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建筑电气设计|建筑物电气系统防雷、接地

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防雷接地是为了泻掉雷电电流,而对建筑物、电气设备和设施采取的保护措施。对建筑物、电气设备和设施的安全使用是十分必要的。建筑物的防雷接地系列,一般分为避雷针和避雷线两种方式。电力系统的接地一般与防雷接地系统分别进行安装和使用,以免造成雷电对电气设备的损害。对于高层建筑,除屋顶防雷外,还有防侧雷击的避雷带以及接地装置等,通常是将楼顶的避雷针、避雷线与建筑物的主钢筋焊接为一体,再与地面上的接地体相连接,构成建筑物的防雷装置,即自然接地体与人工接地体相结合,以达到最好的防雷效果。功能性接地(工作接地)

工作接地在电力系统中通常是指变压器中性点的接地方式。电力系统为何要接地?不接地能不能正常运行?从原理上说接地不接地都能正常运行,但是不同的接地方式对系统工作可靠性及安全性有不同的影响。点击了解建筑电气设计培训班详情

所有电气设备的绝缘试验,一定要做对地(对外壳)的绝缘试验,电气设备相对相之间的绝缘耐压一般会高于相对地之间的绝缘耐压,因为相对地之间只隔一层绝缘物,相对相之间隔着两层绝缘物。电气设备固定在地上,对地电压直接决定设备的耐压能力。另外人是站在地上,同时很容易接触到设备外壳,因此设备外壳对地电压高低也是衡量对人身危害程度的标尺,作用在人身上的电压限值在干燥环境条件下不得超过工频有效值50 V。

非功能性接地(保护接地或安全接地)

非功能性接地包括保护接地、等电位联结、辅助等电位联结,主要目的是保护人及设备的安全(电击防护)。保护接地和等电位联结是不同的:保护接地主要目的是为故障电流提供通道,使保护装置迅速动作切断电源从而起到保护作用;等电位联结是尽量减小电位差,以保证人员接触电压和跨步电压处于安全水平;在某些场合保护接地可以起到等电位联结的作用。在GB 16895. 21 – 2011 / IEC 60364 – 4 – 41:2005《低压电气装置 第4 – 41部分:安全保护 电击防护》中,非功能性接地(保护接地或安全接地)被归结为电击防护关于故障保护(间接接触防护)措施之一。

电击防护措施包括:自动断电、双重绝缘或加强绝缘、电气分隔、SELV和PELV特低电压、附加保护,其中的一种或多种组合;自动断电是最常用的一种措施。自动断电包括基本保护和故障保护;基本保护措施主要方法是:基本绝缘。故障保护主要方法是:保护接地和保护等电位联结及在故障情况下的自动切断电源、附加保护,其中等电位联结和自动切断电源是必须的,而附加保护是否需要视具体情况确定。GB / T 17045 – 2008 / IEC 61140:2001《电击防护 装置和设备的通用部分》5. 2. 5条也明确要求:对于电源的自动切断,应设置保护等电位联结系统;而且在基本绝缘损坏时,故障电流动作保护器应能断开设备、系统或装置供电的一根或多根线导体。点击了解建筑电气设计培训班详情

电气设备分为0类、Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类电气设备,只有Ⅰ类设备要求接地。由于Ⅰ类设备量大面广,普遍使用,因此采用断电和等电位措施防电击最简单有效。

这里存在等电位平面在哪里的问题?对于钢筋混凝土的楼房来说,由于钢导体的电阻率很小,建筑物的基础钢筋、墙体内钢筋、楼板钢筋是联在一起的,且密度(面积)很大,各层楼板可以认为是等电位面(其实不等电位,只是电位差很小而已)。PE线做了总等电位后,设备金属外壳只与PE连接就可以给保护装置提供大的电流通路满足切断电源需求,同时也满足了等电位要求。因此各层楼板上的电气设备接PE线就可以了。

但是对于一些特殊场所如带有淋浴的卫生间、游泳池、桑拿房等,由于人体接触电阻下降,所能承受的电压降低,因此应做辅助等电位联结。也就是电源PE线、设备外壳、金属管道、楼板应在卫生间人体伸手可触及的局部范围内再做等电位联结。

对于与大地直接接触的地下室地板上的电气设备,由于人体可能处于接地网孔中(不在等电位面上),为安全起见,设备外壳除与PE线连接外,可以再次与地板钢筋联结。

对于没有钢筋混凝土的建筑物,如单层厂房、单层砖混结构的普通民居等场所,由于没有钢筋做等电位平面,人体所处的地面与电源PE线的接地点相距甚远,大地的电阻率比较大,不能认为大地就是等电位面,应做接触电压及跨步电压计算。为方便设计,不做接触电压及跨步电压计算,宜做人工接地(均压)网和辅助等电位联结。此时的PE线应就近接地(均压)网或设备外壳应再次与接地(均压)网联结。

根据GB / T 50065 – 2011《交流电气装置的接地设计规范》4. 2. 2条条文说明:通过人体电流的短时间t内,体重50 kg的人承受的最大交流电流有效值

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体重70 kg的人承受的最大交流电流有效值

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长时间作用在人身上的电压小于50 V(通过电流33 mA)是安全的。出现接地故障时人体是否安全,小电流接地系统按照长时间接触验算;大电流接地系统按照短时间接触验算。

保护接地是为了电气安全,将系统、装置或设备的一点或多点接地。

接地电压是电气设备发生接地故障时,其接地部分与大地零电位之间的电位差。

转移电压是接地故障电流流过接地系统时,由一端与该接地系统连接的金属导体传递的接地系统对参考地之间的电位差。

接触电压是接地故障电流通过接地装置时,地表面形成电位分布,设备垂直距离2 m和地面水平距离1 m处之间的电位差。此处1 m处容易误导,设备往往距离其接地装置相当远,用接地线连接的设备外壳电位与接地装置一样,虽然人距离设备水平距离1 m,实际人与设备外壳的电位差应是人与接地装置之间的电位差了。绝不是1 m的电位差。

跨步电压是接地故障电流通过接地装置在地面水平距离为1 m的两点之间的电位差。

人体能够承受的电压不仅与电流,还与人体电阻有关,人体电阻变化范围很大,我国采用1. 5 kΩ作为参考值,人体单脚接地等效金属圆盘电阻为3 ρ(ρ为土壤电阻率)。在正常情况下,长时间作用于人体电压以工频50 V为限值。因此是否危及人身安全均以能否在人身上产生工频50 V电压来讨论。

值得注意的是,接地电压和转移电压并不一定是作用在人身上的电压,通常用来校核电气设备绝缘的承压能力。但是在没有做电位均衡或等电位联结的场合,接地电压和转移电压可能就是作用在人身上的电压。接触电压和跨步电压则是用来校核人体承受的电压,在做保护计算时通常要考虑接地电压、转移电压、接触电压、跨步电压。

对相关问题的理解

  • 埋入混凝土基础内接地极与室外接地极连接可能出现的腐蚀问题

GB / T 16895. 3 – 2017 / IEC 60364 – 5 – 54:2011《低压电气装置 第5 – 54部分:电气设备的选择和安装 接地配置和保护导体》附录C. 3. 7规定:“单一基础(例如大楼建筑)的埋入混凝土基础内接地极,采用适当的接地导体宜连接到埋入混凝土基础内接地极的其它部位。对埋在土壤内此种连接见C. 4。”

附录C. 4规定:“应注意到埋入混凝土内的普通钢材(裸露或热浸镀锌)与埋入土壤内铜材的电化学电位相等。因此,对埋入基础附近土壤内的钢材与埋入混凝土基础内的接地极钢材的不同接地装置部分出现电化学腐蚀危险。此作用也可在大的建筑物钢筋基础内产生。

任何钢质接地极不应直接从混凝土基础进入土壤,除非接地极由不锈钢制作或采用适当的防潮措施。表面热浸镀锌或涂漆或其它措施,此后发现其防腐蚀的效果不够好。在此建筑物周围或附近宜采用非热浸镀锌钢材作附加的接地装置,为使接地装置本部分提供足够的使用寿命。”点击了解建筑电气设计培训班详情

笔者理解:GB / T 16895. 3 -2017所说的“任何钢质接地极不应直接从混凝土基础进入土壤,除非接地极由不锈钢制作或采用适当的防潮措施”应该是由混凝土基础中的钢筋引至室外接地极的连接线由不锈钢制作或采用适当的防潮措施。因为基础中的钢筋肯定是钢制的,而室外的接地极是埋入土壤内的接地极,根据GB / T 16895. 3 – 2017 D. 3. 1对接地极组成部件规定,一般可以是热浸镀锌钢(钢制的)。因为埋入混凝土内的普通钢材(裸露或热浸镀锌)与埋入土壤内钢材的电化学电位不相等(混凝土内的钢筋电极电位高于混凝土外的钢质材料),这两套接地极存在电位差,容易产生原电池效应腐蚀阳极。因此连接线用不锈钢制作或采用适当的防潮措施。

问题是两套电化学电位不一致的接地极通过不锈钢的连接线连接就可以解决电化学腐蚀吗?如同将干电池的正负极通过一段耐腐蚀的导体连接就可以使电池的锌板不腐蚀一样,那是不可能的。解决办法一是采用同等电极电位的接地极,就是埋在土壤中的人工接地极采用铜接地极系统;二是牺牲阳极保护阴极,混凝土中的钢筋不便于更换维修,应予保护。

GB 16895. 3 – 2004 / IEC 60364 – 5 – 54:2002(已废止)图B. 54. 1中:T1是基础接地,是基础内的钢筋不存在引出钢制接地极至土壤的问题;T2是防雷装置的接地极,图中没有给出如何与室外接地极联结的具体做法。防雷引下线通常就用柱内钢筋,接地装置用基础钢筋。T1、T2如何与室外接地极连接,GB 16895. 3 – 2017没有给出做法。

笔者建议在混凝土中的钢筋做接地装置不能满足接地电阻要求、需要增打人工接地极系统时,可以采用钢质材料。连接处可适当放大接触面积,例如可采用预埋联结钢板焊接后防腐的办法,同时适当加大接地极截面。由于电化学腐蚀不可避免,因此允许阳极损失,应加强维护,定期检查和更换人工接地极系统。

  • 单体建筑物总接地端子箱数量和PE线可否为等电位联结线问题

GB / T 16895. 3 – 2017规定:“542. 4. 1 在采用保护等电位联结的每个装置中都应配置总接地端子,并应将下列导体与其连接:

—— 保护联结导体;

—— 接地导体;

—— 保护接地导体;

—— 有关的功能接地导体。

注1:当保护导体已通过其它保护导体与总接地端子连接时,则不需要把每根保护导体直接接到总接地端子上。

注2:建筑物的总接地端子,通常可用于功能接地的目的。对信息技术目的,它被认为是对地的连接点。

多个接地端子配置场所,其接地端子应相互连接。”

GB 16895. 21 – 2011 411. 3. 1. 2保护等电位联结规定:“每个建筑物内的接地导体、总接地端子和下列可导电部分应实施保护等电位联结:

—— 进入建筑物的供应设施的金属管道,例如燃气管、水管等;

—— 在正常使用时可触及的装置外可导电结构、集中供热和空调系统的金属部分;

—— 便于利用的钢筋混凝土结构中的钢筋。

从建筑物外进入的上述可导电部分,应尽可能在靠近入户处进行等电位联结。”

规范要求自建筑物外进入的可导电金属管道可能会在不同方向、不同位置,要求就近进行等电位联结,可以看出,单体建筑物的总接地端子是可以根据需要设置一个或多个。总等电位联结有别于变压器中性点接地,并不会因为有多个总接线端子箱导致电力系统正常工作时出现杂散电流。

建筑物只设一个或极少个MET(总接地端子),是默认在钢筋混凝土的建筑物所有构造内的金属物体是连通的基本等电位(其实不等电位,只是金属阻抗远小于接地电阻,电位差很小)。当PE线做了总等电位联结后,楼层上的电气设备外壳接上PE线,可以认为实现了等电位联结。对某些特殊场所例如洗浴间,由于人体潮湿可耐受的接触电压降低,故障情况下PE线阻抗引起的压降不能忽略,一般不可以认为PE线接外壳就是等电位联结,宜设LEB联结防止PE金属导线上压降超过允许的接触电压。

TN系统设有专用PE线是为了提供大的电流通道,以利于保护装置快速跳闸,因此PE线的截面应做热稳定校验。因为已经考虑到专用PE线的通流能力,因此没有必要再去核定LEB线或另外敷设的保护连接导体(等电位接地线)的载流能力。这些导体其实是与保护接地线PE线并联的。

TT系统、IT系统同样有PE线,但是出现接地短路故障或出现设备外壳带电情况时通过的电流远小于TN系统。PE在这里主要是起等电位联结线的作用。

  • 接地母线、接地干线、接地支线的区别与作用

母线是在同一个设备内用于汇集多个支路电流的金属导体。母线通常采用金属母排,截面大、载流量大,端子安装方便,母排上各点等电位。母线进出线通常设有保护装置。

干线(支干线)是设备或装置之外母线的延伸,截面大、距离长,为多个支路提供汇流,一般为树干式线路。干线通常采用大截面的电缆、封闭母线或裸母线。干线由于距离长,各点电位不一定相等。

支线是由干线引出接末端设备的线路,截面小于干线,一般为放射式线路。支线由于距离长、截面小,各点电位不一定相等。

配电系统中的母线,是指在网路中的节点处多个线路的集合点,通常用较大面积的金属导体做联结,该导体称之为母线,母线两侧设有保护装置(例如配电屏中的母线),而配电屏引出线虽然有些截面很大,也只能叫干线。母线主要是对线路而言,将故障电流分为母线到线路和线路到母线,可以方便地实现有选择性的保护。

接地系统中所有的线路要保持连接,不设保护装置,没有选择性要断开哪一路接地线的问题,因此接地母线和接地干线没有本质区别,只是一个连接方式或连接导体截面大小而已。

  • 建筑物屋顶设备外壳接接闪带、地下室内设备外壳接基础钢筋释疑

屋顶设备外壳接接闪带是为了防雷;地下室内设备外壳接基础钢筋是为了等电位联结。楼层上的电气设备是通过楼板钢筋(等电位体)与大地联结,不直接与大地连接。而地下室地板上的电气设备,有可能直接和大地接触,由于人体可能处于接地网孔中(不在等电位面上),为安全起见,设备外壳除与PE线连接外,可以将其再次与地板钢筋联结。

  • 局部等电位联结与辅助等电位联结的关系

图1、图2是国标图集15D502《等电位联结安装》给出的局部等电位联结和辅助等电位联结做法。

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综合以上两图,局部等电位联结与辅助等电位联结并无本质区别。从安全角来说,以往的局部等电位联结(图1)使局部区域的各种电气设备外壳和楼板钢筋再次等电位,更具有安全性。辅助等电位联结(图2)认为做了总等电位全建筑就是等电位了,因此辅助联结没有将楼板钢筋再次等电位联结。但是对于潮湿的特殊场所,由于PE线来自局部区域以外配电箱,可能距离长会有较大的压降,不一定能够保证接触电压满足要求,因此要做局部等电位,LEB联结接触电压要比MEB联结接触电压小。在考虑电击防护时不能认为楼板的混凝土是绝缘体,在潮湿的特殊场所无论人是否直接接触到楼板钢筋,楼板钢筋都应做辅助等电位联结。点击了解建筑电气设计培训班详情

需要指出,建筑物的结构承力构件和水管与LEB联结是为了做等电位联结,不是要将这些金属物作为接地连接线。

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