引言

在建筑電氣工程的接地設計中,利用建筑物基礎作為接地裝置,已成為建筑物接地設計的普遍做法。但在實際的項目實施過程中,常常會遇到某些不能利用建筑物基礎作為接地裝置的情況。另外,國家相關標準規(guī)范對接地電阻設計值大小的規(guī)定也不一致,給設計人員造成了一定的困惑。鑒于此,筆者根據(jù)對相關規(guī)范的理解,并結(jié)合項目實際,探討了如何把握接地裝置的設計以及接地電阻設計值的選取。

1利用建筑物基礎作為接地裝置

建筑物基礎作為接地裝置,由于其具有使用壽命長、電氣性能好(接地阻抗小、容易實現(xiàn)等電位)、節(jié)省投資、施工方便省力等特點,成為新建建筑接地設計的首選方式。由于建筑物基礎屬于結(jié)構(gòu)專業(yè)的范圍,其亦有不同的做法,電氣設計人員在做接地設計時,應充分了解并根據(jù)基礎類型設計相應的接地裝置,并與結(jié)構(gòu)人員做好溝通。

1.1淺基礎

淺基礎分為獨立基礎和聯(lián)合基礎。

獨立基礎常見于結(jié)構(gòu)柱底部的方形基礎或承臺,現(xiàn)行接地設計的普遍做法是電氣專業(yè)給結(jié)構(gòu)專業(yè)提條件,要求獨立基礎內(nèi)的主鋼筋通長焊接,再敷設40mm×4mm熱鍍鋅扁鋼將各獨立基礎的主筋焊接連通成環(huán)形電氣通路。

對于聯(lián)合基礎,電氣專業(yè)通常要求結(jié)構(gòu)專業(yè)將基礎底梁上的上下兩層鋼筋中的兩根主筋通長焊接,并將主軸線上基礎底梁中的上下兩層主筋相互焊接連通,形成一個自然接地體。

設計時應注意的是,應在建筑物基礎的適當位置讓結(jié)構(gòu)專業(yè)配合預埋接地鋼板,并與基礎內(nèi)主鋼筋可靠焊接。設置于地下的接地鋼板作用是便于各基礎間接地裝置相連,或在接地電阻達不到要求時,將其與增打的接地極連接:室內(nèi)地上的接地鋼板作用是便于后期設備接地或做等電位連接:室外地上的接地板作用是便于測試接地電阻。

對于某些鋼筋混凝土基礎,結(jié)構(gòu)人員可能不允許在地下設置接地預埋件,例如在某些具有酸堿腐蝕性的土壤環(huán)境中,導體很容易發(fā)生電化學腐蝕,即與土壤接觸的接地線和基礎鋼筋有不同的電位,兩者會形成一個電池,土壤和水泥形成的電解質(zhì)成為電池的內(nèi)電路,接地線與基礎鋼筋的連接成為電池的外電路,結(jié)果電位較負的將先被腐蝕,進而腐蝕到結(jié)構(gòu)基礎內(nèi)的鋼筋網(wǎng),影響結(jié)構(gòu)安全。此時,電氣專業(yè)可取消預埋于地下的接地板,使用耐腐蝕材料與基礎內(nèi)的主筋焊接,直接引出與其他接地裝置相連。

耐腐蝕材料通常包括銅材、鍍銅扁鋼、銅包鋼、不銹鋼等在土壤內(nèi)的電位較接近基礎內(nèi)鋼材的材料,而不能使用熱鍍鋅扁鋼,因為鋅是這些材料中最容易發(fā)生電化學腐蝕反應的。在腐蝕性的土壤環(huán)境中,與土壤相接觸的導體也可采用水泥砂漿包裹起來,水泥砂漿保護厚度應不小于50mm,以免土壤的化學腐蝕,達到接地裝置與建筑物具有相同使用壽命的目的。

對于某些預應力鋼筋混凝土基礎,結(jié)構(gòu)人員也可能不允許利用其作為接地裝置,此時最好、最有效的辦法不是打人工接地極,而是在建筑物基礎的混凝土層內(nèi)預置扁鋼或圓鋼,形成網(wǎng)眼不大于20m×20m的網(wǎng)格做水平接地體,這樣既可以節(jié)省大量的土石方開挖工作量,又可以兼起接地和地面等電位的作用。

1.2樁基基礎

樁基基礎分為承臺基礎、閥板基礎、箱式基礎等,是結(jié)構(gòu)專業(yè)先將鋼筋混凝土柱子打入地中,樁基上部再澆筑鋼筋混凝土承臺和地梁,使其與樁基連成一體,承臺上面是建筑的剪力墻和柱子。

樁基基礎接地體的一般做法是,利用樁基內(nèi)的主鋼筋作為垂直接地體,樁基主鋼筋在其頂部與承臺和地梁主筋焊接,利用承臺、地梁內(nèi)主鋼筋作為水平接地體,承臺的主筋再與上面作為引下線的柱（或剪力墻）中鋼筋焊接。

預制樁基的接地一般是待預制樁基就位后,在頂端鑿掉一定長度的混凝土,將鑿出外露的鋼筋與承臺和地梁中的鋼筋焊接,焊接應采用搭接焊,搭接焊有效長度>100mm[2]。

筆者在實際項目中遇到過結(jié)構(gòu)專業(yè)不同意鑿掉預制樁頂部混凝土的情況,特別是預應力高強度混凝土管樁,結(jié)構(gòu)專業(yè)認為,此類型的管樁為高強度混凝土樁,一方面鑿樁難度較大,另一方面,由于結(jié)構(gòu)對單樁的豎向承載力要求很高,對管樁頂部的破壞有可能極大地降低其承載力,留下安全隱患。這種情況下,電氣專業(yè)可放棄利用樁基內(nèi)的鋼筋,在接地電阻達不到要求時,在承臺邊上預埋接地鋼板將基礎內(nèi)的主鋼筋引出,在附近增設人工接地裝置。

2接地裝置接地電阻設計值

建筑物基礎作為接地裝置,通常為防雷接地、工作接地、保護接地、電子設備接地、各專用設備接地的聯(lián)合接地體,即各接地系統(tǒng)共用接地裝置。對于共用接地裝置接地電阻的大小,不同的規(guī)范要求并不一致。

2.1國家現(xiàn)行標準規(guī)范對接地裝置接地電阻的規(guī)定《建筑物防雷設計規(guī)范》（GB50057—2010）[3]第

4.3.6條:共用接地裝置的接地電阻應按50Hz電氣裝置的接地電阻確定,不應大于按人身安全所確定的接地電阻值。

《民用建筑電氣設計標準》（GB51348—2019）[4]第12.5.11條:建筑物各電氣系統(tǒng)的接地,除另有規(guī)定外,應采用同一接地裝置,接地裝置的接地電阻應符合其中最小值的要求。各系統(tǒng)不能確定接地電阻值時,接地電阻不應大于1Q。

《民用閉路監(jiān)視電視系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB50198—2011）[5]第3.5.4條:采用專用接地裝置時,其接地電阻值不得大于4Q。采用綜合接地網(wǎng)時,其接地電阻不得大于1Q。

《石油庫設計規(guī)范》（GB50074—2014）[6]第14.2.13條:接閃桿（網(wǎng)、帶）的接地電阻,不宜大于10Q。第14.3.16條:防靜電接地裝置的接地電阻,不宜大于100Q。

《汽車加油加氣加氫站技術(shù)標準》（GB50156—2021）[7]第13.2.2條:汽車加油加氣加氫站的防雷接地、防靜電接地、電氣設備的工作接地、保護接地及信息系統(tǒng)的接地等宜共用接地裝置,接地電阻不應大于4Q。第13.2.15條:防靜電接地裝置的接地電阻不應大于100Q。

《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》（GB/T50065—2011）[8]第7.2.11條:建筑物處的低壓系統(tǒng)電源中性點、電氣裝置外露導電部分的保護接地、保護等電位聯(lián)結(jié)的接地極等,可與建筑物的雷電保護接地共用同一接地裝置。共用接地裝置的接地電阻,不應大于各要求值中的最小值。

《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》（GB50174—2017）[9]第8.4.2條:保護性接地和功能性接地宜共用一組接地裝置,其接地電阻應按其中最小值確定。

2.2對不同規(guī)范中接地電阻規(guī)定值的分析

上面列舉的規(guī)范涉及民用建筑、閉路監(jiān)視電視、電子計算機、移動通信、石油庫加油站等行業(yè),可以看出,所有國標中,對單一接地系統(tǒng)接地電阻的要求最嚴格的是不應大于4Q。而對于共用接地系統(tǒng)的接地電阻,有的規(guī)范要求不大于1Q:有的規(guī)范要求不大于4Q:有的規(guī)范僅提出了共用接地電阻應達到的要求,而沒有要求具體數(shù)值。

GB51348—2019和GB50198—2011對共用接地裝置的接地電阻要求相對較高,主要是考慮到民用建筑中有較多的電子設備、計算機及閉路監(jiān)視電視等對過電壓及信號干擾比較敏感的弱電系統(tǒng),故要求其接地電阻小一些。而對于工廠中的大部分建筑物,并沒有很重要的電子設備,加上很多地區(qū)由于土壤電阻率高,若要求過低的接地電阻值,往往會造成施工難度加大,工程費用提高,甚至某些地區(qū)即便采取了增打接地極、換土降阻等多項措施后,仍難以滿足設計要求。

對共用接地裝置接地電阻值究竟應要求多少,GB50057—2010作為我國最具權(quán)威的防雷接地設計規(guī)

范,對接地電阻做了詳細的要求,并在條文說明中做了解釋。條文說明第4.2.4條第5款:"關于共用接地裝置……一般來說,接地電阻越低,防雷得到的改善越多。但是,不能由于要達到某一很低的接地電阻而花費過大……考慮到已采取嚴格的各種金屬物與防雷裝置之間的連接和均壓措施,故不必要求很低的接地電阻。"第6款:"為了將雷電流散入大地而不會產(chǎn)生危險的過電壓,接地裝置的布置比接地裝置的特定值更重要……"

關于電子系統(tǒng)接地,GB50057一2010第6.3.4條第5款:"電子系統(tǒng)的所有外露導電物應與建筑物的等電位連接網(wǎng)絡做功能性等電位連接……"條文說明第4.2.4條第6款:"現(xiàn)代電子系統(tǒng)絕大多數(shù)為數(shù)字化,其怕干擾的頻率為數(shù)十乃至數(shù)百兆赫茲……所以,功能性接地要求很低的直流至工頻的接地電阻(如0.5～1Q)是毫無意義的。"

根據(jù)GB50057一2010的這些條文可以看出,為保證人身安全及電子設備的安全運行,做好等電位連接比做到更小的接地電阻更為簡單有效。

另外,受傳統(tǒng)觀念和做法的影響,對于有的業(yè)主或電子設備供貨商要求儀表控制系統(tǒng)或某些弱電系統(tǒng)設置獨立的接地裝置的做法,GB50057一2010第6.3.4條第5款也明確規(guī)定:電子系統(tǒng)不應設獨立的接地裝置。2.3工程設計中對接地電阻值的確定

接地電阻值的確定必須從實際出發(fā)、因地制宜,不能一概而論,應根據(jù)建筑物的使用性質(zhì)以及不同地區(qū)的土壤環(huán)境區(qū)別對待。

對于工業(yè)建筑來說,工廠中的主控室、機柜間、1T機房這些電子設備較多、對干擾比較敏感的建筑,接地電阻應要求小一些:對于大部分工廠中的倉庫、壓縮機房、生產(chǎn)裝置等采用共用接地裝置時,其接地電阻不大于4Q即可,在部分土壤電阻率較高的地區(qū),難以做到4Q時,可適當放寬一些,并采取其他等電位連接的措施。

而對于民用建筑,不像工廠一般都配備有專業(yè)電氣維護人員和絕緣靴、橡膠手套等專業(yè)設備,用戶大多為不熟悉電氣安全的普通老百姓,在利用建筑物基礎作為接地裝置時,由于基礎體積大、鋼筋多,樁基也較深,而且位于地下的量大面廣的水泥也是導電的,容易實現(xiàn)較小的電阻接地,設計時可直接要求其共用接地電阻不大于1Q。

3結(jié)語

工欲善其事,必先利其器。建筑電氣的接地設計是一個系統(tǒng)工程,涉及與電信、結(jié)構(gòu)、工藝等專業(yè)間的配合,電氣專業(yè)在設計時應充分了解相關專業(yè)的需求及結(jié)構(gòu)的地基構(gòu)造,結(jié)合項目所在地的地勘情況,因地制宜,綜合考慮,使設計方案既符合國家標準規(guī)范要求,又滿足安全性、經(jīng)濟性、合理性要求,從而確保各設備的長期正常可靠運行及用電安全。