接地工程设计

1、第3章 控制系统的接地工程设计接地的基本概念概述从电气特性来看，自然界的土壤地层有两大特性：1 1）导电，导电率为 1010-3至 1010-1S/mS/m,相对介电常数为 5 5 至 15F/m15F/m,介于良导体和绝缘体 之间，因导电，故可将用电设备和地之间组成电气连接。2 2 ）具有无限大的容电量，故可以把土壤地层理解为等电位点或等电位面，成为电路或 系统的基准电位，即电位的参照系。接地的作用有二：1 1）保护人身和设备安全，如保护地、防雷地、本安地、防静电地等；2 2）抑制干扰，即为信号电压或系统电压提供一个稳定的电位参考点。如工作地、屏蔽 地、模拟地、数字地等。上述的各种接地名称，

2、 都是按接地的用途命名的。 同一个接地装置往往具有多个接地用 途。接地系统在概念和技术上， 近十年发生了很大的变化， 其中最重要的转变是： 以前的接 地系统是否合格以接地电阻值为准， 现在侧重于接地结构兼顾接地电阻值， 特别是从独立接 地到采用共用接地网的等电位连结方式的转变。等电位连接就是将分开的装置、诸导电物体用等电位连接导体或浪涌保护器连接起来， 以减小雷电流或其它干扰电流在它们之间产生的电位差。为干扰及雷电流提供低阻抗的连续通道泄放到大地。 由于等电位连接减小了系统内各金属部件和各系统间的电位差（但并非是真正的等电位体） ，无论是从防雷的角度或者是从减小控制系统的共模干扰来看，这都是

3、十分有益的。 因为采用共用接地网的等电位接地方式具备其它接地无法比拟的优势，所以等电位接地方式应该是控制系统接地的首选方式。据查证，世界上最早提出等电位接地方式的是我国在 19581958 年建设北京人民大会堂时的 笼式接地网，比起英国 GOLDGOLD 在 雷电 一书中提及要早十八年。但在标准中出现等电位接地 的是 1 1 999999 年的“ IECIEC 61312-261312-2 ”，国内是从 20002000 年才开始出现在各类标准中。接地系统的结构从工业应用的角度来看，目前控制系统通常有单独接地及等共用接地两种方式。1 1 ） 单独接地这种接地方式是将控制系统的保护地接入电气安全

4、接地网，工作接地采用“独立的” “干净的”接地装置与大地相接。由于在一段电源保护地线的两点间会有数毫伏，甚至几伏 的电位差，这对低电平信号电路来说，是一个非常严重的干扰，因此控制系统的工作地不要 和保护接地在柜内就混用。2 2）共用接地共用接地是以等电位观点为主体思想的多点连接，即设备和装置外露可导电部分的电 位基本相等的电气连接。其中包括结构钢筋、金属设备、管道等，进而和接地极相连。所 谓多点是指建筑物基础钢筋、地下金属管道、埋地电缆的金属外皮都成为很好的接地极。和单独接地相比，共用接地有如下的特点：1 1）如在爆炸危险场所，因电气设备故障或雷击会形成建筑物不同部位存在地电位差，这地电位差可

5、以使连接在不同地点的设备产生电火花引起爆炸或损坏设备，无法保障人身和控制系统的安全。如采用共用接地实行等电位连接， 由于建筑物各处均为等电位， 从而就可 减小或避免这种危险的发生。2 2）由于建筑物各处均为等电位，减小了进入控制系统电子线路的共模干扰。3 3）实施方便。如果电气专业已把全厂的地下管道、地下结构、接地体连成一个统一的共用接地网时，此时控制系统再单独接地并要求其接地点和电气接地网相距至少要5m5m 以上，和建筑物的防雷地相距至少要20m20m 以上，这在现场有时是很难做到的。4 4） 和控制系统有关的规范标准1对等电位连结时的接地连接（BonBon didi ngng ）电阻，即接

6、地 通路（PathPath ）的电阻总和不大于 1 1 欧姆；而对接地极对地电阻一般要求不大于 4 4 欧姆。这两 个数值对采用共用接地网的等电位连接是不难做到的。S S 型星形结构和 M M 型网形结构的等电位连接采用共用接地网实行等电位连接的网络有S S 型星形结构和 M M 型网状结构两种基本结构。1 1）S S 型星形结构S S 型等电位连接网络是控制系统的组件仅通过唯一的一点（ERPERP 组合到接地系统中去，如图所示。在这种情况下，为避免产生感应环路，组件间应绝缘。2 2）M M 型网状结构M M 型等电位连接网络是控制系统的组件通过多点连接组合到接地系统中去的。此时，各金属组件不

7、应与共用接地系统各组件绝缘，如图所示。M M 型等电位接地网络宜用于延伸较大的开环系统，而且在设备之间敷设有许多线路和电缆，以及设施和电缆从若干处进入系统。在复杂系统中，还可以将 S S 型和 M M 型两种等电位连接网络组合在一起。图S型星形结构图M型网形结构图和图为 S S 型接地连接的例子。图仪表及控制系统S型接地连接图电子信息设备机房S型等电位连接网络示意图图和图为 M M 型接地连接的例子。图M型（网格式）接地方式的例子图电子信息设备机房M型等电位连接网络示意图接地系统的耦合1)1) 串联接地和耦合串联接地如图所示，由图可知：V VA= =( I I1+ + I I2+1+13)R

8、R1；VB=VA+ + (I I2+ + 1 13)R R2； V VC= =V VB+I+I3R R3。可见 A A、B B 及 C C 点间存在一定的电位差，其中 A A 和 C C 点间的电压差可达(1 12+1+13)F F2+I+I3R R3，如果该电压差变化较大， 则电路间会因各电路的地电流通过地线阻抗而产生耦合，导 致各电路之间基准电压不一致，从而产生干扰，所以不推荐 使用。对应在工程中，不宜将控制柜的接地汇流排实行串联接地。2)2) 并联接地和分类汇总并联接地如图所示，由图可知：VA=IIRI+VD;V VB=|=|2R?+VD；VC=I3R R3+V+VD；V VD= =(

9、I I1+ + I I2+|+|3)R4R4。图并联接地申濡1酝番AS 3AII RJ!軒325图串联接地由图可知，女口 R4R4 作为接地电阻应愈小愈好。如果我们把D D 点作为参考电位，则任何一个电路的地电位只受这个电路本身的地电流和它的地线自身阻抗的影响。由于并联接地可以减少因地电流引起电路间的耦合，所以在有关接地的标准里， 各种用途的接地系统强调要 “分类汇总”，汇总点 D D 离地的接入点要愈近愈好。工频接地电阻和冲击接地电阻由于流入地中的电流错综复杂，有工频电流，计算机系统的高频电流以及雷击时的脉冲电流等等。流过电流的频率不一， 接地系统所呈现的阻抗性质也不一样，有人称之谓接地系统

10、的频率特性。就拿工频电流和雷击时的脉冲电流来说，接地系统的接地电阻就有工频接地电阻和脉冲接地电阻之分。它们之间的换算关系为：Ra=ARRa=AR式中：Ra-Ra-工频接地电阻（欧姆）；A-A-换算系数，它取决于土壤电阻率、接地体最长支线的实际长度L L （见图）和有效长度 LeLe, 般 A A 的取值范围是大于 1 1 小于 3 3,其数值可按图 3 3. 9b9b 确定； R-R-冲击接地电阻（欧姆）。接地体的有效长度应按下式确定：le 2.0式中：P敷设接地体处的土壤电阻率 m m）。由式（）可知，同一个接地装置，其工频接地电阻值要大于其冲击接地电阻值；所以测 出的工频接地电阻值是合格的

11、话，一般冲击接地电阻值也会满足要求。片用:；2韭壇4舟眾氏tft的：IT；()T /* J._J= 心朋坯机平It lr備图接地体有效长度的计算图换算系数A接地系统产生的电磁干扰1 1）接地系统有来自不同地方的电流（如电气设备的漏电流），由于接地系统存在阻抗，所以就会产生电压降。 这个电压降就是造成电磁干扰的干扰电动势， 而且正比于接地电阻的 大小，这种干扰电动势也称为“公共阻抗耦合” 。2 2）接地系统的连接可能存在回路，则外部的电磁场就可能通过“电感性耦合”产生感 应干扰电动势。由此可见：1 1）减小接地电阻（公共耦合阻抗）有利于控制系统抗干扰，但会增加投资。2 2）接地系统的连接应避免产

12、生回路。交流供电系统的接地低压配电系统的接地制式低压系统接地制式按配电系统和电气设备（包括控制系统）不同的接地组合来分类。按照 IECIEC 标准的规定，低压系统接地制式一般由两个字母组成，必要时可加后续字母。因为 IECIEC 标准以法文作为正式文件，因此所用字母为相应法文文字的首字母。第一个字母表示电源接地点对地的关系：T T 表示直接接地，I I 表示不接地（包括所有带电部分与地隔离）或通过阻抗与大地相连。第二个字母表示电气设备的外露导电部分（如DCSDCS 的机柜）与地的关系：T T 表示独立于电源接地点的直接接地，N N 表示直接与电源系统接地点或与该点引出导体相连接。后续字母表示中

13、性线（N N）与保护线（PEPE）之间的关系：C C 表示中性线（N N）与保护线（PEPE） 合并为 PEPEN N线；S S 表示表示中性线与保护线分开；C-SC-S 表示在电源侧为 PENPEN 线，从某点分开为 N N 及 PEPE 线。按低压系统接地制式划分有TN-STN-S、TN-CTN-C TN-C-STN-C-S、TTTT、ITIT 等五种。1 1） TN-CTN-C 系统（见图）这种系统有简单、经济的优点。但是当三相负载不平衡或有谐波电流时，PENPEN 线中有电流，其所产生的压降会呈现在电气设备的外壳上，有时可达运行电压的 5 5 河上，这对敏感性的电子设备不利，它不适用于

14、防爆的环境内。2 2）TN-STN-S 系统（见图）该系统相对于 TN-CTN-C 系统的最大特点是 N N 线和 PEPE 线是分开的，因为在正常时 PEPE 线上不 通过负荷电流，所以与PEPE 线相连的电气设备的金属外壳在正常运行时也不带电位。由于多拉一根线，所以在价格上要贵一点。4 4） TTTT 系统（见图）TTTT 系统内，电气设备的金属外壳单独接地，与电源在接地上无电气联系。其优点是避免发生故障时，将故障电压蔓延。缺点是接地故障电流小于正常负荷电流时，自动开关不能切除故障，设备外壳上会带百伏级的电压，人身安全无法保证。图TT系统5 5）ITIT 系统（见图）该系统没有配出中性线，

15、电源系统不接地。适用于大型电厂的厂用电。3 3）TN-C-STN-C-S 系统（见图）该系统的前端是TN-CTN-C 系统，后面改为 TN-STN-S 系统。图TN-C-S系统图IT系统相关标准对控制系统采用TN-STN-S 系统的规定由于 TN-STN-S 系统的最大优点是在正常时PEPE 线上不通过负荷电流，因此与PEPE 线相连的电气设备的金属外壳在正常运行时也不带电位（即等电位）。再则，控制系统的电源由低压配电系统提供，所以控制系统的保护接地也应属于低压配电系统接地系统，并接入电气专业的低压配电系统接地网，即等电位共用接地网。 所以许多规范标准都采用这种接地制式。例如:（1 1） 建筑

16、物电子信息系统防雷技术规范（ GBGB 50343-200450343-2004）第 541541 条作了下列强 制性的规定：“电子信息系统设备由 TNTN 交流配电系统供电时， 配电线路必须采用 TN-STN-S 系统 的接地方式。”（“建筑物防雷设计规范 GB50057-94GB50057-94 ”第条也如此规定。）（2 2） 石油化工仪表接地设计规范（SH3081-2003SH3081-2003 ）第 3.1.23.1.2 条规定：“控制室用电应采用 TN-STN-S 系统。整个系统中，保护线PEPE 与中线 N N 是分开的。”虽然控制系统有时需要的仅仅是单相的交流电源，但在考虑接地系

17、统的设计时，必须要考虑该单相电源所在的三相电源的接地制式。接地电阻由于土壤是由不同的土壤颗粒和其间隙中存在的水和空气组成；再则，接地体的形状、 尺寸又不一，所以接地电阻有非常复杂的性质。接地电阻的定义1 1）定性的解释过去，有人认为接地电阻包括接地体本身的电阻、 接地体与土壤间的接触电阻、 接地体 附近的土壤电阻、 接地体至电气设备间连接导线的电阻四者之和。其中，接地体附近的土壤电阻是主要的，接地体本身的电阻和接地体与土壤间的接触电阻可以忽略不计。还一种说法认为，从仪表、控制设备的接地端子到总接地板之间导体及连接点电阻的总 和称为联结电阻；接地极对地电阻和总接地板、接地总干线及接地总干线两端的

18、连接点电阻 之和称为接地电阻（见图）。这种说法是因为它对联接电阻和接地电阻分别提出了不同的要 求。其实，这两种说法均不甚严密。2 2）定量的定义假设在某一电极上流入接地电流I I，若接地电极的电位比周围大地高出E E 时，其电位上升值与接地电流之比 E/IE/I 即为接地电阻（引自“高桥健彦（日），接地技术，科学出版社，20032003 年”）。图接地连接示意图接地极电源tO11主接地电极辅助电极图 测量接地电阻的可操作性该定义必须要和测量的可操作性结合起来。上述的定义必须要有两个条件：1 1）要使接地电流流向接地极，必须要有一个闭合回路，即还要向大地打入另一个辅助 电极 A A。2 2）接地

19、电极的电位上升，必须以大地的无限远点为基准。所谓无限远点是指即使有接 地电流，电位也不变动的地点。通常用电位降法测接地电阻，其原理如图所示。 图中 T-T-被测接地体；P-P-接地棒；A-A-辅助接地体。测量时，T T、P P、A A 极一般各相距 2020 米，并成直线排 列。或 PTPT 之间的距离为 ATAT 之间距离的倍。这样用欧姆定理就可计算出接地电阻离接地极相当远时，因为电流通路的截面积变得非常大，即便土壤的导电性不良，电阻仍然很小。但是在接地极附近，因为电流通路的截面积不是很大，接地电阻才呈现一定的电阻值。即接地电阻主要取决于接地极附近的接地电阻值， 并和接地极的形状大小有关（见

20、图）。一般认为，90%90%以上的电阻集中在接地极周围 20m20m 左右的土壤中，而其中 70%70%左右的电阻又集中在接地极周围2m2m 左右的土壤中。所以可以认为接地电阻的大小主要取决于下列两个因素:1 1）接地体附近土壤的电阻率；工颠电源-H|TRa=V/lRa=V/l（图接地电阻测量截面积小2 2）接地体的形状，它影响到土壤里电流场的截面大小。即：R=R=Pf f（）式中：p-大地电阻率 m m）;f f 由电极的形状和尺寸决定的函数（1/m1/m ）。接地电阻的理论值为了设计接地系统，必须要知道接地电阻理论值的计算。1 1）接地电阻理论值的导出为了理论上比较容易处理， 现以半球状电

21、极为例进行讨论。图表示半球状电极的接地模型。假设辅助电极位于相对主接地电极的无限远点，接地电流从电极的表面向周围大地呈放射形流出。如果辅助电极很近，电流的分布就不是放射状的了。图半球状接地电极模型图半球状接地电极现在思考从半球状电极（半径r r）流出的接地电流通过许多同心球状的大地部分，如图所示。设图中画有斜线的部分与电极中心距离是x,x,厚度 dxdx 部分的电阻是 dR,dR,大地的电阻率是P,则有rm询电莊. -I匚,dRdx2 x2()可以认为式（）与电阻体的式子R=R=p L/SL/S 是等效的。其中，p为电阻率，L L 为长度,S S 为截面积。将式（）从电极的表面 r r 积分到

22、 r ri就可以求出总的接地电阻因为接地电阻是从电极到无限远处的全部电阻，如果 式（）为（）现在，用以下两个观点说明该理论式。首先是关于电流通路的截面积，从图可以看出随 着电极半径的增大，其接地电阻按 1/r1/ri成比例减小。即因截面积（2 2nr r2）变大而使接地电 阻收敛。再看接地电阻的表达式（）。分解半球状电极的接地电阻计算式（） ，可得()函数 f f 的部分是 i/2i/2nr,r,其量纲为 i/Li/L。2 2）垂直棒电极的接地电阻()或者一个单独接地体的设计如图所示。2 rri()r ri为无限大，则 1/1/ r ri等于零，则21ln2t)2t)(),1图单独接地体设计图

23、是最常见的一种接地体。由于地表下0.150.15 米到 0.50.5 米处土壤处于干湿交界的地方，接地导体易受腐蚀，所以一般规定接地体埋深不小于0.60.6 米。考虑到接地体互相的屏蔽影响，所以接地体的间距不宜小于其长度的2 2 倍。为了抗腐蚀，材质可用镀锌扁钢和镀锌角铁。也可用铜。该接地体的接地电阻值是上述单根垂直棒电极的接地电阻的三分之一。3 3）扁带状电极的接地电阻rrln4 4）板状电极的接地电阻()50 x50 x3书创()或者nln2laa2ab22(a b)In -t2I2A2I4()m5000t5 5）接地网的接地电阻的简易计算()式中：S S地网总面积，平方米。关于这个简单的

24、计算公式， 有过一段国际趣闻，同样的一个大型的地网，美、 计算机算，中国学者用该公式人工手算，结果三人的计算结果只差百分之几。道理很简单，地网的接地电阻主要取决土壤的电阻率和地网的面积。如果网格比较密, 可按前述的板状电极进行计算。降低接地电阻的方法1 1）降低土壤的电阻系数降低土壤的电阻系数的方法有：（1 1） 对土壤进行处理，如在接地体周围的土壤中加入食盐、木炭、电石渣等，缺点是易 流失，有腐蚀性。（2 2） 换土，如换成黏土、黑土、沙质黏土等电阻率较低的土壤。（3 3） 利用长效降阻剂，长效降阻剂是由几种物质配制而成，它含有导电性能良好的强电 解质和水份。（4 4） 钻孔深埋法，接地体长

25、度一般为5 5 至 1010 米，再深效果不明显。（5 5） 采用导电性混凝土，在水泥中掺入碳质纤维作为接地极使用。（6 6） 引入无腐蚀的污水。（7 7） 利用水和与水接触的钢筋混凝土体作为流散介质。（详见“陈家斌接地技术与接地装置”第 388-400388-400 页）2 2）采用新型的接地系统-IEA-IEA 电解离子接地系统一种新型的离子接地系统，它的结构部分采用防护性很好的金属，内部填充由电解物 及其载体组分组成的内填料，外部包裹导电性能良好的不定性导电复合材料（即外填料）日学者用J EA接地体F大土壤袒导电范围图IEA电解离子接地系统图是美国 ATIATI 公司新型的接地系统-IE

26、A-IEA 电解离子接地系统，该系统是由先进的陶瓷复 合材料、合金电极、中性的离子化合物组成。其内部采用特制的电解离子化合物，通过电极 顶部的呼吸孔吸收空气和土壤中的水分，使化合物潮解形成电解液，渗透到周围土壤中去， 降低土壤的电阻率，从而降低接地电阻。该合金电极的连接采用火泥熔接技术，以确保连接 的可靠性。这种接地系统的接地电阻可在 1 1 欧姆以下，使用寿命大于2525 年（一般钢仅为 3-53-5年）。接地材料的选择接地材料一般有：? ? 镀锌钢材；? ? 铜；? ? 美国 ATIATI 镀铜钢（寿命可达 3030 年）；? ? 非金属材料和电解质（四川中光）。由于铜的导电率是钢的 8

27、8 倍，铜的耐腐蚀性也比钢好，铜材接地系统性能稳定、可靠、 免维护，寿命长。所以作为接地材料铜优于钢。但铜的单价是镀锌钢的4-54-5 倍（铜-小于2000020000 元/ /吨，镀锌钢-4000-4000 元/ /吨）。土壤电阻率的测量A.A. 土壤的种类和电阻率土壤的种类和其电阻率如表所示。表土壤的电阻率土壤的种类电阻率m）沼泽地及泥地80-丿200粘土质砂地150，300砂地250，500砂岩及岩盘地带10,000-丿100,000混凝土（基础结构体）38，80B.B.等距法（文勒法）测土壤电阻率四个小电极成直线排列，相距为a a （见图），所测电阻为 R,R,则电阻率为:图 等距法（

28、文勒法）测土壤电阻率在布电极时，为了减少测量误差，应取a a 10h,h10h,h 为测量电极的埋设深度，这样可近似将电流极看作是半球电极来处理，根据式（）就不难得到土壤电阻率的计算公式。接地网接地电阻的测量可以利用等腰三角形布电极法测量接地网的接地电阻值,取 d d 2D,2D, D D 为接地网的最大对角线距离。接地电阻的季节因数由于土壤的电阻率是随季节（温度和含水量）变化的，土壤电阻率在冬季最高。规范所要求的接地电阻实际上是接地电阻的最大许可值。为了满足这个要求，接地电阻要达到：p=2naR=2冗aU/l()其布线应按图来实施， 一般应2 21 1图采用等腰三角形布电极法测量接地网的接地

29、电阻值R=RR=R 式中：RmaxRmax接地电阻最大值；3季节因数，常用值为。所以，Rmax=1CRmax=1CQ,R=R=Q;Rmax=4Rmax=4Q,R=R=Q;Rmax=1Rmax=1Q,R=R=Q。接地系统的实施组成接地系统各部分的名称根据化工行业的自控设计标准（ HG/T20513-2000HG/T20513-2000）,并对应于图，接地系统组成的各部 分如图所示，它包括接地连接和接地装置两大部分。 从而给接地系统的各组成部分有一个统 一的名称。图组成接地系统各部分的名称接地方式的选择仪表和控制系统接地方式的选择，应：1 1）当企业已把建筑物（或装置）的金属结构、基础钢筋、金属设

30、备、地下金属水管等形成一个共用接地网时， 仪表、控制系统各类接地也应汇接到该共用接地网，实现等电位连结。这是首选原则。2 2）当企业尚未形成共用接地网实行等电位连结，仪表、控制系统如采用单独接地，但保护接地应接到电气专业的保护接地装置上，工作接地如采用单独的接地体并与电气专业接地体须相距 5m5m 以上，和建筑物独立防雷地相距20m20m 以上。为了防止雷电反击，还应采取一定的防雷措施（详见第 4 4 章）。接地系统的连接方法A.A.现场仪表的接地连接方法现场仪表的接地一般可遵循如下的规定：1 1）对于现场仪表的电缆槽、仪表电缆保护管是每隔3030 米用接地连接线与就近已接地()的金属构件相连

31、，并应保证其接地的可靠性及电气的连续性。仪表的外壳以及现场接线箱的 金属外壳等也应就近接地。严禁利用储存、输送可燃性介质的金属设备、管道以及与之相关 的金属构件进行接地。2 2）现场仪表的工作接地一般应在控制室侧接地。3 3） 对于要求或必须在现场接地的现场仪表，如接地型热电偶、PHPH 计、电磁流量计等应 在现场侧接地。4 4） 对于现场仪表要求或必须在现场接地，同时又要求将控制室接受仪表在控制室侧接 地的，应将两个接地点作电气隔离，以免产生对地的回路。5 5）现场仪表接线箱两侧的电缆的屏蔽层应在箱内跨接。B.B. 控制室盘、台、柜的接地控制室盘、台、柜的接地一般可遵循如下的原则：1 1）控

32、制室内的等电位连接网络至少通过两条路径和室外的共用接地网相连。等电位连接网络在共用接地网上的接地点离建筑物防雷的引下线的接地点以及和其他高电压、大电流电气设备的接地点之间沿接地体的长度宜大于15m,15m,地中的直线距离宜大于10m10m。2 2） 在控制室内的盘、 台、柜内应分类设置保护接地汇流排、 信号及屏蔽接地汇流排 （工 作接地汇流排）和本安接地汇流条。3 3）在控制室内，可设置接地汇总箱。箱内设置工作接地汇总板和保护接地汇总板。4 4） 由于工控机在出厂时已将工作接地和保护接地连在一起，将外壳上的任一颗螺丝连 在操作台内的保护接地汇流排上即可。5 5） 如果 DCSDCS 系统的通信

33、线路上设有电气隔离装置， 远程设备的接地汇流排可汇总到就 近的总接地板上。接地连接线规格接地连接线的规格应满足如下的要求：1 1）接地系统的导线应采用多股绞合铜芯绝缘电线或电缆。2 2）接地系统的导线应根据连接设备的数量和长度按下列数值范围选用：接地连线1 1（平方毫米）接地分干线4 41616 （平方毫米）接地干线10102525 （平方毫米）接地总干线16165050 （平方毫米）接地汇流排、连接板规格应满足如下的要求：1 1）接地汇流排宜采用 2525X6 6 的铜条制作。2 2） 接地汇总板和总接地板应采用铜板制作。铜板厚度不应小于6mm6mm 长宽尺寸按需要 确定。接地连接结构要求接

34、地连接结构应满足如下要求。1 1 ）所有接地连线在接到接地汇流排前均应良好绝缘；所有接地分干线在接到接地汇总 板前均应良好绝缘；所有接地干线在接到总接地板前均应良好绝缘。2 2）接地汇流排（汇流条） 、接地汇总板、总接地板应用绝缘支架固定。3 3）接地系统的各种连接应保证良好的导电性能。接地连线、接地分干线、接地干线、接地总干线与接地汇流排、接地汇总板的连接应采用铜接线片和镀锌钢质螺栓，并采用防松和防滑脱件，以保证连接的牢固可靠，或采用焊接。接地总干线和接地极的连接部分应分别 进行热镀锌或热镀锡。4 4）接地系统应设置耐久性的标识。标识的颜色为交替的黄绿色（见GB2681-1981GB2681

35、-1981电工成套装置中的颜色），符合 IECIEC 标准。几个接地案例的分析1 1）不屏蔽接地干线会带来干扰现象：某尿素装置 DCSDCS 系采用单独接地，但信号总是飘移不定。原因：后来发现，其接地干线长5050 米，从三楼沿外墙敷设到接地体，没有穿管屏蔽，过长的接地干线，如果没有屏蔽措施，接地干线就象是一根天线，可以接受大量的干扰信号，使系统无法稳定工作，乃至系统卡件发生故障。结论：接地干线应愈短愈好，必要时也应该采取屏蔽措施。2 2）保持和其它接地系统的距离（如图）现象：某玻璃装置的 DCSDCS 采用单独接地，发现信号干扰很大。原因：DCSDCS 的单独接地体和原有的接地网相距不到5

36、5 米。结论：若 DCSDCS 采用单独接地，其接地体和电气接地网相距必须大于5 5 米，和单独防雷接地体相距必须大于 2020 米。二楼 I1 1 1DCS甲憩機池厢百愷吐网图保持和其它接地系统的距离2 2）等电位接地也要考虑接地引入点（ ERPERP 的位置（见图）亍5十图接地引入点位置现象：某装置 DCSDCS 系统采用等电位接地，但信号中常常出现信号不明的波形。 原因：离 DCSDCS 的接地引入点不到 1010 米处有大功率电动机的接地点。结论：保持和防雷地、大电流高电压设备的接地点有不小于5 5 米的距离。有关接地系统实施过程中的几个问题关于 DCSDCS 机柜的对地浮空机柜对安装

37、地面的浮空，是指机柜柜体和安装地面间是否绝缘，而不是机柜不接地（如图）。图机柜对安装地面的不浮空由图可知，当机柜不浮空而且和安装槽钢间不绝缘时，有可能因两个接地点的地电位VaVa不等于 Vb,Vb,在 A-A-接地汇流排-接地连接线-机笼-机柜-B-B-安装槽钢之间形成环流， 这对 DCSDCS 会产生一定的干扰。干扰的大小和VaVa 与Vb之间的差值大小有关。所以在机柜和安装槽钢间进行绝缘处理是有利于系统抗干扰的。但在现场处理机柜和安装槽钢之间进行绝缘处理是一件很麻烦的事，既要在机柜和安装槽钢间加绝缘垫，而且还要在固定螺栓、机柜、安装槽钢间进行绝缘处理。如果将机柜的安 装槽钢作等电位接地，同

38、时将接地汇流排和槽钢相连，这样，一旦槽钢上出现高电压，可以 不通过系统直接释放（见图）。所以此时，机柜和安装槽钢间可以不作浮空处理。控制系统接地参考图 （图）图为控制系统接地参考图。其中有两点应予以说明：1 1）如共用接地网的接地电阻值不能满足控制系统的要求，则可另设接地体，再将该接 地体和共用接地网相连接。2 2）考虑到雷电反击（将在第 4 4 章详述），应将现场的变送器等设备的金属外壳或诸如金 属安装支架等自然接地体进行接地并和共用接地网相连接。关于接地体系统的形状为了让大电流（如雷电流）能均匀分布地流入大地， 从而使地中的电位降的梯度比较平 缓，应尽量采用环形或网形接地体系统。接地装置电

39、气连续性的测量电路检查接地装置电气连续性应采用至少为1A1A 的直流或交流的测试电流进行（见图）图中: :S S1-空气开关，250V,250V,脱扣器额定电流 3A3A;T T -220/24V-220/24V短路安全型变压器，200VA200VAV V -电压表，30V30V，级；接地体机釈DCS接业冷ET:喪送芦走曲图控制系统的等电电或机*金届储槽控制刎理扬就地仪視盘A A 电流表，10A10A,级；E E 一熔断器，15A15A;R R -可变绕线电阻器，Q,120W120W；S S2 2 按钮开关，15A15A。图接地装置电气连续性的测量电路测量步骤：1 1）将测量端连接到被测钢筋上

40、的预埋件上；2 2） 断开 S S2,将串入的可变绕线电阻器 R R 调至最大值；3 3）合上变压器 T T 一次侧电源后，从电压表 V V 上读取 U U;4 4）合上 S S 后，调节 R R 使电流表 A A 上的读数为 1A1A 左右，并读取 I I 和U2值；5 5）按下式计算测量电阻 r:r:r=r=（U UI-U2）/I-RL（）（注：R R 为测量连接线的电阻。）计算出的 r r 值为 1 1Q左右时，则满足要求。关于浮地所谓浮地是指电子系统的地线在电气上与建筑物的接地保持绝缘，两者之间的绝缘电 阻一般应在 5050 兆欧以上。浮地的优点是：1 1）建筑物接地系统中的电磁干扰不

41、会传递到电子设备上去；2 2）地电位的浮动对设备也没有影响。所以浮地可以提高设备的抗干扰能力。但浮地也带来了一些缺点，如：1 1）容易产生静电积累；2 2）当雷电感应较强时，外壳和其内部电子电路间可能会出现很高的电压将两者之间的 绝缘击穿，造成电子电路的损坏。接地工程的设计审查和验收接地工程的设计审查应包括：接地装置的结构和安装位置；接地体的埋设距离、深度、安装方法；接地装置的接地电阻； 接地装置的材质、连接方法、防腐处理。在进行接地工程验收时，应注意整个接地网外露部分的连接方法是否可靠，接地线规格是否正确，防腐层是否完好，标志是否齐全明显。验收时，应对接地系统的工频率接地电阻值进行测量并符合

42、设计要求，但不应在雨后测量接地电阻。最后，应提交完整的资料文件，包括竣工图、安装技术记录、测试记录等。独立接地和共用接地的孰是孰非控制系统应该是独立接地还是采用共用接地系统进行等电位连接，这个问题由来已久。 从几年前国内自控界的行业标准看，采用共用接地系统已经达成共识。然而，还有不少控制系统的制造商（包括国外一流的 DCSDCS 制造商），至今还在要求用户按独立接地进行设计施工。 孰是孰非似乎还没有统一。 本章对有关独立接地与共用接地的特点以及对它们的评价作一讨 论。接地方式的形态如果有几个并存的系统或设备需要接地时，接地的方式可以有如图所示那样的四种形 态：1 1）各个设备独立接地；2 2）

43、将独立接地的接地线连接在一起；3 3）几个设备共用接地；4 4）将接地线连接到共用接地网上。其中，图中的 a a 为独立接地，b b、c c、d d 均为共用接地。独立接地所谓独立接地就是各自进行接地施工的方式。理想的独立接地应该如图所示的那样， 如果有两个接地极，其中一个电极中不论流过怎样的电流，对另一个接地极就不应该发生电位上升的情况。从理论上讲，如果两个接地极之间的距离不是无限远的话，不能说它们是完全独立的。在这里介绍以棒状接地极（半径为7mm,c7mm,c 长度为 3m3m）为例，研究因工频接地电流I I 产生的电位上升（ V V 与间隔距离 S S 的关系（见图）。表为有工频接地电流

44、流入A A 接地极时，计算出 B B 接地极发生电位上升到容许值厶V V 的间隔距离（该数据引自1111）。表 独立接地的间隔距离（m）接地电流I（A）电位上升的容许值V25V50V1063635031832161006376432注：本表相对于电阻率为P=100 m如果大地的电阻率很高， 即使接地电流很小， 间隔距离也会增大。 由表所知，在实施独 立接地时，必须采取大的极间间隔。 在有限的场地内如有多个接地系统时， 要找到足够的接 地施工的空间是很困难的。V（a a）（b b）（c c）当然，在工程中只要把电位上升限制在一定范围内, 接地极其间距决定以下三个重要因素：1 1）流入接地极的电流

45、波形和其最大值；2 2） 电位上升的容许值；3 3）接地点土壤的电阻率。就可以看成是相互独立的。 此时的图接地极之间的相互干扰共用接地所谓共用接地就是把几个设备系统汇集在一起，连接到一个或几个接地点的共用接地 极上。本章以接地线连接到共用接地网上为例（图）进行讨论。在讨论共用接地网时，应该 把接地作为系统来考虑。共用接地的优点相对于独立接地，共用接地有如下的优点：1 1）因为是利用地下现有的诸如金属水管和建筑物的基础钢筋等做接地极， 所以接地线 少， 接地系统简单，维修检查容易。2 2）共用接地系统将各个接地极并联连接，此时的接地电阻值要比独立接地时小。3 3）即使有一个接地极失效，其它电极也

46、能补充，提高了接地的可靠性。4 4）因为可以减少接地电极的总数，故可节省设备施工的费用。5 5）如在爆炸危险场所，因电气设备故障或雷击会形成建筑物不同部位之间地电位差的存在，这时如意外连接不同地点的设备会产生电火花引起爆炸或损坏设备，无法保障人身和控制系统的安全。如采用共用接地系统，由于实现了等电位连接，建筑物各处均为等电位， 从而就可减小或避免这种危险的发生。6 6）由于建筑物各处均为等电位，减小了进入控制系统的共模干扰。共用接地存在的一个问题但共用接地也存在着一个问题，那就是电位上升而波及的危险。在共用接地的场合， 如果在共有接地设备中有一个发生接地电流，就会流入大地。这时因各个接地极总是

47、有些接地电阻，就会使接地点的电位上升。 如果是独立接地，由接地极引起的电位上升仅限于本身而不波及它极（这是理想的接地）。而如图所示共用接地，由接地电流引起的电位上升会波及到共用接地的全部设备。图共用接地的电位上升所以在实施共用接地的场合， 对于因共用接地而连接的全部设备必须要考虑发生的接地 电流的性质以及电位上升给系统带来的影响。接地电流的性质包括接地电流的大小和波形、持续时间的长短以及发生的概率。例如，由直击雷在外部避雷装置的接地系统上可以产生的电流达200kA200kA,频率高至 1MHz1MHz 但持续时间很短（卩 s s 级）。又如在设备电路和大地之间有大电容滤波器时，会有相当大的位移

48、电流流 向大地。又如大电流高电压的工频用电设备，会有漏电流长时间地流向大地等等。下面就该问题提出几个解决问题的方法。如何解决共用接地系统的电位上升可以有下列几种方法去解决共用接地系统的电位上升。1 1）降低共用接地系统的接地电阻如果共用接地系统的接地电阻很低，那么电位上升波及的危险不会有太大的问题。由 接地网的接地电阻的计算公式可知：、；（要降低共用接地系统的接地电阻，一可增加地网的总面积 果要把某共用接地网的接地电阻减小到原来的二分之一，倍，这在工程现场几乎是不可能的事。所以更多的是通过采用降阻剂来实现。如选用稀土防雷防腐降阻剂，其降阻有效率可在60%-60%- 90%90%之间。2 2）保

49、持和大的接地电流系统的接地点有一定的距离在共用接地网上，建筑物外部避雷装置的接地点和DCSDCS 的接地点，沿地下接地体的长度必须大于 1515 米。即经过 1515 米的距离，一般能沿接地体传播的雷电过电压衰能减到不足以危 及设备的绝缘。土壤的电阻率愈低，需要的该距离就愈小。S,S,二可降低土壤的电阻率P。如 则要将接地网面积增加到原来的四发生接地电流的设备Ri、R2：电极的接地电阻liRi、12R2:电位上升在共用接地网上，大电流、高电压用电设备的接地点和 DCSDCS 的接地点，沿地下接地体的长度必须大于 5 5 米。设备1信号线|设备2图雷电反击的原理图3 3）保证整个 DCSDCS

50、系统的所有接地点都在同一个共用接地网上如图所示，当建筑物 1 1 遭雷击时，由于强大的雷电流通过建筑物 1 1 的接地装置，可使建 筑物 1 1 内的设备1 1 电位上升数十万伏。如建筑物 2 2 内的设备 2 2 系独立接地且离开建筑物 1 1 又有相当距离的话，由于设备 2 2 和设备 1 1 之间有信号线相连，强大的地电位差会在设备 2 2 和设备 1 1 之间产生闪络（反击）使设备 1 1、设备 2 2 损坏。在石油化工企业里，有许多金属塔器是直接利用其金属壁作引下线的，而金属塔器上又有许多测量元件和变送器，高的金属塔器一当遭到雷击，由于强大的雷电流通过金属塔的接 地装置，使位于金属塔

51、上的测量元件和变送器的电位随整个塔上升。如此时 DCSDCS 是独立接地的话，DCSDCS 系统和测量元件、变送器之间便会产生闪络（反击）使测量元件和变送器、DCSDCS损坏。为了防止产生反击，应把避雷装置和DCSDCS 的接地装置都连接到共用接地网上。用建筑物结构体作共用接地网在接地极中，可以采用棒状、线状、板状等人工接地极，也可利用水管等作自然接地 极。所谓自然接地极并不是那种以接地为目的的施工物体，而是将与大地接触的导电物体来代替接地极使用的，如水管等。以前使用的水管多半为金属管，但近几年来水管用合成树脂制成，它已经不能作为代用接地极了。于是有人就想利用建筑结构体位于地表下部分的钢筋作自

52、然接地极。最初提出该想法的是美国的电极”的名称便由此而来。建筑结构体接地的必要条件是结构体必须为钢架、钢筋混凝土制造，而不是砂浆或木造的。钢架和钢筋本身有很好的导电性，而且贯穿到整个建筑物并通过混凝土与大地接触。只要混凝土不是绝对的绝缘物，从宏观上可以认为结构体就是一个接地极。建筑结构体的电气特性在钢架造、钢筋混凝土造和钢架- -钢筋混凝土造的建筑物中，其本体结构无疑是牢固的，即柱或梁等都是相互紧密结合。但是建筑物结构体的各个部分是否以很低的电阻互相连接着 呢换言之，建筑物结构体是否是一个以导体构成的“电笼”（cagecage ）。钢架造的大厦，因钢架之间是用铆钉或螺栓连接的，无疑是一个电笼。

53、而对于钢筋混凝土结构的大厦，混凝土中主筋和箍筋就未必是连接的，所以有人就怀疑它不是电笼。在混凝土中钢筋和钢筋之间虽然是分离的，但是钢筋之间却充满了混凝土。从外观上看，混凝土如同坚硬的石头，但它比一般的岩石吸水性大，因此，处于湿润状态的混凝土的电阻率相当低。 再加上躯体或柱有很大的截面积，所以即使是钢筋混凝土造的大厦，结构体的各部分也是以低电阻连接的，可以将它看成是电笼。实测某钢架造的高层大厦结构体电阻，从顶层到地下一层的直流电阻是1010-3Q。用双电桥测钢筋混凝土结构的三层楼结构体的电阻的直流电阻是1010-2Q左右。所以“电笼”必须满足下列的两个条件：1 1）建筑物必须是钢架造、钢筋混凝土

54、造、钢架造- -钢筋混凝土造，而且要有相当大的地下部分与大地接触的面积。2 2）施工地点的土壤电阻率要低到一定的程度。建筑结构体的接地电阻地上建筑部分部分图建筑结构体建筑结构体的地表下部分与大地接触着（见图），设结构体与大地的接触面积（包括结构体的底面积与侧面积的总和）为A A（m m2），土壤电阻率为p（Q m m）,则其接地电阻为：由式可知，结构体与大地的接触面积A A 愈大，接地电阻就愈小。表为结构体接地的实测例子。通过上述的讨论可知， 由于共用接地系统相对与独立接地有众多的优点，加之它又可以克服因接地电流给系统带来电位上升的影响，所以DCSDCS 应该采用共用接地系统。表结构体接地的实

55、测例子（日本）地下建筑an0.4()大厦名层数总建筑 面积m地下层的地面面积m结构结构体的接地电阻Q新大谷饭店地上17层地下3层102,5009,470钢架钢筋混凝土造东京电业会馆地上4层地下1层1,767480钢筋混凝土造千叶大学工学部地上4层地下1层2,354576钢筋混凝土造大阪合同厅舍3号楼地上15层地下3层39,5793,405钢架钢筋混凝土造迎宾馆地上2层地下1层15,3555,260钢架砖砌东亚不动产新侨大厦地上15层地下3层52,0154,742钢架钢筋混凝土造建筑物防雷区等电位连接及共用接地系统图为GB50343-2004GB50343-2004 建筑物电子信息系统防雷技术规

56、范推荐的建筑物内的共用接地 系统。在建筑物内的地下层部分设置了总的等电位接地端子板，该等电位接地端子板和建筑物内的结构钢筋相连。各楼层分别设置了保护地（P P 日和工作地的等电位接地端子板。图中，工作地总干线和各楼层的钢筋实行了等电位连接，而保护地总干线却没有和各楼 层的钢筋进行等电位连接。为此，有人提出异议，一种认为，两条总干线均应和各楼层的钢 筋实行等电位连接；还有一种观点认为，保护地总干线应和各楼层的钢筋实行等电位连接， 而工作地没有必要。当建筑物采取总等电位连接措施后，各等电位连接网络均与共用接地系统有直通大地的可靠连接，每个电子信息系统的等电位连接网络，不宜再设单独的接地引下线接至总

57、等电位接地端子板，而宜将各个等电位连接网络用接地线引至本楼层或电气竖井内的等电位接地端 子板。等电位连接与共用接地系统是内部防雷措施中两种不同而又密切相关的重要措施，其目的都是为了避免在需要防雷的空间内发生生命危险，减小电子信息系统因雷击而中断正常工作、发生火灾等事故。图 3逮筑枸防雷区等电也谨播及氏用按地聚统示竞 If电诂/电Fl氏显LPZiJMEBi卫星疋红LPZ2电 H 豆H按地F纯N层层H层控.II： rlliriZ?-11;.丽litMEB总等嚥位嶺坦厉子扳淹按円钢抵检11点利甲棊吐恳 tt丹诃 ft 嶽 尊验装置I有匪电祁前鬲希无谟7777:7ln?tnJE电博保护战迪壤进出宅龌甘

58、肩护妄蔽览总尊电也揍删于杭 垮呈半电伫卑丸焙于宦哼讦軋0-XLttmo.口hPSl制用U内主醫诧引下池、电源 PE 祓/总配爼矍9图 建筑物防雷区等电位连接及共用接地系统接地技术面临的挑战接地和“引雷入地”技术发明的真正鼻祖，应追溯到 300300 年前，来华传教士、葡萄牙人 安文斯（ 1609-16771609-1677 ）在中国的十二大奇迹一书中对中国建筑的特点和渊源的述说。他 在书中介绍，屋顶脊吻龙上的金属条一端插入地里，这样，当闪电落在屋上或皇宫时， 闪电 就被龙舌引向金属条通路， 并且直奔地下消散， 因而不致伤害人 （见林清凉、 戴念祖著的 “电 磁学”）。他的记述比起 175317

59、53 年美国科学家富兰克林在进行雷电试验时，在大地上安装了接 线端子，即实施了所谓的接地，要早一个世纪。接地作为由中国人开创的一种应用技术， 在电气、 电子、 控制等行业里的功能似乎是无 可非议的。 但是近些年， 在这个古老而又在不断发展的技术领域内， 在中国的接地工程界里 却出现了一些令众家而争鸣的大问题。现不妨简要地予以介绍。“接地电阻不可测，应予废除”权威著作辞海对接地电阻的定义是： “接地体对地电阻和接地引线电阻的和，数值 上等于接地装置对地电压与通过接地体流入地中电流的比值。 ”这个定义似乎很严谨，但在 实践中难以测量。全国雷电防护标准化技术委员会制定的 信息系统雷电防护术语 对接地

60、电阻的定义是： “接地极与零的远方接地极之间的欧姆定律值。 ” 这个定义在措辞上比 辞海更严谨一点， 但仍然没有可操作性。我们在前面， 已经介绍了由日本高桥健彦对接地电阻所作出的定量的定义。 在这个定义 里，实际上存在着两个值得思考的问题：1 1）电阻的最初概念是来自欧姆定律，即R=U/IR=U/I 。欧姆定律的适用范围是金属导体，而土壤并不是金属导体，所以用欧姆定律来定义接地电阻是不适宜的。2 2）欧姆定律只用于电路，而土壤层不是“路”，而应该是“场” 。20022002 年黑龙江省防雷中心六名技术人员用一台从日本进口的高级地阻测试仪对一个建筑物地网进行了 2828 次测量，测得的数据共 1