关于信息系统共用接地和独立接地的探讨

2012-09-29王禄静李龙玲

中低纬山地气象 2012年0期

王禄静，李龙玲，金超，许毅

(贵州省清镇市气象局，贵州清镇 551400)

1 引言

接地是指电气系统的某些节点或电气设施的某些导电部分与地(包括大地，或范围比较广泛，能用来代替大地的等效导体)之间的电气连接［1］。接地按照不同用途可以分为工作接地、保护接地、防静电及电磁干扰接地。此外一个现代化的智能大厦里面安装有电子信息设备时，强大的雷电波或者雷击电磁脉冲可能会进入到设备造成损坏。因此防雷是必须的，而防雷必有防雷接地。对于以上的接地在工程中如何处理他们的关系，不同的标准有不同的答案，不同的人在处理工程时有自己独到的看法。

信息系统的接地是很多的，在内部的电板上有数字地、模拟地，还可能有用于通信的信号地，这些“地”都是为低电平信号提供基准点，要求浮动不要太大，这些地有的与机壳连在一起，有的没有在一起，还有的设置了独立接地。一直以来有不同的做法，即使共用接地也有好多做法，有S型的接地还有M型的接地。但是由于发电站自身的特点，特别是在发电站厂和变电站中，即使在正常运行中，地网也会有大的电流，这就出现了强电对弱电的干扰问题，如何通过接地系统来消除这些问题，这都是本文要讨论的。

2 信息系统接地的分类

在信息系统中，各种功能的接地有多种，按照信息系统的使用性质，一般电子设备系统主要分为功能性接地和安全性接地。安全接地是为设备和电路故障电流进入大地提供一个低阻抗通道;功能性接地是设备或电路为了稳定可靠地工作而需要建立一个参考电平，也称为工作接地。安全性接地可以划分为保护接地和防雷接地等。保护接地是指电子设备的金属机壳、底盘等与大地通过低阻抗通道相连，可以防止事故状态时设备外壳上出现过高的对地电压而危及操作人员等的安全。防雷接地是把可能受到雷击的物体和大地接通，以便提供泄放大电流的通路。功能性接地(工作接地)包括信号接地、电源接地等，信号接地是指设备内部的信号回路的接地，供电电源单独建立基准接地点称之为电源接地［2］。具体如图1:

图1 信息系统的接地图

3 信息系统独立接地系统的探索

3.1 独立接地的概念

所谓独立接地就是系统各自进行接地施工的方式。理想的独立接地应该如图1所示的那样，如果有两个独立接地系统的接地极，其中一个电极中不论怎样流过电流，对另一个接地电极不应该发生电位上升的情况，如图2。

图2 独立接地的电位分布图

从理论上讲，如果两个电极之间的距离不是无限远的话，不能说它们是完全独立的。当然，在工程中只要把电位上升限制在一定范围内，就可以看成是相互独立的。此时接地极之间的距离，由以下三个因素决定:流入接地极的电流波形与其最大值;电位上升的容许值;接地点土壤的电阻率。

对于要求设置独立接地的系统一般为信息系统，对于电源系统的接地就是配电房的中性点和PE排接地。它们一般从总电位排引上接地干线上或大楼的主筋上，因此大楼电源的接地是在共用接地网络上的。

3.2 信息系统独立接地的原因

独立接地的系统，其目的就是让信息系统获得一个“干净”的地。因为信息系统是比较脆弱的，例如计算机设备内部电路的工作电压为5～12V，这些工作地要有一个基准点，这个基准点接到共用接地系统时候，共用接地系统中有一些大的杂散电流的影响，从而导致地电位的不稳定，使计算机设备不能正常工作。所以信息系统的接地成为了一个好的选择，以此来让信息系统得到一个独立的接地。

3.3 独立接地的电气模型

当避雷针(带)接闪雷电流时，防雷引下线、建筑物地面、构架、接地装置都将会有很高的电位，可能会与配电设备及信息设备发生反击而将其损坏。即使设备距引下线较远，两者不会发生击穿，但也不能说是安全的。当建筑物顶部避雷针(带)接闪时，设备所在处的地面电位为:

式中:I——雷电流幅值，单位kA;

R1——接地装置冲击电阻，单位Ω;

L0——引下线单位长度电感，单位 μH/m，可取15μH/m;

hx——设备距防雷接地装置的高度，单位m;

di/dt——雷电流变化率，单位 kA/μs。

从上面的式子可以看出独立接地设备和共用接地系统的电位差由两个部分组成，一部分是基础接地装置的电压UR，一部分是大楼引下线上的电压UL，设备离地越高，设备处的地面电压越高。而且独立接地和共用接地的电位差很多，极易发生损坏。由于设备的信号地是与建筑物20 m以外的大地相连的，其电位比防雷接地装置电位低很多，比设备所在地面电位更低，因此信号地与金属外壳之间的电位差是很大的，足以使设备内部的部件与金属外壳击穿而损坏。

3.4 独立接地的改进方法

为了防止两个接地系统之间发生反击，采用的办法是在两个接地系统之间加装避雷器，当两个接地系统之间产生过电压时，避雷器动作，从而起到均压的作用，达到保护的目的。但是避雷器是有残压的，其有一定的响应时间，在它动作之前肯定有一部分的雷电波耦合到设备上，从而对设备造成损坏。因此对独立接地的改进也有一定的缺陷。

3.5 独立接地的防雷引出线的干扰问题

独立接地需要有单独的接地引出线，引出线一般都是绝缘导线穿金属管，由于它的引出线一般有很长的距离，很难避开随机产生的各种信号的干扰。在某一信号的干扰下，引出线可能不能作为防雷引出线，达到防雷的作用，相反会成为发射干扰信号的发射线，作为接地的作用大大减少，而作为干扰源，影响其他设备的正常运行。

4 共用接地系统的探索

4.1 共用接地系统的概念

共用接地系统是指所有的接地都接在一个接地体上，而现在所说的接地就是指所有的接地就近的接在法拉第笼的柱筋上。因为法拉第笼在防雷中，是一个始终保持电气联通的系统，使建筑物形成了一个均压的建筑物。

然而共用接地系统就是最大限度的使用了法拉第笼，在共用接地系统中，有两种不同的做法，第一种就是从楼层预留出等电位连接端子(从主钢筋引出的预埋等电位连接板)，然后将有关接地连接到等电位连接端子。第二种是从基础内引出一个自上而下的接地干线，然后将有关接地接到这个干线上。无论怎么连接，它们都是用的基础的接地装置，属于共用接地系统。

4.2 对于共用接地的安全分析

在独立接地系统中，我们在前面说过独立的接地系统会有高的电位差，从而对设备造成伤害，但是在共用接地中就不会有这样的问题，因为大楼是一个“法拉第”楼，处处等电位连接，当大楼由于雷击而电位抬高时，大楼处处电位升高，不会发生反击。如:当380/220 V系统发生相线碰设备外壳的接地故障时，势必在接了地的电气装置外露可导电部分与其他独立接地的金属体之间存在很高的危险电压。如采用共用接地，可减少电击事故的发生。并且共用接地系统的一个很显著的特点就是它的接地电阻非常小，有的甚至达到0.1Ω，这是独立接地系统不能比的，能够迅速的泄放掉大的电流，抑制电压的升高。

4.3 共用接地系统的连接方式

信息系统应该设计好合理的接地系统，以保持等电位连接。合理的等电位连接可以降低干扰，提高电磁兼容的能力。信息系统的金属部件如箱体、外壳、机架等与建筑物的共用接地系统的等电位连接有2种方式，即两种基本等电位连接网络中的一种:S型和M型。当采用S型连接网络的时候，信息系统的所有金属部件，除在连接点外，应与共用接地系统部件有足够的绝缘。通常，S型连接网络用于相对较小、局部封闭的信息系统，所有的设施及电缆仅在一点进入系统。

S型连接网络(图3)应该仅以一点(接地基准点ERP)连接方式并入共用接地系统，从而构成Ss型等电位连接网络。在此情况下，为了避免构成感应回路，各设备间的所有连接线路及电缆应与按星型布置的各条等电位连接线平行布线。由于是单点连接因而没有与雷电相关的低频信号进入信息系统中，此外，信息系统内部的低频干扰源也不能产生地电流。

图3 电子信息系统机房S型等电位连接示意图

当使用M型连接网络(图4)的时候，信息系统的金属部件不必与共用接地系统部件结缘。M型连接网络应以多点连接方式并入共用接地系统，从而构成M型等电位连接网络。通常，M型等电位连接网络用于相对广延的、开放的信息系统，在这种系统中各设备间连有许多线路及电缆，各种设备及电缆从多个点进入信息系统。

图4 电子信息系统机房M型等电位连接示意图

至此，获得一个对高频来说也为低阻抗的网络。而且，连接网络的多个短路环路对磁场也起到多个衰减环路的作用，从而对信息系统附近的原有磁场加以衰减。

在一个复杂的系统中，可以将两种类型的等电位连接网络组合在一起，将两种类型的组合优点结合在一起。

4.4 完善系统等电位联结

接闪装置在接闪雷电时，引下线立即产生高电位，会对防雷系统周围尚处于地电位的导体也产生较高的电位差，如发生雷电流反击也会对人员设备构成危害。必须采用均压措施，将处于地电位的导体等电位连接起来，一直到接地装置。室内的金属设施、电气装置和电子设备，如果其与防雷系统的导体达不到所需的安全距离时，应将它们用较粗的导线与防雷系统进行等电位联结。这样在雷电流通过时，室内所有设施立即形成一个局部等电位环境，保证导电部件之间不产生有害的电位差。以图5为例，建筑层高为地上29层，地下1层，地下1层设有变配电室、水泵房和车库等。顶层为设备层，设有变配电所、空调机房、排风机房和电梯机房等，并设有水箱及卫星天线和共用天线接收系统。从地下1层～29层，接地端子El及各种通信设施共同的总接地端子EZ。这两个接地端子除与接地干线Nl、N连接外，都通过等电位联结与各层的结构柱内主筋不少于2处相连。通过这种连接，各楼层已成为等电面。在地下1层，配电所各设接地端子，这种接地端子都接到接地连接箱AM1。顶层变压器、配电室及空调机房、排风机房和电梯机房等各接地端子，通过接地干线N3接到接地连接箱AM2上。水泵房内电气设备的接地端子同时接到接地连接箱AM2上，接地干线NZ则直接到连接箱AM3上。接闪器另设接地干线N4接到接地连接箱AM4上。基础钢筋全部相连，在地下形成等电位面，接地连接箱AM1～AM4就近以最短距离接到地下由钢筋网构成的等电位面上。由于各层的等电位面通过柱内主筋和接地干线相连，并与地下等电位面相连，因此形成了一个完整的法拉第笼和等电位网，确保了电气安全。

图5 建筑物完整的等电位连接图

5 应该采用共用接地系统

在国家标准《建筑物防雷设计规范》中采用共用接地系统，但是也为独立接地留有余地，如“对直流工作接地有特殊要求需单独设置接地装置的电子计算机系统，其接地电阻值及与其他接地装置之间的距离，应按计算机系统及有关规范的要求确定”，铁路部门还在用分地式，近年来也采用共地式。采用独立接地的一个重要原因就是怕引来电磁兼容的问题，是把设备的正常运行放在第一位。而我们的最高原则应该是任何设备的安全，分地式由于破坏等电位连接(采用SPD实现暂态均压仍不能很好的解决问题)，对人和设备造成极大的隐患，在雷击产生高点位时，设备和人的安全都不能保证，更不用说设备的安全运行了。

共用接地在电磁兼容问题实际上也是可以解决的问题，通过合理的电气设计，使PE线上没有大的电流，通过合理的地线设计等等可以解决电磁兼容的问题，解决这些问题实际上是举手之劳，而设置独立接地却要浪费很多的人力和物力，在经济上造成很大的损失。当我们按前面的方法设计共用接地系统时，不仅在常态下能够满足电磁兼容的要求，可靠地运行，而且当雷电等高电压来时也能保证人和设备的安全，是完美的设计方案，同时也是经济可行的［17］。