4 接地系统
接地系统由以下两部分构成:
——接地装置(与土壤接触);
——等电位连接网络(与土壤不接触)。
4.1 接地装置
接地装置的主要作用是尽可能多地将雷电流导入土壤中(50%或以上)并尽量不在接地装置上产生危险的跨步电压。
此一作用由建筑物下面和四周的网格状接地体网络来实现。
这些接地体应构成一个网格形接地装置,并把地下室地面混凝土中的钢筋也并入其中。这是典型做法,目的是在建筑物的底部将LPZ1区的电磁屏蔽体闭合起来。
建筑物四周的环形接地体和/或地下室周边混凝土中的环形接地体,应用接地导体每隔5m与接地装置相连接。(接地体的详情见IEC 61024-1,2.3,2)。更远的外部接地体可连接到这些环形接地体上。
应将地下室混凝土地面中的钢筋连接到接地装置上。混凝土中的钢筋将构成一个有规则的互连网格,该互连网格每隔5m(典型值)被连到接地装置上。
可以安装一个由镀锌钢构成、网格宽度为5m(典型值)的叠加网格,叠加网格每隔1m与混凝土中的钢筋相焊接或夹接。叠加网格的钢筋端头可用作等电位连接带的接地导体。
图8为一间工厂的网格形接地装置示例。
接地及等电位连接的定义见附录A。
4.2 等电位连接网络
等电位连接网络的主要任务是消除建筑物上及建筑物内所有设备间危险的电位差,并减小建筑物内部的磁场强度。
这项任务通过将建筑物上及建筑物内所有金属部件多重联结,从而构成一个三维的、网格形的等电位连接网络而实现。
建筑物上及建筑物内的所有金属部件,应该用等电位连接导体互连,从而形成网格宽为5m(典型值)的网格。这些金属部件是指金属装置、设备机柜、电缆槽、公用设施管道、混凝土(地面、墙、顶板)中的钢筋、活动地板以及其他结构部件等。这些互连的金属部件形成了等电位连接网络。
电气装置的保护地PE应并入等电位连结网络中(按照网格形或星形方式)。
建筑物周边和内部各个LPZ区的电磁屏蔽体也应用连接导体每隔5m(典型值)与等电位连接网络连接一次而并入等电位连接网络。这些屏蔽体除混凝土中的钢筋外,还包括金属屋顶、金属立面、门窗的金属框架等(例子见图9、图10)。
由网格宽度为5m(典型值)的等电位连接网络建立起来的各个衰减环路,可在一个很宽的频谱范围内减弱建筑物内部的磁场强度。
等电位连接网络应每隔5m(典型值)与接地装置相连从而组成了完整的接地系统。
为了将电气和电子设备的机柜、外壳和机架等并入等电位连接网络,同时在LPZ的界面处为满足公共设施、电源和信息系统导线和电缆作等电位连接的需要,应该安装一些等电位连接带。
应每隔5m(典型值)用接地导体将环形连接带连接至等电位连接网络。局部等电位连接带一般应采用不超过1m长的接地导体连接至等电位连接网络(等电位连接带、等电位连接导体以及接地导体的详情见IEC 61024-1及GB/T 19271.1)。
信息系统应以网格型或星型方式作等电位连接(详情见(GB/T 19271.1)。
接地段等电位连接的定义见附录A。
4.3 接地装置与等电位连接网络的组合
将接地装置与等电位连接网络组合起来就形成了接地系统。
接地系统的主要任务是保持设施和设备的任意耐点之间的电位差尽可能低。
通过为传导雷电流及感应电流提供多条并联通路,组成一个宽频谱范围的低阻抗系统来实现此任务。
多条并联通路具有各不相同的谐振频率。将阻抗与频率相关的各条通路组合起来,就可形成一个在所考虑频谱范围内具有低阻抗的系统。
一个网格形接地系统的例子见图11。
4.4 屏蔽、等电位连接及接地布局的例子
图12给出一座大办公楼的屏蔽、等电位连结及接地布局的例子。
图中用钢筋和金属立面对LPZ1区实现屏蔽,对高灵敏度电子设备,则用屏蔽机柜实现屏蔽。为了能够安装窄网格形的等电位连接系统,在每个房间提供了若干个连接引出线。
此处为放置20kV1)电源设计了一个封闭的LPZ0区。这是一种特殊的情况,因在紧靠入口处的高压电源侧不可能安装避雷器。
表1 邻近雷击时磁场为平面波情况下,格栅形空间屏蔽体的磁场衰减
io及Ho:10/350μs及0.25/100μs两种冲击
GB/T 17626.5:U:1.2/50μs冲击电压;I:8/20μs冲击电流
GB/T 17626.9:H:8/20μs冲击磁场(25kHz阻尼振荡);Tp=10μs
GB/T 17626.10:H:1MHz阻尼振荡(0.2/0.5μs冲击磁场);Tp=0.25μs
图1 雷击时的EMC状况
1)国内一般采用10kV的电压等级——编者。
注:虽然升至最大值的时间Tp与渡前时间T1定义不同,但为了进行适当的探讨,在此将它们的数值视为相等。
图2 用阻尼振荡描述磁场强度波形的上升期
*)实际上,对大型建筑物来说,在每一交叉点上焊接或夹接是不可能的。但是通过直接接触或用铁丝绑扎,绝大多数的交叉点可做到自然互连。因此,每隔大约1m作一连接,将是实际可行的方法。
图3 用钢筋和金属框架构成的大空间屏蔽体
Sa——雷击点与被屏蔽空间的平均距离
图4 邻近雷击的情况
注:用于安装信息设备的空间Vs与LPZ1或LPZn的屏蔽层保持一个安全距离ds/1或ds/2。
图5 LPZ1或LPZn内部用于安装信息设备的空间
图6 评估被屏蔽建筑物内部磁场强度的低电平雷电流试验的建议
图7 环路中的感应电压及电流
图例:
1——具有网状钢筋的建筑物;
2——工厂内部的一座塔;
3——孤立的设备;
4——电缆槽。
图8 工厂的网格形接地装置
图例:
1——接闪器(避雷带);
2——屋顶女儿墙的金属盖板;
3——钢筋;
4——迭加于钢筋上的网格形导体;
5——网格形导体的接头;
6——内部等电位连接带的接头;
7——焊接或夹接;
8——任意连接;
9——混凝土中的钢筋(有迭加的网格型导体);
10——环形接地体(如设有);
11——基础接地体。
图9 利用建筑物的钢筋作屏蔽及等电位连接
图例:
1——电动设备;
2——钢支架;
3——立面的金属盖板;
4——等电位连接点;
5——电气设备;
6——等电位连接带;
7——混凝土中的钢筋(有迭加的网格形导体);
8——基础接地体;
9——各种公共设施的公用入口。
图10 钢筋结构建筑物的等电位连接
图11 由等电位连接网络与接地装置组合而成的接地系统示例
图12 一座办公大楼的防雷区、屏蔽、等电位连接及接地的设计示例