刘世加
中信国安建工集团有限公司 四川省成都市 610000
摘要：接地系统在建筑电气设计中是十分重要的部分，几乎所有电气系统都与之密不可分，也关乎到电气设备和人身安全。 当前建筑设计院对接地系统的设计相对模块化，针对不同建筑接地系统形式的选择亦存在一些分歧， 本文作者根据自身工作经验对此进行论析，供大家参考指正。
关键词：建筑电气设计；系统接地形式；保护接地；联合接地体；等电位联接。
导言：
用电安全在当前社会越来越受到大家的重视，但接地系统基本上是一个看不见摸不到的部分，大多数人都不是很了解其中原理。 很多刚刚从事建筑电气设计的设计师对此也是仅仅局限于设计说明和标准图。作者结合实际工作经验，对不同条件下低压接地系统的的选择和做法做了一些介绍和论析，具体如下：
1、接地系统的形式划分：
根据IEC(国际电工委员会)的标准，将接地系统划分成TN、TT、IT三种类型，第一个字母代表的是电源侧带电导体与大地的关系。T表示电源端有一点直接接地，I表示电源不接地或者经高阻抗接地；第二个字母代表电气设备外部导电的部分与地之间的联系。T代表外部导电部分直接接地，N代表通过与接地的电源中性点的连接而接地。这其中TN系统又细分为TN-C、TN-C-S、TN-S三种形式，TN-C系统N线与PE线在系统内是合并的，TN-S系统N线与PE线在系统内是分开的，TN-C-S系统在电气装置电源进线点前合并， 进线点后分开。
2、低压常用接地系统的选择：
城市新建的民用建筑中除一些特殊场所采用TT系统及IT系统外，绝大多数都采用TN系统， 其中TN-C系统虽然可以节约一根导线，但从安全角度考虑，当PEN线断开时，电气装置金属外壳对地带相间电压，人触摸会遭到电击。而且PEN线不允许设置RCD防护，PEN线因含有PE线，也不可以安装四极保护电器，影响维护人的安全。再有就是PEN线中存在电流，会产生电压降，从而使所连的设备的金属外壳对地带有电位，不能在爆炸危险场所使用。 故TN-C系统很少采用。TN-S系统为目前最多采用的接地系统形式，主要适合于内部设有变配电所的建筑。 当前民用建筑的变配电所一般采用两种形式，第一种是设在建筑单体或大通盘地下室内，另一种是在室外总平设置专用变配电所。 TN-S系统主要适用于前者。在TN-S内部，PE与N线分开，PE线工作时不通电流，亦没有电位。只在出现接地问题时才流过事故电流，设备的外露金属部位相对于地正常没有电位，相对安全。TN-C-S系统不适合变配电所在建筑物内的情况，原因与上述TN-C系统相同，PEN上的电流生产的电位差会在建筑内部传递。 容易引起不良后果。TN-C-S系统主要适用于变配电所不在所供电的建筑物内的情况，TN-C-S系统从电源至所供电的电气设备之间采用4芯电缆， 节约了一根专用PE线的电缆，在造价上相对节约，变配电所至电气装置之间（一般为总配电箱）的PEN线上电压升高，总箱处设总等电位联结（重复接地），进线点之后N线与PE线分开，之后的N线与PE线完全绝缘不再合并，也就是进线点之前等同于TN-C系统，进线点之后为TN-S系统。重复接地之后，建筑物内的电气设备外壳与PE线及地等电位，因此也可以减少电子信息设备的干扰。TN-C-S系统由于是在进线处PE线与N线才分开，在用电建筑物内TN-C-S的共模电压要比TN-S的小，因此电子信息设备抗共模干扰方面TN-C-S优于TN-S系统。
关于TN-S系统与TN-C-S系统设计师们也存在一些分歧，有些设计师认为TN-C-S系统存在一定缺陷。主要原因如下：
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（1）TN-C-S系统单回路供电的建筑物PEN线的电流会通过重复接地点与大地分流，这就会形成杂散电流。
（2）在末端负载三相不平衡的情况时，多回路供电的建筑物，一条PEN上的电流会与其他PEN线进行分流。以一个两回路供电的住宅为例，如下图所示：
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注：箭头指向为N线电流方向。
假设W1回路末端负载三相严重不平衡，此时W1回路中PEN线上的电流较大，W2回路三相平衡，PEN线无电流流过。 两条PEN线相当于并联，造成分流。 分流的大小与两个回路的阻抗大小、电流大小和相位有关。 经过分流第一条PEN线上原有的电流减小了，第二条PEN线上从无电流变成有电流通过。这时W1，W2两个回路上电流的矢量和均不为零了，相当于均产生了剩余电流。如果W1，W2电缆是铠装或者穿金属管，根据电磁感应原理会产生涡流损耗及磁滞损耗。 这部分损耗的电量要由供电电源提供，损耗使钢管发热，埋地电缆的环境温度升高，会降低电缆允许的载流量。
通过以上两个原因分析，笔者认为TN-C-S系统的选用应该权衡一些利弊，关于杂散电流的问题，这种电流很微小，且只在建筑物进线处及外部形成。如果可以规避地下存在易燃易爆气体，这种影响是很小的。对于多回路进线分流的问题，笔者认为首先应尽量规避末端三相不平衡严重的建筑物。对于确实产生涡流及磁滞损耗的应比较长期损耗与短期投资减少一根PE线的利弊进行取舍。
3、接地系统在设计中的应用：
建筑设计里TN-S与TN-C-S系统是最为常用的两个，以下仅对这两个系统在设计内的应用进行分析。例如有大地下室的项目，通常利用基础内的钢筋作为联合接地体，包括工作接地、保护接地、防雷接地及电子信息系统的接地。这里以电子信息系统的小于等于1欧姆作为联合接地体的电阻要求。
（1）变配电所内的系统接地及保护接地：系统接地的始端为项目变配电所。IEC对系统接地有比较严格的规定，不允许变压器或发电机就近将中性点接地，从变压器中性点引出的PEN线必须绝缘，只能在低压配电盘上一点与PE母排连接来作为系统接地。 如下图：
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变压器T1的系统接地点在进线柜1AA1的母排处，PE母排也在该点与之相连。 这里有一个问题，从变压器至进线柜的母排是4根，也就是说变压器中性点套管引出的导体是PEN线而不是N线。TN-S系统也是这样的，N线与PE线分开是从低压馈电柜出线处开始的，因为变压器或发电机至低压柜的一段距离很短，这一段电阻很小，可以不考虑，所以把变配电所当成一个电源点。对于一个变配电所内有两台或者多台变压器并列运行的系统接地的做法也是通过一点接地，具体做法如下图：
3AA6柜为T2与T3变压器之间的联络柜，两台变压器联络并列运行时，系统一点接地的位置设置在联络柜处。
变配电所或柴油发电机房中设总等电位联结板，一般采用镀锌扁钢作为总等电位联结线， 联结线分别于两处与接地装置可靠联结，变配电所和柴发机房内设环形接地线，一般情况采用镀锌扁钢距地200mm沿变配电房周边焊接成闭合回路，接地线用水泥钉沿墙面卡固装设。 电缆沟内也采用镀锌扁钢暗敷于地坪内或沿电缆沟壁明敷，与变配电房或柴油机房环形接地干线焊接成闭合环路。这些等电位连结措施也用作变配电所内外露金属能导电部分的保护接地。 平面做法见上图。
（2）建筑内等电位做法：
建筑物进出的所有埋地管道（可导电的）及金属电缆外皮，总冷冻水及冷却水管， 建筑物内PE干线，建筑物钢筋均通过镀锌扁钢就近与MEB可靠连接；在弱电间、强弱电竖井、水泵房间、风机房间、空调机房、锅炉房、有洗浴设施的厕所及游泳池等设局部等电位联结。对于建筑物内地下埋设的钢筋和金属管道等稀少的地面，一般可以埋设网格不大于20米x20米的钢筋或扁钢作为地面的等电位。
（3）PE导体的选择：
PE导体的导通往往是比相线导通更重要的，因为相线不导通设备就不会正常运转， 是很容易发现的，但如果PE导体不导通，设备还会正常工作无异常，但已失去接地，容易造成事故。为保证接地的导通，PE和PEN线的截面积即要符合物理强度的要求也要满足接地短路电流热稳定性的要求。 PEN线还要满足N线的载流量和电压降的要求。PE线一般选用‘与相线一同敷设的导线（同管）’、‘多芯线里的一根’、‘独自敷设的导体’、‘满足要求的金属管护套’等。对于PE导体的截面积选择最小应该满足，单根电线用作PE线时，铜线有保护情况不得小于2.5mm2，没有时不得小于4mm2；铝芯线有没有机械保护都不允许小于16mm2。PE线的允许最小截面积按下式确定:
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S≥I√t/K
式中S——PE导体的截面（平方毫米）
I——预期故障电流或短路电流（A）
t——保护电器自动切断电源的时间（S）
K——按导体材料的温度取定的系数。
设计中按上式计算往往比较复杂繁琐，一般采用简化法确定，当相线截面S≤16mm2时，PE导体等于S；当相导体截面16≤S≤35mm2时，PE导体截面等于16；当相导体截面S≥35mm2时，PE导体截面等于S/2。
两个或多个回路敷设在一起时，可以共用要一个PE导体，其截面积应按最大的一个回路要求去确定。PE导体在施工时不允许锡焊，应该用螺栓连接，并且PE导体中不应该运用任何开关电器和隔离电器。
（4）接地故障保护与RCD的设计运用
等电位和接地都可以降低电气设备接触电压，但当一部分接地故障的切除时间不满足要求时，可以采用局部等电位，进一步降低电位差。对于TN系统的接地故障保护一般使用断路器或熔断器。但有时供电距离很长，导体截面不大，保护电器切断时间不满足要求，这时通常增加RCD作专门的接地故障保护最有效。对于TT系统，一般都采用RCD作为接地故障保护。
RCD的作用主要是可以快速切断接地故障电路，防止间接电击事故和电气火灾。RCD的电流互感器套住相线和N线，但不包括PE线。由于三相不平衡电流和谐波产生的电流在磁路内被抵消，其整定的动作电流可以很小。在一个电气装置内一般可以装两级RCD，上级RCD的动作电流比下级RCD的动作电流至少大3倍，末端回路的RCD应为瞬时动作（当故障电流大于5倍额定剩余动作电流时，其动作时间不超0.04S）， 而上级RCD应该选用延时型，延时时间宜为0.1~0.15S。当然RCD并不是可以杜绝所有接地故障造成的电击，比如TN系统沿其他PE线传导引来的故障电压，RCD是无法识别的，这时候就必须做等电位联结来避免这类电击事故。 设备在室外无法考虑等电位联结的情况下，就应该采用局部TT系统来防止此类事故发生。
结论：
本文简单介绍了设计时的接地形式选择及相关设计内容，对于TN-C-S系统的一些异议和讨论，本文也作了简单的剖析。众所周知接地系统是十分庞杂的内容，几乎涉及贯穿整个电气领域。 由于篇幅有限，笔者仅谈了与工作相关的部分接地系统内容，很多理论和计算内容也是浅尝辄止，有不当及谬误之处请同行及专家们指正。 希望广大建筑电气设计师们都能不断积累理论和实际经验，共同提高自身业务水平及行业水平，更好的满足时代发展和人们安全用电要求。
参考文献
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