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1、接地技术在防雷工程中的应用【摘 要】接地问题既是传统问题也是目前的实际问题。在防雷工程中，多种类别和形式的接地经常同时存在，如何处理好各种不同的接地方式、作好接地网的建设并进行合理的布线，是我们十分关注的问题。本文对此进行了一些探讨。【关键词】连接方式 接地网 布线一、引言防雷工程的一个重要的方面是接地及其布线工程，整个工程的防雷效果甚至防雷器件是不是起作用都取决于此，所以应该得到高度重视并进行系统地研究。 电力、电子设备的接地，是保障设备安全、操作人员安全和设备正常运行的必要措施。可以认为，凡是与电网连接的所有仪器设备都应当接地；凡是电力需要到达的地方，就是接地工程需要作到的地方。由此可以我
2、们知道，接地工程的广泛性和重要性。 一方面，随着时代的进步，强功能高价值设备的广泛使用，要求提供更加可靠的接地保护；另一方面，微电子技术的推广，使得现代设备要求更低的接地电阻，还往往需要抗干扰。实践要求有更加系统的接地理论来对工程实际进行指导。因此我们认为，在接地问题上应作到：接地连接方式和接地参数并重；根据地网所在地的接地电阻、土层分布等地质情况，尽量进行准确设计； 以减小或消除同系统中不同性质的接地（如防雷地、工作地、外壳接地、静电地、信号地等）之间的电位差为目的，选用适当的布线方式。二、目的和要求 （一）接地的分类和目的 接地的作用总的来说可以分为两个：保护人员和设备不受损害的叫保护接地
3、；保障设备正常运行的叫工作接地。这里的分类是指接地工程设计施工中考虑的各种要求，并不表示每种“地”都需要独立开来。相反，除了有地电信号抗干扰、设备本身专门要求等特殊原因之外，我们提倡尽量采用联合接地的方案。 （1）保护接地 防雷接地是受到雷电袭击（直击、感应或线路引入）时，为防止造成损害的接地系统。常有信号（弱电）防雷地和电源（强电）防雷地之分，区分的原因不仅仅是因为要求接地电阻不同，而且在工程实践中信号防雷地常附在信号独立地上，和电源防雷地分开建设。 机壳安全接地是将系统中平时不带电的金属部分（机柜外壳，操作台外壳等）与地之间形成良好的导电连接，以保护设备和人身安全。原因是系统的供电是强电供
4、电（380 V、220 V或110V），通常情况下机壳等是不带电的，当故障发生（如主机电源故障或其它故障）造成电源的供电相线与外壳等导电金属部件短路时，这些金属部件或外壳就形成了带电体，如果没有很好的接地，那么带电体和地之间就有很高的电位差，如果人不小心触到这些带电体，就会通过人身形成通路，产生危险。因此，必须将金属外壳和地之间作很好的连接，使机壳和地等电位。此外，保护接地还可以防止静电的积聚。 （2）工作接地 工作接地是为了使系统以及与之相连的仪表均能可靠运行并保证测量和控制精度而设的接地。它分为机器逻辑地、信号回路接地、屏蔽接地，在石化和其它防爆系统中还有本安接地。 机器逻辑地，也叫主机电
5、源地，是计算机内部的逻辑电平负端公共地，也是+5V等电源的输出地。 信号回路接地，如各变送器的负端接地，开关量信号的负端接地等。 屏蔽接地，模拟信号的屏蔽层的接地。 本安接地，是本安仪表或安全栅的接地。这种接地除了抑制干扰外，还有使仪表和系统具有本质安全性质的措施之一。本安接地会因为采用的设备的本安措施不同而不同，下面以齐纳式安全栅为例，说明其接地内容： 安全栅的作用是保护危险现场端永远处于安全电源和安全电压范围之内。如果现场端短路，则由于负载电阻和安全栅电阻R的限流作用，会将导线上的电流限制在安全范围内，使现场端不至于产生很高的温度，引起燃烧。如果计算机一端产生故障，则高压电信号加入了信号回
6、路，由于齐纳二级的嵌位作用，也使电压位于安全范围。 值得注意的是，由于齐纳安全栅的引入，使得信号回路上的电阻增大了许多，因此，在设计输出回路的负载能力时，除了要考虑真正的负载要求以外，还要充分考虑安全栅的电阻，留有余地。 除了上述几种接地外，在很多场合下容易引起混乱的还有一个供电系统地，也叫交流电源工作地，它是电力系统中为了运行需要设的接地(如中性点接地)。 （二）接地的要求和方法 上面介绍了六种接地：供电系统地、保护地、机器逻辑地、屏蔽接地、信号回路地和安全栅接地。对于这六种接地，虽然大都强调一点接地，接地电阻必须小于1欧姆等，但具体内容上差别很大，下面给出几个例子介绍常遇到的接地要求和方法
7、。 （1）供电系统地：在很多企业，特别是电厂、冶炼厂等，其厂区内有一个很大的接地网，而通常供电系统的地是与接地网连在一起的。有的厂家强调计算机系统的所有接地必须和供电系统地以及其它地（如避雷地）严格分开，而且它们之间至少应保持15m以上的距离。从抑制干扰的角度来看，将电力系统地和计算机系统的所有地分开是很有好处的，因为一般电力系统的接地并不是纯净的。但从工程角度来看，在有些场合下单设计算机系统地并保证其与供电系统地隔开一定距离是很困难的，这时可以考虑能否将计算机系统的地和供电地共用一个，这时要考虑几个因素： 供电系统地上是否干扰很大，如大电流设备启停是否频繁、对地产生的干扰是否大、是否造成地电
8、位波动； 供电系统地的接地电阻是否足够小，而且整个地网各个部分的电位差是否很小，即地网的各部分之间是否阻值很小（1）； 弱电子系统的抗干扰能力以及所用到的传输信号的抗干扰能力，如有无小信号(电偶，热电阻)的直接传输等。 （2）所有计算机接线涉及到的接地均采用一点接地方式。有的厂家系统提出几个地：逻辑地、屏蔽地（又叫模拟地）、信号地、保护地分别各自接地，在地上打接地装置，而大部分系统则指出各种地在机柜内部各自分别接地，汇于一点，然后用较粗的导体（铜）将各汇地点朕起来，接到一个公共的接地体上。这里需要注意的是： 控制系统本身是由多台设备组成的，除了控制站以外，还包括很多外部设备，而且数据设备也往往
9、不止一台，这就涉及到了多台设备、多种接地的问题。此外，一般的系统的供电是各站（控制站，操作站等)用专门一条线单独供电，即彼此之间不相互供电。图1是一种的GCS接地图代表性的示意。图1 DCG接地图（3）保护接地：系统的所有设备均有一个保护地，该保护一般在机柜和其它设备设计加工时就已在内部接好，有的系统中已将该保护地在内部同电源进线的保护地（三芯插头的中间头）连在一起，有的不允许将保护地同该线相连。不管哪种方式，CG必须将一台设备（控制站、操作员站等）上所有的外设或系统的CG连在一起，然后用较粗的绝缘铜导线将各站的CG连在一起，最后从一点上与大地接地系统相连。还有一点值得提醒的是，同一系统的所有
10、外设必须从一条供电线上供电，而且一台设备（如操作员站）所连接的所有外设和主机系统（计算机、打印机、拷贝机主机系统等）的电源必须从设备的供电分配器上取电，而不允许从其它地方取电，否则可能会烧坏接口甚至设备，对于不得不用长线连接的场合，或用较粗导线提供供电，或采取通信隔离措施（如采用UPS等）。 各站的CG在连接时可以采用幅射连接法，也可以采用串行接法。首先，各站内的逻辑地必须位于一点PG，然后，粗绝缘导线以辐射状接到一点上，然后接到大地接地线上。在有些系统中，所有的输入、输出均是隔离的，这样其内部逻辑地就是一个独立的单元，与其它部分没有电器连接，这种系统中往往不需要PG接地，而是保持内部浮空。
11、（4）模拟地（AG），模拟地（又叫屏蔽地）是所有的接地中要求最高的一种。几乎所有的系统都提出AG一点接地，而且接地电阻小于1。 DCS设计和制造中，在机柜内部都安置了AG汇流排或其它设施。用户在接线时将屏蔽线分别接到AG汇流排上，在机柜底部，用绝缘的铜辫连到一点，然后将各机柜的汇流点再用绝缘的铜辫或铜条以辐射状连到接地点。大多数的DCS要求，不仅各机柜AG对地电阻1，而且各机柜之间的电阻也要1。 （5）信号地的处理：原则上不允许各变送器和其它的传感器在现场端接地，而都应将其负端在计算机端子处一点接地。但在有些场合，现场端必须接地，这时，必须注意原信号的输入端子（上双端）绝对不许和计算机的接地线
12、有任何电气连接，而计算机在处理这类信号时，必须在前端采用有效的隔离措施。 （6）安全栅的接地：下面是图2所示的安全栅线路图：图2 安全栅接地原理图从图中可以看出有三个接地点：B，E，D，通常B和E两点都在计算机这一侧。可以连在一起，形成一点接地。而D点是变送器外壳在现场的接地，若现场和控制室两接地点间有电位差存在，那么，D点和E点的电位就不同了。假设我们以E作为参考点，假定是D点出现10V的电势，此时，A点和E点的电位仍为24V，那么A和D间就可能有34V的电位差了，己超过安全极限电位差，但齐纳管不会被击穿，因为A和E间的电位差没变，因而起不到保护作用。这时如果不小心现场的信号线碰到外壳上，就
13、可能引起火花，可能会点燃周围的可燃性气体，这样的系统也就不具备本安性能了。所以，在涉及到安全栅的接地系统设计与实施时，一定要保证D点和B（E）点的电位近似相等。在具体实践中可以用以下方法解决此问题：用一根较粗的导线将D点与B点连接起来，保证D点与B点的电位比较接近。另一种就是利用统一的接地网，将它们分别接到接地网上，这样，如果接地网的本身电阻很少，再用较好的连接，也能保证D点和B点的电位近似相等。但注意，此接地一定不要与上面几种接地发生冲突。 以上讨论了几种接地的方法和注意事项。在不同的系统中，对这几种接地的组态要求不同，但大多数系统对AG的接地电阻一般要求1欧姆以下，而安全栅的接地电阻应4欧
14、姆，最好1欧姆，PG和CG的接地电阻应4欧姆。三、接地网的建设 接地网是在接地系统的基础，由接地环（网）、接地极（体）和引下线组成，以往常有种误解，把接地环作为接地的主体，很少使用接地体，在接地要求不高或地质条件相当优越的情况下，接地环也能够起到接地的作用，但是通常的情况下，这是不可行的，接地环可以起到辅助接地地作用，主导作用是用接地体来完成的。 决定接地电阻大小的因素很多，下面先来分析一下计算传统地网接地电阻的公式（仅以接地环接地时）： （1） （2） （3） 式（1）表明，传统的接地方式在土壤电阻率已经确定的情况下，要想达到设计要求的电阻必须有足够的接地面积，要降低接地电阻只有扩大接地面积
15、，每扩大4倍的接地面积，接地电阻会降低一倍。 式（2）、（3）表明，在上述的接地网中，要降低接地电阻的另一个方法是加大接地材料的尺寸，但是耗材太大而且效果并不理想。 单使用接地环要达到某个接地电阻值，接地环包围的面积S和土壤电阻率有关。我们以一个城市常见的土壤电阻率200m来分析，要做接地电阻1的地网站地应为10000平方米。即使对于大型建筑物而言，本身占地很大，也最多可以建设一个这样的地网，但是对于这样大型的建筑即使是以联合接地的办法，考虑到要求独立地的设备，一个地网是远远不够的。在建筑林立的城市和地形复杂的山地要求大面积可供施工的的土质空地是不太可能的，即使在地理条件许可的地方，由于开挖量大、耗材多，费工费料工程费用高，也是不可取的。所以，需要运用更好的接地材料和施工设计方法。要达到设计接地电阻要求，克服环境条件的制约，有把握的达到良好稳定的接地效果，应从三方面入手进行施工设计： （一）因地制宜的设计方案 通常的防雷接地的接地电阻是10，实际上有弱电设备的感应防雷都要求4或1的接地电阻。这里常常有个误区，认为作到10、4或1的接地电阻就满足了设计要求，而没有考虑季节因数。因为，土壤电阻率是随季节变化的，规范所要求的接地
