接地工程设计(DOC 35页).doc

第3章 控制系统的接地工程设计接地的基本概念 概述 从电气特性来看，自然界的土壤地层有两大特性：1） 导电，导电率为10-3至10-1S/m，相对介电常数为5至15F/m，介于良导体和绝缘体之间，因导电，故可将用电设备和地之间组成电气连接 2）具有无限大的容电量，故可以把土壤地层理解为等电位点或等电位面，成为电路或系统的基准电位，即电位的参照系接地的作用有二： 1）保护人身和设备安全，如保护地、防雷地、本安地、防静电地等； 2）抑制干扰，即为信号电压或系统电压提供一个稳定的电位参考点如工作地、屏蔽地、模拟地、数字地等 上述的各种接地名称，都是按接地的用途命名的同一个接地装置往往具有多个接地用途接地系统在概念和技术上，近十年发生了很大的变化，其中最重要的转变是：以前的接地系统是否合格以接地电阻值为准，现在侧重于接地结构兼顾接地电阻值，特别是从独立接地到采用共用接地网的等电位连结方式的转变等电位连接就是将分开的装置、诸导电物体用等电位连接导体或浪涌保护器连接起来，以减小雷电流或其它干扰电流在它们之间产生的电位差为干扰及雷电流提供低阻抗的连续通道泄放到大地由于等电位连接减小了系统内各金属部件和各系统间的电位差（但并非是真正的等电位体），无论是从防雷的角度或者是从减小控制系统的共模干扰来看，这都是十分有益的。

因为采用共用接地网的等电位接地方式具备其它接地无法比拟的优势，所以等电位接地方式应该是控制系统接地的首选方式据查证，世界上最早提出等电位接地方式的是我国在1958年建设北京人民大会堂时的笼式接地网，比起英国GOLDE在[雷电]一书中提及要早十八年但在标准中出现等电位接地的是1999年的“IEC 61312-2”，国内是从2000年才开始出现在各类标准中 接地系统的结构从工业应用的角度来看，目前控制系统通常有单独接地及等共用接地两种方式1） 单独接地这种接地方式是将控制系统的保护地接入电气安全接地网，工作接地采用“独立的”、“干净的”接地装置与大地相接由于在一段电源保护地线的两点间会有数毫伏，甚至几伏的电位差，这对低电平信号电路来说，是一个非常严重的干扰，因此控制系统的工作地不要和保护接地在柜内就混用2）共用接地共用接地是以等电位观点为主体思想的多点连接，即设备和装置外露可导电部分的电位基本相等的电气连接其中包括结构钢筋、金属设备、管道等，进而和接地极相连所谓多点是指建筑物基础钢筋、地下金属管道、埋地电缆的金属外皮都成为很好的接地极和单独接地相比，共用接地有如下的特点：1）如在爆炸危险场所，因电气设备故障或雷击会形成建筑物不同部位存在地电位差，这地电位差可以使连接在不同地点的设备产生电火花引起爆炸或损坏设备，无法保障人身和控制系统的安全。

如采用共用接地实行等电位连接，由于建筑物各处均为等电位，从而就可减小或避免这种危险的发生2）由于建筑物各处均为等电位，减小了进入控制系统电子线路的共模干扰3）实施方便如果电气专业已把全厂的地下管道、地下结构、接地体连成一个统一的共用接地网时，此时控制系统再单独接地并要求其接地点和电气接地网相距至少要5m以上，和建筑物的防雷地相距至少要20m以上，这在现场有时是很难做到的4）和控制系统有关的规范标准[1]对等电位连结时的接地连接（Bonding）电阻，即接地通路（Path）的电阻总和不大于1欧姆；而对接地极对地电阻一般要求不大于4欧姆这两个数值对采用共用接地网的等电位连接是不难做到的 S型星形结构和M型网形结构的等电位连接采用共用接地网实行等电位连接的网络有S型星形结构和M型网状结构两种基本结构1) S型星形结构S型等电位连接网络是控制系统的组件仅通过唯一的一点（ERP）组合到接地系统中去，如图所示在这种情况下，为避免产生感应环路，组件间应绝缘2) M 型网状结构M 型等电位连接网络是控制系统的组件通过多点连接组合到接地系统中去的此时，各金属组件不应与共用接地系统各组件绝缘，如图所示M 型等电位接地网络宜用于延伸较大的开环系统，而且在设备之间敷设有许多线路和电缆，以及设施和电缆从若干处进入系统。

在复杂系统中，还可以将S型和M型两种等电位连接网络组合在一起图 M型网形结构图 S型星形结构 图和图为S型接地连接的例子TN-S制中的PE线图 仪表及控制系统S型接地连接 图 电子信息设备机房S 型等电位连接网络示意图 图和图为M型接地连接的例子图 M型（网格式）接地方式的例子图 电子信息设备机房M 型等电位连接网络示意图 接地系统的耦合1）串联接地和耦合图 串联接地串联接地如图所示，由图可知：VA=（I1+I2+I3）R1；VB= VA +（I2+I3）R2；VC= VB +I3 R3可见A、B及C点间存在一定的电位差，其中A和C点间的电压差可达（I2+I3）R2 +I3 R3，如果该电压差变化较大，则电路间会因各电路的地电流通过地线阻抗而产生耦合，导致各电路之间基准电压不一致，从而产生干扰，所以不推荐使用对应在工程中，不宜将控制柜的接地汇流排实行串联接地2）并联接地和分类汇总并联接地如图所示，由图可知：VA=I1RI+VD；VB=I2R2+VD；VC=I3R3+VD；VD=（I1+I2+I3）R4图 并联接地由图可知，如R4作为接地电阻应愈小愈好如果我们把D点作为参考电位，则任何一个电路的地电位只受这个电路本身的地电流和它的地线自身阻抗的影响。

由于并联接地可以减少因地电流引起电路间的耦合，所以在有关接地的标准里，各种用途的接地系统强调要“分类汇总”，汇总点D离地的接入点要愈近愈好 工频接地电阻和冲击接地电阻由于流入地中的电流错综复杂，有工频电流，计算机系统的高频电流以及雷击时的脉冲电流等等流过电流的频率不一，接地系统所呈现的阻抗性质也不一样，有人称之谓接地系统的频率特性就拿工频电流和雷击时的脉冲电流来说，接地系统的接地电阻就有工频接地电阻和脉冲接地电阻之分它们之间的换算关系为：Ra=ARi （）式中：Ra---工频接地电阻（欧姆）；A----换算系数，它取决于土壤电阻率、接地体最长支线的实际长度L（见图）和有效长度Le，一般A的取值范围是大于1，小于3，其数值可按图3．9b确定；Ri---冲击接地电阻（欧姆）接地体的有效长度应按下式确定： （） 式中：ρ──敷设接地体处的土壤电阻率（Ω·m）由式（）可知，同一个接地装置，其工频接地电阻值要大于其冲击接地电阻值；所以测出的工频接地电阻值是合格的话，一般冲击接地电阻值也会满足要求。

图 接地体有效长度的计算图 换算系数A 接地系统产生的电磁干扰 1）接地系统有来自不同地方的电流（如电气设备的漏电流），由于接地系统存在阻抗，所以就会产生电压降这个电压降就是造成电磁干扰的干扰电动势，而且正比于接地电阻的大小，这种干扰电动势也称为“公共阻抗耦合” 2）接地系统的连接可能存在回路，则外部的电磁场就可能通过“电感性耦合”产生感应干扰电动势 由此可见： 1）减小接地电阻（公共耦合阻抗）有利于控制系统抗干扰，但会增加投资 2）接地系统的连接应避免产生回路 交流供电系统的接地 低压配电系统的接地制式低压系统接地制式按配电系统和电气设备（包括控制系统）不同的接地组合来分类按照IEC标准的规定，低压系统接地制式一般由两个字母组成，必要时可加后续字母因为IEC标准以法文作为正式文件，因此所用字母为相应法文文字的首字母第一个字母表示电源接地点对地的关系：T表示直接接地，I表示不接地（包括所有带电部分与地隔离）或通过阻抗与大地相连第二个字母表示电气设备的外露导电部分（如DCS的机柜）与地的关系：T表示独立于电源接地点的直接接地，N表示直接与电源系统接地点或与该点引出导体相连接。

后续字母表示中性线（N）与保护线（PE）之间的关系：C表示中性线（N）与保护线（PE）合并为PEN线；S表示表示中性线与保护线分开；C-S表示在电源侧为PEN线，从某点分开为N及PE线按低压系统接地制式划分有TN-S、TN-C、TN-C-S、TT、IT等五种1）TN-C系统（见图）这种系统有简单、经济的优点但是当三相负载不平衡或有谐波电流时，PEN线中有电流，其所产生的压降会呈现在电气设备的外壳上，有时可达运行电压的5%以上，这对敏感性的电子设备不利，它不适用于防爆的环境内图 TN-C系统2）TN-S系统（见图） 该系统相对于TN-C系统的最大特点是N线和PE线是分开的，因为在正常时PE线上不通过负荷电流，所以与PE线相连的电气设备的金属外壳在正常运行时也不带电位由于多拉一根线，所以在价格上要贵一点 图 TN-S系统3）TN-C-S系统（见图）该系统的前端是TN-C系统，后面改为TN-S系统图 TN-C-S系统4）TT系统（见图）TT系统内，电气设备的金属外壳单独接地，与电源在接地上无电气联系其优点是避免发生故障时，将故障电压蔓延缺点是接地故障电流小于正常负荷电流时，自动开关不能切除故障，设备外壳上会带百伏级的电压，人身安全无法保证。

图 TT系统5）IT系统（见图）该系统没有配出中性线，电源系统不接地适用于大型电厂的厂用电图 IT系统 相关标准对控制系统采用TN-S系统的规定 由于TN-S系统的最大优点是在正常时PE线上不通过负荷电流，因此与PE线相连的电气设备的金属外壳在正常运行时也不带电位（即等电位）再则，控制系统的电源由低压配电系统提供，所以控制系统的保护接地也应属于低压配电系统接地系统，并接入电气专业的低压配电系统接地网，即等电位共用接地网所以许多规范标准都采用这种接地制式例如：（1）《建筑物电子信息系统防雷技术规范（GB 50343-2004）》第5.4.1条作了下列强制性的规定：“电子信息系统设备由TN交流配电系统供电时，配电线路必须采用TN-S系统的接地方式建筑物防雷设计规范 GB50057-94”第条也如此规定 （2）《石油化工仪表接地设计规范（SH 3081-2003）》第3.1.2条规定：“控制室用电应采用TN-S系统整个系统中，保护线PE与中线N是分开的虽然控制系统有时需要的仅仅是单相的交流电源，但在考虑接地系统的设计时，必须要考虑该单相电源所在的三相电源的接地制式。

接地电阻由于土壤是由不同的土壤颗粒和其间隙中存在的水和空气组成；再则，接地体的形状、尺寸又不一，所以接地电阻有非常复杂的性质 接地电阻的定义1）定性的解释过去，有人认为接地电阻包括接地体本身的电阻、接地体与土壤间的接触电阻、接地体附近的土壤电阻、接地体至电气设备间连接导线的电阻四者之和其中，接地体附近的土壤电阻是主要的，。