初析防雷接地系统中若干电位差问题 毕业论文.doc

目 录1、引言12、不同接地形式会产生不同的地-地电位差12.1 四种不同的接地形式12.2 地-地电位差的大小与接地极相互间距离有关12.3 以共用接地替代独立接地来消除地-地电位差22.4建筑物实施等电位联结能有效地消除电位差23、接地极布置方式与电位差43.1 外引式接地极产生的电位差大43.2 环路式接地极产生的电位差小53.3 建立等电位面消除电位差53.4信号参考结构（SRS）的应用64、金融机房接地系统中的零-地电位差问题64.1零-地电位差较大的原因分析64.2 降低零-地电位差的方法95、结论12初析防雷接地系统中若干电位差问题 摘 要 电位差的存在可能导致设备的击穿，人员遭受电击，或者对电子设备产生干扰。本文详细地分析了防雷工程中不同接地形式、接地极布置方式产生不同电位差的机理，机房供配电系统中零-地电位差产生的原因，并提出减小或消除电位差的办法。 关键词 共用接地 环路式接地极 信号参考结构 零-地电位差 谐波电流 1、引言在雷电综合防护工程中，接地是一种不可少的重要措施之一。为避免电气设备之间或电气设备内各元件之间可能因承受较大的电位差而被击穿，工作人员因同时触及不同电位的界面而遭受电击，GB50057-94(2000年版)建筑物防雷设计规范明确规定防雷工程中应采取共用接地系统和等电位联结。另外，防雷接地不仅要求能迅速泄放雷电流，还要求泄放雷电流后，保持地电位的稳定和均衡，尽可能消除地-地电位差。此外，从电磁兼容理论出发，有些被保护对象（信息设备）还要求工作在较低的零-地电位差的供配电系统中。因此，为提高雷电综合防护工程的质量，对上述各电位差产生的机理及消除方法进行初步分析如下：2、不同接地形式会产生不同的地-地电位差2.1 四种不同的接地形式在一栋楼内有几个并存需要接地的设备机器时，接地方式可有以下四种形态： 图1说明：(a)各个独立接地；(b)将独立接地的接地线连接在一起；(c)共用接地；(d)将接地线连接到建筑结构体的钢架、钢筋部分；其中(a)为独立接地，（b）、（c）、（d）可归为共用接地。在防雷工程中所谓独立接地就是防雷地、信号地、工作地、保护地各自进行接地施工的方式，而共用接地是指它们共用接地极。2.2 地-地电位差的大小与接地极相互间距离有关理想中的独立接地应该如图2那样，如果有两个接地电极，其中一个电极中不论怎样流过电流，对另一个接地电极就不应该发生电位上升的情况。而要实现接地电极对另一个接地电极理想地完全独立，它们之间距离必须为无限远。这在施工中难以实现。下表1是因电流I产生的另一个电极电位上升V与两电极间距S的关系。由表可知，在实施独立接地时，必须采取大的电极间距，而在有限的场地内有多个接地系统时，要找到足够的施工空间是很困难的，这也是防雷工程中不采取独立接地的原因之一。接地电流I(A)电位上升值V（V）2.525501063635031832161006376432表1 电位上升与电极间距S的关系 表中数据是在接地电极为棒状，半径7mm，长度3m，土壤电阻率为100.m的情况下的所测值。2.3 以共用接地替代独立接地来消除地-地电位差若采取独立接地而接地极间距离不能达到充分远，那么电极电位差的问题就无法解决。因为各通信系统和交流电源系统的接地是为了获得一个零电位点，若各系统分别接地，当发生雷击的时候各系统的接地点电位差可能很大。如图3(a)中1、2、3三个接地极之间瞬间电位差大，假定其中“1”为交流电源工作地，“2”为计算机逻辑地，“3”为机壳安全保护接地。假定雷电冲击波由其中一条路“1”即交流电源送进，由于雷电的瞬时电压往往是几万伏乃至几十万伏，那么在同一台电子计算机电路板上分别与电流、通信或和机壳相接的各部分就承担各接地极之间的高电位差而被击穿。因此在通信网络中，电源、逻辑、安全保护和避雷各独立接地的系统遭雷击损坏的可能性是很大的。基于以上问题，独立接地系统已不适应现代通信技术迅猛发展的形势。在防雷工程中提倡共用接地。若采用共用接地，雷电流在接地电阻上产生的高电压，将同时存在各系统的接地线上。如图3(b)各系统接地极间不存在上面讲到的高电位差。因此也就不会出现同一台设备的各接地系统之间的击穿问题。并且各个接地电极并联，此时接地电阻的总电阻更低。若是利用建筑结构体，因接地电阻非常小，更能显示共用接地的优点。如图4为一建筑物采用共用接地的示意图。2.4建筑物实施等电位联结能有效地消除电位差共用接地系统使得不同接地极的电位同起同落，减小电位差。但当建筑物内的电气设备及金属管道未进行等电位联结时，由于雷电波及感应雷的作用会使得部分设施电位抬高，这样就形成了电位差。设备及人员就可能遭受电击的危险。等电位联结的目的在于减小需要防雷的空间内各金属物与各系统之间的电位差。将一建筑物划分为几个防雷区和做等电位联结的例子如图5所示。进入LPZ1区的电力线和信号线在LPZ0B与LPZ1区界面作等电位联结,也在LPZ1与LPZ2界面处作等电位联结。将建筑物的外屏蔽1连接到等电位联结带1，内屏蔽2连接到等电位联结带2。下面我们以机房常用的TN-S供配电系统为例来分析等电位联结的作用。如图6所示，防雷接地和交流工作地保护地共用。当雷电波引起的高电位沿线缆进入建筑物内时（即由LPZ0区进入到LPZ1区），因线缆未与屋内设施进行等电位联结而存在较大的电位差，就很可能发生反击现象而使设备击穿。同样，如果接闪器将雷电流引入大地，此时接地极上必然存在高电位，而由于采用共用接地，PE线的电位也随之抬高，设备外壳电位相继抬高，而线缆或管道的电位较低，那么它们之间就存在较高的电位差，就可能发生反击。图为有等电位联结时的情况。把进入建筑物内的金属管道也连接到等电位联结排上，那么两者电位保持同起同落，不存在较大的电位差，从而消除危险。此外等电位联结也在电气安全方面有重要作用。将两个可能带不同电位的设备外露可导电部分和装置外可导电部分用导线直接连接，使故障电压大幅降低。下面举例分析。如图所示，总配电箱位于一楼，分配电箱位于楼，分配电箱同时给固定式设备M和手握式设备H供电。当M发生碰壳故障时，其过流保护应该在秒内动作，而这时M外壳上的危险电压会经PE排通过PE线ab段传导至H，而H的保护装置不会动作。此时手握式设备H的人员若同时触及其它装置外可导电部分E（图中一给水龙头），则人体将承受故障电流Id在PE线mn段上产生的压降，这对要求.秒内切除故障电压的手握式设备H来说是不安全的。为了解决这个电位差，可以将设备M通过PE线de与水管E作辅助等电位联结。如图所示。此时故障电流Id分为Id1和Id2两部分，所以PE线mn段电压降降低，所以Ub降低，同时Id2在水管eq段和PE线qn段上产生压降，使Ue升高，而人体接触电压Ut=Ub-Ue=Ube以上电位均以总等电位联结板为电压参考点。 会大幅降低，从而使人员安全得到保障。当需要在一局部范围内作多个辅助等电位联结时，可将多个辅助等电位联结通过一个局部等电位联结板实现。3、接地极布置方式与电位差共用接地系统中可根据接地极的布置方式分为外引式接地极和环路式接地极。在条件允许的情况下，对于机房接地网应充分利用建筑物柱筋采用环路式接地极。3.1 外引式接地极产生的电位差大如果采用外引式接地极（如图10），当有雷电流泄入大地使地网电位抬高时，接地干线电位相应抬高，但室内地面电位并没有抬高相应幅度。这是由地网接地极周围电压不均匀引起。而设备是和干线相连的，所以地面和设备间存在较大的电位差，人体可能受到电击的危险。此外，从图中可以看出外引式接地极与室内接地干线仅靠两条干线相连，若两条干线发生损伤时，整个接地干线就与接地极完全断开。3.2 环路式接地极产生的电位差小如图11所示为一采用环路式接地极的示意图。由图11（b）I-I剖面的电位分布曲线可看出，环路式接地极的电位分布是很均匀的。人体的接触电压Ut和跨步电压Uk都是比较小的。但其不足之处是接地极外部的电位仍不均匀，其跨步电压很高。解决这个问题的办法主要有两个。一是在建筑物人流主要出入口处采用高电阻率的路面，如销烁石，沥青等。另一方法就是如图11（c）所示那样敷设40*4mm的扁钢作均压带。 3.3 建立等电位面消除电位差在进行机房防雷接地设计时，为保证地网电压分布均匀，为电子设备提供稳定的逻辑地，可在机房中安装一个信号参考结构。信号参考结构如图12所示。信号参考结构中间是一个0.6m宽的长方形网状栅格，置于机房地板下。0.6m宽的长方形框固定着5cm宽，至少0.4mm（d）的铜条。这种网状栅格能够提供较为均匀的电位分布。栅格架至少每隔1.8m与地板进行等电位连接。使用一条107mm2的裸铜线，将整个信号结构包围，并将此周围线缆与地板下的栅格架在每个交接处作等电位连接。把带金属支架的活动地板、地板下面的信号参考结构（SRS）栅格架、建筑物的钢筋结构相连在一起构成一个等电位面。 3.4信号参考结构（SRS）的应用信号参考结构提供了一个等电位面，可利用它实现电子设备的单点接地。所谓单点接地就是把各系统的接地线接到接地母线同一点或同一金属平面上。单点接地解决了各系统的接地线的等电位问题，所以各系统之间的干扰问题初步得到了解决。 4、金融机房接地系统中的零-地电位差问题采用共用接地系统的银行、保险公司大楼、有较多的远程数据通信设备（如RAS、X.25适配器、LOOP等），而这些设备对零-地电位要求十分高。如调制解调器要求不大于5V，卫星通信技术要求小于3V，个别重要服务器甚至要求小于1V。若零-地电位差过高，通信就会受到影响，数据传输误码率升高，有些机器（如服务器等）还设置有零-地电压检测电路，一旦零-地电位差高于某一规定值就不能开机。因此，进行金融系统的机房防雷接地设计时，要求零-地电位差小于1V。实际上零-地电位差在变压器处为零，因为在这一点上变压器次级中线N和地线PE是同时接在地桩上的。 4.1零-地电位差较大的原因分析4.1.1三相电源配电时负载分配严重不平衡，造成零线电流过大按照GB5017493电子计算机机房设计规范，机房应采用TN-C-S方式配电。进入建筑物以前为TN-C，进入后采用TN-S制，如图13。若单相负荷严重不平衡，也即相电流幅值不等，夹角不为120度，则流入中线中的电流较较大，最大时可接近相电流。而由于中线阻抗的存在，中线电流在阻抗上产生电位差。零线上远离进线端的点，相对于地电位就可能较高。4.1.2 三相不平衡且中性线断线、未接好或阻抗较大导致中性点位移如图14所示，三相不平衡的TN-S系统中，中线完好时，N1点为负荷中性点，因为此时N1至U1、V1、W1电压绝对值相等，但由于某种原因使中线断线或接地不良，这时N1点不再为中性点，这种现象称为中性点位移。这时，各相负荷承受的电压变大或变小，N1点电位发生变化。下面我们来分析三相不平衡时，中线断线或接地不良或阻抗较大引起N1点电位位移的原因及大小。中线断线（如图15）时：为使问题简化，我们采用电路分析法进行分析计算。设分别为回路1和回路2的回路电流，由回路法列方程：回路1： （1）回路2： （2） 且有： （3）（1）、（2）、（3） （4）为计算方便，假设负荷均为纯电阻，即Z1=R1，Z2=R2，Z3=R3。 各相有功功率为：P1=E2/R1，P2=E2/R2，P3=E2/R3。 （6） （7） 若取E=，设三相有功功率之比为：P1：P2：P3=1：m：n。代入到式（6）、（7），会发现各相电压大小只与m、n、E有关，也即与各相负荷功率之比有关而与具体功率大小无关。下表2给出m、n值与的关系。：m：n：.：.：.：.：.：.：.：.：.：.：表三相不平衡且中线断线时的由表可以看出三相不平衡且中线断线时，抬高，而点与线的重复接地在一处接到接地极上，点电位与地电位一致，而变化，必然导致中线对地电位抬升。中线阻抗较大三相不平衡且中线阻抗较大时，同上面一样也采用电路分析法进行分析计算，不过这时与三相功率比以及三相电阻的数值和中线电阻数值有关。4.1.3 中线（零线）中有较多高次谐波电流流过供电系统中的谐波电流源通过电网将在阻抗上产生谐波压将，从而导致谐波电压的产生。产生谐波的因素可归纳为两大类，第一类为电力系统中的发电机、变压器，特别是变压器由于其铁心的非线性磁化特性，变压器励磁中电流波形严重畸变，该电流中谐波成分主要是三次和五次谐波。第二类谐波源主要为电力用户中的非线性用电设备，如金融大楼中的大容量交流设备，办公自动化设备，金属卤素灯等。而三次谐波在零线上不是相互抵消，而是相互叠加 ，如上海一次事故中用电力谐波分析仪对零线电流进行测试，发现相线电流为800A时，零线电流达1000以上，以至开关跳闸。原因是金属卤素灯产生的三次谐波叠加的结果。由于谐波电流必然在零线上产生压将，而使零-地电位差抬高。4.1.4 电磁场干扰当零线与其它线路构成较大回路，且受电磁场干扰，零线中会产生感应电压。这在设备未开机，零线线缆较长时表现更为明显。4.1.5 接地电阻不符合要求共用接地时零线接地电阻、地线重复接地电阻要求小于4欧姆，若接地电阻太大或与大地接触不良，受电流在接地电阻上产生电压降的影响，零-地电位差可能抬高。4.1.6 PE线中存在较大的电流正常工作时，PE线中不应有电流，但若出现以下情况都可能导致PE线中有电流，从而有电压降存在。那么，沿PE线，各点零-地电位差会出现不一致现象。用电设备漏电，如相线与外壳绝缘不良、碰壳短路、相地接反。这时PE线中有较大的漏电流通过。PE线与N线接错或在某一点PE与N线短接。PE线与N线混接时，PE线中杂散电流最大，在N线中的一部分工作电流也会流过PE线。PE线各重复接地点的电位不等。由于电位差的存在，PE线中有电流产生。PE线附近有直流大电流流动（如地铁附近）。杂散电流会通过大地流入PE线。如上海地铁牵引电源为1500V直流电源，直流电可能通过大地泄漏到PE线中形成杂散电流。4.1.7 接地时使用了不同材料的接地极元素符号电位（V）铁Fe-0.44铜Cu+0.337铝Al-1.66锌Zn-0.763施工时为了降低工作接地的接地电阻，采用铜作接地极，而PE线重复接地时，为降低工程造价，采用角钢作接地极，这时不同材料会在土壤中呈现不同电位，从而造成电位差。如表3，工作接地用铜，重复接地用铁，则两极之间就会产生0.777V的电位差。0.777V的电位差对于某些零-地电位差要求较高的设备来说不可忽 表3 不同元素的电位 （温度25。C） 视。4.1.8 接地线长度不合乎要求高频电子设备的接地线要求必须小于/4（其中为高频波的波长）。否则会产生驻波 驻波：当两列振幅相同的相干波（同频率、同振动方向、相位差恒定）沿同一直线相向传播时，合成的波是一种波形不随时间变化的波。驻波存在波腹和波节，位于整数倍的/4处。由于驻波存在波腹与波节，也即电压的最高点和最低点。所以接地线两端可能存在电位差。4.1.9 UPS选用不当UPS的功率因数较低，因而有较多的谐波成分，而上面已提到谐波电流可导致零-地电位抬高。此外，有些UPS不带有隔离变压器也不能有效的抑制零-地电位漂移。4.2 降低零-地电位差的方法针对以上原因，分别提出以下改进方案，供大家探讨。4.2.1 三相负荷不平衡造成零线电流较大时：调整单相负荷的布局，尽量使单相负荷平衡的分布在三相中，同时要考虑到用电设备功率因数的不同，尽量兼顾有功功率和无功功率均能平衡分布。对N线在负载部分进行重复接地，但应该注意不能与PE线的重复接地合用一个接地极，且N线的重复接地线与PE线的重复接地线绝缘，不得有电气联结。N线重复接地可以抑制零电位漂移。认为TN-S系统中只准对PE线作重复接地的观点并非正确。使用可调整不平衡电流功率因数补偿装置。该装置用微机控制，通过在各相与相之间及各相与零线之间接入不同数量的单相电力电容器的方法来校正三相不平衡电流，也能补偿功率因数。从UPS出发，采用新一代智能UPS产品，这种UPS（如艾默生的Paradigm）实现了对中性线电流实时监控，可以通过实时匹配整流器的三相电流从而将中性线的合成电流降为零，削减了由于中性线的压降导致输出零-地电压升高的隐患。在零-地电位漂移不太大的情况下加粗零线。使导线阻抗下降，那么零线电流引起的电压降相应地减小。使用无流零线，不过线路较长时，费用也相当可观。4.2.2 仔细检查中线有无接触不良或断线，并可设置中线断线保护，一旦发生断线而使中性点电位漂移，保护装置就会动作跳闸。4.2.3 防止和减少谐波电流的方法有：对非线性负载的使用要引起重视，据日本一机构对楼宇、化工厂、制造业等部门调查显示：楼宇中产生的谐波占到总谐波量的40%以上。所以楼宇中电子整流器的日光灯、气体放电灯等的大量应用会产生大量三次谐波，从而对电网构成污染。防止用作无功补偿的并联电容器组对谐波进行放大在用户供电系统中，并联电容器组作为无功功率补偿设备得到广泛应用。然而电容器的谐波阻抗小，谐波电压会产生较大的谐波电流，并且电容器对谐波有放大作用。先来分析电容器对谐波的放大作用：如图16， 谐波源注入的次谐波电流。则有： 也就是说一旦补偿功率用的并联电容器的容量不满足上述条件时，投入运行以后，会引起谐波电流放大。为防止谐波电流被放大，可在电容器回路中串联一电感。使电容器回路在最低次谐振频率下呈现出感性。为此，电感量L应该满足：对于含有较多三次谐波的系统，可取XLR=（1213）%Xc。增加整流装置的相数。增加整流装置的相数是限制高次谐波的基本和常用方法之一。多相整流变压器二次绕组进行不同组合，可实现6相、12相、24相或48相整流。采用多相整流可显著减小低次谐波含有率，但高次谐波仍然存在。使用电力谐波滤波器。当增加整流装置相数仍不满足要求时，可考虑采用电力滤波器。有源电力滤波器有良好的作用效果。原理如图18。 负荷电流波形如图19（a），可将其分解为正弦基波电流iF和谐波电流iH，如图19（b）所示。有源电力滤波器首先实时检测出负荷电流中的谐波分量iH，再通过电流发生器发出与iH大小相等的补偿电流iC注入电网以抵消iH，从而使系统侧电流iS仅为负荷电流的基波分量If。4.2.4 改善机房电磁环境，并采用铜芯屏蔽导线或电缆可以提高线路的抗干扰性。4.2.5 降低接地电阻值，保证工作接地与重复接地接地良好。4.2.6 可采取以下方法减小地线中的电流：加强相线间绝缘，防止设备的漏电流通过地线形成回路。杜绝零-地混接以减小杂散电流；地线各重复接地的位置不能置于不同的地电位处。在有较大直流电流动的附近，应该使地线对大地绝缘，并使其单点接地。4.2.8 对零-地电位差要求非常高的机房，供配电系统中的重复接地宜和中性线接地采用同