1、11 弱电系统的电源和接地与防雷 11.1 系统的电源 建筑弱电系统的电源有二个主要衡量指标，一是可靠性，二是稳定性。11.1.1 集中供电方式 集中供电就是将供电电源设备集中在一起(一般是设置在总配电间内)，通过电线、电缆给分散在各处的弱电设备供电。这种方式的特点是：由于供电设备均集中在一起，便于管理；需要专用机房与配电室、蓄电池室等，基建投资大；需要专人值守；从电源室至弱电设备线路较长，线路故障相对较多。集中供电方式有各种方案，图11.1是按一级负荷设计的集中供电方式示意图。图11.1 集中供电方式示意图图11.1 集中供电方式示意图 11.1.2 UPS电源 UPS(Uninterupt
2、ible Power Supply)电源设备是一种静态交流不间断供电装置，当市电网断电时，它能保证立即向负荷继续供电。它主要由整流器、蓄电池、逆变器三部分组成，如图11.2所示。UPS可以从不同角度进行分类，如按输出功率大小分、按供电方式分、按供电时间分等。按其基本型式分类有3种，即：铁磁共振式(同步式)、线路交互式和双变换式。其中双变换式又称在线式，在线式能完全实现不间断供电，性能优越，所以目前被广泛使用。另外，现在使用的UPS一般均有旁路电路，当UPS内部的整流器、逆变器出现故障时，通过交流静态转换开关接通旁路电源，由旁路电源供电，进一步增加供电可靠性。UPS电源装置除了保证不间断连续供电
3、外，还起保持输出电压稳定、频率稳定等作用，即UPS具有以下几项功能：图11.2 UPS组成部分示意图 输出电压能自动调节。输出为工频正弦波，非线性失真小，输出电压的谐波成分少。输出的工频能与市电或与另一台逆变器的工频锁相同步，便于进行同步切换或并机运行。11.1.3 分布式供电方式 分布式供电的特点是：市电加应急柴油发电机组成的供电负荷等级不变。取消了集中设置的电源室，节省基建投资，不需专门值守人员。由于UPS电源装置至用电设备的线路大大缩短，供电的可靠性成倍增加。局部电源装置的故障只会使局部用电设备不能正常工作，而对整个弱电系统的影响很小。由于分散的用电设备耗电量不大，因此每一台UPS的蓄电
4、池容量也大大减小。分布式供电方式示意图如图11.3所示。图11.3 分布式供电示意图 11.2 智能建筑弱电系统的接地与防雷 11.2.1 系统的接地 1)基本概念 地 地是指大地，接地施工中所指的地，实际上就是自然界的土壤(地层)。从工程角度观察其电气特性，它具有导电性，并且有无限大的容电量。接地 人们为某种特定目的把电气设备或其他物件和地之间构成电气连接，这种措施称为接地。接地体 接地体也叫接地极或接地器，它是直接与土壤接触的金属导体或导体群。可以用人工制作的各种形状的单个或多个金属导体来作接地体；也可以利用非专为接地而设的通地的金属导体来作接地体，这种接地体称为自然接地体，如建筑物或构筑
5、物的基础钢筋就是非常理想的自然接地体。接地装置 接地体以及把电气设备或其他物件和地之间构成电气连接的设备称为接地装置。接地电阻 是电气设备或其他物件至接地体间连接导体的电阻、接地体本身的电阻、接地体与土壤间的接触电阻、接地体附近土壤的电阻四者之和，其中接地体附近土壤的电阻是最主要的。2)建筑的接地方式 建筑物可采用多种方式的接地系统进行接地，如TN-C系统、TN-C-S系统、TN-S系统、TT系统、IT系统等，但目前对于自设有变配电所的一般建筑和智能建筑，广泛采用TN-S系统，TN-S系统如图11.4所示。图11.4 TN-S系统 对于由区域变配电所供电的一般建筑以及智能建筑，大都采用TN-C
6、-S系统，TN-C-S系统如图11.5所示。3)统一接地体 多年来建筑内弱电系统的接地是采用分开单独接地还是采用统一(联合)接地方式，专业界一直存在争议，目前国内外都已达成共识：采用统一接地方式。图11.5 TN-C-S系统(1)统一接地体的构成 采用统一接地方式时，接地体以利用自然接地体为主。并且，若自然接地体同时符合下列3个条件，一般不另设人工接地体。接地电阻小于规定值；建筑基础的外表面无绝缘防水层；基础内钢筋必须连接起来以保证有电气通路，而且要形成闭合环，闭合环距离地面不小于0.7 m。图11.6是利用建筑桩基钢筋作统一接地体的桩基钢筋平面连接图，外圈桩基钢筋一般用40 mm4 mm镀锌
7、扁钢或 12 mm钢筋闭环连成一体，并且将所有桩基钢筋与闭环连通。这一工作也可以在土建制造承台面时完成。图11.6 桩基钢筋平面连接图(2)设置总等电位铜排 制作一块100 mm10 mm长约1 m的铜排作为总等电位铜排，其上每隔50 mm钻 13 mm的孔，约20个以供连接各种接地引线用。将其设置在变配电所或下设备层便于接接地引线的适当位置，并且将其直接与接地体连接，必须做到总等电位铜排 的电位与接地体的电位一致，即其接地电阻1，否则，必须增加其与接地体的连接点。若建筑内自设有变电所，则还要将变压器中性点以及变电所内的接地网络与其连接。(3)统一接地的阻值要求 统一接地的接地电阻值，按规定必
8、须1，这一阻值要比各种分散接地要求的阻 值(一般为4)严格得多，这主要是为了让各种接地带来的电流能迅速泄入大地，而不致产生地电位值有较大波动，使电子设备不能正常工作。一般利用建筑基础钢筋作统一接地体的接地阻值均可达到1。若统一接地体的接地阻值达不到规定要求，则必须增加人工接地体或采取降阻措施。接地装置安装完毕后，应使用接地电阻测量仪对接地电阻进行测量。4)各种功能接地系统(1)保护接地系统 保护接地系统有防雷保护接地系统与防电击保护接地系统，这里主要讲防电击保护接地系统。保护接地系统有时又称为安全接地系统。保护接地一般均利用保护接地线即PE线，但应减少PE线都从总等电位铜排上引出，PE干线宜采
9、用镀锡裸铜排，用绝缘子支承敷设在弱电竖井中，铜排每隔0.5 m钻一个12 mm孔，供接分支PE线引到各楼层。裸铜排截面可按弱电设备的最大的用电传输相线导体截面来选择，参见表11.1。(2)直流工作接地系统 在弱电设备中，电子电路一般采用数字电路或模拟电路。对模拟电路而言，为了放大信号、转换能量等，并使其稳定性好，准确性高，就必须使电路的某一电位为基准电位，如图11.7(a)是一个单级放大电路，其A点为信号基准电位点，输入输出信号的大小以A点电位为基准作比较。当电路 级数较多时，就更需要一个统一的基准电位，以衡量信号的有无、放大倍数的高低等。如图11.7(b)是一个多级放大电路，A点是电位基准点
10、，它的电位作为基准电位，电路的放大倍数都是以A点的电位作为基准电位。若图中1、2点不是等电位点，则两级放大电路的放大倍数就不便衡量比较。像上面这两种情况一般均将A点接地，即直流工作接地，这又常称之为信号接地。图11.7 直流接地示意图图11.7 直流接地示意图(3)屏蔽接地与防静电接地系统 屏蔽通常有两种，一种是静电屏蔽，另一种是电磁屏蔽。静电屏蔽是防止静电场对工作信号的影响，通过静电屏蔽可以消除两个设备或电路之间由于分布电容耦合而产生的干扰。设备本身一般都具备有静电屏蔽层，只要将静电屏蔽层接地线就近接在PE线上或其辅助等电位铜排上即可起到静电屏蔽的作用。(4)功率接地系统 弱电设备中一般都装
11、有交直流滤波器，但滤波器必须接地，才能把干扰信号泄入大地，这种较强电流接地叫做功率接地，如图11.10所示。图11.10 功率接地图(5)交流工作接地系统 当建筑有独立变配电所时，一般采用TN-S接地系统，则其交流工作接地在变配电所内完成。也就是将变压器中性点、中性线N与总等电位铜排连接在一起，然后直接接地(接在自然接地体上)，从该点起，引出的中性线N就作为交流工作接地线，并须采取绝缘措施，不能让其再与任何“地”和PE线有任何电气连接。当建筑由区域变电所供电时，一般采用TN-C-S接地系统，则其交流工作接地在区域变电所内完成。也就是从区域变电所引来的输电线路，在进入建筑物前，中性线N必须重复接
12、地(接在自然接地体上)，进入建筑物配电间后，应再与总等电位铜排相连。从该连接点起，引出的中性线N就作为交流 工作接地线，仍然要采取绝缘措施，既不能让其再与任何“地”有电气连接，也不能与PE线有任何连接。各种功能接地系统的接地引线都要有明确的区别标志，特别是中性线N、保护接地线PE(黄绿双色)、直流工作接地线的区别。11.2.2 系统防雷(1)防雷接闪器 接闪器就是专门用来接受直接雷击电流的金属物。接闪的金属杆常称为避雷针，接闪的金属线称为避雷线，接闪的金属网称为避雷网，接闪的网状金属带称为避雷带。为了有效防止雷击，应采用针网或针带组合接闪器，在房顶最高点和其他次高点多处设置避雷针。避雷网用25
13、 mm4 mm镀锌扁钢或 12 mm镀锌圆钢，组成不大于30 cm30 cm的网格覆盖于房顶，并延伸到女儿墙上，使房顶、墙沿均在避雷带保护范围之内。组合接闪器中的针网、针带二者必须相互连接在一起并与建筑立柱钢筋(引下线)作可靠连接。避雷针通常用铜棒、圆钢或钢管加工而成，长度一般为12 m，圆钢直径不小于12 mm，钢管直径不小于20 mm，壁厚不小于3 mm。顶端均应加工成尖形，并用镀锌或搪锡等方法防止其锈蚀。避雷针的保护范围是以它能防护直击雷侵害的空间来表示，在GB 5005794建筑物防雷设计规范中规定，保护范围采用“滚球法”来确定。“滚球法”就是以hr为半径的一个球体，沿需要防直击雷的部
14、位滚动，当球体只触及接闪器(包括被利用作为接闪器的金属物)，或只触及接闪器和地面(包括与大地接触并能承受雷击的金属物)，而不触及需要保护的部位时，则该部分就得到接闪器的保护，也即在避雷针的保护范围之内。接闪器按建筑物防雷类别布置及滚球半径如表11.2所示。单支避雷针的保护范围计算如下：当避雷针的高度h小于或等于hr时 如图11.12所示，距地面hr处作一平行于地面的平行线；以针尖为圆心，hr为半径，作弧线与平行线相交于A、B两点；分别以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该弧线与针尖相交并与地面相切。从此弧线起到地面止就是保护范围。保护范围是一个对称的锥体。图11.12 单支避雷针的保护范围 如图
15、11.12所示，避雷针在hx高度的xx平面上和在地面上的保护半径按下列计算式确定：此时在避雷针上取高度为hr的一点，代替单支避雷针针尖作为圆心。其余作法与h hr时相同。(2)防雷接地引下线 目前一般均利用建筑物柱内主钢筋作为防雷接地引下线。柱下端内钢筋与承台面内钢筋连接在一起，未连的，要用40 mm4 mm镀锌扁钢使其相连，让它与整个基础钢筋连成一体。柱上端内钢筋应与顶层楼面内钢筋连接，并与房顶楼面的针带(网)组合接闪器连接在一起，未连的，要用40 mm4 mm镀锌扁钢使其连接。(3)防雷接地体 同样，目前一般均利用建筑基础钢筋这个自然接地体作为防雷接地体，将桩基上端内钢筋与承台面内钢筋连在
16、一起，若有未连的，要用40 mm4 mm镀锌扁钢使其连接，这样的防雷接地体是非常理想的，其接地电阻一般均小于1，能充分保证雷电流迅速安全地泄入大地内。(4)防雷等位面与均压环 建筑四周外墙面上的金属构件，如窗框、玻璃装饰墙的金属固定架等也必须用预埋扁钢与防雷结构连接，这样既能防侧击雷，又能对建筑内的设备起屏蔽作用。建筑物的防雷系统中还必须采取均压措施，这样在雷击时就不会造成高电压集中，出现向低电位物体反击的情况。具体作法是：将建筑30 m及以上部分，每三层利用圈梁钢筋，将其与四周外墙所有柱内钢筋连接在一起，这样便自然构成了均压环。若无圈梁，可每三层用40 mm4 mm镀锌扁钢或12 mm圆钢，将建筑四周外墙柱内钢筋连接成一闭环。这样的均压环还能使建筑内形成防雷均压场。
