知识普及：浅谈智能建筑弱电工程防雷接地

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[摘要] 目前在智能建筑弱电工程中一些工程商及业主往往忽视防雷接地，给工程遗留下安全隐患；鉴于大多从事智能建筑弱电工程的工程商来自与IT行业的转型，不太了解弱电工程防雷接地技术及施工，本文较深入地探讨了智能建筑弱电工程防雷接地设计和施工，供相关工程商及技术人员参考，以起抛砖引玉之效。
[关键词] 智能建筑 弱电 防雷 防浪涌
一、概述
雷电是一种自然放电现象。由于雷电放电电压高、放电时间短，它的产生人类目前无法控制。雷云的生成、移动、放电的整个过程伴随多种物理效应，如：静电感应、高温高热、电磁辐射、光辐射等；这些物理效应的共同作用已严重危害室内弱电设备的安全运行，甚至危及工作人员的安全。雷电灾害严重性还表现在波及面广，主要有两个方面的因素，首先积聚大量电荷的雷云有较大的活动范围及其放电过程的辐射范围可覆盖达几十公里的范围，其次地面各种网络（电力、通信等网络）的相互渗透、错综复杂，使雷电灾害的范围进一步扩大。
在雷击中心数公里范围内都可能产生危险过电压，损害线路上的设备。
随着现代电子技术的蓬勃发展，大量的微电子设备（系统）得以在工业控制中应用和联网。由于其元器件的集成度愈来愈高，信息存储量愈来愈大，速度和精度不断提高，但工作电压仅有几伏，信息电流仅有微安级，因而对外界干扰极其敏感，对雷电等电磁脉冲和过电压的承受能力相对脆弱，同时网络广域化又增大了系统（设备）受干扰的可能性。当雷电等引起的过电压和伴随的电磁场强度达到某一阀值时，轻则引起系统失灵（误动、信息丢失、特性变坏、运行不稳定等），重则导致整个电子系统或其元器件永久性损坏。据统计，雷电其中又以雷击电磁脉冲为电子系统事故的主要祸害，且有逐年上升的趋势。因而，电子系统（设备）特别是网络信息系统（设备）必须实行雷电过电压防护。鉴于上述原因，在智能建筑弱电工程中必须考虑过电压防护。
二、防雷接地要求
机房或设备间的接地，按其不同的作用分为直流工作接地、交流工作接地、安全保护接地。此外，为了防止雷电的危害而进行的接地，叫做防雷保护接地；为了防止可能产生聚集静电荷而对用电设备等所进行的接地，叫做防静电接地；为了实现屏蔽作用而进行的接地，叫做屏蔽接地或隔离接地。
智能建筑弱电工程综合布线接地要与设备间、配线间放置的应用设备接地系统一并考虑。符合应用设备要求的接地系统也一定满足综合布线接地的要求。
埋入土壤中或混凝土基础中作散流用的导体称为接地体。从引下线断接卡或换线处至接地体的连接导体称为接地线。接地体和接地线统称为接地装置。在接地装置中，用接地电阻来表示与大地结合好坏的指标。上列各种接地的接地电阻值必须参照国家标准2887-89《计算站场地技术要求》中的规定。
接地就以接地电流易于流动为目标，因此接地电阻越低地电流越容易流动。综合布线的接地希望尽量减少成为干扰原因的电位变动，所以接地电阻越低越好。
在处理微电子设备的接地时要注意下述两点：
1. 信号电路和电源电路，高电平电路和低电平电路不应使用共地回路。
2. 灵敏电路的接地，应各自隔离或屏蔽，以防地回流或静电感应而产生干扰。
三、电缆接地
在建筑物入口区，高层建筑物的每个楼层配线间，以及每个二级交接间都应设置接地装置，并且建筑物的入口区的接地装置必须位于保护器处或尽量接近保护器。干线电缆的屏蔽层必须用4mm2多股铜线焊接到干线所过的配线间或二级交换间的接地装置上，而且干线电缆的屏蔽层必须保持连续。
建筑物引入电缆的屏蔽层必须焊接到建筑物入口区的接地装置上。
各配线间或二级交接间的接地线应用一根多股铜芯接地母线焊起来，再接到接地体。接地用线应尽可能位于建筑物的中心部位。面积比较大的配线间、设备间放置的应用设备又比较多，接地线这应采取格栅方式，尽可能使配线间或设备间内等电位。非屏蔽干线电缆应放在金属线槽或金属管内。金属线槽（管）接头应连接牢固，保持电气连通，所经过的配线间用6mm2辫式铜带连接到接地装置上。
接地电阻值应根据应用系统的设备接地要求来定。通常，电阻值不宜大于1Ω。当综合布线连接的应用设备或邻近有强电磁场干扰，而对接地电阻提出更高的要求时，应取其中的最小值作为设计依据。
接地装置的设计可参照国家标准GB50174-93《电子计算机机房设计规定》有关条款执行。高层建筑物的每个二级交接间都应设置接地装置。在建筑物入口处的接地装置上用直径5mm多股铜芯线把入口电缆的屏蔽层与保护器地片焊接在一起。在楼层配线间必须把电缆的屏蔽层连至合格的配线架（柜）接地端。屏蔽层在配线间接地时，在进入或离开屏蔽的电缆之处，采用直径为4mm的多股铜芯线把电缆的屏蔽层焊接到合格的配线间接地端。各楼层配线间或二级交接间的接地线分别焊接到接地母线上。由接地母线用一根接地线单点与接地体相连接的单点接地方式。各楼层配线间至接地母线的连接导线应采用多股编织的铜芯线，且应尽量缩短连接距离。高层建筑物的接地母线应尽可能位于建筑物的中心部分。

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四、配线架（柜）接地
每个楼层配线架接地端子应当可靠地接到配线间的接地装置上。
从楼层配线架至接地极接地导线的直流电阻不得超过1Ω，并且要永久性地保持其连通。
每个楼层配线架（柜）应该并联连接到接地极上，不应串联。
如果应用系统内有多个不同的接地装置，这些接地极应该相互连接，以减小接地装置之间的电位差。
布线的金属线槽或金属管应该接地，以减少阻抗。
五、接地体连接电缆的要求
在距接地体30m以内，接地导线用直径为4mm的外包绝缘套的多股铜线缆。
若距接地体超过30m时，接地电缆的直径应参考下表的数值。
配线间中的每个配线架（柜）均要可靠地接到配线架（柜）的接地排上，其接地导线应大于2.5mm2,接地电阻要小于1Ω。
六、弱电专用接地系统组成
1. 接地线：地线网由矩形铜（40×4）排连接成。走线方向按大楼的布线系统。各需要防静电干扰的仪器设备通过铜芯导线与网可靠的连接，使整个系统形成一个独立的防静电抗干扰体系。（如图1）
2. 接地体：人工接地体可采用钢管、圆钢、角钢、扁钢等制成同时，为了增加其导电性、提高其防腐能力，可采用外表镀锌材料。其安装方式如图2：
（1）接地体长度为2.5m镀锌角钢（45×45）数量3根。
（2）垂直做水平或耙形埋设。
（3）角钢间距为2.5m-3m。
（4）埋设深度≥0.6m。
（5）垂直接地体可用镀锌扁钢焊接而连成一体，接地体引出线与地线网若做锣钉连接需牢固可靠，接点作防腐处理。
（6）为了增加接地体的导电性，可对接地体的封环境进行降阻处理。可用石灰、盐、水、木碳酸、金属屑等材料按比例配制进行浇灌。
3. 防静电、抗干扰接地方案：
（1）在建筑结构四周设置四个接地体。
（2）在每个接地体与地网线相连处设置一个检测点。
（3）四个接地体与地线网可靠连接，使整个接地系统连成一个系统网。
4. 抗干扰地线是设备系统的低电平信号，同时为了安全起见，需设置一条安全地线，以防外壳感应电对人体的伤害，但要注意其接线方法（如图3）：1）内壳与外壳用金属件连成一体，外壳与接地体用金属件连接，须可靠耐用。
（2）抗干扰信号地、包括屏蔽线须单独与接地体相连。
七、弱电接地系统建议采用联合接地
现代的城市建筑物都是钢筋混凝土或金属结构，只要将建筑物的基础、柱、梁内的钢筋通过焊接或绑扎，就能形成多个闭合的电气通路；由于建筑结构中的钢筋或金属件很多，彼此又非常接近，因此形成一个完善的法拉第笼，在这个笼内的电气线路和设备不会因外界的雷电流而造成危险的电位，因为多个闭合的电气通路将阻止雷电流进入建筑物内部。当雷电直接击到作为接闪器的建筑物的顶部金属件或钢筋网时，冲击电流经过建筑物外围柱内的钢筋或金属柱向下流入大地，并在建筑物的表面形成电气屏幕。当冲击电流流向建筑物中心时，被由屏幕在闭合金属导电框架中产生的感应电流所抑制，电气屏幕所产生的感应电压降将伴生一个围绕整个建筑物的磁场，这个磁场包围着建筑物内部的其他垂直导体，并在每个柱子的顶部和底部感应出等量的电压，因此电气屏幕上任何一个垂直导体与建筑物内部的垂直导体的电位差很小，不会超过不允许的接触电压，因此建立安全的法拉第笼是防雷的最好措施；而现代城市建筑本身在建筑设计时就是设计的这样一个安全的法拉第笼。
弱电接地系统由于采用专用接地系统时必须与防雷接地分开，两者在地下的接地极和引出的线路均要求相距15米以上，以免雷击时通过接地系统对弱电设备产生危险的影响和干扰；这在现代化的建筑密集型城市几乎是不可能实现的，要将各类接地线分开，会造成地线过多过长，易于接收干扰，现代的弱电设备大都具有高数据率，因此其信号频率较高，通过电容耦合，即使分开而彼此距离相近时，同样会造成回路间的干扰。由于这些原因，最好采用环式接地系统，即将电子设备的机壳连接到一个统一的弱电接地环，弱电接地环再与防雷接地环多点连接，进行联合接地；为了防止雷电反击，所以与防雷接地网进行多点连接，为了减少干扰，尽可能消除各接地点间的电位差，应做到以下几点：
1. 电源设备的中性线要用绝缘线，不应与其他金属设备接触；
2.弱电设备接地环采用120mm×0.35mm或80mm×0.35mm铜箔；
3. 接地线采用最短路径，并用截面足够的铜导体；
4. 防雷接地环与弱电设备接地环多点连接,使电子设备在雷击时处于等电位，同时可以减少跨步电压和接触电压；
5. 屏蔽线对电缆和同轴电缆的屏蔽层都采用两端接地。

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八、设备接地
应该说明的是，防雷工程不能阻止雷电发生，只能将由雷电引起的危害降低到最低程度。
1. 金属构件：将防护区域内所有金属构件连接是出于增加分流途径和均衡途径，使雷电电磁脉冲的作用减弱，使均衡电压更低，并使系统结构趋于防护的优化。不过连接时必须考虑金属的电化次序，以防止产生腐蚀。
2. 电源线：利用屏蔽接地引入的方式将衰减70%的雷电流能量引入后第一级防护必须考虑使用放电能力强的防雷器，因为在此产生的雷电流较强。在通过单独供电时由于布线与接闪铁塔可能平行，由此而耦合进的能量只要用过电压保护器对地进行限压即可。
3. 信号线：有线电视、监控系统、消控系统、网络信号线等没有采用均衡措施。
基本程序完成后，等电位连接措施将为一个防护区域内的所有金属导体提供一个完善的电位补偿系统。当瞬态现象无论从何处侵入，电位补偿系统都能使该区域内所有导电物体电位处于基本相等或绝对相等，尽管这个电位相对于远处有很大的电压差，重要的是，该区域内部不存在足以损坏设备的电位差。
4. 末端信号传输、控制、处理设备：设备防感应雷、防浪涌保护系统是围绕着以设备为保护目标的一种安全防范措施，它对系统的安全、稳定运行起着至关重要的作用，通常人们把防浪涌保护只作为一种防止雷击及雷击感应的一种防范措施，这种观点是狭隘的，其实防雷仅为抗浪涌保护功能中的一小部分。它绝大部分的工作在于防止大楼整体供电系统中的多种浪涌现象、高频现象、非谐波现象的产生和缓解以上现象对设备的干扰，通过地线系统释放多余的不符合运行标准的残余电流、电压、频率。例如：大楼中的空调、电梯设备等大功率电器设备总是处于一种待机状态，当一台或多台大型电器设备同时起动时楼内电压会明显下降，当这些设备同时暂停时楼内电压又会明显升高，当这些变化因素超出UPS主机适应范围时就会造成计算机系统的瘫痪，我们很难从管理上控制大楼内所有的用户不带入或不使用某些高频或超高频设备，这些设备在使用中不仅向空间释放超频率 辐射，更会通过此类应用设备的频率反击在电网中产生非谐波现象，为防止此三类主要计算机隐患的产生，真正确保计算机系统的安全，在进入机房的市电配线柜里安装雷电浪涌保护器，对机房所有用电设备予与第一级防雷防浪涌保护，在机房区UPS电源处安装雷电浪涌保护器予以二级防浪涌保护，并建议对几台最重要的弱电设备以予三级防浪涌保护；例如，在核心骨干交换机处安装RJ45信号避雷器，如须保护的数据设备较多，可采用19英寸集中式安装支架。
5. 前端信号采集设备：在室内监控机房的视频线进线端安装信号避雷器；在室内监控机房的控制线进线端安装信号避雷器；在室外不带云台摄像机处安装组合信号避雷器；在室外带云台摄像机处安装组合信号避雷器；在室内有线电视信号线进线处安装信号避雷器；在室内网络信号线进线处安装信号避雷器；在消控系统集中报警控制器输出端和区域报警控制器输入端分别安装信号避雷器。
6. 电源防护：在机房弱电配电输出端安装电源避雷器；在机房UPS输入端安装电源避雷器；在机房弱电井道处安装电源避雷器；在电梯机房电源进线处安装电源避雷器。
[参考文献]
《智能建筑技术与设计》 阎俊爱 清华大学出版社 2005-10-29
《智能建筑电气设计手册》 陈一才 中国建材工业出版社 1999-08-01
《电子信息系统防雷接地技术》 周志敏等 人民邮电出版社 2004-7-1
《建筑防雷设计规范（2000年版）》 GB50057-94
《通信接地设计规范》 GBJ79-85
《电子计算机机房设计规范》 GB50174-93

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