某物理实验室独立信号接地系统做法探究

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  • 来源:宿州学院教务管理系统_中南大学教务系统_内蒙古工业大学教务处
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  GJ 16 - 2008《民用建筑电气设计规范》中要求电子设备应同时具有信号电路接地(信号地)、电源接地和保护接地3种接地系统。电子设备接地宜与防雷接地系统共用接地网,接地电阻不应大于1 Ω。我国现行规范体系是主推建筑物采用共用接地系统,不鼓励设置独立接地系统,其主要目的是为了防止一栋建筑物内存在两套接地系统,在雷击和故障时各电气系统间出现电位差而引起人身电击之类的电气危害。

  当建筑物内部设备的特殊性决定了需要采用独立信号接地系统,如何才能防范风险,确保设备正常工作的同时独立接地系统可以安全可靠运行,平抑雷击或故障时两套接地系统之间的电压差,确保人身、设备的安全,规范独立信号接地系统的使用和管理。

  下面以笔者设计的一个既有建筑改造项目新增独立信号接地系统为例,介绍如何在有限的场地空间内建设独立信号接地系统以及处理以上问题的思路和解决办法,为同行在特定类型项目的设计工作提供一些可供参考和借鉴的方法。

   项目概况

  本项目为某高校实验楼,建筑面积约3. 5万m2,共计9层,建筑高度36 m,属于二类高层,结构形式为钢筋混凝土框架结构,基础形式为桩基础,原设计采用共用接地系统。项目竣工后,实验大楼使用部门之一 —— 物理学院提出今后有部分科研仪器设备需安装独立的信号接地线系统,避免原共用接地系统中杂散电流的干扰,以满足精密仪器教学和实验使用需求(部分物理实验采用单电子撞击方式,对电源和接地要求非常高)。

  该物理学院在其旧的实验楼中采取的解决方案:各个实验室分别在室外地面下埋设一定尺寸的6 mm厚铜板作为接地极,采用35 mm2的BV线作为接地线明敷至实验室内。经实践证明,此方法能够较为有效地避免共用接地系统中的杂散电流干扰,因此物理学院提出新实验楼也希望采用此方案,设置38根独立接地线和38个独立接地极。

   校方方案及存在问题

  校方物理学院提出的信号独立接地方案(如图1 ~ 图3所示)。

  

  

  

  a. 在物理楼周围合适的地点安排独立的接地点38个,其中独立电子学接地点11个,独立仪器接地点27个,各自互不相连。

  b. 独立电子学接地点要求接地电阻小于2 Ω,接地极埋深地下4 m左右,采用厚度为6 mm、宽度为50 mm的紫铜排布成网格(焊接),其中网格面积为2 m 4 m(10个),4 m 6 m(1个),相邻紫铜排间距0. 5 m。

  c. 独立仪器接地点要求接地电阻小于20 Ω,接地极埋深地下4 m左右,采用厚度为6 mm、宽度为50 mm的紫铜排布成网格(焊接),其中网格面积为2 m 2 m,相邻紫铜排间距1 m。

  d. 采用50 mm2的铜芯线作为接地线引至D栋走廊合适的位置,及地下室合适位置,每根铜芯线穿PVC管敷设。

  校方方案中存在的问题如下:

  a. 独立接地网格数量多,彼此之间距离近,接地体散流效果差,互相屏蔽。

  b. 室外接地网格布置区域虽然与实验大楼基础接地间隔一条道路,距离约25 m,但在实验楼东侧附近有另一栋教学大楼,接地网格布置区距离此教学大楼距离仅为5 m 解决方案

  针对校方提出的方案,笔者与物理学院实验室负责人多次沟通,并实地考察现场后,分析项目的现实条件,采用问题导向的方法,优化独立信号接地系统方案。新方案采用室外独立接地体(深井接地极和水平接地极相结合)+ 柔性接地体 + 绝缘铜排接地干线 + 接地分支线 + SPD + SPMS监控系统的做法,分为3组更加安全可靠地解决独立信号接地问题,同时解决安装敷设的美观问题。

  接地网

  实验楼被校园道路环绕,周边情况复杂。仅在大楼南侧有一小片绿地,东北侧有一铺装广场,西北侧与文科大楼距离非常近,能开挖敷设接地网的区域非常狭小。为减少同一接地网的设备接地之间相互干扰,分3个区域布置接地网。同时为降低接地电阻,充分利用竖向地下空间,采用深井接地极、水平接地极、非开挖水平接地极组合方案。

  深井接地极

  深井接地极采用钻机打孔,孔径Φ120 mm,深30 m。钻孔内先放入250 mm2纯铜绞线,再经压力灌注柔性接地体HD - R10。共计10口,位置详见图4。深井接地极的铜绞线与水平接地网铜排采用放热焊接方式可靠连接。深井接地极既解决了场地面积狭小问题,也避免了浅层土壤电阻率变化大,为项目提供了相对稳定的接地电阻。

  

  水平接地极

  在室外地坪下 - 1 m深处敷设 - 50 5铜排网格,网格交叉处采用放热焊接,接头涂刷沥青防止电化学腐蚀,并沿网格浇注柔性接地体HD - R10。水平接地极网格布置及间距详见图4。

  非开挖水平接地极

  采用钻机地坪下弧形钻孔,孔径Φ120 mm,深度为不低于4 m,局部可埋深在5 ~ 6 m,内穿250 mm2纯铜绞线并压力灌注柔性接地体HD - R10。实施前需对地下管线进行遥感探测定位,避免施工中对地下管线的破坏,同时避免现有道路开挖,起接地极连接和降阻作用。

  柔性接地体

  在有限开挖范围内,为确保接地电阻足够低,采用HD - R10柔性接地体降阻,其本身为环保材质,内部含有大量导电离子。灌注前为液态,通过压力灌注或自然渗透到土壤间隙内,经过一段时间后成为弥散的固态胶状。其作用第一可以将铜绞线进行包封,隔绝外界土壤和水分的侵蚀,可以避免铜材被过早腐蚀;第二其本身就是性能优越的新型降阻材料,相对于传统的降阻剂,它不会随着地下水逐渐消耗殆尽,可以和接地铜材一起形成稳定的接地体,提供稳定的接地电阻。受季节影响和浅层地表水的变化的影响小。

  室外接地干线

  从3组独立信号接地网边各自引接一条250 mm2的单芯钢带铠装铜芯电缆,过路顶管作业敷设,深度不小于1 m,引至实验大楼地下室独立信号接地系统MEB(3个)。钢铠与大楼钢筋网及原共用接地系统可靠连接做好屏蔽,同时为接地干线(电缆铜芯)提供机械保护。

  独立信号接地系统总等电位端子箱MEB(3个)

  独立信号接地系统总等电位端子箱MEB需满足:1路250 mm2铠装电缆进线、2路 - 50 5铜排出线。顶部和底部分别设置敲落孔,箱门带锁配专用钥匙,正面设永久性铭牌“仅供信号接地,严禁他用”。

  室内接地干线

  采用 - 50 5扁铜排作为楼层水平及竖向接地干线,由地下室独立信号接地系统的3个MEB箱引出,经A、B、C 3栋电井引至各栋楼层信号接地等电位联结端子箱LEB,分区域为本栋大楼提供3个独立的接地干线。铜排全程包裹厚度不小于0. 55 mm的热塑绝缘包封护套,干线分支处用螺栓压接后绝缘带绑扎,确保接地干线全程不与桥架或任何其他金属发生接触,保持信号地的“干净”。接地干线沿金属桥架敷设,桥架每隔2 m固定一次,转弯处增加固定点,且金属桥架需与建筑物防雷接地系统可靠联结。楼层水平路径均敷设在吊顶内,详见图5、图6。

  

  

  独立信号接地系统楼层等电位联结端子箱 LEB

  需满足2路 - 50 5铜排进线,10路50 mm2铜绞线出线。顶部和底部分别设置敲落孔,箱门带锁配专用钥匙,正面设永久性铭牌“仅供信号接地,严禁他用”。

  实验室接地分支线

  采用50 mm2透明绝缘包封铜绞线,由楼层LEB箱引出,穿墙引入需要独立信号接地的实验室内,经底边距地1. 6 m的挂墙明装隔离开关箱后,再通过末端铜鼻子压接,接入物理实验室用屏蔽工作平台(近似法拉第笼)。透明绝缘包封的铜绞线柔韧性好,利于现场安装、拆卸和迁移,可观察其内部是否发生严重的断裂,便于检查维护,做法详见图6。

  隔离开关箱

  主要目的是通过隔离开关,可以灵活地接通或者隔离独立信号接地系统。在无独立信号接地需求时切断线路,避免向独立信号接地系统注入杂散电流;同时要求实验室在雷雨天切断线路,避免一栋大楼内的两个“地”之间的电位差造成的人员伤害和设备损坏。

  SPD

  同一实验室内有两套“地”,独立信号接地系统的地电位趋近于室外大地电位,而雷电击中实验大楼后,共用接地系统与独立信号接地系统两个地之间势必会产生很高的电压差。楼层越高电位差越大,因此需要在两套接地系统之间设置合适的开关元件。设计在独立信号接地系统MEB和LEB箱内均设置I 级试验(1. 2 / 50 μs)SPD,Up 1. 5 kV,Ii m p 12. 5 kA,1P,连接两套接地系统。当两套接地系统之间电压差过大时,通过SPD瞬态低阻导通两套接地系统,将电压拉平,确保人身安全和设备安全;雷击过后SPD恢复高阻常态,两套接地系统相互隔离,继续各司其职。

  SPMS 监控系统(如图7所示)

  

  当SPD过压导通次数达到极限时失效,此时大楼共用接地系统和独立信号接地系统导通,独立信号接地系统成为共用接地系统的一部分,丧失其独立性。SPD安装在吊顶内带锁的MEB / LEB箱内,平时查看其状态困难。因此设计采用了一套SPMS系统,通过WSC雷击计数器计算SPD经历的雷击次数,经过SEMGT监控模块和CANBUS通信总线向SPMS监控服务器上传SPD寿命状态,实验室管理人员通过此套系统可以评估独立信号接地系统可靠性和进行损坏SPD的准确定位和及时更换。

  实验室相关管理规定

  独立接地系统能否可靠运行,最关键的因素之一就是管理,因此设计对校方实验室管理提出了一些要求:① 独立信号接地系统的MEB / LEB的钥匙由专人管理,任何实验室需要使用该系统,必须经过熟悉该系统工作原理和使用要求的负责人同意;② 本系统仅用于物理实验室信号接地,严禁用于防雷接地、防静电接地、防电蚀接地、电源接地等其他用途;③ 雷雨天气本工程所有使用该接地系统的实验室,必须将系统用隔离开关断开,避免雷击造成人员伤亡和设备损坏;④ 无独立信号接地需求时,应将系统隔离开关断开,避免干扰其他实验室正常工作;⑤ 物理实验室需根据自身教学实验特点制定独立信号接地系统的使用管理规定,并且对教师和学生进行安全教育,严格贯彻实施管理规定;⑥ 建立定期巡检制度,检查实验室的独立信号接地系统使用是否规范,检查SPD雷击次数、对失效SPD及时更换。

  通过以上各项内容和措施共同构建了本项目的独立信号接地系统及其使用管理规定。

  结语

  通过以上阐述可以看出,设置独立信号接地系统,确保系统的接地极、室内接地干线、支线的“干净”很困难,设计方案要更周密,施工水平要更高,野蛮施工或一个不小心都可能会导致独立信号接地系统与大楼共用接地系统混为一体。此外引入新“地”之后,也带来了一些安全隐患,SPD和SPMS系统不能完全解决问题,因此对实验室的管理制度、人员培训也提出了很高的要求。谁能用,如何用,决定了独立信号接地系统能否可靠运行,因此对该系统管理者的理论水平也提出了很高的要求。

  由此可见,目前接地系统的主流还是共用接地系统是有其安全性、经济性、可靠性、适用性等诸多方面考量的。笔者认为除了类似本工程这种对独立信号接地系统有非常特殊需求外,还是应该尽量避免使用独立接地系统,尤其是如此大型的独立接地系统。

  来源:建筑电气杂志

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