等电位是使建筑物内部的各种部位电位都相等，以保证建筑物内不会产生反击电压和危及人身安全的接触电压总等电位连