电子信息系统机房等电位联结与接地的探讨

2015-03-22石健

现代建筑电气 2015年1期

关键词：工作频率导体机房

石健

(北京市避雷装置安全检测中心, 北京 100089)

电子信息系统机房等电位联结与接地的探讨

石健

(北京市避雷装置安全检测中心, 北京 100089)

依据GB 50343—2012、GB 50057—2010等国家标准,探讨了实际防雷检测中电子信息系统机房的等电位联结和接地。主要从电子信息系统机房等电位联结的型式、适用范围、连接方式、连接导体长度、接地电阻值及接地方式方面进行了论述,以期为电子信息系统机房的防雷设计和防雷检测提供借鉴。

等电位联结; 接地; 电子信息系统机房; 防雷

0 引言

雷击严重影响和破坏电子信息系统机房内设备的正常工作。一旦这些设备的误动作和损坏,将造成不同程度的人身伤害和财产损失。因此,电子信息系统机房采取等电位联结和接地措施,对机房内人身安全、配电系统安全、电子设备安全起了很大的作用。所以,等电位联结和接地是防雷保护中不可缺少的重要技术措施。

电子信息系统机房主要指为电子信息设备提供运行环境的场所,可以是一幢建筑物或建筑物的一部分,包括主机房、辅助区、支持区和行政管理区。

等电位联结是指直接用连接导体或通过电涌保护器(Surge Protective Device,SPD)将分离的金属部件、外来导电物、电力线路、通信线路及其他电缆连接起来,以减小雷电流在它们之间产生的电位差。

接地原指与真正的大地连接以提供雷击放电的通路,后来成为为用电设备提供剩余电流保护的技术措施。但接地现在已延伸为为了使电路、设备或系统与零电位参考点或零电位参考面之间建立低阻抗通路,而将电路、设备或系统连接到一个作为参考电位点或参考电位面的良导体的技术行为。

1 等电位联结

1.1 等电位联结的分类

电子信息系统机房内的等电位联结可以分为直接等电位联结和间接等电位联结。直接等电位联结应根据电子信息设备易受干扰的频率及电子信息系统机房的等级和规模,确定等电位联结方式,可采用S型星形结构、M型网形结构或SM混合型结构。间接等电位联结采用SPD进行联结。SPD是在不能进行直接等电位联结时一个瞬时起等电位联结作用的器件。

1.2 S型星形结构

S型星形结构如图1所示。

在S型等电位联结电子信息系统机房内,ERP为各种电路的电位基准,所有信号都是以该点作为零电位参考点。在S型等电位联结中,电子信息设备与ERP之间具有较长的等电位联结导体。由于每条等电位联结导体均有阻抗,当流过等电位联结导体中的电流频率足够高时,其波长就会与等电位联结导体的长度可比。如果等电位联结导体长度达到1/4电流波长的奇数倍时,将产生谐振,即

图1 S型星形结构

l=cn/4f

式中:l——导体产生谐振的长度,m;

n——任一奇数值;

c——自由空间的光速,3×108m/s;

f——使导体产生谐振的频率,Hz。

此时,等电位联结导体的阻抗趋于无穷大,相当于开路。同一波长时不同等电位联结导体长度与其阻抗的关系如图2所示。

图2 同一波长时不同等电位联结导体长度

所以,S型等电位联结适用于面积较小的电子信息系统机房及工作频率300 kHz以下的模拟线路的电子信息系统机房。

采用S型等电位联结时,为防止幅度和功率较大的大信号电路中较大工作电流对电子信息机房内小信号电路造成干扰,电子信息系统机房内的所有金属组件,例如箱体、壳体、机架,除等电位联结点外,应与接地系统的各组件绝缘。

采用S型等电位联结时,为防止与引至电子信息系统机房的其他导体构成较大的环路,当空间产生大的瞬变电磁场时,大的近磁场强度将在该环路感应出高电压,危及设备安全。所有设施管线和电缆宜从ERP处附近进入该电子信息系统,设备之间所有线路和电缆无屏蔽时,宜与成星形联结的等电位联结导体平行敷设。

电子信息系统机房S型等电位联结的接地基准点通过隔离绝缘线引自建筑物总等电位联结带时,在正常情况下减少了共用接地系统中的杂散电流对电子信息设备的干扰。但是,由于隔离绝缘线较长,使其长度远离加于导体的电气干扰频率的1/4奇数倍,而不产生谐振是很难实现的。而且,隔离绝缘线与引至电子信息系统的其他导体构成较大环路,当空间产生大的瞬变电磁场时,大的近磁场强度会在该环路中感应出高电压。所以,电子信息系统机房S型等电位联结不应采取接地基准点引自建筑物总等电位联结带的联结方式,而应采取就近引自楼层或机房内部的局部等电位端子或机房的结构钢筋,使其直接连入建筑物的共用接地系统。共用接地系统中有许多的并联金属体,但它们的长度不一样,不会同时产生谐振。当空间产生大的瞬变电磁场时,这些并联金属体就成为许多条并联泄放路径,减小了寄生电感,从而降低了感应电压。

1.3 M型网形结构

M型网形结构如图3所示。

图3 M型网形结构

在M型等电位联结的电子信息系统机房内,等电位联结网格为各种电路的电位基准,所有信号都是以该面作为零电位参考面。M型等电位联结适用于面积较大的且工作频率为兆赫兹级的数字线路电子信息系统机房,减小了寄生电感,从而减小了暂态感应过电压。系统的各金属组件不应与接地系统各组件绝缘,应通过多点联结组合到等电位联结网络中去,并缩短等电位联结导体的长度。

由图2可知,电子信息系统机房内设备的等电位联结导体的长度最好为l≤λ/20。由于数字线路工作频率很高,l值会很小,故很难实施。所以,M型等电位联结的电子信息系统机房内每台设备从等电位网格引两根等电位联结导体,接于设备的对角处,其长度宜按相差20%考虑,当其中一根产生谐振时,另一根不会产生。每台设备的等电位联结导体的长度不宜大于0.5 m。

1.4 SM混合型结构

由于S型等电位联结的接地线较长,当其长度达到λ/4奇数倍时,相当于开路。M型等电位联结的电子信息系统机房内部可能会产生很多地线回路。大信号电路可以通过地线回路电流影响小信号电流,造成干扰。此时,可采用SM混合型结构,对于工作频率在1 MHz级以上的高频电路,采用M型等电位联结;对于工作频率在300 kHz以下的低频电路,采用S型等电位联结。

当电子信息系统机房内设备的工作频率在300 kHz与MHz之间时,如果其实际等电位联结导体不超过λ/20且面积较小时,可采用S型等电位联结,反之可采用M型等电位联结。

对于实际工程,当很难精确确定电子信息系统机房内设备的工作频率时,频率为兆赫兹级以下的电子系统,采用S型星形等电位联结结构;频率为兆赫兹级以上的电子系统,采用M型网格形等电位联结结构。

2 接地

电子信息系统机房的接地可以与大地保持绝缘,即浮地。浮地的抗干扰能力强,但易产生静电积累,尤其当雷电感应较强时,绝缘将被击穿,造成电子电路的损坏。电子信息系统机房的接地与大地相连,主要是:① 泄放雷电流及静电电荷;② 提高设备的工作稳定性。接地能够给高频干扰信号提供低阻抗的通路,并使屏蔽措施发挥良好的效能。所以从防雷角度考虑,电子信息系统机房的接地应与大地相联结。

接地体应表示为复数阻抗Z=R+jX,接地线的感抗XL=2πfL。对于一根25 mm2铜导体,在1 MHz条件下,当长度为3 m时,Rf=0.05 Ω,XL=26 Ω;当长度为6.1 m时,Rf=0.1 Ω,XL=57 Ω。对于电子信息系统机房内的设备,因为其绝大多数为数字化,工作频率为数十至数百赫兹。接地装置在高频电流下,电抗值远大于其电阻值,此时要求很低的直流至工频的接地电阻无意义。所以,当采用共用接地装置时,应满足不大于按人身安全所确定的接地电阻值。但从建筑物电子信息系统防雷的角度考虑,电子信息设备的种类多且用途不同,对接地装置的电阻值的要求也不相同。因此,为确保人身安全和电气、电子设备的正常工作,电子信息设备的共用接地装置的接地电阻值必须按接入设备中要求的最小值确定。

当电子信息系统机房所在建筑物可能遭受直接雷击时,建筑物应按防雷类别装设防雷装置,机房应采用共用接地装置。因为采用独立接地方式,其独立接地体与建筑物接地体之间将存在阻抗。当有电流经过该阻抗时,将会产生共模电压。当电流为雷击电流时,在电子系统与周围建筑物接地系统之间将产生跳击,从而损害设备。

当电子信息系统机房所在建筑物不可能遭受直接雷击时,可不采取防直击雷措施。但当机房内电气设备产生的电磁干扰影响电子信息设备正常工作时,电子信息设备应设独立接地装置(相对与电气系统的保护接地),其接地电阻值应按接入设备中要求的最小值确定。

3 结语

电子信息系统机房防雷是系统工程,等电位联结和接地是两个必不可少的部分。在进行机房内等电位联结设计和检测时,还应根据机房的实际情况,综合考虑各种因素,做好电子信息系统机房的防雷工作。

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Discussion on Equipotential Bonding and Grounding in Electronic Information System Room

SHI Jian

(Beijing Lightning Devices Security Test Center, Beijing 100089, China)

On the basis of GB 50343—2012,GB 50057—2010 and other existing national standards,this paper discussed the equipotential bonding and grounding of electronic information system room in the actual lightning detection.The main types of connected,applicable scope,length of connection conductor,grounding resistance value and grounding methods of electronic information system room were discussed.It can provide

for the lightning protection design and the lightning detection of similar electronic information system room.

equipotential bonding; grounding; electronic information system room; lightning protection