航天发射场接地系统模式分析

钱红艳， 李龙刚， 李志鹏

（北京市特种工程设计研究院， 北京 100028）

1 引言

航天发射场（简称发射场）接地系统主要指发射场各地面设施的接地系统。 地面设施指火箭、航天器（卫星、飞船、空间站等）测试、装配技术厂房、相关燃料库房、火箭发射用的发射塔架及火箭加注、发射指挥及其附属用房，主要用于火箭、航天器及航天员系统等测试、发射控制设备在发射场进行相关测试、发射的工作场所。

中国发射场始建于20 世纪中期，当时没有专门的接地技术规范指导，地面设施内火箭、航天器等设备内部结构及工艺相对复杂，依据苏联经验，各类工艺信号接地系统必须设置独立接地系统，接地电阻不大于1 Ω；各工艺信号独立接地装置距离其他接地系统的接地装置不应少于20 m；发射场一个地面设施往往有多处独立接地装置，占地面积较大。 随着发射场规模的不断扩大，各独立接地装置日常维护也较为繁琐。

随着国内外相关技术发展，发射场火箭、航天器测试、发射等用电设备中，电子信息设备和集成电路、数据传输等元器件应用越来越多，在测试或运行过程中信号不正常或异常断电等故障几率也相应增加，故障分析往往归结于其接地系统的干扰信号窜到测试设备的信号接地线路上，影响正常测试。 这些故障复现、排查比较困难，如某次发射任务，某控制系统信号灯异常点亮的故障归结为控制单元集成电路受到接地系统信号干扰所造成，但是该故障一直无法复现，影响发射任务进程。 建立一个既满足中国航天发射场火箭、航天器、航天员测试等各类工艺用电设备接地需求，又满足国家现行规范的接地系统模式势在必行。

本文在多年来发射场接地技术等相关课题研究、工程设计、任务技术保障及故障分析等工作的基础上，结合国内外接地技术的发展线路和对火箭、航天器、航天员系统用电设备的相关调研，对中国航天发射场各类接地系统，特别是对各类工艺信号接地进行梳理分析，确定适合航天发射场的接地系统模式。

2 接地系统

2.1 接地基本概念及功能

地球是一个导体，为避免用电设备与大地之间产生电位差进行电气连接，消除因电位差产生的电气灾害，从而保证人员或用电设备安全。 接地最初是工程领域的专业术语，是指电力系统设备或建筑物中的电气装置、设备的导电部分，经接地线接至接地装置，实现与大地（地球）保持良好的电连接［1］。 国际电工标准委员会标准（Interna⁃tional Electro Technical Commission， ICE） 采 用earthing 这个英文单词。 地球具有非常大的电容量，无论向其注入多大电流或电荷，在稳态时其电位都为零，因此，地球是一个理想的零电位面（体），本文称此类接地为工程接地。 随着电子信息技术的发展，接地的定义发生了延展，在电子、计算机类设备领域内出现了ground 这个英文单词，中文也是接地的含义，但英文的含义与earth不完全一样。 这里主要指一些电子、集成电路类用电设备内的电路或系统的连接到参考导体上，作为电路中各信号电平零电位参考点。 这个电位参考点不一定是实际的大地（地球），可以是设备的外壳或其他金属导体，本文称此类接地为设备信号接地。

工程接地主要作用是建立与大地相连的低阻抗通路，作为供电系统电源中性点，雷击电流、静电放电电流、供电系统接地故障电流或用电设备的漏电电流从接地通路直接流入大地，不影响设备或系统的正常运行及人员安全。 设备信号接地的目的主要是设备或系统的各部分都连接到一个公共点或等位面，以便有一个公共的参考电位，消除各电路之间可能存在的干扰电压，同时也为各电路提供一个返回信号通路，提高电磁兼容的性能。 不管是工程接地还是设备信号接地，按照功能可以分成两类：一类是保障设备运行或人员安全的，称为安全保护性接地；另一类是设备电流信号正常回路的一部分，称为功能性接地。

2.2 发射场接地系统

2.2.1 接地系统分类接地系统根据用途通常可以分为以下4类［2］：第1 类是电力系统变配电设备为运行需要设置的接地，称为供配电系统工作接地系统，如电力变压器、柴油发电机等设备的中性点接地；第2类是用电设备保护接地，变配电装置和用电设备的金属外壳等由于绝缘损坏可能带电，为防止其危及人身和设备的安全而设置的接地系统；第3类是防雷接地，指建筑物屋顶防雷接闪器、防雷引下线及接地装置构成通路，使雷击电流沿指定通路快速导入大地，从而保护建筑物不受雷击危害；第4 类是防静电接地，指防止静电电荷在易燃、易爆等设施或场所带来的危险而设置的接地，成为防静电接地系统。

2.2.2 发射场接地系统分类

发射场接地系统除了供配电系统工作接地、用电设备保护接地、防雷接地、防静电接地等常规4 类接地系统外，还包括2 类发射场特有的接地系统：工艺信号接地和发射场系统信号接地。 工艺信号接地指是火箭、航天器（卫星、飞船、空间站等）、航天员系统用电设备的工作（系统）接地。其中，火箭信号接地又可细分为控制、动力、测量及遥测信号4 类信号接地（接地系统需要分开设置）。 发射场系统信号接地是指火箭发射指挥、监控系统、火箭和航天器燃料加注系统、供气系统、气象系统、特燃特气保障系统、技术勤务系统和测控通信系统等用电设备的工作接地。 发射场共计6 大类接地系统，也可以细分为10 类接地系统，如图1 所示。

按照接地系统功能划分，发射场电气设备保护接地、防静电接地及防雷接地属于安全保护性接地；供配电系统工作接地、各工艺信号接地和发射场系统信号接地属于功能性接地。

3 发射场接地系统分析

3.1 常规接地系统模式及分析

接地系统一般由设备接地端子、接地线和接地装置组成。 接地装置是指埋入地中并直接与大地接触的金属导体，建筑物基础内直接与大地接触的钢筋或其他金属构件也可以作为接地装置的一部分。 接地线指电气装置、设备的接地端子与接地装置连接的金属导体，可以是绝缘导体，也可以是裸金属导体。

随着计算机、电子设备供配电技术和电磁干扰技术的不断发展，中国工程建设中建筑物通常采用各类接地系统共用接地装置这种接地模式，如图2 所示。 各类接地系统共用接地装置接地是指一个建筑物的供配电系统工作接地、电气设备保护接地、防雷接地和防静电接地等系统与同一个接地装置连接来实现各系统接地。 这种接地模式原理是把共用接地装置作为一个以大地作为参考的等电位面，各类接地系统都以此等电位面为参考点。 共用接地装置的优势是根据电流特性原理，各接地系统的杂散电流应沿着低电位方向流动至大地（共用接地装置），接地线路上产生的干扰信号电流一般会沿相连接的导体流向大地，从而有效减少用电设备或系统之间杂散电流的相互干扰，这也是国内建筑工程最常用的一种接地模式。

图2 常规接地系统模式Fig.2 Conventional earthing system mode

3.2 发射场工艺信号接地模式及分析

3.2.1 工艺信号独立接地模式存在问题

发射场建设初期工艺信号接地系统独立接地模式在工程采用措施可以达到绝缘要求，正常情况下受到雷电或其他设备的电磁干扰时，不会产生干扰，但是独立接地装置运行多年后，随着土壤的腐蚀变化，接地装置的绝缘阻值随着时间增长慢慢下降，甚至失效，独立接地装置之间存在一定电位差，当受到雷击或其他设备的电磁干扰时，会产生电压及杂散电流，从而影响火箭、航天器等用电设备正常运行。

随着发射场建设规模的不断扩大，新建的地面设施的体量和占地面积不断增加，现有地面设施也会根据需求进行扩建，各类工艺信号独立接地装置的技术要求在实际工程建设中越来越难以实现，特别是地面设施在进行改扩建时，受到土建环境、施工工艺制约，很难实现甚至无法实现。

20 世纪后期，中国接地技术进一步发展，相关规范的不断完善，独立接地装置已经被共用接地装置的理念替代，GB50057－2010《建筑物防雷设计规范》、GB51204－2016《建筑电气工程电磁兼容技术规范》等相关规范规定或推荐建筑物各接地系统采用共用接地装置。 发射场的地面设施在改造或新建过程中逐步采用各类接地系统共用一个接地装置，并实施等电位联结的接地模式，但是发射场各工艺信号独立接地要求与规范规定存在一定的矛盾，给工程实际设计实施及系统运行造成了一定困难。

3.2.2 工艺信号共用接地装置可行性分析

发射场建设初期，场区220 V／380 V 低压供电系统的接地形式是TN⁃C 系统［3］220 V／380 V，俗称接零系统，如图3 所示。 即N 线（电源中性点接地线）与PE 线（用电设备外漏导电部分接地保护线）共用，称为PEN 线，PEN 线上存在三相不平衡电流，这也是发射场的工艺信号接地采用独立接地装置的一个原因。

图3 TN⁃C 系统接地示意图Fig.3 Earthing mode of TN⁃C system

随着供电系统技术发展，中国220 V／380 V低压供电系统的接地形式改为TN⁃S 系统，在全系统内N 线与PE 线分开，如图4 所示。

图4 TN⁃S 系统接地示意图Fig.4 Earthing mode of TN⁃S system

在TN⁃S 系统内，220 V／380 V 电气设备的金属外壳增加了专用接地端子（线），避免了电气设备绝缘破坏，导致外壳带电，危害人员，进一步提高了人员安全性。 电气设备基本都在建筑物内是通过低压供电系统的PE 线来实现电气设备的金属外壳接地，即用电设备接地保护系统。 发射场220 V／380 V 电气设备包括工艺设备都设有接地端子（线），通过低压供电系统的PE 线实现接地。电设备接地系统采用共用接地模式，如果发射场工艺设备内部的工艺信号接地与外壳保护接地是连通的，工艺信号接地系统采用独立接地模式，则2 个接地装置之间的电位不同，顺着各自接地线就可能导致工艺设备内部产生一个电压，可能会给设备运行带来一定的影响。

近年来中国火箭、航天器等工艺用电设备在通用性和标准化方面有了很大发展，近80%用电设备通过插座或电源接口连接端子供电，同时通过供电系统的PE 线（接地线）实现接地相关功能，不再需要专用的信号接地线，这部分工艺设备应该可以采用共用接地系统模式。但还有近20%用电设备控制精度要求较高，电磁兼容性相对较弱，对信号接地干净程度要求相对较高，供电系统的PE 线没有直接连接，需要单独信号接地。 这类用电设备内部结构复杂，存在大量的模拟电路、数字电路、功率电路等，其中一些对干扰较为敏感的电路接地模式已经进行了进一步的优化，内部信号接地如图5 所示。

图5 电子集成设备接地模式示意图Fig.5 Earthing mode of integrated electronic equipment

这类工艺设备［4］内部将模拟电路、数字电路、功率电路采用单点接地和多点接地结合起来构成混合接地方式，且共用一个参考地，为各类型电路分别提供一个信号返回通路。 同时，还需要与金属外壳连接，形成了一个局部等电位联结。按照法拉第笼的原理，在设备参考地和设备金属外壳上形成了一个笼子，就对其他设备或系统带来的电磁干扰起到了有效的隔绝。 这类设备信号接地相当于把这个局部等电位面（或导体）与大地采用导体连通，进一步降低外来的信号干扰，根据电流特性，这类信号接地也应该采用共用接地模式，但是与共用接地装置连接方式需要进一步分析。

3.2.3 工艺信号接地模式现场测试数据分析

通过图纸资料复查、现场实地测试等技术方法，对中国酒泉、西昌、文昌及太原4 个发射中心地面设施接地系统现有状况进行梳理和数据分析。 酒泉、西昌、文昌发射中心改造或新建的地面设施的各类信号接地已经全部采用共用接地装置，目前运行良好。 太原发射中心的少数技术厂房和发射工位工艺信号接地一直采用独立接地装置，已经运行十年以上，期间没有进行必要的维护。 针对这一情况，进行现场测试，特别是对工艺信号独立接地装置和其他系统共用接地装置的绝缘性能，测试结果见表1。

表1 工艺独立接地装置与共用接地装置绝缘电阻测量表Table 1 Insulation resistance between common earthing and functional equipment earthing

结果表明，太原发射中心工艺信号独立接地装置与其他系统共用接地装置之间绝缘电阻值远小于1 MΩ，绝缘电阻最大3.5 Ω，实际上是连通状态，多年来并没有影响火箭、航天器及发射场系统设备的正常运行，进一步证明了发射场工艺信号接地与其他系统共用接地装置不会影响其正常运行。

3.2.4 发射场系统信号接地共用接地模式分析

经过调研，近年来火箭发射指挥、监控系统、火箭、航天器燃料加注系统、供气系统、气象系统、特燃特气保障系统、技术勤务系统和测控通信系统等用电设备发射场系统设备基本采用计算机、电子元器件高度集成的设备，都是通过插座或电源接口连接端子供电，并且通过供电系统的PE 线（接地线）实现接地功能，不再需要专用的信号接地线，应该可以采用共用接地系统模式。

4 发射场接地系统模式确定

4.1 常规接地系统与共用接地装置连接模式

发射场供配电系统工作接地、用电设备保护接地、防雷接地、防静电接地这4 类常规接地系统与共用接地装置连接模式在GB 50343－2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》［5］和GB51204－2016《建筑电气工程电磁兼容技术规范》［6］等规范有明确规定。 根据规范规定，防雷接地采用裸导体与共用接地装置连通。 防雷接地引下线采用热镀锌钢材或土建结构的钢筋，线路结构复杂，阻抗相对较大，产生杂散电流几率高，雷击时相关接地线路上产生雷电感应电流也较大。 防静电接地线路也是采用裸导体与共用接地装置连通，与地面设施土建结构内钢筋相通，产生信号干扰的几率也较大。 电气设备保护接地（PE 线）和供电系统中性点接地在低压配电柜处相连后采用绝缘导线与共用接地装置连接，当系统电压波动或系统发生故障时，在会在PE 线上耦合产生杂散电流。

4.2 工艺信号接地与共用接地装置连接模式

发射场航天器、火箭测试设备等工艺设备基本属于电子、计算机类设备，对电压波动、电流冲击较为敏感。 由4.1 节可知，发射场地面设施各系统接地线路复杂，接地系统接地线路上都会或多或少地产生杂散电流，如果将工艺信号接地的接地线路与其他接地系统线路相通，会增加被杂散电流干扰的可能性。 为避免接地线路上的信号干扰，地面设施内的工艺信号接地系统应采用目前建筑物内计算机、数据传输系统等工作接地一样的连接模式，用绝缘导体与共用接地装置连接。

工艺信号接地系统接地线路应采用导电性能好的绝缘导体沿最短路径与共用接地装置可靠连接，在接地线路上与其他系统接地线绝缘，把杂散电流或耦合等信号降低到最小，避免影响设备或系统正常运行。 原航天部标准的QJ.1211－87《航天系统地面设施接地要求》［7］及GB／T 29084－2012 《航天器接地要求》［8］等规范中火箭及航天器等设备也要求通过单独的接地线与地面设施的共用接地装置连接。

4.3 发射场接地系统模式确定

经过对发射场各类接地系统接地装置及连接模式分析，确定发射场地面设施接地系统模式为共用接地装置绝缘接线模式，其中绝缘接线模式特指发射场各类工艺信号接地系统和发射场接地系统的接地模式，如图6 所示。

图6 共用接地装置绝缘接线模式示意图Fig.6 Common earthing device insulation wiring mode

5 结论

航天发射场地面设施接地系统采用共用接地装置绝缘接线模式，最突出的优点是使地面设施内各类接地系统的干扰信号沿本系统接地线直接引入大地，减少对其他系统的信号干扰，特别是各类工艺信号接地和发射场接地系统的接地线采用绝缘接线方式与共用接地装置连接，最大限度降低了其他接地系统的信号干扰，使各类工艺信号接地系统和发射场接地系统获得较为干净的接地。 共用接地装置绝缘接线模式从根本上消除了发射场工艺信号接地系统独立接地装置做法的电位差，实现了等电位，也进一步降低了各类接地系统的相互干扰。

近年来，中国各发射场改造或新建项目的接地系统都采用共用接地装置绝缘接线模式，这种接地模式经历了约百余次工艺测试及发射任务，期间火箭、航天器等工艺用电设备与接地相关的故障明显减少甚至消失，有效保障了发射场工艺设备正常运行和发射任务的顺利完成，进一步提高了中国航天发射场接地系统的技术水平，为类似场所接地系统的设计实施提供了依据。