安全系统接地技术

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  (1.陕西恒信物业管理有限公司 陕西 西安 710002;
  2.陕西省歌舞剧院 陕西 西安 710054)
  
  【摘 要】从对安全系统接地功能进行分析,论述了接地装置互相关系,有源接地、无源接地的差异,工频接地与直流接地的关系,指出了各类接地要解决的核心问题以及接地的技术处理。
  【关键词】安全系统;接地功能;接地装置;接地技术
  
  Grounding techniques in the safety system 
  Xu Hai-an1,Ren Hai-tao2
  (1. Shanxi hengxin real estate industry management limted company Xi'an Shaanxi 710002;
  2. Shanxi sanganddancing legung Xi'an Shaanxi 710054)
  【Abstract】in this paper We analysis the function of the grounding in the safety system discussion its relation and its difference about resource grounding and no resource grounding industrial frequency grounding and DC grounding relation. It appearance the hole question of solving in various grounding and techniques process of grounding.
  【Key words】Safety system;Grounding function;Grounding installations;Grounding techniques.
  安全系统接地功能:
  安全系统,由探测器、传输、报警器三部分组成。此外,还有通讯及供电两个辅助系统,从其接地装置上讲,有信号接地、功率接地、逻辑接地和防雷接地、工作接地、保护接地等。 
  1. 安全接地
  
  1.1 信号接地。由探测器对不安全信息早期取样,或通讯的语音,是以电平、音频、视频、射频信号等形式在载体中传输给报警器和受话器的,为了这种信号波形准确地、不受干扰的传输,需要将杂波或干扰因素,通过大地消除,这种消除杂波或干扰因素的装置,称为信号接地。
  1.2 功率接地。由探测器对不安全信息早期取样。或通讯的语音信号,都属于微弱信号。需要经过功率放大再传输,在功率放大中杂波或干扰因素也随之传输和放大。为了消除功率放大中产生的杂波或干扰因素、其中也要将杂波或干扰因素通过接地装置传给大地来消除。同时功率放大器的基栅(屏极)直流电压往往很高。如大量的屏极电压可能有1千多伏。造成漏电,以及电路中如震荡电路,放大回路中电容等都有剩余电荷没有泄放完,这种功率设备运行中需要的接地,称为功率接地。
  1.3 逻辑接地。因为当今的安全系统,大都已进入微机处理阶段,尤其采用总线制之后,信号处理,都通过计算机来实现的。因此,确保计算机的准确运算,不受其他干扰因素影响就尤为重要。用大地消除这种干扰因素的装置,称为逻辑接地。
  1.4 防雷接地。为避免建筑物及其内部设备遭雷击的接地装置,称为防雷接地。因为安全系统,是以低电位金属网络分布在建筑物的顶壁或地坪。建筑物外的个空间电场过电压,雷电传输中的电荷,雷电在自然空间的反击,落雷前后的电位差,都将对安全系统中低电位金属网络,以及安全系统中低电位即弱点系统产生影响,因此,建筑物里有安全系统的装置,该建筑物防雷接地系统设计和安全应特别引起人们的注意。在接地装置上,安全系统网络上,都有其自身的要求,不可忽视。
  1.5 工作接地。从供电系统上讲,目前我国大都采用接零系统,及三项四线PE线制。这种在电力系统中,运行需要的接地,如中性接地,重复接地等。安全系统运行需要的接地,如正极接地,室外明线或电缆引入报警器、保安器、避雷器、机壳、金属护套或屏蔽层等。电子元件运行需要的接地,凡此种种接地称为工作接地,这种工作接地,首先保护了系统的正常运行,万一有介质绝缘损伤,短路存在,得以迅速反应。次之,使工作系统外的感应而引起的杂散电流得以减少,确保接地部分的电位稳定。第三,可减少设备中继电器线圈的腐蚀。这类接地称之为工作接地。我们行业又称为零线系统。
  1.6 保护接地。在安全系统中,由于供电系统的存在;由于传输导线;由于设备的金属外壳,都有可能产生危及人身安全的电压。为了防止用电设备正常不带电部分产生危及人身安全的电压而设的接地,称为保护接地。使之发生意外时,用电保护设备(如熔断器、自动空气断路器、漏电开关、智能断路器等)快速反应,切断故障电源,使人脱离电的危险。这种保护接地,如对应零线系统,采用接零的措施,我们又称之为接零保护系统。在同一个交流供电变压器范围内,接零保护系统和变压器中性点接地的零线必须相应。决不容许接零保护系统和变压器中性点不接地的系统作接地保护系统同时混合存在。
  
  2. 接地装置互相关系
  
  前面述及六种接地,功能各异,装置的设置上,也不相同。信号、功率、逻辑、工作等地都是有源接地,或者叫主动接地。如工作接地,交流上讲,中性点接地、有源接地;直流上讲,信号、功率、逻辑都是正极有源接地。电子元件,MOS族电路虽属负极接地,但也是有源接地,防雷保护接地则都属无源接地,或叫被动接地。它们之间,又分交流工频接地,直流接地和冲击接地三类,交流工频接地为交流50赫正铉波供电系统的接地,直流接地,包括信号、功率、逻辑、正极、负极、中性点等直流系统的接地。冲击接地,指非正旋波的雷击、谐波等的接地,称之为冲击接地。它们的接地电阻,分别称之为工频接地电阻、直流接地电阻、冲击接地电阻。
  2.1 直流接地与交流工频接地的关系。直流接地装置与交流工频接地装置,从理论上讲,是应该分开的。首先,从交流接地与交流工频接地共用或在一起的报警器所在接地装置测试。交流零线的宽带电压((20~20000赫)一般为零点几伏至四伏间,其衡重值为几十毫伏至几百毫伏,当直流接地装置上存在交流电压时,对报警器来说,这个纵向电压会通过信号馈电桥的不平衡,转换成探测器的横向干扰电压。这种不平衡系统,随频而变,若以干扰产生的横向电压的衡重值与引起干扰的纵向嗲一的衡重值之比值称为转换系数,其值当报警器之间通过传输信号时一般在千分之五至千分之十的范围内。个别有超过千分之十和千分之一以下的。如果转移系数以千分之十计算,则直流接地上,如果有100毫伏的纵向衡重电压,将会在探测器侧产生1毫伏的杂波干扰电压,一般情况下,目前报警和探测器之间的装换系数小于上述值,则不至于产生误动作或误报。其次,从直流接地与交流工频接地不共用或不连在一起的报警器所在接地装置测试,即直流接地单设的接地装置测试,其宽带电压(20~20000赫)一般为几十毫伏至几百毫伏,其衡重值一般为几毫伏,可见,直流单设接地装置上的交流电压小,是数量级的关系,因此,从减少交流工频对报警器报警的干扰影响来说,直流接地装置与交流工频供电系统的零线或接地装置分开是有好处的。再者,如果利用交流零线及其接地装置作直流接地,等于在信号回路中加入了交流电压,当这个交流电压较大时,当然可能引起信号回路的误动作,特别是是电子电路,等于公共参考地线与零线相通,从而有零线对地电压,就可能对电子电路的正常工作产生影响。
  然而,在实际工程中,由于建筑总平面竖向设计及建筑物群体或整体的功能要求,往往直流接地装置和交流工频接地装置是分不开的。这是因为在建筑物内,很难办到使电子电路设备与各种金属构件或导电体的有效绝缘,也很难满足两个接地装置之间距离20米的要求,那只能设计一个共用的接地装置,其理由:如果交流工频供电系统的零线及其接地装置不会带有较大的对地电压,例如宽带带电压在1伏以下的衡重值也在50毫伏以下,是可以共用的。其次,要使直流接地装置与交流工频供电系统接地装置共用必须要采取以下技术性措施:第一,交流工频变压器三相不平衡电流全部直接由零线返回中性点平衡,变压器的接地装置上没有不平衡电流引起的交流电压。第二,建筑群体或整体中交流工频供电变压器就在附近,零线距离不长,相零回路电阻很小,共用接地装置的工频接地电阻要求小于1欧姆。第三,滞留接地线严禁使用交流工频供电系统零线或PE线。而必须将交直流接地专用线与建筑物室外接地装置接通。以避免交流工频供电关系统零线或PE线上的电位产生影响。第四,建筑物内交流工频供电系统全部采用三相四线专用接地线(即PE线)制,俗称三相五线制,使建筑物内各种金属构件或导电体与交流工频供电系统零线或PE线绝缘。
  2.2 直流接地与防雷接地的关系。直流接地装置与防雷接地装置,从理论上讲,也是应该分开的。首先,建筑物受雷击次数与建筑物高度(H)平方成正比,其雷击频度N的模糊数学模型为: 
  N=3×10-5•H2•n 
  式中:n——全年的雷雨日数。
  因此,高层建筑雷电危险,比一般建筑的得多。而空气中雷电先导放电临界电位大约330KV/m,实际上屋顶平坦,雷电对地放电临界电位大约在500~700KV/m之间。这样大的冲击电压,引起建筑物电场、电热、电动,物理效应必然会对安全系统产生一定的影响。其次,在雷电传导泄流中,还会产生静电感应和电磁感应,使安全系统传输导线产生束缚电荷及探测器周围的电场改变,都直接影响安全系统的正常运行。第三,雷电电波入侵,尤其工业安全系统具有一定的区域特征。城市安全系统的计算机联网等,都对雷电波入侵防不胜防,这种电波入侵,可以造成安全系统突发性过电压,轻者毁坏系统,重者引起火灾,雷电波入侵造成的误报时有发生。第四,雷电反击,当空中形成雷去临界电位时,整个建筑物都具有很高的电位。尤其当雷电传导受阻及雷电泄流中造成的电压降,包括自感压降。都会使其周围产生过电压,从而使建筑物与导体之间产生高电位,这种高电位是雷电反击之源,具有很大的毁灭性。雷电全压可达1500KV/m,即使很低的临界电位,但在传导线路的末端,是传导电压的2倍。综上所述,不仅仅要求防雷接地装置和直流接地装置分开,而且防雷雷电传导系统和直流传输系统还要有一个分开的,足以保证安全的距离。由于直流接地处理不规范,往往空间很微弱的瞬时空间电场造成的电位差,都会影响安全报警,过后还检查不出造成误报的原因。
  然而,在现代建筑群中,尤其在一个整体建筑物内往往无法保证防雷接地装置和直流装置分开的安全距离,就是雷电传导系统和直流接地装置传输系统也很难保证分开一个安全距离。因此,解决这个问题的唯一途径:就是联合。联合的主要技术措施是努力消除雷电高电位和其造成的电位差。
  
  3. 接地的技术处理
  
  在现代建筑工程中,纵观安全系统接地,就有那么多的丰富内容,故而整个建筑工程的各类接地,是一个相当复杂的专业技术,简而言之,在现代建筑工程中,往往不能按照各类接地要求分别处理,只能抓其核攻其弊。
  各类接地要解决的核心问题,都是消除各种没有作用的电位,使其不要形成有害的电位差值。消除有害的电位差值,主要依靠大地的零电位。当一根带电接地导体,与地壳土层接触时,电流便从导体流入大地内的四面八方,由于距导体越近,电流通过的截面越大小。相对电阻越大,电压降越大;距导体越远,电流通过的截面越大,相对电阻越小,电压降越小。所以大地中离接地导体20米以外,相对电阻近似为零,几乎没有电压降。即所谓电位的零点。这里就是电气上的“地”。接地系统中任何一点对“地”的电位差,称为对地电压。
  3.1 接地系统的等电位技术:所谓等电位处理,即用法拉弟笼的原理来消除接地系统的电位,使其不要造成电位差值。在现代建筑工程中,大多数采用框架结构。即使一般的住宅楼,往往也由于抗震要求或建筑材料的技术问题而形成整个建筑物的一个钢筋网笼,笼罩整个建筑物一切空间。把这种钢筋网笼,全部焊成一个闭合的导电网笼,就自然形成了一个理想的法拉弟笼。从宏观上看,在这个笼内,每一点都可以造成大致相等的电位i。即使在电气传导中形成不了对直流传输系统的影响,即使是医疗电子设备对患者身体影响也是非常安全可靠的。更不会造成对直流供电设备的功能影响。这就是人们常说的接地系统的等电位处理。3.2 安全系统接地技术:安全系统接地的形式,一般可根据接地引线长度和安全报警设备工作频率来确定:
  当L<§/20,Z≈R频率在1兆赫以下时,一般采用辐射式接地系统。
  所谓辐射式接地系统,即把前面六种安全接地引出线,分别敷设,引到各接地总端子板上,再引出至接地装置的接地体。
  当L<§/20,频率在10兆赫以下时,一般采用环(网)状式接地系统。
  所谓环状式接地系统,即把前面的六种安全接地引出线,都接在一个公用的环状接地母线上。
  当L=§/20,频率在1兆赫至10兆赫之间时,一般采用混合式接地系统。
  所谓混合式接地系统,即把辐射式接地系统与环状式接地系统相结合。
  式中:L——报警器接地引线长度(米);
  §——波长(米)其值为3×108/F;
  F——报警器工作频率(赫);
  Z——报警器接地引线的高频阻抗(欧);
  R——接地引线的射频电阻。
  安全接地系统的工频接地电阻,一般不宜大于4欧姆。在营运大、中型电子计算机的安全借贷系统中逻辑接地的接地电阻的大小,接法以及前述六种諸接地之间关系,应依不同计算机类型及产品说明书的要求而定。当然,为了防止交叉干扰,使计算机系统稳定可靠的工作,对于其接地线的技术处理,应满足下列三条要求:
  3.2.1 无论计算机逻辑接地采用何种接地方式,在机房不容许它与功率接地线相短接或混接。
  3.2.2 不容许计算机逻辑接地与交流供电线路紧贴或平行敷设。
  3.2.3 控制室要采取防静电措施。
  3.3 联合接地装置:在建筑物群体内,各类接地线的敷设,要保持相对的距离,或穿在金属保护管内采用绝缘导线。是比较容易办到的。室外各类接地装置。为防止由于大地阻性耦合产生的相互影响,要求分开20米以上距离。则是比较困难的,尤其在现代都市中,更是不可设想的。因此,在建筑群总平面竖向设计中,往往采取联合的接地体装置,与前3.1节所述等电位技术相结合,其接地系统的工频电阻一般不大于1欧姆。
  在联合接地装置中,除应满足各类接地的技术要求外,其接地装置首先应充分利用直接埋入地中或水中的自然接地体,如建筑物的钢筋混凝土基础。地下水管等,在建筑物的四周下1米深处辐以环形人工接地网。
  3.3.1 建筑物钢筋网络,应焊接成一个闭合导电网络,将各柱内主筋与其基础钢筋焊接,地下接地网平面,外缘除应闭合外,外缘各角还应做成圆弧形,当不能满足接触电势或跨步电势要求时,接地网平面,应加设水平均压带,形成不大于10m×10m的接地平面的网络。
  3.3.2 人工接地网与建筑物柱内钢筋引出先应预留测量各自接地电阻的分开连接的断接卡,其接地点。一般此点预留在建筑物室外离地平上方0.5~0.8米处。超过1米,有可能与抗震观测点,沉陷观测点相混。特别注意的是检测后,一定连接成完好的电气传导体。
  3.3.3 进出建筑物的走道与接地网平面接地体互垂时,应在水平接地体的延长方向,增设帽沿式均压带。或以沥青砂深埋地下大于1米的地方。
  
  4. 结束语
  
  本文从安全接地角度出发,在对各类接地进行分析的基础上,对接地的技术处理提出了浅见,希望能在实际应用中有所作用,特别能对建筑、安装工程施工有所借鉴。
  
  参考文献
  [1] 陈一才编著高层建筑电气设计手册,北京 中国建筑工业出版社
  [2] 李东明编著建筑弱电工程安装调试手册,北京 中国物价出版社
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