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◆直擊雷 ◆感應雷 ◆電湧及高電壓引入 ◆接地及地網 |
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| 弱電設備的雷電危害分析及保護（三） | ||
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摘 要：文中結合電子設備的技術特性，闡述了電子設備的接地類別及接地原則，並對其應用中應注意事項和應採取的安全措施作以論述。 關鍵字：電子設備 接地 防雷 措施 1.概述 接地在電氣技術中是指用導體與大地相連。在電子技術中的接地，可能就與大地毫不相關，它只是電路中的一個等電位。如電子設備中的地,它只是線路裏的一個電位基準點。而在弱 電設備的接地不但包含上述兩種接地,還有其他的接地。例如智慧建築中安裝有多個子系統如通信自動化系統,火災報警及消防聯動控制系統,樓宇自動化系統,保安監控系統,辦公自動化系統,閉路電視系統等,各個子系統對接地的理解和要求都不太相同。按接地的作用可分為功能性接地和保護性接地。為保證電氣設備正常運行或電氣系統低雜訊接地,稱為功能性接地,功能性接地又有工作接地、邏輯接地、信號接地和遮罩接地等。為了防止人、畜或設備因電擊而造成傷亡或損壞的接地稱為保護性接地,保護性接地有保護接地、防雷接地和防靜電接地。有弱點設備構成的系統這幾種接地類型都會遇到。 2. 電子設備供電系統的接地關係到操作人員的人身安全和電子設備的安全穩定運行，電子設備的供電系統的接地通常包括工作接地和保護接地。工作接地是系統電源某一點的接地，這個點通常是電源（變壓器、發電機）的中性點，工作地的主要作用是使供電系統正常運行。而保護接地是供電系統負荷側金屬的電氣設備外殼和敷設用的金屬套管、線槽等電氣裝置外露不導電部分的接地。如果不做保護接地，故障電壓可達系統的相電壓；做了保護接地後故障電壓僅為PE線和接地電阻（RA）上的電壓降，大大的低於相電壓，接地電阻（RA）還為故障電流Id提供返回電源的通路，使保護電器及時切斷電源，從而起到防電擊和防電氣火災的保護作用。目前低壓供電系統設計選用較多的接地系統有TN、TT系統。 2.1工作接地的目的 電力系統由於運行和安全的需要,常將中性點(N線)接地,這種接地方式稱為工作接地。工作接地有下列目的: 2.1.1降低觸電電壓； 在中性點不接地的系統中,當一相接地而人體觸此及另外兩相之一時,觸電電壓為相電壓的1.732倍。而在中性點接地的系統中,觸電電壓就降低到等於或接近相電壓。 2.1.2迅速切斷故障設備； 在中性點不接地的系統中,當一相接地時,接地電流很小(因為導線和地面間存在電容和絕緣電阻,也可構成電流的通路)不足以使保護裝置動作而切斷電源,接地故障不易被發現,將長時間持續下去,對人身不安全。而中性點接地的系統中,一相接地後的接地電流較大(接近單相短路)保護裝置迅速動作,斷開故障點。 2.1.3降低電氣設備對地的絕緣水準； 在中性點不接地的系統中,一相接地時將使另外兩相的對地電壓升高到線電壓。而在中性點接地的系統中,則接近於相電壓,故可降低電氣設備和輸電線的絕緣水準,節省技資。為此本文分別對TN、TT系統作以分析。 2.2TN系統 TN系統的電源端中性點直接接地，用設備金屬外殼、保護零線與該中性點連接，這種方式簡稱保護接零或接零制。按中性線（工作零線）與保護線（保護零線）的組合情況TN系統又分以下三種形式： 2.2.1.TN-C系統； 在TN-C系統中，由於PNE線兼起PE線和N線的作用，節省了一根導線，但在PEN線上通過三相不平衡電流I，其上有電壓降IZPEN使電氣裝置外露導電部分對地帶電壓。三相不平衡負荷造成外殼帶電壓甚低。並不會在一般場所造成人身事故，但它可能對地引起火花，不適宜醫院、電腦中心場所及爆炸危險場所。TN-C系統不適用於無電工管理的住宅樓，這種系統沒有專用的PE線，而是與中性線（N線）合為一根PEN線，住宅樓內如果因維護管理不當使PEN線中斷，電源220V對地電壓將如圖1所示經相線和設備內繞組傳導至設備外殼，使外殼呈現220V對地電壓，電擊危險很大。另外PEN線不允許切斷（切斷後設備失去了接地線），不能作電氣隔離，電氣檢修時可能因PEN對地帶電壓而引起人身電擊事故。TN-C系統中，不能裝RCD（剩餘電流動作保護器），因為當發生接地故障時，相線和PEN線的故障電流在電流互感器中的磁場互相抵消，RCD將檢測不出故障電流而不動作，因此在住宅樓內不應採用TN-C系統。 2.2.2.TN-S系統； 在TN-S系統中，工作零線N和保護零線PE從電源端中性點開始完全分開，PE線平時不通過電流，只在發生接地故障時通過故障電流，故外露導電部分平時對地不帶電壓比較完全，但需要增加一根導線，由於設備設備外殼保護零線PE，正常工作時漏電開關無剩餘電流，所以在相同短路保護靈敏度不夠時，可裝設漏電開關來保護單相接地。RCD對接地故障電流有很高的靈敏度，即使接觸220V時，也能在數十毫秒的時間內切斷以毫安培計的故障電流，使人免於電擊事故，但它只能對其保護範圍內的接地故障起作用，不能防止從別處傳導來的故障電壓引起的電擊事故。 2.2.3.TN—C—S； TN—C—S是TN—C和TN—S兩種系統的組合，如圖2所示；第一部分是TN—C系統，第二部分是TN—S系統，分介面在N線與PE線的連接點。該系統一般用在建築物有區域變電所供電引來的場所，進戶線之前採用TN—C系統，進戶處作重複接地，進戶後變成TS—S系統，TN—C—S系統介於以上兩者之間。 根據《低壓配電設計規範》有關條文，建築電氣設計當選用TN系統時應作等電位聯結，消除自建築外沿PEN線或PE線竄入的危險故障電壓，同時減少保護電器動作不可靠帶來的危險及有利於消除外界電磁場引起的干擾，改善裝置的電磁相容性能。 2.3TT系統 TT系統的電源端中性點直接接地，用電設備金屬外殼用保護地線接至與電源接地點無關的接地極。TT系統正常運行時，用電設備金屬外殼電位為零，當電氣設備一相碰殼時，則短路電流較TN系統小，通常不足以使相間短路保護裝置動作。當人體偶然觸及帶電部分時危險較大，當在幹線首端及用電設備處裝有RCD時可保證安全。當變壓器中性點和用電設備處接地電阻為4歐姆時，單相短路電流為Ld=220/（4+4）=27.5A（線路阻抗不計）。不論幹線首端或用電設備處，當熔斷器溶絲電流較大或自動開關暫態脫扣器整定電流較大時，均不能可靠動作。所以TT系統內往往不能採用熔斷器、低壓短路器作接地故障保護而需採用漏電保護器。TT系統還有一個特點是中性線N與保護地線PE無一點電氣聯接，即中性點接地與PE線接地是分開的，所以不存在外部危險故障電壓沿著PE進入建築招致電擊事故發生。在TT系統內每棟建築物各有其專用的接地極和PE線，各棟建築物的PE線互不導通，故障電壓不致自一建築物傳導至另一建築物。但TT系統以大地為故障電流返回電源的通路，故障電流小，必須採用對接地故障反應靈敏的漏電保護器來防人身電擊。這些系統各有優缺點，需按具體情況選用。如果建築物由供電部門以低壓供電，應按供電部門的要求採用接地系統，以與地區的接地系統協調一致。如果採用TN-C-S系統，應注意從建築物電源進線配電箱開始即將PEN線分為PE線和中性線，使建築物內不再出現PEN線，這是因為PEN線因通過負荷電流而帶有電位，容易產生雜散電流和電位差的緣故。 如果供電部門以10KV電壓給住宅樓供電，且10/0.4KV變電所即在建築物內，則這棟建築物只能採用TN-S系統。因為採用TN-C-S系統將在建築物內出現PEN線； TT系統則要求設置分開的工作接地和保護接地，而在同一個建築物內是很難做到兩個分開的接地，維護工作也是困難的。無論採用哪種接地系統都必須按規範要求作前述的等電位聯結。 3. 電子設備的系統工作接地是為了使電子設備以及與之相連的儀器儀錶均能可靠運行並保證測量和控制精度而設的接地。它分為機器邏輯地、信號回路接地、遮罩接地，防爆系統中還有本安接地。 3.1邏輯接地 將電子設備的金屬板作為邏輯信號的參考點而進行的接地,稱為邏輯接地。它的作用是保證電路有一個統一的基準電位,不致於浮動而引起信號誤差。 3.2信號接地 各種電子電路，都有一個基準電位點，這個基準電位點就是信號地。它的作用是保證電路有一個統一的基準電位，不至於浮動而引起信號誤差。信號地的連接是:同一設備的信號輸入端地與信號輸出端地不能聯在一起,而應分開;前級(設備)的輸出地只有後級(設備)的輸入地相連。否則,信號可能通過地線形成在回饋，引起信號的浮動。這在設備的測試中，信號地的連接尤其要引起注意。 3.3保護接地 保護接地就是將設備正常運行時不帶電的金屬外殼(或構架)和接地裝置之間作良好的電氣連接。如果不作保護接地,當電氣設備其中-相的絕緣破損,產生漏電而使金屬外殼帶上相電壓時,人一接觸就會發生觸電事故。實行保護接地後,設備的金屬外殼和大地已有良好的連接。如果發生漏電,只要接地電阻符合規定的要求,接地就能成為保障人身安全、防止電事故發生的有效措施。此外，保護接地還可以防止靜電的積聚。 3.4防雷接地 為把雷電流迅速導人大地,以防止雷害為目的的接地叫作防雷接地。 3.5遮罩接地 為使設備或佈線達到電磁適應性要求而採取的遮罩措施的接地稱為遮罩接地。對於弱電設備電磁相容設計是非常重要的，為了避免所用設備的機能障礙，避免會出現的設備損壞，構成佈線系統的設備應當能夠防止內部自身傳導和外來干擾。因此對這些設備及其佈線必須採取保護遮罩措施，免受來自各種方面的干擾。 3.6防靜電接地 將帶靜電物體或有可能產生靜電的物體(非絕緣體),通過導靜電體與大地構成電氣回路的接地叫防靜電接地。在潔淨、乾燥的房間內,人的走步、移動設備,各自磨擦均會產生大量靜電。例如在相對濕度10%—20%的環境中人的走步可以積聚3.5萬V的靜電電壓。如果沒有良好的接地,不僅僅會產生對電子設備的干擾,甚至會將設備晶片擊壞。 3.7本安接地 是本安儀錶或安全柵的接地。這種接地除了抑制干擾外，還有使儀錶和系統具有本質安全性質的措施之一。本安接地會因為採用的設備的本實措施不同而不同。 安全柵的作用是保護危險現場端永遠處於安全電源和安全電壓範圍之內。如果現場端短路，則由於負載電阻和安全柵電阻R的限流作用，會將導線上的電流限制在安全範圍內，使現場端不至於產生很高的溫度，引起燃燒。第二種情況，如果電腦一端產生故障，則高壓電信號加入了信號回路，則由於齊納二級的嵌位元作用，也使電壓位於安全範圍。 值得提醒的是，由於齊納安全柵的引入，使得信號回路上的電阻增大了許多，因此，在設計輸出回路的負載能力時，除了要考慮真正的負載要求以外，還要充分考慮安全柵的電阻，留有餘地。 4.接地原則與技術要求 在一個系統中安裝有大量的電子設備,這些設備分屬於不同的專系統,由於這些設備工作頻率、抗干擾能力和功能等都不相同,對接地的要求也不同。在實際工程設計和施工中,電子設備的信號接地、邏輯接地、防靜電接地、遮罩接地和保護接地,一般合用一個接地極,其接地電阻不大於4Ω；當電子設備的接地與工頻交流接地、防雷接地合用一個接地極時，其接地電阻不大於1Ω。遮罩接地如單獨設置,則接地電阻一般為300Ω。對抗干擾能力差的設備,其接地應與防雷接地分開,兩者相互距離宜在20m以內,對抗干擾能力較強的電子設備，兩者的距離可酌情減少,但不宜低於5m。當電子設備接地和防雷接地採用共同接地裝置時,兩者避免雷擊時遭受反擊和保證設備安全，應採用埋地鎧裝電纜供電。電纜遮罩層必須接地,為避免產生干擾電流,對信號電纜和1MHz及以下低頻電纜應一點接地;對1MHz以上電纜,為保證遮罩層為地電位,應採用多點接地。閉路電視和工業電視都必須採用一點接地。 上面介紹了的幾種接地各設備製造商有各自的具體技術要求，雖然大都強調一點接地，接地電阻必須小於1歐姆等，但具體內容上差別很大。結合工控系統對接地的技術要求闡述其接地原則和接地方法。 4.1供電系統地 在很多企業，特別是電廠、冶煉廠等，其廠區內有一個很大的地線網，而通常供電系統的地是與地線網連在一起的。有的廠家強調電腦系統的所有接地必須和供電系統地以及其他（如避雷地）嚴格分開，而且之間至少應保持15m以上的距離。為了徹底防止供電系統地的影響，建議供電線線路用隔離變壓器隔開。從抑制干擾的角度來看，將電力系統地和電腦系統的所有地分開是很有好處的，因為一般電力系統的地線是不太乾淨的。但從工程角度來看，在有些場合下單設電腦系統地並保證其與供電系統地隔開一定距離是很困難的，這時可以考慮能否將電腦系統的地和供電地共用一個，這要考慮幾個因素： 4.1.1供電系統地上是否干擾很大，如大電流設備啟停是否頻繁，對地產生的干擾是否大； 4.1.2供電系統地的接地電阻是否足夠小，而且整個地網各個部分的電位差是否很小，即地網的各部分之間是否阻值很小; 4.1.3微電子裝置的抗干擾能力以及所用到的傳輸信號的抗干擾能力，例如有無小信號(電偶，熱電阻)的直接傳輸等。 4.2微電子裝置工作地 所有電腦接線涉及到的接地採用一點接地方式，在這一點上，也有很多爭議。有的廠家系統提出幾個地：邏輯地、遮罩地（又叫類比地）、信號地、保護地分別自己接地在地上打接地裝置，而大部分系統則指出各種地在機櫃內部自己分別接地，匯於一點，然後用較粗的導體（銅）將各匯地點朕起來，接到一個公共的接地體上。 這裏有幾點需要注意： 控制系統本身是由多台設備組成的，除了控制站以外，還包括很多外設，而且數量也不止一台，這就涉及到了多台設備，多種接地的問題。 4.2.1保護接地：所有的弱電設備均有一個保護地，該保護一般在機櫃和其他設備設計加工時就已在內部接好，有的系統中已將該保護地在內部同電源進線的保護地（三芯插頭的中間頭）連在一起，有的不允許將保護地同該線相連，用戶一定要仔細閱讀廠家提供的接地安裝說明書，不管哪種方式，機櫃地必須將一台設備（控制站、操作員站等）上所有的外設或系統的機櫃地連在一起，然後用較粗的絕緣銅導線將各站的機櫃地連在一起，最後從一點上與大地接地系統相連。還有一點值得提醒的是，一個系統的所有外設必須從一條供電線上供電，而且一台設備（如操作員站位元所連接的所有外設和主機系統（CRT、印表機、拷貝機主機系統）的電源必須從設備的供電分配器上取電，而不允許從其他地方取電，否則可能會燒壞介面甚至設備，對於不得不用長線連接的場合，應用較粗導線提供為其供電，或採取通信隔離措施。各站的機櫃地在連接時可以採用幅射連接法，也可以採用串列接法。 4.2.2電源邏輯地（P）;首先，各站內的邏輯地必須位於一點PG，然後，粗絕緣導線以輻射狀接到一點上，然後接到大地接地線上。在有些系統中，所有的輸入，輸出均是隔離的，這樣其內部邏輯地就是一個獨立的單元，與其他部分沒有電器連接，這種系統中往往不需要PG接地，而是保持內部浮空。所以，用戶在設計和施工接地系統時，一定要仔細閱讀產品的技術要求和接地要求。 4.2.3模擬地（AG）；是所有的接地中要求最高的一種。幾乎所有的系統都提出AG一點接地，而且接地電阻小於1歐。 微電子裝置設計和製造中，在機櫃內部都安置了AG匯流排或其他設施。用戶在接線時將遮罩線分別接到AG匯流排上，在機櫃底部，用絕緣的銅辮連到一點，然後將各機櫃的匯流點再用絕緣的銅辮或銅條以輻射狀連到接地點。 4.2.4信號地；原則上不允許各變送器和其他的感測器在現場端接地，而都應將其負端在電腦端子處一點接地。但在有些場合，現場端必須接地，這時，必須注意原信號的輸入端子（上雙端）絕對不許和電腦的接地線有任何電氣連接，而電腦在處理這類信號時，必須在前端採用有效的隔離措施。 4.2.5安全柵的接地：安全柵線路有三個接地點：B，E，D，通常B和E兩點都在電腦這一側。可以連在一起，形成一點接地。而D點是變送器外殼在現場的接地，若現場和控制室兩接地點間有電位差存在，那麼， D點和E點的電位就不同了。假設我們以E作為參考點，假定是D點出現10V的電勢，此時，A點和E點的電位仍為24V，那麼A和D間就可能有34V的電位差了，己超過安全極限電位差，但齊納管不會被擊穿，因為A和E間的電位差沒變，因而起不到保護作用。這時如果不小心現場的信號線碰到外殼上，就可能引起火花，可能會點燃周圍的可燃性氣體，這樣的系統也就不具備本安性能了。所以，在涉及到安全柵的接地系統設計與實施時，一定要保證D點和B（E）點的電位近似相等。在具體實踐中可以用以下方法解決此問題：用一根較粗的導線將D點與B點連接起來，來保證D點與B點的電位比較接近。另一種就是利用統一的接地網，將它們分別接到接地網上，這樣，如果接地網的本身電阻很少，再採用較好的連接方法，也能保證D點和B點的電位近似相等。但注意，此接地一定不要與上面幾種接地發生衝突。 以上討論了幾種接地的方法和注意事項。在不同的系統中，對這幾種接地的要求不同，但大多數系統對AG的接地電阻一般要求1歐姆以下，而安全柵的接地電阻應＜4歐姆，最好<1歐姆，PG和CG的接地電阻應小於4歐姆。 資訊來源： 作者： 周志敏
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