在防雷裝置的設(shè)置上人們往往比較注意外部防雷裝置和內(nèi)部的電涌保護,容易忽視等電位連接在雷電防護的重要作用。有時還特意設(shè)置單獨的接地裝置,單獨的引下線,還錯誤的提出“共網(wǎng)不共線,分類接地網(wǎng),不串不共用,一點接地法”的口號,一方面給設(shè)計施工增加了難度和增大了開支,另一方面違背了等電位的基本原理,會給被保護設(shè)備以及人身安全造成潛在的威脅。
1、基本概念
防雷等電位連接——是將分開的導(dǎo)電裝置各部分用等電位連接導(dǎo)體或電涌保護器(spd)做等電位連接。它包括在內(nèi)部防雷裝置中,其目的是減小建筑物金屬構(gòu)件與設(shè)備之間或設(shè)備與設(shè)備之間由雷電流產(chǎn)生的電位差。防雷等電位連接區(qū)別于電氣安全的等電位連接,最主要是將不能直接連接的帶電體通過電涌保護器做等電位連接。
等電位連接網(wǎng)絡(luò)——是對一個系統(tǒng)的外露各導(dǎo)電部分做等電位連接的各導(dǎo)體所組成的網(wǎng)絡(luò)。
共用接地系統(tǒng)——是一建筑物接至接地裝置的所有互相連接的金屬裝置(包括外部防雷裝置),并且是一個低電感的網(wǎng)形接地系統(tǒng)。
接地基準(zhǔn)點——是一系統(tǒng)的等電位連接網(wǎng)絡(luò)與共用接地系統(tǒng)之間唯一的一點連接點。
信息系統(tǒng)的等電位連接:
各種形式的電子系統(tǒng)的應(yīng)用在不斷增加,這些系統(tǒng)包括計算機、通信設(shè)備、控制系統(tǒng)等,在國際電工委員會的標(biāo)準(zhǔn)中將它們統(tǒng)稱為信息系統(tǒng)。對信息系統(tǒng)的外露導(dǎo)電部分應(yīng)建立等電位連接網(wǎng)絡(luò),原則上一個等電位連接網(wǎng)絡(luò)不需要連到大地,但通常所考慮的所有等電位連接網(wǎng)絡(luò)都會有通大地的連接。
信息系統(tǒng)的各金屬組件(如各種箱體、殼體、機架)與建筑物共用接地系統(tǒng)的等電位連接有兩種原則方法,見圖13中的h和g。
圖13中的h為s型等電位連接網(wǎng)絡(luò),即星形結(jié)構(gòu)或通稱為單點接地;g為m型等電位連接網(wǎng)絡(luò),即網(wǎng)形結(jié)構(gòu)或通稱為多點接地。
當(dāng)采用s型等電位連接網(wǎng)絡(luò)時,該信息系統(tǒng)的所有金屬組件,除等電位連接點外,應(yīng)與共用接地系統(tǒng)的各組件有足夠的絕緣(>10kv1.2/50μs)。通常,s型等電位連接網(wǎng)絡(luò)用于相對較小、限定于局部的系統(tǒng),所有服務(wù)性設(shè)施和電纜僅在一點進入該信息系統(tǒng).本網(wǎng)絡(luò)應(yīng)僅通過唯一的一點(即接地基準(zhǔn)點erp)組合到共用接地系統(tǒng)中去。在此情況下,在各設(shè)備之間的所有線路和電纜應(yīng)按照星形結(jié)構(gòu)與各等電位連接線平行敷設(shè),以避免產(chǎn)生感應(yīng)環(huán)路。由于采用唯一的一點進行等電位連接,故不會有與雷電有關(guān)聯(lián)的低頻電流進入信息系統(tǒng),而信息系統(tǒng)內(nèi)的低頻干擾源也不會產(chǎn)生大地電流。做等電位連接的這唯一的點也是接電涌保護器以限制傳導(dǎo)來的過電壓的理想連接點。
如果采用m型等電位連接網(wǎng)絡(luò),則該信息系統(tǒng)的各金屬組件不應(yīng)與共用接地系統(tǒng)各組件絕緣。m型等電位連接網(wǎng)絡(luò)應(yīng)通過多點組合到共用接地系統(tǒng)中去。通常,本網(wǎng)絡(luò)用于延伸較大和開環(huán)的系統(tǒng),而且在設(shè)備之間敷設(shè)許多線路和電纜,服務(wù)性設(shè)施和電纜在幾個點進入該信息系統(tǒng)。本網(wǎng)絡(luò)用于各種高頻也能得到一個低阻抗網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)所具有的多重短路環(huán)路對磁場將起到衰減環(huán)路的作用,從而在信息系統(tǒng)的鄰近區(qū)使初始磁場減弱。
在復(fù)雜系統(tǒng)中,兩種型式(m型和s型)的優(yōu)點可組合在一起。
a—防雷裝置的接閃器以及可能是建筑物空間屏蔽的一部分(如金屬屋頂);
b—防雷裝置的引下線以及可能是建筑物空間屏蔽的一部分(如金屬立面、墻內(nèi)鋼筋);
c—防雷裝置的接地裝置(接地體網(wǎng)絡(luò)、共用接地體網(wǎng)絡(luò))以及可能是建筑物空間屏蔽的一部分(基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋和基礎(chǔ)接地體);
d—內(nèi)部導(dǎo)電物體,在建筑物內(nèi)及其上的金屬裝置(不包括電氣裝置),如電梯軌道,吊車,金屬地面,金屬門框架,各種服務(wù)性設(shè)施的金屬管道,金屬電纜橋架,地面、墻和天花板的鋼筋;
e—(局部)信息系統(tǒng)的金屬組件,如箱體、殼體、機架;
f—代表局部等電位連接帶(單點連接)的接地基準(zhǔn)點(erp);
g—(局部)信息系統(tǒng)的網(wǎng)形等電位連接結(jié)構(gòu);
h—(局部)信息系統(tǒng)的星形等電位連接結(jié)構(gòu);
i—固定安裝的ⅰ級設(shè)備(引入pe線)和ⅱ級設(shè)備(不引入pe線);等電位連接帶:
k—主要供電力線路的、供電力設(shè)備等電位連接用的總接地端(總接地帶、總接地母線、總等電位連接帶)。也可用作共用等電位連接帶;
l—主要供信息線路和電纜用的、供信息設(shè)備等電位連接用的等電位連接帶(環(huán)形等電位連接帶、水平等電位連接導(dǎo)體,在特定情況下:采用金屬板)。也可用作共用等電位連接帶。用接地線多次接到接地系統(tǒng)上做等電位連接(典型值為每隔5m連一次);
m—局部等電位連接帶:1-等電位連接導(dǎo)體,2-接地導(dǎo)體,3-服務(wù)性設(shè)施的金屬管道,4-信息線路或電纜,5-電力線路或電纜;
q—進入lpz1區(qū)處,用于外來服務(wù)性設(shè)施的等電位連接(管道、電力和通信線路或電纜)。
2、等電位連接的設(shè)置位置
圖11在標(biāo)明lpz劃分的同時說明了做等電位連接的位置。在《低壓配電設(shè)計規(guī)范》gb50054-95中從電氣安全的角度提出總等電位連接,局部等電位連接和輔助等電位連接的概念和方法。鑒于gb50054-95系強制性國標(biāo),是建筑電氣設(shè)計必須遵循的,因此,將防雷等電位連接與之結(jié)合是有益的。
1.總等電位連接(meb):gb50054-95第4.4.4條規(guī)定總等電位連接的導(dǎo)電體有:pe、pen干線;電氣裝置接地極的接地干線;建筑物內(nèi)的水管,采暖和空調(diào)管道等金屬管道(原文中含煤氣管,國際標(biāo)準(zhǔn)中有規(guī)定煤氣管道不應(yīng)直接連接),條件許可的建筑物金屬構(gòu)件等導(dǎo)電體。上述導(dǎo)電體宜在進入建筑物處接向總等電位連接端子。等電位連接中金屬管道連接處應(yīng)可靠地連通導(dǎo)電。
內(nèi)部防雷要求將外部防雷裝置的外敷引下線(利用建筑物內(nèi)垂直鋼筋為引下線的已含在建筑物的金屬構(gòu)件中,無需再做連接)在地下室或靠近地平線處與總等電位連接端子連接。這樣可以消除在建筑物上落雷時,雷電流i在接地電阻上產(chǎn)生大幅值的電壓降ir,避免因引下線與建筑物內(nèi)金屬部分或人體之間可能出現(xiàn)的危險的電位差而引起跳擊。
電源線路和信號線路上因雷電感應(yīng)產(chǎn)生瞬態(tài)過電壓,為保護信息設(shè)備,也要在入戶處做總等電位連接。由于電源線路上的帶電導(dǎo)體和信號線路的芯線不能用導(dǎo)線直接連接,此時應(yīng)用電涌保護器做等電位連接。
原則上等電位連接的位置應(yīng)在雷電防護區(qū)的交界處,即進入建筑物入口處,但有時被保護設(shè)備不一定會恰好設(shè)在交界處而是在其附近,這時當(dāng)線路能承受發(fā)生的電涌電壓時,spd可安在被保護設(shè)備處,而線路應(yīng)在交界處做一次連接。
在大建筑物內(nèi)可能有多個電源進線和多個接地母排(等電位連接帶),這些接地母排應(yīng)互相連通,以實現(xiàn)全建筑范圍內(nèi)的等電位連接。在防雷等電位連接中指lpzo與lpz1區(qū)交界處的連接。
2.局部等電位連接(leb):在高層建筑物內(nèi)裝設(shè)電子設(shè)備,使用“共網(wǎng)不共線”,即使用一根設(shè)備專用引下線接至共用接地裝置(網(wǎng)),會產(chǎn)生什么效果呢?由表2可以得知一根專用接地線在高頻下其阻抗為:
表225mm2銅導(dǎo)體在自由大氣中的電阻和電抗
將信息系統(tǒng)的工作頻率1mhz,專用引下線18m的r、ωl代入上式,阻抗高達(dá)近200ω,因此當(dāng)這個接地裝置的阻抗既便很低(如小于1ω)也是毫無意義的。
當(dāng)在信息系統(tǒng)上安裝電涌保護器時,在電涌保護器承受雷電流沖擊而對地泄放時,被保護的信息系統(tǒng)設(shè)備絕緣承受的電涌電壓為電涌保護器上的殘壓和其連接線上的電壓降之和,即:
u=ures+l(di/dt)
其中殘壓ures與電涌保護器的性能有關(guān),di/dt為雷電流的陡度,l與專用引下線的長度成正比,專用引下線過長,整個u值將偏大,而使設(shè)備損壞。因此在iec60364-5-534中規(guī)定,電涌保護器連接線的全長不宜超過0.5m。而為了達(dá)到這個要求,則必須在設(shè)備所在樓層按s型或m型設(shè)接地基準(zhǔn)點(erp)或環(huán)型接地母排,并將其與建筑物主鋼筋連接,達(dá)到局部等電位連接。在防雷等電位連接中指lpz1和lpz2區(qū)交界處的連接。
3.輔助等電位連接(seb):gb50054-95第4.4.5條規(guī)定:當(dāng)電氣裝置或電氣裝置某一部分的接地故障保護不能滿足切斷故障回路的時間要求時,尚應(yīng)在局部范圍內(nèi)作輔助等電位連接。當(dāng)難以確定輔助等電位連接的有效性時,可采用下式進行校驗:
r=50/ia
式中:r---可同時觸及的外露可導(dǎo)電部分和裝置外可導(dǎo)電部分之間,故障電流產(chǎn)生的電壓降引起接觸電壓的一段線段的電阻(ω)。
ia---切斷故障回路時間不超過5秒的保護電器動作電流(a)。
輔助等電位連接在防雷等電位連接中主要指lpz2和lpz3交界處以及后續(xù)雷電防護區(qū)的交界處的連接。
3、共用接地系統(tǒng)和電子設(shè)備的獨立接地
電子設(shè)備接地技術(shù)是一探討多年的問題。在工程中經(jīng)常遇到的有防雷接地、交流工作接地、屏蔽接地、防靜電接地、安全保護接地、直流工作接地(信號地、邏輯地)等。其作用可分為保護性接地和功能性接地二大類。目前人們最關(guān)心的是對功能地的保護。在電子信息設(shè)備的電路中,輸入信息、傳輸信息、轉(zhuǎn)換能量、放大信號、邏輯運算、輸出信號等一系列過程都是通過微電位或微電流快速進行的,且設(shè)備之間常通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進行工作,除需穩(wěn)定的電源外,尚需一穩(wěn)定的基準(zhǔn)接地點,又稱為信號參考電位。如使用懸浮地不易消除靜電,易受電磁場的干擾而使參考電位變動。以往在實際工作中大量采用tn-c系統(tǒng)供電(俗稱零地合一),50hz的工頻干擾經(jīng)由設(shè)備外殼,元件底板串入信息系統(tǒng),使功能性(直流)地要與保護性地隔離,對防雷