高层建筑电气设计之接地策略

【摘 要】出于对建筑物、电气设备、人员安全及检测参考指标的考虑，加之地球本身是一个优良的等电位体， 高层建筑电气设计中接地设计是非常重要的设计环节。本文就高层建筑自身钢构在接地设计中的利用、防雷击、防过电压反击、防电气火险及接地系统的检查维护展开讨论，阐述了高层建筑电气设计中的基本接地策略。

【关键词】接地；防雷；建筑钢构；过电压反击；接地电阻

由于地球非常巨大，与一般物体相比，可以认为是无限大的。所以，无论多大量的电荷接入也可以经它分散，且不会使整个地球的电势改变。电气设计上常以地球作为零电位参考系。接地就是在两个不同系统之间（或者某一系统与一个参考点之间）建立一个电通路。在电气系统或电子系统中，“地”一般有两种含义：一种是地球，另一种是“系统零电位基准地”。通常我们将“地”作为系统的零电位点。接地线称作“零线”就是这个来历。理想的“地”应该满足零电势、零阻抗、抗一切干扰等优良性质的理想导体。接地一般有两个目的：一是，为了安全因素，像防雷接地、保护接地等都是这个目的，称之为保护地。二是，为电气系统提供稳定的零电位参考点。称为系统地或信号地。从精确角度讲大地电位实际上同海面高度一样，永远在变化之中。当大地上某两点之间存在电压时，两点电位差随着电荷的运动理应瞬间达到平滑状态，且电位稳衡归零。但实际上由于大地电导率差，并且有静电电容，所以从两点有电压到零电位差总会需一段时间。从高层建筑内人员的安全考虑，即使是被认为几乎零值的微小电位变化，在很多情况下也会起举足轻重的作用。因此当各设备分别接地时，决不能认它们的接地点就真是同电位的。特别是高压大功率设备，两个设备接地点电位差可能十分显著。就是说，单点接地时，大地可视为零电位基准；不同电位系统分别接地时，两接地点之间小范围形成了电场干扰源。另外，在一个系统内部，两个不同电位子区分别接地时，两接地点会直接流过电流，这种电流会有很多消极影响。所以接地设计实践中，人们常常采取一点接地。

现代高层建筑多为钢筋混凝土灌注而成的整体承重框架结构。其中的钢筋网络在宏观上已经起到接地作用，但遭遇猛烈电击时，会产生过电压反击现象。像自然界的雷电，其放电功率巨大，这时的过电压反击的危害作用不可小觑，它能给高层建筑中的电气设备带来巨大影响，有些对脉冲电击十分敏感的设备在雷击时可能默认雷电为脉冲指示信号而出现误操作或自毁。另外从高层建筑内部人员安全看也必须采取措施。最好的方式就是接地。因此，从安全角度考虑，接地策略还须另行补充。

为保险及抗噪音电磁场，接地类型一般有三种：一点安全接地、环状功率接地及信号混合式接地。三种接地型功能不同。从接地功能上讲又分为避雷接地、作业接地及保护接地。实际设计中，应根据建筑及设备的具体情况精心设计搭配。

1）接地设计时应充分利用建筑钢结构的分流作用

接地引线常常顺势由建筑钢结构充当，但配电用低压系统的PE线在高层楼内禁止接地，不然一旦它和建筑避雷接地线路混合，在设备外壳单相短路时，将会波及整个钢构及接地风管，这个危险程度就太高了。一般设计者常采用在钢管中另穿一根保护接地线（专用），钢管接地，电缆外皮也接地，既保证了钢管的屏蔽地位，又实现保护接地。即安全实用两不误。当楼基电阻不能适应工作接地要求时，可人工另行构建接地体作避雷接地电极，其他允许的情形则就选择楼基作为接地极。

高层建筑一般利用桩基钢构作为一体化天然接地体。这种策略一方面可以充分利用现有资源减小工程预算，另一方面方便施工、接地效果还好。在设计时有以下几个要点：（1）外圈桩基及地梁钢构必须形成闭环。若没有地梁钢构可用时，应采用40mm×4mm扁型镀锌钢件作为连接体，确保高层建筑外边敷设体呈水平闭合环状接地体。有地梁钢构时，可以让全部桩基与水平闭环连接。（2）接地系统所用钢筋仅一根时，直径应不小于10mm。一般情况下采用地梁底部两根主钢筋接地（钢筋直径应超过12mm）。（3）基础内钢钢构接地体应被确保深埋，一般距地面应大于0.5m。（4）基础地梁钢构避雷接地体工作电阻应小于10Ω。电位差是接地设计中的重要参考指标，杜绝引入高电位。高层建筑输入线路尽可能采用地下电缆模式，如果实在无法避免使用架空线，应在楼外至少50m处就得改用电缆线，同时务必确保绝缘子脚、避雷线路及电缆金属外皮全部接地，且冲击电阻不得超过10Ω。

2）避雷设计

高层建筑电气设计不能回避自然界中的雷击。防雷接地是高层建筑接地系统十分重要的组成部分。它的主要意义是在雷电击中建筑物时，安全有效地将雷击电流导入大地，避免瞬时电流脉冲伤害建筑物、设备及人员。雷击瞬间电流一般可达几万至几十万安培，如此强大的电流所产生的感应电动势可达几万至几十万伏特。 这就要求建筑物设备具有均压、等电势及复层屏蔽避雷结构。

作为接地引线的建筑钢构要有不少于两根钢管或钢筋电连通，上端引出与避雷闪接器相连，下端与地下基础钢构接地体相连。同时，使尽可能多的主体钢构网连同，使整个建筑钢构在避雷设计中成为一个整体。垂直雷击的防护一般都受到了重视，但是侧面雷击也不能大意。离地30m以上的建筑部分，每隔三四层就应围设避雷带，所谓的避雷带是水平环建筑的。避雷带一般设在建筑涂抹层内部，各环避雷带应与下引线连接起来。

3）规避过电压反击现象

防过电压反击的基本原则是等位连接。绝对等位连接是不可能的，近似等电位连接也可以达到要求。接地设计是系统工程，是由引线、桥接线、等势板、接地线以及接地极等多个部分构成，每个环节的故障都会使接地系统的效果偏离预期。高层建筑电气设计一般都有竖井结构。竖井内要装有三孔单相插座、主接地线及接地端口，等电位连接是关键。垂直电缆内主接地线长度应小于20m，同时还要同近处楼板钢筋连通，当然也得是等电位。桥架、支架及输入、输出电缆应安全接地。垂直布设的电缆应该设置在竖井屏蔽结构中，各层竖井街头宜相互并联，使电阻值竟可能小，同时还可以增强屏蔽作用。

由于高层建筑物内部钢构大多已同避雷设施的接地体连通，所以为防止过电压反击，应将高层建筑物内部一切金属管道、金属构建及金属支架等电位地同避雷接地装置连通。

4）电气设计当然也要注意防止电气设备引起的火灾和电击

高层建筑内部消防设施供电主线及分线，一般采用耐火绝缘铜芯。分线和控制线在同一个防火区且线路有效长度较短时应注意防火，同主线相比，一般降一级选材。耐火绝缘铜芯电缆在竖井内敷设时可以不穿导管，但必须与非消防用电路隔离。明敷、吊顶内敷或架空板内敷，应该穿导管或采用封闭槽，封闭槽影视金属的，且要涂抹防火涂料。涂抹层厚度要大于20mm。高层建筑电气设计接地线应采用TN-S系统，即工作零线CN和保护接地线PE应分开敷设。

5）接地装置的检查与维护

接地系统是否正常工作，直接关系人员及电气设备的安全，考虑到装置常处于外力作用之下及材料的老化问题，应定期检查和维护各类接地装置。特殊情况下，还要进行突击检查和维护。接地装置检查维护的周期一般是：配电所接地网或工厂车间接地系统，每年要进行一次接地电阻测量，并对比之前测量值，分析其差异及引起差异的原因。其他接地装置，则应每两年进行一次测量。检查维护过程中一般要关心下述指标：接地线是否已被严重腐蚀、是否有折叠或断裂；接地支线与干线的连接是否依旧牢固可靠；接地点土质是否有松动；接地体复式接地线及其连接处是否无损；明设部分接地线、零母线上的涂层是否完好等等。此类指标若有异样应及时修复并做好变更、检修等各项作业记录。

以上是高层建筑接地策略的简单探讨。在具体的高层建筑电气设计中，还应根据特殊需要进行特殊设计。总之高等建筑电气设计中，接地设计是重中之重，任何时候都应谨慎行事。

【参考文献】

[1]杨升平.电气工程的现场安装及设计技巧[J].技术与市场，2013（1）.

[2]严威.电气工程管理措施探讨[J].淮海工学院学报：社会科学版，2011（3）.

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