王祿靜，李龍玲，金 超，許 毅

(貴州省清鎮(zhèn)市氣象局，貴州 清鎮(zhèn) 551400)

1 引言

接地是指電氣系統(tǒng)的某些節(jié)點(diǎn)或電氣設(shè)施的某些導(dǎo)電部分與地(包括大地，或范圍比較廣泛，能用來代替大地的等效導(dǎo)體)之間的電氣連接［1］。接地按照不同用途可以分為工作接地、保護(hù)接地、防靜電及電磁干擾接地。此外一個現(xiàn)代化的智能大廈里面安裝有電子信息設(shè)備時，強(qiáng)大的雷電波或者雷擊電磁脈沖可能會進(jìn)入到設(shè)備造成損壞。因此防雷是必須的，而防雷必有防雷接地。對于以上的接地在工程中如何處理他們的關(guān)系，不同的標(biāo)準(zhǔn)有不同的答案，不同的人在處理工程時有自己獨(dú)到的看法。

信息系統(tǒng)的接地是很多的，在內(nèi)部的電板上有數(shù)字地、模擬地，還可能有用于通信的信號地，這些“地”都是為低電平信號提供基準(zhǔn)點(diǎn)，要求浮動不要太大，這些地有的與機(jī)殼連在一起，有的沒有在一起，還有的設(shè)置了獨(dú)立接地。一直以來有不同的做法，即使共用接地也有好多做法，有S型的接地還有M型的接地。但是由于發(fā)電站自身的特點(diǎn)，特別是在發(fā)電站廠和變電站中，即使在正常運(yùn)行中，地網(wǎng)也會有大的電流，這就出現(xiàn)了強(qiáng)電對弱電的干擾問題，如何通過接地系統(tǒng)來消除這些問題，這都是本文要討論的。

2 信息系統(tǒng)接地的分類

在信息系統(tǒng)中，各種功能的接地有多種，按照信息系統(tǒng)的使用性質(zhì)，一般電子設(shè)備系統(tǒng)主要分為功能性接地和安全性接地。安全接地是為設(shè)備和電路故障電流進(jìn)入大地提供一個低阻抗通道;功能性接地是設(shè)備或電路為了穩(wěn)定可靠地工作而需要建立一個參考電平，也稱為工作接地。安全性接地可以劃分為保護(hù)接地和防雷接地等。保護(hù)接地是指電子設(shè)備的金屬機(jī)殼、底盤等與大地通過低阻抗通道相連，可以防止事故狀態(tài)時設(shè)備外殼上出現(xiàn)過高的對地電壓而危及操作人員等的安全。防雷接地是把可能受到雷擊的物體和大地接通，以便提供泄放大電流的通路。功能性接地(工作接地)包括信號接地、電源接地等，信號接地是指設(shè)備內(nèi)部的信號回路的接地，供電電源單獨(dú)建立基準(zhǔn)接地點(diǎn)稱之為電源接地［2］。具體如圖1:

圖1 信息系統(tǒng)的接地圖

3 信息系統(tǒng)獨(dú)立接地系統(tǒng)的探索

3.1 獨(dú)立接地的概念

所謂獨(dú)立接地就是系統(tǒng)各自進(jìn)行接地施工的方式。理想的獨(dú)立接地應(yīng)該如圖1所示的那樣，如果有兩個獨(dú)立接地系統(tǒng)的接地極，其中一個電極中不論怎樣流過電流，對另一個接地電極不應(yīng)該發(fā)生電位上升的情況，如圖2。

圖2 獨(dú)立接地的電位分布圖

從理論上講，如果兩個電極之間的距離不是無限遠(yuǎn)的話，不能說它們是完全獨(dú)立的。當(dāng)然，在工程中只要把電位上升限制在一定范圍內(nèi)，就可以看成是相互獨(dú)立的。此時接地極之間的距離，由以下三個因素決定:流入接地極的電流波形與其最大值;電位上升的容許值;接地點(diǎn)土壤的電阻率。

對于要求設(shè)置獨(dú)立接地的系統(tǒng)一般為信息系統(tǒng)，對于電源系統(tǒng)的接地就是配電房的中性點(diǎn)和PE排接地。它們一般從總電位排引上接地干線上或大樓的主筋上，因此大樓電源的接地是在共用接地網(wǎng)絡(luò)上的。

3.2 信息系統(tǒng)獨(dú)立接地的原因

獨(dú)立接地的系統(tǒng)，其目的就是讓信息系統(tǒng)獲得一個“干凈”的地。因?yàn)樾畔⑾到y(tǒng)是比較脆弱的，例如計(jì)算機(jī)設(shè)備內(nèi)部電路的工作電壓為5～12V，這些工作地要有一個基準(zhǔn)點(diǎn)，這個基準(zhǔn)點(diǎn)接到共用接地系統(tǒng)時候，共用接地系統(tǒng)中有一些大的雜散電流的影響，從而導(dǎo)致地電位的不穩(wěn)定，使計(jì)算機(jī)設(shè)備不能正常工作。所以信息系統(tǒng)的接地成為了一個好的選擇，以此來讓信息系統(tǒng)得到一個獨(dú)立的接地。

3.3 獨(dú)立接地的電氣模型

當(dāng)避雷針(帶)接閃雷電流時，防雷引下線、建筑物地面、構(gòu)架、接地裝置都將會有很高的電位，可能會與配電設(shè)備及信息設(shè)備發(fā)生反擊而將其損壞。即使設(shè)備距引下線較遠(yuǎn)，兩者不會發(fā)生擊穿，但也不能說是安全的。當(dāng)建筑物頂部避雷針(帶)接閃時，設(shè)備所在處的地面電位為:

式中:I——雷電流幅值，單位kA;

R1——接地裝置沖擊電阻，單位Ω;

L0——引下線單位長度電感，單位 μH/m，可取15μH/m;

hx——設(shè)備距防雷接地裝置的高度，單位m;

di/dt——雷電流變化率，單位 kA/μs。

從上面的式子可以看出獨(dú)立接地設(shè)備和共用接地系統(tǒng)的電位差由兩個部分組成，一部分是基礎(chǔ)接地裝置的電壓UR，一部分是大樓引下線上的電壓UL，設(shè)備離地越高，設(shè)備處的地面電壓越高。而且獨(dú)立接地和共用接地的電位差很多，極易發(fā)生損壞。由于設(shè)備的信號地是與建筑物20 m以外的大地相連的，其電位比防雷接地裝置電位低很多，比設(shè)備所在地面電位更低，因此信號地與金屬外殼之間的電位差是很大的，足以使設(shè)備內(nèi)部的部件與金屬外殼擊穿而損壞。

3.4 獨(dú)立接地的改進(jìn)方法

為了防止兩個接地系統(tǒng)之間發(fā)生反擊，采用的辦法是在兩個接地系統(tǒng)之間加裝避雷器，當(dāng)兩個接地系統(tǒng)之間產(chǎn)生過電壓時，避雷器動作，從而起到均壓的作用，達(dá)到保護(hù)的目的。但是避雷器是有殘壓的，其有一定的響應(yīng)時間，在它動作之前肯定有一部分的雷電波耦合到設(shè)備上，從而對設(shè)備造成損壞。因此對獨(dú)立接地的改進(jìn)也有一定的缺陷。

3.5 獨(dú)立接地的防雷引出線的干擾問題

獨(dú)立接地需要有單獨(dú)的接地引出線，引出線一般都是絕緣導(dǎo)線穿金屬管，由于它的引出線一般有很長的距離，很難避開隨機(jī)產(chǎn)生的各種信號的干擾。在某一信號的干擾下，引出線可能不能作為防雷引出線，達(dá)到防雷的作用，相反會成為發(fā)射干擾信號的發(fā)射線，作為接地的作用大大減少 ，而作為干擾源，影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行。

4 共用接地系統(tǒng)的探索

4.1 共用接地系統(tǒng)的概念

共用接地系統(tǒng)是指所有的接地都接在一個接地體上，而現(xiàn)在所說的接地就是指所有的接地就近的接在法拉第籠的柱筋上。因?yàn)榉ɡ诨\在防雷中，是一個始終保持電氣聯(lián)通的系統(tǒng)，使建筑物形成了一個均壓的建筑物。

然而共用接地系統(tǒng)就是最大限度的使用了法拉第籠，在共用接地系統(tǒng)中，有兩種不同的做法，第一種就是從樓層預(yù)留出等電位連接端子(從主鋼筋引出的預(yù)埋等電位連接板)，然后將有關(guān)接地連接到等電位連接端子。第二種是從基礎(chǔ)內(nèi)引出一個自上而下的接地干線，然后將有關(guān)接地接到這個干線上。無論怎么連接，它們都是用的基礎(chǔ)的接地裝置，屬于共用接地系統(tǒng)。

4.2 對于共用接地的安全分析

在獨(dú)立接地系統(tǒng)中，我們在前面說過獨(dú)立的接地系統(tǒng)會有高的電位差，從而對設(shè)備造成傷害，但是在共用接地中就不會有這樣的問題，因?yàn)榇髽鞘且粋€“法拉第”樓，處處等電位連接，當(dāng)大樓由于雷擊而電位抬高時，大樓處處電位升高，不會發(fā)生反擊。如:當(dāng)380/220 V系統(tǒng)發(fā)生相線碰設(shè)備外殼的接地故障時，勢必在接了地的電氣裝置外露可導(dǎo)電部分與其他獨(dú)立接地的金屬體之間存在很高的危險(xiǎn)電壓。如采用共用接地，可減少電擊事故的發(fā)生。并且共用接地系統(tǒng)的一個很顯著的特點(diǎn)就是它的接地電阻非常小，有的甚至達(dá)到0.1Ω，這是獨(dú)立接地系統(tǒng)不能比的，能夠迅速的泄放掉大的電流，抑制電壓的升高。

4.3 共用接地系統(tǒng)的連接方式

信息系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計(jì)好合理的接地系統(tǒng)，以保持等電位連接。合理的等電位連接可以降低干擾，提高電磁兼容的能力。信息系統(tǒng)的金屬部件如箱體、外殼、機(jī)架等與建筑物的共用接地系統(tǒng)的等電位連接有2種方式，即兩種基本等電位連接網(wǎng)絡(luò)中的一種:S型和M型。當(dāng)采用S型連接網(wǎng)絡(luò)的時候，信息系統(tǒng)的所有金屬部件，除在連接點(diǎn)外，應(yīng)與共用接地系統(tǒng)部件有足夠的絕緣。通常，S型連接網(wǎng)絡(luò)用于相對較小、局部封閉的信息系統(tǒng)，所有的設(shè)施及電纜僅在一點(diǎn)進(jìn)入系統(tǒng)。

S型連接網(wǎng)絡(luò)(圖3)應(yīng)該僅以一點(diǎn)(接地基準(zhǔn)點(diǎn)ERP)連接方式并入共用接地系統(tǒng)，從而構(gòu)成Ss型等電位連接網(wǎng)絡(luò)。在此情況下，為了避免構(gòu)成感應(yīng)回路，各設(shè)備間的所有連接線路及電纜應(yīng)與按星型布置的各條等電位連接線平行布線。由于是單點(diǎn)連接因而沒有與雷電相關(guān)的低頻信號進(jìn)入信息系統(tǒng)中，此外，信息系統(tǒng)內(nèi)部的低頻干擾源也不能產(chǎn)生地電流。

圖3 電子信息系統(tǒng)機(jī)房S型等電位連接示意圖

當(dāng)使用M型連接網(wǎng)絡(luò)(圖4)的時候，信息系統(tǒng)的金屬部件不必與共用接地系統(tǒng)部件結(jié)緣。M型連接網(wǎng)絡(luò)應(yīng)以多點(diǎn)連接方式并入共用接地系統(tǒng)，從而構(gòu)成M型等電位連接網(wǎng)絡(luò)。通常，M型等電位連接網(wǎng)絡(luò)用于相對廣延的、開放的信息系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中各設(shè)備間連有許多線路及電纜，各種設(shè)備及電纜從多個點(diǎn)進(jìn)入信息系統(tǒng)。

圖4 電子信息系統(tǒng)機(jī)房M型等電位連接示意圖

至此，獲得一個對高頻來說也為低阻抗的網(wǎng)絡(luò)。而且，連接網(wǎng)絡(luò)的多個短路環(huán)路對磁場也起到多個衰減環(huán)路的作用，從而對信息系統(tǒng)附近的原有磁場加以衰減。

在一個復(fù)雜的系統(tǒng)中，可以將兩種類型的等電位連接網(wǎng)絡(luò)組合在一起，將兩種類型的組合優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起。

4.4 完善系統(tǒng)等電位聯(lián)結(jié)

接閃裝置在接閃雷電時，引下線立即產(chǎn)生高電位，會對防雷系統(tǒng)周圍尚處于地電位的導(dǎo)體也產(chǎn)生較高的電位差，如發(fā)生雷電流反擊也會對人員設(shè)備構(gòu)成危害。必須采用均壓措施，將處于地電位的導(dǎo)體等電位連接起來，一直到接地裝置。室內(nèi)的金屬設(shè)施、電氣裝置和電子設(shè)備，如果其與防雷系統(tǒng)的導(dǎo)體達(dá)不到所需的安全距離時，應(yīng)將它們用較粗的導(dǎo)線與防雷系統(tǒng)進(jìn)行等電位聯(lián)結(jié)。這樣在雷電流通過時，室內(nèi)所有設(shè)施立即形成一個局部等電位環(huán)境，保證導(dǎo)電部件之間不產(chǎn)生有害的電位差。以圖5為例，建筑層高為地上29層，地下1層，地下1層設(shè)有變配電室、水泵房和車庫等。頂層為設(shè)備層，設(shè)有變配電所、空調(diào)機(jī)房、排風(fēng)機(jī)房和電梯機(jī)房等，并設(shè)有水箱及衛(wèi)星天線和共用天線接收系統(tǒng)。從地下1層～29層，接地端子El及各種通信設(shè)施共同的總接地端子EZ。這兩個接地端子除與接地干線Nl、N連接外，都通過等電位聯(lián)結(jié)與各層的結(jié)構(gòu)柱內(nèi)主筋不少于2處相連。通過這種連接，各樓層已成為等電面。在地下1層，配電所各設(shè)接地端子，這種接地端子都接到接地連接箱AM1。頂層變壓器、配電室及空調(diào)機(jī)房、排風(fēng)機(jī)房和電梯機(jī)房等各接地端子，通過接地干線N3接到接地連接箱AM2上。水泵房內(nèi)電氣設(shè)備的接地端子同時接到接地連接箱AM2上，接地干線NZ則直接到連接箱AM3上。接閃器另設(shè)接地干線N4接到接地連接箱AM4上?；A(chǔ)鋼筋全部相連，在地下形成等電位面，接地連接箱AM1～AM4就近以最短距離接到地下由鋼筋網(wǎng)構(gòu)成的等電位面上。由于各層的等電位面通過柱內(nèi)主筋和接地干線相連，并與地下等電位面相連，因此形成了一個完整的法拉第籠和等電位網(wǎng)，確保了電氣安全。

圖5 建筑物完整的等電位連接圖

5 應(yīng)該采用共用接地系統(tǒng)

在國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中采用共用接地系統(tǒng)，但是也為獨(dú)立接地留有余地，如“對直流工作接地有特殊要求需單獨(dú)設(shè)置接地裝置的電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其接地電阻值及與其他接地裝置之間的距離，應(yīng)按計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及有關(guān)規(guī)范的要求確定”，鐵路部門還在用分地式，近年來也采用共地式。采用獨(dú)立接地的一個重要原因就是怕引來電磁兼容的問題，是把設(shè)備的正常運(yùn)行放在第一位。而我們的最高原則應(yīng)該是任何設(shè)備的安全，分地式由于破壞等電位連接(采用SPD實(shí)現(xiàn)暫態(tài)均壓仍不能很好的解決問題)，對人和設(shè)備造成極大的隱患，在雷擊產(chǎn)生高點(diǎn)位時，設(shè)備和人的安全都不能保證，更不用說設(shè)備的安全運(yùn)行了。

共用接地在電磁兼容問題實(shí)際上也是可以解決的問題，通過合理的電氣設(shè)計(jì)，使PE線上沒有大的電流，通過合理的地線設(shè)計(jì)等等可以解決電磁兼容的問題，解決這些問題實(shí)際上是舉手之勞，而設(shè)置獨(dú)立接地卻要浪費(fèi)很多的人力和物力，在經(jīng)濟(jì)上造成很大的損失。當(dāng)我們按前面的方法設(shè)計(jì)共用接地系統(tǒng)時，不僅在常態(tài)下能夠滿足電磁兼容的要求，可靠地運(yùn)行，而且當(dāng)雷電等高電壓來時也能保證人和設(shè)備的安全，是完美的設(shè)計(jì)方案，同時也是經(jīng)濟(jì)可行的［17］。

6 結(jié)論

該文對信息系統(tǒng)的接地系統(tǒng)進(jìn)行了歸納，在分析信息系統(tǒng)的獨(dú)立接地和共用接地的基礎(chǔ)上，提出信息系統(tǒng)雷電防護(hù)技術(shù)體系中接地的布設(shè)方式存在的問題，對獨(dú)立接地還是共同接地兩種接地方式進(jìn)行了比較，在對其電磁干擾方面進(jìn)行分析后，得到下面的結(jié)論:

①獨(dú)立接地易發(fā)生反擊，并且引線過長，容易受到其他信號的干擾，占地面積也相當(dāng)大，不經(jīng)濟(jì)，不應(yīng)該采用獨(dú)立的接地系統(tǒng)。

②因此，應(yīng)該采用共用接地系統(tǒng)，通過合理的布線和等電位連接網(wǎng)絡(luò)，既可以滿足人和設(shè)備的電氣安全要求，又可以滿足電磁兼容的要求，使設(shè)備正常的運(yùn)行。

③在發(fā)電廠和變電站中，由于強(qiáng)電對弱電干擾的影響，采用獨(dú)立接地和共同接地的方法來消除干擾，起到保護(hù)人和設(shè)備的目的。

［1］陳先祿，劉渝跟，黃勇.接地［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，2002，122 －135.

［2］翟望.地環(huán)流抑制技術(shù)的探討［J］.自動化儀表，2003，(3):21－24.

［3］等電位聯(lián)結(jié)設(shè)計(jì)與安裝［M］.蘇D01.江蘇省建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)站，2003.

［4］關(guān)象石.防雷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范匯編［M］.北京:中國計(jì)劃出版社出版，10－12.

［5］林維勇.建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范［M］.北京:中國計(jì)劃出版社，2001，10 －15.