2022年电磁兼容设计-接地的系统方法接地的系统方法 .pdf

《2022年电磁兼容设计-接地的系统方法接地的系统方法 .pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年电磁兼容设计-接地的系统方法接地的系统方法 .pdf（7页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、接地的系统方法接地的系统方法介绍电气系统和设备的接地是一个跨不同专业的问题，在现代化商业和工业建筑中涉及到电气系统和设备专业。系统工程师需要与仪表工程师讨论，IT 专业人员需要与电气工程师探讨相关事宜。然而，有时工程师们讲的不是同一种专业语言，甚至不知道相互系统的需求。本文全面介绍了接地的方法，可作各种专业能够使用的、用于接地和干扰抑制的基本指南。总的来说，任何接地系统应该满足以下三种需求?防雷和短路保护：接地系统必须保护使用者，防止由于直接雷击或短路电流的过热而引起的直接危害，如火灾、飞弧或爆炸等。?安全：接地系统必须能够安全引导雷电流和短路电流，而不会引入危险的跨步电压和接触电压?设备保护

2、和功能性：接地系统必须为互联的设备提供一低阻抗路径以保护电子设备。合适的电缆路径、分区和屏蔽是非常重要的，可以防止扰动源干扰电气设备的运行。虽然这三个方面的要求经常是分开加以说明的，实现它们却需要采用相互关连的系统方法。系统方法保护接地的原本的目的是确保在接地系统区域内的人身和财产安全。这需要一种在工频时具有相对低阻抗的高载流量路径，以便在高故障电流情况下产生的电压没有危险性。建立一个与地间的良好的低阻抗连接非常容易。所需的就是高电导率的防腐导体（铜是最好的选择）埋在土壤即未结冻又不干燥的地层，与土壤接触面足够大，覆盖的区域足够大，并且不受其它接地系统的干扰。大面积的接地降低了在土壤中的电流密

3、度，因此降低了与大地之间的电阻。大面积的接地连接允许控制电场的形状，降低接触和跨步电压（在后面讨论）。这是一种洁净的地 至少，象它得到的一样干净。但设备与它相连接后就会出现问题。实际上，大地的洁净度受附近接地系统的影响，通常受电气系统本身设备的影响最严重。在 TN-C 系统里保护接地线和中性线是组合在一起的（PEN），它不能与本文给出的设计理念相吻合。在 TN-C 系统中，中性线电流包括三次谐波电流和接地电流是混合在中性线、保护接地线和与之连接的金属结构中的。电气系统应该总是TN-S 系统，即便是在公共连接点（PCC）处是 TN-C 系统，也须将它转变成TN-S 系统。确保地线和中线只能有一个

4、单一连接点非常重要。传统的电气安装习惯地侧重安全，这是非常正确的。起初，只是认为简单地提供一个对地的低阻抗路径就够了。现时的做法要求大地中电场的“形状”应能控制接地极周围的电压梯度。“保护接地线”也必须为在系统中运行的设备提供一个功能地也就是，它必须为工频的漏电电流和高频噪声电流提供一个路径，这些高频电流，例如是由开关型电源引起的高频啼声电流，它需经射频干扰（RFI）滤波器入地，或者为了取得信号接口的一个基准电压。漏电电流的量值在电气系统中不断变化。由于漏电电流主要来自三相系统中的单相设备，每相的平衡分量互相抵消，在保护接地线中的电流随着供电系统各种不同配电方式的组合可能上升或下降。经常是在为

5、IT 设备供电的单相终端回路处最差。漏电电流在流向大地时是无害的，但如果接地线中断就很容易导致生命危险，因此需要接地线连接牢固可靠。这样需要有双重的http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 7 页 -接地线（每根能够携带完整故障电流）、坚固和可靠的连接例如，采用由电工安装的长寿命防腐铜线，而不是建筑工人安装的钢带。如果电缆的铠装层也作为其中一个路径，需要特别注意，一定要确保在电缆护口处的连接可靠。高完整性和可靠性设计理念必须贯彻到整个系统，包括到桌面计算机，例如装设足够的插座，以免不必要地接用只有单根不结实的接地线的插座板

6、。就功能性而言，高频电流会是个大问题。在地线上产生噪声的大部分设备对噪声也敏感但是有所不同；产生噪声电流的设备对噪声电压非常敏感。如果噪声电流能够传送到大地而没有产生噪声电压降，大家平安无事。这要求与地的连接在所有频率时阻抗都比较低。为了降低辐射噪声，用于噪声电流的接地路径应该靠近电源线敷设。应该指出的是在本文中我们更加关注的是接地系统的连接阻抗，它代表了等电位面，也就是我们俗称的“地”，而不是到物理大地本身。这与安全和防雷保护的概念不同，它们到大地本身的阻抗是至关重要的。如果安装的设备数量比较少，通常敷设一个单独的大截面接地线直接返回到主接地端子，或甚至到一个专门的圆钢接地极（也联结到主接地

7、端子以符合当地规范要求）。这样的结果通常是令人满意的，部分因为这些系统和他们的外围共同位于一个地理上相对小的面积之内，因此能够保持在等电位（如果有这样的东西），而不是在零电位。噪声返回路径也紧靠电源线，降低了放射噪声。然而，长放射接地线具有四分之一波长谐振效果1，在一些频率下增大了阻抗，使得这种技术不适合于当前设备分散布置的电气装置。现代化计算机系统经常遍布整个大楼的每个楼层。保持在这些分散装置之间的“等电位”（在高频时）需要很好的解决方案。非常分散的计算机系统能够工作是不争的事实。随着微电子器件的发展和运算电压的降低，需要用于开关逻辑状态的能量和对电压噪声的抗扰性大大下降，使它们对噪声更加敏

8、感。这种趋势的影响由提高噪声抗扰性的电气装置设计的改进来补偿。这些措施包括采用差动接口和更好的软件设计，例如在网络上应用错误检测和校正一起。这些技术非常有效，但也由于发送冗余（错误控制）数据和请求重新传输失败的数据包而降低了网络的处理能力。随着电气噪声的提高，出错率提高，处理能力下降，直至有用的通信完全停止。对用户来讲就好象系统突然不工作了，其实它只不过是功能变差了，配置的恢复机构不能再应付。如果电气噪声能够降低到足够低的水平，出错率也降低了，数据传输又重新变得可能。高噪声电平通过请求重复传输而降低了处理能力，并且降低了效率。显然，网络效率与数据处理效率有关，也与企业效率有关。同许多事物一样，

9、在需求最大时，即网络忙碌时效率最差。降低在数据处理环境中的电气噪声电平是提高效率的关键。不幸的是，为了节省投资，网络系统的最常用数据电缆是非屏蔽双绞线。对于 IT 设备比较密集的大楼和100 Mb/S 的数据速率，最好采用屏蔽双绞线（STP）。将噪声降到最小的最好方法是采用铜网格接地平面。这种技术常常用于数据处理设备集中的“计算机机房”，当前它依然是最常采用的唯一最有效解决方案。它效果良好的原因是网格具有无限个不同视在电气长度的接地路径其中的一些路径可能是四分之一波长长度的倍数，毫无疑问有许多不是其倍数的其它平行接地路径。这样就提供了在宽广频率范围内的低阻抗的连接通路。这种网格应该覆盖安装设备

10、的所有面积当前通常是整座大楼不应忘记的是它既适用于垂直方向，又适用于水平方向。将每层的水平接地网只与一个垂直引下线相连没有什么意义。网格通常应该采用扁平金属带建造以使集肤效应最小。在将结构构件利用做接地网格的地方，例如利用按照机械强度要求而非电气特性要求设置的架空地板支撑，确保所有构件在电气上联结导通非常重要通常在每个交叉点采用短的铜编织带来连接。可能会认为完全铜网格接地系统对于普通商业大楼太昂贵特别是对于投资性质的大楼。然而，成本并不高，显然在设计阶段采用网格接地系统所需的整体成本最低，而在使用之后重新改造成网格接地系统却是最昂贵的。有效的接地系统能确保大楼适合于多种用途，因此最符合市场需求

11、。这样的大楼租金会更高，因为它为租户降低了故障几率（和成本）以及随之而来的运行费用。http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 7 页 -包括防雷保护系统在内的大楼接地系统设计如果要满足所有目标需要非常细心的全面考虑。通常，开始时设计正确与设计不正确在大楼使用后再进行改造，前者是最好和最经济的解决方案。将概念付诸实施接地极接地极的设计 它的尺寸、形状和布置不仅仅对实现足够低的阻抗是至关重要的，对控制大地表面的电场形状也是非常关键的。图1跨步电压和接触电压接触电压跨步电压接触电压跨步电压接地系统的电阻和流入土壤的电流决定了系统

12、和大地之间的电压差。对于较大故障电流这个电压在接地极处会非常高，它随着与接地线的距离变远和流过电流的土壤体积增大而逐步降低。这种地电位上升（GPR）会导致危险的情况。在进一步研究这个问题以前有必要定义一些术语（见图1）。“接触电压”是指人在与结构接触的范围内在接地的结构与站在地上的人之间的电压差。“跨步电压”是站在地上的人两脚之间的电压（假设两脚之间的分开距离为一米）。最大接触电压和跨步电压由各类的标准规定其限值。在良好的土壤条件下采用一个接地极就很有可能实现低阻抗。典型的电场分布图如图1 左手侧所示。注意大地电位斜坡非常陡峭即跨步电压和接触电压会很高因此选用这样的接地极不合理。图1 右手侧所

13、示为在建筑物的四周一米以外增加一圈埋深为0.5 米的接地环网的接地系统的效果。这样不仅降低了阻抗和GPR（因为更多的土壤承载电流），而且在接地环网之内的电场形状也得到控制，降低了跨步电压和接触电压。可以看出，在建筑物周围的跨步电压和接触电压在采用接地环网以后显著降低。“电位高堆”的顶部通过埋在土壤中的接地环网的电场形状特性变得更宽、更平坦。没用接地环网时“尖峰”高且陡峭，特别是在接近垂直接地体或钢筋混凝土基桩的地方，常因此导致危险的发生。在建筑物四周埋没的接地环应该至少距外墙一米。埋深应该足够，确保在冬天不受冰冻，在夏天不受干燥的影响。没有适用的当地规范的场所埋深应该至少为0.5 米。接地环应

14、该是截面面积至少为 50 mm2的铜带。接地环必须与建筑物基础下面的网状结构和在建筑物四周的网状接地系统（如果适用）相连。在接地环与建筑物或厂区余下接地系统之间必须进行多点连接。http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 7 页 -图 2接地网格（依据IEC 61312 2 的图 8）厂区宽度的接地系统为将雷电流和短路电流导入土壤要求接地路径为低阻抗。这种主接地系统应该是一个在所有物体之间提供低阻抗连接和与土壤的接触提供一个良好电位分布的网络。它必须能够传导所有可能出现的电流，同时避免在连接远方用电设备的电缆上出现危险接触电

15、压和大电流。图 2 所示为工厂网状接地系统的顶视图。对于建筑物（1），钢筋形成了精细网状接地网络，它与建筑物周围的埋地裸铜排相连以避免出现跨步电压和接触电压。在建筑物外的地方安装了一套网状接地系统。该网络贴近建筑物的间距是5 米。高塔（2）和孤立的设备（3）也与这个接地网络相连。每个物体与接地系统有多个连接点。在建筑物之间的电缆托盘（4）用作建筑物之间敷设的电缆的机械保护。雷电截获系统为了限制直击雷对建筑物的危害，从建筑物的顶部到大地必须为雷电提供一个低阻抗路径。在地平面，防雷保护系统直接连接到埋地的接地极和接地系统的其他部分。图3 所示为一建筑物的典型防雷结构。图3防雷引下线的定位对于一般的

16、防雷保护要求，垂直引下线的最大间距d 为 10 米，对于高级防雷要求则为5 米。至少要有两个垂直引下线，其截面至少为20 mm2。最好是在每层，但最大不超过20 米，垂直引下线应该与大楼内的接地系统相连。其目的是在建筑物周围形成一个法拉第屏蔽笼，它包括建筑物外部的许多垂直防雷引下线和它与每一楼层的水平连接，这样就为每一楼层建立了一个局部“等电位”区域。必须记住雷电是瞬态的，因此应采用直线布线的扁平金属带以减少电感和集肤效应。建筑物保护线的布置http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 7 页 -建筑物的“保护线”具有许多功能

17、：z将故障电流送回大地，使过电流保护得以动作；z将漏电电流送回大地；z将大地用作信号基准平面以便互连设备的信号接口能够正确运行；z保持电磁兼容性（EMC）z将来自 RFI 滤波器的噪声电流送回大地。“保护线”经常被设计成好像它就只是一根用作保护的电线，它的其它用途被完全忽略。命名不正，这是很遗憾的。接地故障电流大家已熟知在设计中为何对付接地故障电流。采用设计合理的过电流和故障保护，可以减少故障电流的持续时间，发生故障时“通过”的能量被限制至安全值。这就是标准的电气装置设计。在本文内，至关重要的依据时接地的绝对电阻值和电源、线缆和保护线的环路电阻值。泄漏电流泄漏电流经常被忽视。他们主要来自用于降

18、低射频干扰的滤波器，另外，其他单台设备的泄漏电流虽然非常小，但累计在一起的数量还是相当可观的。这些电流源于跨接在供电电压两端的两个电容分压器，因此具有每个电容器承受二分之一供电电压的开路电压。通常这个电源点通过与保护线的连接而接地。如果保护线的某部分被断开，例如放射式回路的保护接地线在分配电箱处被断开，那么被断开的保护线的电位将漂移到二分之一的供电电压。可产生的电源电流取决于被连接设备的数量它是否接通或关闭通常没有关系人体如与此保护接地线接触，此电流可超过致人死命的水平。确保“保护线”完整性和可靠性的正确做法是提供多个从设备连接点返回到配电箱的路径。至少一个路径必须是机械强度足够的专用导线，而

19、其它传导路径可通过电缆铠装层、管线或电缆托盘来提供。注意，如果采用这样的传导路径，安装和维护时必须确保连接的完整性。因为这种类型的泄漏电流实际上是设备内射频干扰滤波器设计的一个特点，所以在一些电气装置规范中它也被简单地称作“保护线电流”。对泄漏电流最重要的考虑问题是保护线不中断的完整性。泄漏电流相对较小，因此保护线的电阻不是问题，但如果接地连接断开有非常高的电击危险。最困难的问题是怎样保持保护线不中断的完整性没有简单的方法能发现完整性由于一个路径的故障而受到影响。同理，也没有作此用途的完善的故障指示，倒霉的用户只能在出事故后才能发现它。信号基准电位面保护线用以在可连接的设备间传递基准电位，使设

20、备能正常工作，这要求它在一个宽广的频率范围内非常低的阻抗。这里关注的是由保护线为代表的整个接地系统应该是一个等电位面，换句话说，在所关心的整个范围内，在建筑物的整个区域内，任意两个点之间的电位差应该是零。实际上这并不意味着电位差真正为零，但是应该足够低，以使不会引起设备的误动作。许多信号接口采用差压电平（网络接口、RS 485），它能够容忍在相对高的基准电位差（几伏）。一些老式接口标准，例如用于Modem 的 RS 232 接口和用于打印机的IEEE 1284 接口，是单端的，具有较低的容限。图 4 所示为典型单端和差压接口。单端接口应用一根单一信号线和一个接地返回路径。显然，在发送器和接收器

21、处的现场“地”之间的任何电位差与信号串联，很可能导致数据恶化。在两个接地点之间增加另外一根信号线的显然过于简单的解决方案没有任何作用，一个大而幅值不定的电流会流过，从而引起干扰和可能的损坏。http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 7 页 -图4单端（上图）和差压信号接口单端传输差压传输差压接口采用两根信号线，数据作为它们之间的电压差来发送。理想状况是接收器只是对信号线之间的差压敏感，对共模电压不敏感（在信号线上的平均电压）。但实际情况并非如此，可能有一次或两次量值的电平端高于单端接口的所需值，故共模电压仍必须限制。差压敏

22、感度对共模敏感度的比率被称为共模抑制比（CMRR），用 dB 表示（电压）。对于大多数半导体接收机，CMRR 在低频时很高，但随着频率的上升而迅速下降。换句话说，采用对降低出误率有帮助的差压接口并不能真正降低对保护线系统的要求。注意，对地阻抗的绝对值并不重要，重要的是一个宽频范围内在保护线上不同点之间的阻抗。总的来说，提供一个良好信号基准电位面所需的措施与下面讲到的确保电磁兼容性所需的措施类似。电磁兼容性（EMC）每件电气和电子设备都产生一些电磁辐射。同样，每台设备对电磁辐射也或多或少地敏感。如果系统要正常运行，在一个环境中的辐射的累积电平必须低于在那个环境中破坏设备运行的电平。为了实现这个目

23、标，设备的设计、制造和测试应按标准要求降低辐射量，并提高其抗辐射干扰的能力。IEC 61000 系列标准将EMC 定义为：“设备或系统在其电磁环境中正常工作，且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力”。在实际中维持这种兼容性需要在电气系统和接地系统的设计和实施阶段非常注意。在本指南的后面一些章节将对此进行详细介绍；这里只是进行一下总体概述。在传统电气工程中常常采用分开的接地系统，例如信号地、计算机地、电源地、防雷地等。在当今的电气工程中对接地系统和其与仪表保护的关系有了全新的理解。分开接地系统的概念已经被抛弃，现在国际标准只规定设置一个总接地系统，没有所谓的“洁净”地和“不洁”地。单

24、一接地概念意味着在实际中保护接地（PE）线、平行接地线、控制柜、数据或动力电缆的屏蔽层和铠装层都互相连接在一起。金属的结构件和水管、煤气管都是这个接地系统的组成部分。理想的情况是进入一个区域的所有电缆必须在一点进入，在这个进线点所有的屏蔽、铠装层和其它接地线都需连接在一起。为了降低对设备的干扰，在电缆屏蔽层和其它接地构件之间形成的接地环内的面积必须尽可能小一些。将电缆与金属构件相联结后，这些构件就成为并联的接地线（PEC）。并联接地线既用于数据电缆，也用于动力电缆。按接地线的有效性依次排列可例示为：接地线、电缆梯架、扁平金属带、电缆托盘或最次的金属套。PEC 降低了由电缆和接地网络形成的环路阻

25、抗。连http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 7 页 -接到大地的接地电阻对于设备保护变得无关紧要。PEC 的一个非常有效得类型是具有较大金属截面的细密编织带或完全闭合的电缆屏蔽层并在电缆两端的全周围进行连接。为了保持在接地系统中的等电位联结的阻抗在高频时足够小，必须采用李兹线（绞和，每股分别绝缘）或长度与宽度比小与5 的金属带。对于高于10 MHz 的频率，不能使用圆截面线。架空地板可用作良好的等电位平面。在其下铜网格的最大间距必须不能超过1.2 米，并通过许多等电位联结线与公共等电位接地网络相连。网格应以6 米的间距

26、在楼层的周边内连接到围绕架空地板敷设的50 mm2铜带上。动力和信号电缆应相距至少20 cm，两者在交叉处以直角跨过。结论建筑物或现场的接地系统是电气基础设施的一个关键组成部分，它能够决定运营企业的未来生命力。它需能承受几百安培的短时故障电流，几个安培的持续电流和高频噪声电流，并将它们送回到电源或大地，对于噪声电流要求接近零电压降，对于故障电流则要求不产生任何危害。同时，在雷击（几千安培的快速瞬变）时互连接地系统必须保护在建筑物内的设备和人身安全。包括防雷保护在内的建筑物接地系统的设计如果要实现所有的目标，需要非常仔细。如果一开始就设计正确，并且考虑了大楼的使用寿命以及寿命期内的有可能提出的电气负载的接用，通常，这是最好和最经济的解决方案。在投入使用后再重新改造永远是代价高昂的。http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 7 页 -