工艺技术_接地及其布线工艺的改进优化

接地及其布线工艺的改进优化摘要：防雷工程的一个重要的方面是接地以及引下线路的布线工程，整个工程的防雷效果甚至防雷器件是不是起作用都取决于此，所以应该认真的系统的研究。 关键词：接地 布线工艺 防雷工程 一 概述 防雷工程的一个重要的方面是接地以及引下线路的布线工程，整个工程的防雷效果甚至防雷器件是不是起作用都取决于此，所以应该认真的系统的研究。 电力、电子设备的接地，是保障设备安全、操作人员安全和设备正常运行的必要措施。可以认为，凡是与电网连接的所有仪器设备都应当接地；凡是电力需要到达的地方，就是接地工程需要作到的地方。由此可以我们知道，接地工程的广泛性和重要性。 一方面，随着时代的进步，强功能高价值设备的广泛使用，要求提供更加可靠的接地保护；另一方面，微电子技术的推广，使得现代设备要求更低的接地电阻，还往往需要抗干扰。实践要求有更加系统的接地理论来对工程实际进行指导。根据近年来的设计施工经验，认为： a、接地连接方式和接地参数并重； b、以减小或消除同系统中不同性质的接地（如防雷地、工作地、外壳接地、静电地、信号地等）之间的电位差为目的，选用适当的布线方式； c、根据地网所在地的接地电阻、土层分布等地质情况，尽量进行准确设计； 以下，本文对接地及其布线进行讨论。 二、目的和要求 （一）接地的分类和目的 接地的作用总的步说可以分为有两个：保护人员和设备不受损害叫保护接地；保障设备的正常运行的叫工作接地。这里的分类是指接地工程设计施工中考虑的各种要求，并不表示每种“地”都需要独立开来。相反，除了有地电信号抗干扰、设备本身专门要求等特殊原因之外，我们提倡尽量采用联合接地的方案。 1、保护接地 防雷接地是受到雷电袭击（直击、感应或线路引入）时，为防止造成损害的接地系统。常有信号（弱电）防雷地和电源（强电）防雷地之分，区分的原因不仅仅是因为要求接地电阻不同，而且在工程实践中信号防雷地常附在信号独立地上，和电源防雷地分开建设。 机壳安全接地是将系统中平时不带电的金属部分（机柜外壳，操作台外壳等)与地之间形成良好的导电连接，以保护设备和人身安全。原因是系统的供电是强电供电（380、220或11OV），通常情况下机壳等是不带电的，当故障发生（如主机电源故障或其它故障）造成电源的供电火线与外壳等导电金属部件短路时，这些金属部件或外壳就形成了带电体，如果没有很好的接地，那么这带电体和地之间就有很高的电位差，如果人不小心触到这些带电体，那么就会通过人身形成通路，产生危险。因此，必须将金属外壳和地之间作很好的连接，使机壳和地等电位。此外，保护接地还可以防止静电的积聚。 2、工作接地 工作接地是为了使系统以及与之相连的仪表均能可靠运行并保证测量和控制精度而设的接地。它分为机器逻辑地、信号回路接地、屏蔽接地，在石化和其它防爆系统中还有本安接地。 机器逻辑地，也叫主机电源地，是计算机内部的逻辑电平负端公共地，也是+5V等电源的输出地。 信号回路接地，如各变送器的负端接地，开关量信号的负端接地等。 屏蔽接地（模人信号的屏蔽层的接地）。 本安接地，是本安仪表或安全栅的接地。这种接地除了抑制干扰外，还有使仪表和 系统具有本质安全性质的措施之一。本安接地会因为采用的设备的本实措施不同而不同，下面以齐纳式安 全栅为例，说明其接地内容。 安全栅的作用是保护危险现场端永远处于安全电源和安全电压范围之内。如果现场端短路，则由于负载电阻和安全栅电阻R的限流作用，会将导线上的电流限制在安全范围内，使现场端不至于产生很高的温度，引起燃烧。第二种情况，如果计算机一端产生故障，则高压电信号加入了信号回路，则由于齐纳二级的嵌位作用，也使电压位于安全范围。 值得提醒的是，由于齐纳安全栅的引入，使得信号回路上的电阻增大了许多，因此，在设计输出回路的负载能力时，除了要考虑真正的负载要求以外，还要充分考虑安全栅的电阻，留有余地。 除了上述几种接地外，在很多场合下容易引起混乱的还有一个供电系统地，也叫交流电源工作地，它是电力系统中为了运行需要设的接地(如中性点接地）。 （l）接地要求和方法： 上面介绍了六种接地：供电系统地、保护地、逻辑地、屏蔽地安全栅地、信号回路地。对这六种接地，各家有各家的要求，虽然大都强调一点接地，接地电阻必须小于1欧姆等，但具体内容上差别很大，下面给出几个例子介绍常遇到的接地要求和方法。 供电系统地：在很多企业，特别是电厂、冶炼厂等，其厂区内有一个很大的地线网，而通常供电系统的地是与地线网连在一起的。有的厂家强调计算机系统的所有接地必须和供电系统地以及其它（如避雷地）严格分开，而且之间至少应保持15m以上的距离。为了彻底防止供电系统地的影响，建议供电线线路用隔离变压器隔开。这对那些电力负荷很重，而且负荷经常启停的单位是应注意的。从抑制干扰的角度来看，将电力系统地和计算机系统的所有地分开是很有好处的，因为一般电力系统的地线是不太干净的。但从工程角度来看，在有些场合下单设计算机系统地并保证其与供电系统地隔开一定距离是很困难的，这时可以考虑能否将计算机系统的地和供电地共用一个，这要考虑几个因素： 供电系统地上是否干扰很大，如大电流设备启停是否频繁，对地产生的干扰是否大； 供电系统地的接地电阻是否足够小，而且整个地网各个部分的电位差是否很小，即地网的各部分之间是否阻值很小（1W） 弱电子系统的抗干扰能力以及所用到的传输信号的抗干扰能力，例如有无小信号(电偶，热电阻）的直接传输等。 所有计算机接线涉及到的接地采用一点接地方式，在这一点上，也有很多争议。有的厂家系统提出几个地：逻辑地、屏蔽地（又叫模拟地）、信号地、保护地分别自己接地在地上打接地装置，而大部分系统则指出各种地在机柜内部自己分别接地，汇于一点，然后用较粗的导体（铜）将各汇地点朕起来，接到一个公共的接地体上。这里有几点需要注意： 控制系统本身是由多台设备组成的，除了控制站以外，还包括很多外设，而且数据也往往不止一台，这就涉及到了多台设备，多种接地的问题。此外，一般的系统的供电是各站（控制站，操作站等)用专门一条线单独供电，即彼此之间不相互供电。图1是一种的GCS接地图代表性的示意。 图1 DCG接地图 保护接地：系统的所有设备均有一个保护地，该保护一般在机柜和其它设备设计加工时就已在内部接好，有的系统中已将该保护地在内部同电源进线的保护地（三芯插头的中间头)连在一起，有的不允许将保护地同该线相连，用户一定要仔细阅读厂家提供的接地安装说明书，不管哪种方式，CG必须将一台设备（控制站、操作员站等）上所有的外设或系统的CG连在一起，然后用较粗的绝缘铜导线将各站的CG连在一起，最后从一点上与大地接地系统相连。还有一点值得提醒的是，同一体统的所有外设必须从一条供电线上供电，而且一台设备（如操作员站位所连接的所有外设和主机系统（计算机、打印机、拷贝机主机系统）的电源必须从设备的供电分配器上取电，而不允许从其它地方取电，否则可能会烧坏接口甚至设备，对于不得不用长线连接的场合，或用较粗导线提供供电，或采取通信隔离措施。 各站的CG在连接时可以采用幅射连接法，也可以采用串行接法。电源逻辑地（P）如图 1所示。首先，各站内的逻辑地必须位于一点PG，然后，粗绝缘导线以辐射状接到一点上，然后接到大地接地线上。在有些系统中，所有的输入，输出均是隔离的，这样其内部逻辑地就是一个独立的单元，与其它部分没有电器连接，这种系统中往往不需要PG接地，而是保持内部浮空。所以，用户在设计和施工接地系统时，一定要仔细阅读产品的技术要求和接地要求。 模拟地（AG），模拟地（又叫屏蔽地）是所有的接地中要求最高的一种。几乎所有的系统都提出AG一点接地，而且接地电阻小于1。 DCS设计和制造中，在机柜内部都安置了AG汇流排或其它设施。用户在接线时将屏蔽线分别接到AG汇流排上，在机柜底部，用绝缘的铜辫连到一点，然后将各机柜的汇流点再用绝缘的铜辫或铜条以辐射状连到接地点。大多数的DCS要求，不仅各机柜AG对地电阻I，而且各机柜之间的电阻也要1。 信号地的处理：原则上不允许各变送器和其它的传感器在现场端接地，而都应将其负端在计算机端子处一点接地。但在有些场合，现场端必须接地，这时，必须注意原信号的输入端子（上双端）绝对不许和计算机的接地线有任何电气连接，而计算机在处理这类信号时，必须在前端采用有效的隔离措施。 安全栅的接地：我们来看图2所示的安全栅线路图。 图2 安全栅接地原理图 从图中可以看出有三个接地点：B，E，D，通常B和E两点都在计算机这一侧。可以连在一起，形成一点接地。而D点是变送器外壳在现场的接地，若现场和控制室两接地点间有电位差存在，那么， D点和E点的电位就不同了。假设我们以E作为参考点，假定是D点出现10V的电势，此时，A点和E点的电位仍为24V，那么A和D间就可能有34V的电位差了，己超过安全极限电位差，但齐纳管不会被击穿，因为A和E间的电位差没变，因而起不到保护作用。这时如果不小心现场的信号线碰到外壳上，就可能引起火花，可能会点燃周围的可燃性气体，这样的系统也就不具备本安性能了。所以，在涉及到安全栅的接地系统设计与实施时，一定要保证D点和B（E）点的电位近似相等。在具体实践中可以用以下方法解决此问题：用一根较粗的导线将D点与B点连接起来，来保证D点与B点的电位比较接近。另一种就是利用统一的接地网，将它们分别接到接地网上，这样，如果接地网的本身电阻很少，再用较好的连接，也能保证D点和B点的电位近似相等。但注意，此接地一定不要与上面几种接地发生冲突。 以上讨论了几种接地的方法和注意事项。在不同的系统中，对这几种接地的组态要求不同，但大多数系统对AG的接地电阻一般要求I欧姆以下，而安全栅的接地电阻应4欧姆，最好3mm的钢管。角钢对角线长的约为70mm，短的约为56.6mm。若包裹厚度为30mm，地网开挖直径尺寸应在130mm。对水平扁钢来说，由于地面开挖高低不平，扁钢本身弯曲不直，在施工中许多部位刚刚被降阻剂盖住。这样，钢材实际上处在两个介质的交界处，大大地加快了腐蚀程度，因此地网开挖尺寸也应该加大。我们认为垂直极灌降阻剂直径以130200mm为好，水平沟以150mm100mm为好（扁钢竖放）。这样做的开挖工程量和降阻剂用量都会增加，但从整体降阻、防腐效果看是合理的。 离子接地系统埋深一般为3000-4000mm，当加长时相应加深，有条件的用钻机施工。孔径保证100-250mm（根据接地系统的形式选择）。施工中应保证导电为辅料包裹密实，消除空管和气泡。 （二）、接地材料的选型 接地材料是接地的工作主体，材料的选择很重要。下面对常用的接地材料的属性做个简单的介绍。 广泛使用的接地工程材料有各种金属材料（最常用的如扁钢）、接地体、降阻剂和离子接地系统等。金属材料如扁钢，也常用铜材替代，主要用于接地环的建设，这是大多接地工程都选用的；接地体有金属接地体（角钢、铜棒和铜板）这类接地体寿命较短，接地电阻上升快，地网改造频繁（有的地区每年都需要改造），维护费用比较高，但是从传统金属接地极（体）中派生出类特殊结构的接地体（带电解质材料），使用效果比较好，一般称为离子或中空）接地系统；另外就是非金属接地体，使用比较方便，几乎没有寿命的约束，各方面比较认可。 在以下的讨论中以降阻剂、非金属接地块和离子接地系统为代表进行探讨。 降阻剂分为化学将阻剂和物理降阻剂，化学降阻剂自从发现有污染水源事故和腐蚀地网的缺陷以后基本上没有使用了，现在广泛接受的是物理降阻剂（也称为长效型降阻剂）。物理降阻剂是接地工程广泛接受的材料，属于材料学中的不定性复合材料，可以根据使用环境形成不同形状的包裹体，所以使用范围广，可以和接地环或接地体同时运用，包裹在接地环和接地体周围，达到降低接触电阻的作用。并且，降阻剂有可扩散成分，可以改善周边土壤的导电属性。现在的较先进降阻剂都有一定的防腐能力，可以加长地网的使用寿命，其防腐原理一般来说有几种：牺牲阳极保护（电化学防护），致密覆盖金属隔绝空气，加入改善界面腐蚀电位的外加剂成分等方法。物理降阻剂有超过二十年的工程运用历史，经过不断的实践和改进，现在无论是性能还是使用施工工艺都已经是相当成熟的产品了。 非金属接地体有是在通讯、广电等部门广泛使用的工程材料。基本成分是 导电能力优越的非金属材料材料复合加工成型的，加工方法有浇注成型和机械压模成型的，一般来说浇注成型的产品结构松散、强度低、导电性能差，而且质量不稳定，一些小型厂家少量生产使用这样的办法；机械压模法，是使用设备在几到十几吨的压力下成型的，不仅尺寸精度较高、外观较好，更重要的是材料结构致密、电学性能好、抗大电流冲击能力强，质量也相当稳定，但是生产成本较高，批量生产多采用。选型时，尽量采用后者，特别是接地体有抗大电流或大冲击电流的要求（如电力工作地、防雷接地）时，不宜采用浇注成型的非金属接地体。非金属接地体的特点是稳定性优越，其气候、季节、寿命都是现有接地材料中最好的，是不受腐蚀的接地体，所以，不需要地网维护，也不需要定期改造，但是，非金属接地体施工需要的地网面积比传统接地面积小很多，但是在不同地质条件下也需要的保证足够接地面积才可以达到良好的效果。 离子（中空）接地系统是传统的金属接地改进而来，从工作原理到材料选用都脱胎换骨的变化，形成各种形状的结构。这些接地系统的共同点是结构部分采用防腐性更好的金属，内填充电解物质及其载体组分的内填料，外包裹导点性能良好的不定性导电复合材料，一般称为外填料。接地系统的金属材料已经出现的有不锈钢、铜包钢和纯铜材的。不锈钢的防腐较钢材好，但是在埋地环境中依然会多多少少的锈蚀，以不锈钢为主体的接地系统不宜在腐蚀性严重的环境中使用。表面处理过的铜是很好的抗锈蚀材料，铜包钢是铜-钢复合材料，钢材表面覆盖铜，可以节约大量的贵金属铜材。套管法或电镀法生产，表面铜层的厚度从0.01mm到0.50mm，厚度越厚防腐效果越好。纯铜材料防腐性能最好，但是要耗用大量的贵金属，在性能要求较高的工程中使用。由于接地系统大多向垂直方向伸展，所以接地面积大多要求很小，可以满足地形严重局限的工程需要。特别是，补偿类型的接地系统有加长的设计，笔者曾使用过加长至24米的接地系统，辅以深井法施工，可以达到非常好的效果。 介绍的接地材料各有优势，但是都有自身的局限。我们提倡各取所长，选择适当的材料满足不同的工况。 序号 降阻剂 非金属接地体 中空接地棒 传统接地 1 类型 地网与接地极 接地极 接地极 地网与接地极 2 新建地网施工 简单 简单 较简单 简单 3 改造地网施工 复杂 简单 较简单 复杂 4 适用环境 普通地网通用 恶劣地质条件 腐蚀环境较高要求地网 地网面积小的城市或复杂山岩环境 通用 5 价格比较 低 较高 较高 地好要求低便宜，地坏要求高较贵或很贵 6 抗腐蚀 有防腐作用 不被腐蚀 较好抗腐能力 低 7 气候稳定性 普通 优异 较好 不好 8 使用寿命 较长 最长 长最长 短，常需要改造 四、接地布线 提倡单点法的联合接地与独立地相结合。接地布线的原则是提供良好的接地通路，并且尽量降低各系统的电位差，使其等电位化，并且防止接地信号干扰。 室内系统通过接地引下线与地网联系，建筑内的线路排布直接关系到接地系统是否真正有效的工作。如果处理不好线路的排布，常常造成设备的损害。 为了更清楚的阐述布线的原则，我们模拟一个建筑来考察他在受到雷击时候的情况。 1、 雷击避雷针、避雷带、电源线、信号线产生感应过电压（过电流）的现象是经常发生的。图3中的电子设备和是两台互相传输数据的设备，假设电源线上传输进来kA雷电电流波（10/350nS），按图4所示的等效电路，设备是否会被损坏？ 图3 独立接地系统的设备电位差图 假设：电源避雷器性能优良，其响应时间和导通后的残压不