现代建筑接地网和智能监控系统安全问题的探讨

摘要：现代工业建筑和商业建筑内配置大量的智能监控管理设备和消防装置，智能设备的安全运行和现代建筑的接地网络关系很大。特备是现代节能建筑的推广建设，有些时候忽视接地网的测试，会给现代智能设备的安全运行埋下隐患。

中图分类号： TN827 文献标识码： A 文章编号：

一、智能控制系统接地的作用有两个

（1）是安全，即保护人身安全和仪表及控制系统的安全。（2）是保障仪表和控制系统稳定、准确地运行，也就是保证信号通畅、抗御各种干扰。

二、智能监控系统接地数字电路的内在逻辑要求

智能监控系统采用了计算机等数字电路技术，各部分电路需要有统一的工作基准电压。即该工作基准电压起到建立一个统一的信号参考点的作用。如几部分电路没有统一的工作基准电压，就会造成系统工作异常。

理想的接地应该是这样的：在接地网中，如果其中一个电极中不论怎流过电流，对另一个接地电极就不应该发生电位上升的情况。如下图（1）

图1 接地极的影响与电位分布图

共用接地存在的一个主要问题：就是电位上升而波及的危险。 在共用接地的场合，如果在共有接地设备中有一个发生接地电流，就会流入大地。这时因各个接地电极总是有些接地电阻，就会使接地点的电位上升。

如果是独立接地，由接地电极引起的电位上升仅限于本身而不波及其它极（这是理想的接地）。而如图1所示共用接地，由接地电流引起的电位上升会波及到共用接地的全部设备。

现在接地4种类型。（1）信号地（2）功率地（3）屏蔽地（4）保护地。一般将4种地组合在一起，其接地电阻不大于4欧。电子设备的这种接地采用一点接地，其接地电阻不大于1欧姆。并可与工频交流接地和防雷接地采用共同接地。

三、减少接地电阻的途径：

1、降低共用接地系统的接地电阻

如果共用接地系统的接地电阻很低，那么电位上升波及的危险不会有太大的问题。由接地网的接地电阻的简易公式可知：

要降低共用接地系统的接地电阻，(1)可增加地网总面积S。如果要把某共用接地网的接地电阻减小到原来的二分之一，则要将接地网面积增加到原来的四倍，这在工程现场几乎是不可能的事。这就是要求控制系统的接地和电气的接地网连接起来，增加网总面积S是非常必要的。

(2)降低土壤的电阻率ρ。（埋桩尽量的深在2.5米左右或改变土壤介质情况）如选用稀土防雷防腐降阻剂，其降阻有效率可在60%～90%之间。

四．减少接地极相互干扰损坏的途径

1、保持离大的接地电流系统的接地点有一定的距离

在共用接地网上建筑物避雷针的接地点和智能控制的接地点，沿地下接地体的长度必须大于15米。即经过15米的距离，一般能沿接地体传播的雷电过电压衰减到不足以危及设备的绝缘。土壤的电阻率愈低，该距离就愈小。

2、在共用接地网上大电流、高电压的用电设备的接地点和智能控制的接地点，沿地下接地体的长度必须大于5米。（现计规范、设计院现在执行的是15米）

3、保证整个智能控制系统的所有信号接地点都在同一个共用接地网上

问题就在智能控制系统除了智能控制本身的接地点外，还有传感器、执行器等许多现场设备，这些设备大多都自然接地，如果这些自然接地体和共用接地网没有连接而且又在外部防雷系统的附近，则在外部防雷系统接闪时，会因为地电位的升高而产生反击。

所以必须保证整个智能控制系统（包括现场的传感器、执行器）的所有接地点（包括自然接地点）都应在同一个共用接地网上。

五.大型建筑物楼层接地网和智能监控的接地形式

1．单独接地

早期国内一些规定及某些智能监控制造厂要求，控制系统的保护接地接入电气安全接地网，工作接地则采用独立的、干净的接地装置与大地相接，两种接地网之间距离至少保持5m。

此类接地虽在安全及抗干扰方面有一定作用，但由于地电位差的存在，仪表装置被雷电及浪涌电压损毁之事时有所闻，抗干扰能力也不佳，同时在紧凑布置的工业装置或控制室里，不同接地网络之间相距5m也是很难做到的。

2．联合接地

某些规范及资料文件通常规定包括仪表系统在内的ITE（电子信息设备）和其他电气系统的接地系统连接在一起，形成联合接地（一点接地），并规定其接地电阻不应大于1Ω。

此类接地方式同样也存在抗干扰能力不理想的现象，尤其是对于雷电和浪涌的影响更显得无能为力。

3．等电位接地

IEC标准明确规定信息技术装置功能接地和保护接地通过等电位连接和用接地。我国国家标准GB50174-93也规定电子计算机系统的接地应采用单点接地并且采用等电位方式。

等电位接地的基本原理是等电位法拉第笼，是当今安全、经济的抗干扰、保安全的行之有效的方法。高压带电作业过程中采用的是等电位原理，而不是采用绝缘防护。以飞机为代表的空中飞行器，具有大量电子设备，在空中飞行又常遭遇雷电，但是由于这些电子设备都与飞行器外壳体做了等电位连接，因此即使有雷电也并不能影响其中电子设备的正常运行。同理，军事上、通信上的移动设备也无法连接大地，而只做与机身的等电位连接，也能够正常、可靠地工作。

等电位连接的电子设备处于相等的电位水平上，由于种种原因（如雷电等）地电位发生变化，水涨船高，电子设备之间不存在电位差，因而也不会产生干扰电流，电子设备依然照常工作。同样，工作人员处于等电位网中，也不受到外界原因危害。

当然，绝对的等电位是不可能的，只能实现近似的等电位，等电位近似的程度以及接地的效果与实施接地过程的各个环节有关

在接地电极中，可以采用棒状、线状、板状等人工接地极，也可利用水管等作自然接地极。以前所述的接地极都是人工接地极。自然接地极并不是那种以接地为目的的施工物体，而是将与大地接触的导电性物体来代替接地极使用的。 这种物体以前使用的水管多半为金属管，但近几年来水管用合成树脂制成，好多场合已经不能作为代用接地电极了。于是有人就想利用建筑结构地表下部分的钢筋作自然接地极。最初提出该想法的是美国的H.G.Ufer,“Ufer电极”的名称由此而来。

建筑结构体接地的必要条件是结构体必须为钢架、钢筋混凝土制造，而不是砂浆或木造的。钢架和钢筋本身有很好的导电性，而且贯穿到整个建筑物并通过混凝土与大地接触。只要混凝土不是绝对的绝缘物，从宏观上可以认为结构体就是一个接地电极。

在钢架造、钢筋混凝土造和钢架-钢筋混凝土造的建筑物中，其本体结构无疑是牢固的，即柱或梁等都是相互紧密结合。但是建筑物结构体的各个部分是否以很低的电阻互相连接着呢？换言之，建筑物结构体是否是一个以导体构成的“电笼”（cage）？

钢架造的大厦，因钢架之间是用铆钉或螺栓连接的，无疑是一个电笼。而对于钢筋混凝土结构的大厦，混凝土中主筋和箍筋就未必是连接的，所以有人就怀疑它不是电笼。在混凝土中钢筋和钢筋之间虽然是分离的，但是钢筋之间却充满了混凝土。从外观上看，混凝土如同坚硬的石头，但它比一般的岩石吸水性大，因此，处于湿润状态的混凝土的电阻率相当低。在加上躯体或柱有很大的截面积，所以即使是钢筋混凝土造的大厦，结构体的各部分也是以低电阻连接的，可以将它看成是电笼。

实测某钢架造的高层大厦结构体电阻，从顶层到地下一层的直流电阻是10-3Ω。用双电桥测钢筋混凝土结构的三层楼结构体的电阻的直流电阻是10-2Ω左右。 所以“电笼”必须满足下列的两个条件:

（1）建筑物必须是钢架造、 钢筋混凝土造、钢架造-钢筋混凝土造，而且要有相当大的地下部分与大地接触的面积。·

（2）施工地点的土壤电阻率要低到一定的程度。通过电阻计算公式，计算出建筑结构体的接地电阻，表一：根据接地网接地电阻计算公式，计算出日本建筑的接地电阻情况

表中：地下层的地面面积m2 包括建筑地下底面积和地下侧面积的总和。

表一：日本建筑的接地电阻

根据《GB50343-2004 建筑物电子信息系统防雷技术规范》规定的建筑物防雷区等电位连接及共用接地系统。建筑物内应设总的等电位接地端子板，每层竖井内设置楼层等电位接地端子板，各设备机房设置局部等电位接地端子板。当建筑物采取总等电位连接措施后，各等电位连接网络均与共用接地系统有直通大地的可靠连接，每个电子信息系统的等电位连接网络，不宜再设单独的接地引下线接至总等电位接地端子板，而宜将各个等电位连接网络用接地线引至本楼层或电气竖井内的等电位接地端子板。

等电位连接与共用接地系统是内部防雷措施中两种不同而又密切相关的重要措施，其目的都是为了避免在需要防雷的空间内发生生命危险，减小电子信息系统因雷击而中断正常工作、发生火灾等事故。

综上所述，等电位接地对于保证人员及设备安全，抵抗干扰有明显的优越性，智能监控系统接地宜采用等电位方式。