1.4 弱电系统的接地和防雷

弱电系统的接地和防雷是对保证整个系统信息传播的质量、阻止环境电磁干扰、保护人员和设备安全具有重要作用的项目。由于弱电系统的入地电流错综复杂，相互影响较大，对弱电系统的接地和抗干扰提出了更高要求。

1.4.1 接地

1.接地的种类和用途

按接地的作用可分为功能性接地和保护性接地两大类：

1）功能性接地包括：系统接地、工作接地、信号接地、屏蔽接地。

2）保护性接地包括：安全接地、防雷接地、静电接地等。

（1）安全接地。安全接地也称电源接地。电源地是供电系统零电位的公共基准地线。三相四线制（TN-C）交流供电系统有一“零线”（中性线N），当三相用电平衡时，零线中没有电流流通，因此零线上不存在电压降（都是0电位）；实际上，三相电源的用量是随时变化的，不可能是平衡的，因此零线中会有不平衡电流，零线上各用电点会产生不同的电压降，这个电压降与大地零电位之间会产生一个不稳定的电位差，最大甚至可达几十伏；此外，在此公共接地线上还会产生许多不稳定的干扰，影响系统的稳定运行和设备、人员的安全。为此，弱电系统低压配电系统都采用三相五线制（TNS），增加了一根没有电流流通的PE接地保护线，弱电系统必须把中性线（N）与接地保护线（PE）分开连接，消除安全隐患。

（2）静电接地。目的是防止设备外壳上积累电荷，产生静电放电危及设备和人身安全。

（3）防雷接地。电气设备不论是受到直接雷击还是感应雷击都会受到极大伤害。为防止雷击，电气设备需设置避雷接地装置。

（4）工作接地。工作接地是为电气设备提供一个基准电位（即浮地电位），浮地电位会随着外界电磁场的变化而变化。如果浮地电位与大地连接时，基准电位就与大地零电位相同。不会随外界电磁场的变化而改变。工作接地即把设备外壳接地。

（5）信号接地。信号地是信号传输系统的公共基准地线。由于弱电系统的信号都较弱，易受外界干扰，因此对信号地的要求较高。信号接地可进一步细分为模拟信号接地和数字信号接地两类：

1）模拟地。模拟地是模拟电气设备的公共基准地线，模拟设备接地点的选择和接地线的敷设方式会直接影响抑制干扰的效果。

2）数字地。数字地是数字设备的公共基准地线，由于脉冲数字信号的频谱范围很宽，易对模拟信号系统产生干扰，因此数字设备接地点的选择和接地线的敷设会直接影响抑制干扰的效果。

（6）屏蔽接地。根据周围环境电磁场干扰的情况，采用有效的屏蔽方法。

（7）系统接地。建筑物的接地可分为独立接地和联合（共同）接地。

在电子信息设备的电路中，输入信息、传输信息、转换能量、放大信号、逻辑运算、输出信号等一系列过程都是通过微电位或微电流快速进行的，且设备之间常常需要通过互联网络进行工作，需要一个稳定的基准接地点，又称为信号参考电位。使用悬浮地不易消除静电，易受电磁场的干扰而使参考电位变动。50Hz的工频干扰经由设备外壳、元器件底板串入信息系统，使功能性（直流）地与保护性地隔离。而且随着建筑物面积和高度的增大，随着城市建筑的发展，功能性地与保护性地的分离已越来越困难，同时使用多个接地系统必然在建筑物内引进不同的电位，导致设备出现功能故障或损坏。因此采用等电位连接和共用接地系统后，使信号接地不形成闭合回路，共模形态的杂讯不易产生，同时可消除静电和电场的干扰，不易受磁场干扰。共用接地系统已为国际标准采用，并逐步在我国国家标准中推广。

2.接地电阻计算

接地电阻越小，抑制干扰和安全保护性能越好。共用接地体（联合接地）的接地电阻应小于1Ω；强电系统接地电阻或一个弱电系统独立接地电阻应小于4Ω。

接地电极的类型主要有单根垂直接地极、水平接地体和接地网等。基本计算公式为

R（Ω）=ρL/S （1-1）

式中，ρ为土壤电阻率，单位为Ω·m；L为导体长度，单位为m；S为导体面积，单位为m²。

采用直径不小于50mm，长度不小于2.0m的单根镀锌钢管垂直地极的接地电阻计算：

R（Ω）=0.366（ρ/L）lg（4L/d） （1-2）

式中，ρ为土壤电阻率，单位为Ω·m；L为插入地下的深度，单位为m；d为钢管地极的外径，单位为m。

土壤电阻率ρ与土壤的含水率有明显的关系，含水率高（湿）的土壤比含水率低（干）的土壤的电阻率要低得多。因此采用合适的保湿材料，如绿化用的保湿颗粒、定期补水或盐水等，可较长时间保持土壤湿润。表1-2给出了土壤电阻率参考值。

表1-2 土壤电阻率参考值

3.接地和屏蔽

弱电工程经常会遇到需要把各种设备小机箱装入接地的立式机柜的情况。设备小机箱用螺钉与立式机柜固定。由于各设备机箱屏蔽外壳的电位有所不同，用螺钉与立式机柜连接存在着干电阻，因此各设备机箱接入点的输入信号、输出信号和交流电源会通过机柜产生电磁耦合，形成图1-8a所示的“接地电流”，使各设备机箱接入点的“信号地”和“电源地”之间产生一个小的电位差，造成难以消除的交流门响声或其他干扰噪声。为此，通常采用图1-8b所示的“一点接地”方法，消除接地环路造成的干扰。把各设备用导线集中到一点与大地连接，才能真正起到设备屏蔽的效果。

各种形式的电子系统的应用在不断增加，这些系统包括计算机、通信设备、控制系统等，在国际电工委员会的标准中将它们统称为信息系统。对信息系统的外露导电部分应建立等电位连接网络，原则上一个等电位连接网络不一定需要连到大地，但通常考虑的所有等电位连接网络都会有通大地的连接。

图1-8 接地环路与一点接地

a）接地环路的形成 b）用一点接地法消除接地环路

1.4.2 防雷

雷电入侵智能建筑的形式有两种，一种是直击雷，另一种是感应雷。一般来说，直击雷击中智能楼宇内的电子设备的可能性很小，通常不必安装防护直击雷的设备。感应雷即是由雷闪电流产生的强大电磁场变化与导体感应出的过电压、过电流形成的雷击危害。感应雷入侵电子设备及计算机系统主要有以下三条途径：

（1）雷电的地电位反击电压通过接地体入侵。当建筑物防直击雷的避雷器引导强大的雷闪电流通过引下线入地时，在附近空间产生强大的电磁场变化，会在相邻的导线（包括电源线和信号线）上感应出雷电过电压，此时，建筑物避雷系统不但不能保护计算机系统，反而可能会引入雷电流。计算机网络系统等设备的集成电路芯片耐压能力很弱，通常在100V以下，因此必须建立多层次的计算机防雷保护系统，层层防护，确保计算机网络系统的安全。

（2）由交流供电电源线路入侵。计算机系统的电源由室外架空电力线路引入室内，架空电力线路可能遭受直击雷和感应雷；直击雷击中高压电力线路，经过变压器耦合到380V低压侧，入侵计算机供电设备。如果低压线路被直击雷击中或在380/220V电源线上感应出的雷电过电压平均可达10000V，则对计算机网络系统可造成毁灭性打击。

（3）由通信信号线路入侵。由计算机通信线路入侵有三种情况：

情况1：当地面突出物遭直击雷打击时，强雷电压将邻近土壤击穿，雷电流直接入侵到电缆外皮，进而击穿外皮，使高压入侵线路。

情况2：雷云对地面放电时，会在线路上感应出上千伏的过电压，通过设备连线侵入通信线路。这种入侵沿通信线路传播，涉及面广，危害范围大。

情况3：若通过一条多芯电缆连接不同来源的导线或者多条电缆平行铺设时，当某一导线被雷电击中时，会在相邻的导线感应出过电压，击坏低压电子设备。

不管是通过哪种形式、哪种途径入侵，都会使电子设备及计算机系统受到不同程度的损坏或严重干扰。

随着计算机和网络通信技术的高速发展，计算机网络系统对防护雷击的要求越来越高，特别是在雷雨季节，雷击频繁发生，计算机网络系统的一些电子电气设备受到雷击的干扰，有些遭雷击而烧毁，造成直接经济损失。因此，计算机网络系统的防雷防护要引起足够重视，做到有备无患，做好整体防护措施，才能更好地维护机房的安全运行。

弱电系统防雷是一项综合工程，主要包括外部防雷和内部防雷两个方面：

1）外部防雷包括避雷针、避雷带、引下线、接地极、二合一防雷器等，其主要的功能是为了确保建筑物本体免受直击雷的侵袭，将可能击中建筑物的雷电通过避雷针、避雷带、引下线等，泄放入大地。

2）内部防雷是为保护建筑物内部的设备以及人员的安全而设置的。主要以空间屏蔽、等电位连接、减少接近耦合、过电压保护等措施，通过在设备的前端安装合适的避雷器，即过电压保护，使设备、线路与大地形成一个有条件的等电位体。将因雷击而使内部设施感应到的雷电流安全泄放入地。

1.防雷设计

（1）建筑物直击雷防护。按照国家标准GB50057—2010《建筑物防雷设计规范》的要求，计算机网络机房所在大楼的避雷网（带）、避雷针或混合接闪器，通过大楼立柱基础的主钢筋，将强大的雷电流引入大地，形成较好的建筑物防雷设施。

计算机机房受建筑物防雷系统保护，直击雷直接击中计算机网络系统的可能性非常小，因此通常不必再安装防护直击雷的设备。

（2）计算机网络系统的感应雷入侵防护。感应雷由静电感应或由电磁感应产生，形成感应雷电压的概率很高，从而对建筑物内的低压电子设备造成较大的威胁，计算机网络系统的防雷工作重点是防止感应雷入侵。

1）入侵雷电流在建筑物的内部分布直接影响到计算机网络系统设备，特别是对电磁干扰敏感的计算机及网络通信终端设备。合理选择机房的位置及机房内设备的合理布局可有效地减少雷害。

2）在供电系统及计算机网络终端设备的接口处安装电涌保护器（SPD），并对出入机房的电缆线采取屏蔽、接地，实现等电位连接等措施，可有效减少雷击过电压对计算机网络系统设备的侵害。

3）机房采用联合接地可有效解决地电位升高的影响，合格的地网是有效防雷的关键。

机房的联合地网通常由机房建筑物基础（含地桩）、环形接地（体）装置、电力变压器地网等组成。

接地系统的质量直接关系到防雷的效果。通过改善地网条件、适当扩大地网面积和改善地网结构，使雷电流尽快地泄放，缩短雷电流引起的过电压的保持时间，达到防雷要求。

（3）电视监控系统防雷。电视监控系统防雷包括外部防雷和内部防雷两个方面：

外部防雷包括避雷针、避雷带、引下线、接地和二合一防雷器等，主要是确保建筑物本体免受直击雷的侵袭，将可能击中建筑物的雷电通过避雷针、避雷带、引下线等向大地泄放。

内部防雷是为保护建筑物内部的设备及人员的安全，主要以空间屏蔽、等电位连接、减少接近耦合、过电压保护等措施，在需要保护设备的前端安装合适的避雷器，使设备、线路与大地形成一个有条件的等电位体。将因雷击而使内部设施感应到的雷电流安全泄放入地。

电视监控系统防雷主要应用于以下两种情况：

1）户外前端监控摄像机防雷。户外前端监控摄像机均安装在比较高的钢质立杆上，设备的直击雷防护必不可少。

①在每根钢质立杆顶端加装避雷针，根据滚球法计算，避雷针的有效保护范围在30°夹角内，避雷针的高度按照设备的安装位置计算。

②视频线、控制线与电源线需加装CAN监控专用三合一防雷器，此款防雷器集视频线防雷、控制线防雷、电源线防雷于一体。安装方便，易维护。

③前端设备接地：三合一防雷器必须接地才能避雷，要求接地电阻应小于4Ω。

如果现场土壤情况较好，可以利用钢质立杆直接接地，把摄像机与防雷器的地线直接焊接在立杆上即可。

④监控中心重要设备的电源进线处，安装电源插座式防雷器，作为设备电源的末级防雷保护。

2）监控机房接地与等电位连接。在监控中心机房防静电地板下，沿着地面布置40mm×3mm的纯铜排，形成闭合环接地汇流母线。将配电箱金属外壳、电源地、避雷器地、机柜外壳、金属屏蔽线槽和系统设备的外壳用等电位连接线和铜芯线螺栓紧固线夹就近接至汇流排，实施多点等电位连接。

（4）卫星电视接收天线的防雷。卫星电视接收天线通常架设在室外空地或楼顶，如果没有采取避雷措施或避雷措施欠佳，雷击造成的结果轻则损坏接收天线系统，重则造成人员伤亡。

卫星电视接收系统的各部分，包括室内和室外单元及电缆线的屏蔽层应可靠接地。通常，电缆线的屏蔽层已将室外和室内单元的外壳连接起来，可将天线支架与高楼或铁塔的接地线连接起来，根据接收天线附近的环境条件安装避雷针。

1）铁塔或避雷针的保护范围。如果在天线附近已有较高的铁塔或已架设避雷针，则首先判断这些已有铁塔或避雷针是否能对卫星接收天线起保护作用。避雷针的有效保护半径R的计算方法如下：

式中，R为避雷针的有效保护半径，单位为m；h为避雷针的高度，单位为m；H为被保护物的高度，单位为m。

如果原有的铁塔或避雷针不能满足保护半径的要求，则应另外安装避雷针。避雷针的高度、与接收天线之间的距离和被保护物的高度应满足上式要求。

2）卫星接收系统的避雷方法。

①抛物面天线位于地面上时：由于天线与机房建筑物的距离大都在30m以内，并且通过天线基座直接与大地相连形成地线，基座的地脚螺钉，钢筋混凝土中的钢筋自然形成地线。这时，接地电阻要小于4Ω。

②抛物面天线位于屋顶时：天线与建筑物的防雷应纳入同一防雷系统，所有引下线与天线基座均应与建筑物顶部的避雷针网作可靠连接，并至少应有两个不同的泄流引下路径。在多雷地区，抛物面上端和副反射面上端宜设避雷针。

③馈线的防雷：高频头输出电缆，宜穿金属管或紧贴防雷引下线，沿金属天线杆塔体引下；金属管道与电缆外层屏蔽网，应分别与塔杆金属体或避雷针引下线及建筑物的避雷引下线间有良好的电气连接。因为暴露的电缆或金属管道可能招致雷击，这样的连接可使雷电流直接经防雷系统入地；不会招致雷击而产生雷电流的设备，切勿与防雷接地系统连接，以防雷电流或地电流反串进入设备，招致雷击。

避雷针在直击雷时可将大部分的放电分流入地，避免卫星电视接收天线系统被击毁。避雷针由接闪器（即避雷针）、支杆、接地引线和接地体四部分组成，如图1-9b所示，避雷针的保护区在避雷针下面45°～60°的伞形区，如图1-9a所示。避雷针离地越高，保护范围越大。受保护天线与避雷针的距离应大于5m，因雷击时，雷电感应可击穿2～3m的空气。

避雷针的接地与接收天线的接地距离必须大于1m，地线埋设深度不小于0.6m，接地电阻不超过4Ω。接地引线要求尽量垂直。

卫星电视接收系统都需要220V交流供电，一旦电源线路受雷击，就会损坏卫星接收机和其他设备。为防止市电引入的感应雷损坏卫星电视接收设备，经常有雷击的地区还需加装电源防雷器和过电压保护装置。

图1-9 卫星电视接收天线的防雷

a）避雷针下面45°～60°的伞形区 b）避雷针组成

（5）中心机房防雷。根据IEC1312防雷及过电压规范中有关防雷分区的划分，采用三级防护，即三相总电源、室内单相电源和进入设备前防护。只做单级防雷可能会因雷电流过大而导致泄流后的残压过大而引起设备损坏，电源系统多级保护可防范从直击雷到工业浪涌的各级过电压的侵袭。

一种新型的电源防雷装置称为配电系统过电压保护装置（DSOP），它能在一定时间内抑制雷电过电压，可靠地保护设备不受雷电沿电源线进来造成的危害。

1）第一级电源防雷。系统电源进线端的第一级三合一防雷器，在雷击多发地带至少应有100～160kA的通流容量，可将数万甚至数十万伏的雷击过电压降到数千伏，防雷器可并联安装在大楼总配电柜内的电源进线处或配电房的低压输出端。

配电房低压输出端并联安装1套B级电源防雷箱，用于机房整体设备的电源第一级的防雷设备初级保护。或采用电源防雷模块，并联安装在配电房低压输出端。

2）第二级电源防雷。UPS电源防雷器对通过电源初级防雷器的雷电能量进一步泄放，可将数千伏的过电压进一步降到1kV，雷电多发地带需要具有40kA的通流容量，防雷器可并联安装在UPS处。在电源总进线处，并联安装一套电源二级二合一防雷器用于中心机房内设备的电源第二级防雷保护。或采用电源防雷模块。

3）第三级防雷系统。第三级防雷即用电设备的末级防雷，也是系统防雷中最容易被忽视的地方，现代电子设备都使用很多的集成电路和精密元件，这些器件的击穿电压往往只是几十伏。若不做第三级防雷设备，由经过一级防雷而进入设备的雷击残压仍将有千伏之上，这将对后接设备造成很大的冲击，并导致设备的损坏。作为第三级防雷系统的二合一防雷器，要求有10kA以上的通流容量。

2.大楼弱电系统防雷接地方案

在接地处理过程中，一定要有一个良好的接地系统，因为所有防雷系统都需要通过接地系统把雷电流泄入大地，从而保护设备和人身安全。如果接地系统做得不好，不但会引起设备故障，烧坏元器件，严重的还将危害工作人员的生命安全。图1-10是大楼弱电系统的防雷接地方案。

图1-10 大楼弱电系统的防雷接地方案