張毅 蒯翀 楊冬磊 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

信息綜合大樓防雷接地的種類及作用

張毅 蒯翀 楊冬磊 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

接地按種類分有防雷接地、保護(hù)接地、工作接地、防靜電接地和屏蔽接地等。信息綜合大樓的接地種類最為復(fù)雜。在信息綜合大樓中，為防止雜散分布電容耦合、靜電及沖擊電流的影響，保證信息綜合大樓穩(wěn)定可靠工作，保證操作人員安全，建立一個(gè)良好的接地系統(tǒng)是十分必要的。GB 50174-93《電子計(jì)算機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定：交流工作接地、安全保護(hù)接地、直流工作接地、防雷保護(hù)接地等四種接地宜共用一組接地裝置，其接地電阻按其中最小值確定。信息綜合大樓內(nèi)的接地一般包括工作接地和保護(hù)接地。工作接地分為直流工作接地和交流工作接地。直流工作接地有懸浮接地、直接接地、串聯(lián)接地、并聯(lián)接地、網(wǎng)絡(luò)接地、數(shù)字地和模擬地。保護(hù)接地分為防雷保護(hù)接地和安全保護(hù)接地。安全保護(hù)接地有屏蔽接地和靜電接地。

1 信息綜合大樓接地種類及作用

下面針對(duì)上述的各種接地方式依次進(jìn)行分析。

1.1 工作接地

1.1.1 直流工作接地

直流地是指信息綜合大樓中直流電源的地線，就是計(jì)算機(jī)本身的邏輯參考地，即信息綜合大樓中數(shù)字電路的等電位地，放大器采樣/保持器以及A/D轉(zhuǎn)換器輸入信號(hào)的零電位（稱為模擬地）；傳感器的地（稱為信號(hào)地），目的是保證控制系統(tǒng)電路工作時(shí)有一個(gè)統(tǒng)一的基準(zhǔn)電位，不致因零電位浮動(dòng)而引起信號(hào)誤差。在具備統(tǒng)一的基準(zhǔn)電位時(shí)，還可防止外界電磁場(chǎng)干擾。這個(gè)基準(zhǔn)電位點(diǎn)或面對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)參考面，不一定就是大地零電位，本身可能帶電，因此等電位點(diǎn)又稱工作地。這個(gè)工作地只是用來(lái)描述具有零伏電位的有關(guān)系統(tǒng)接到基準(zhǔn)點(diǎn)、線或平面上。由于零電流接地故障和短路電流的短時(shí)出現(xiàn)，該零伏電位基準(zhǔn)點(diǎn)、線或平面對(duì)遠(yuǎn)處的大地來(lái)講，可能具有很高的電位，但對(duì)有關(guān)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)仍然是零伏電位。

1.1.2 懸浮接地

當(dāng)該工作地不直接接地時(shí)，稱為懸浮接地。當(dāng)工作地與大地之間的絕緣電阻值大于1 MΩ時(shí)，可以認(rèn)為直流工作接地是懸浮的。懸浮接地的優(yōu)點(diǎn)是，可以避免電路之間產(chǎn)生導(dǎo)電性電磁干擾而引起地環(huán)路和電氣噪聲。懸浮接地適用于雜散分布電容耦合通路可忽略不計(jì)和頻率較低的情況。

1.1.3 直接接地

當(dāng)該工作地經(jīng)一低阻抗通路接至大地時(shí)，稱為直接接地。當(dāng)懸浮接地不滿足上述條件時(shí)，就必須采用其他接地形式，通常采用直流直接接地的做法。直流地的接地電阻原則上越小越好，就目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)看，一般小于1 Ω。主要有三種處理方法：（1）串聯(lián)接地：將信息綜合大樓中各設(shè)備的直流工作接地以串聯(lián)的方式接至直流地母線上。（2）并聯(lián)接地：將信息綜合大樓中各設(shè)備的直流地并聯(lián)接至直流地母線上。（3）網(wǎng)絡(luò)接地：利用一定面積的銅排在活動(dòng)地板下組成銅排網(wǎng)絡(luò)。為了保證絕緣，銅排網(wǎng)下需墊2～3 mm厚的絕緣橡皮或其他絕緣物體。各設(shè)備的直流工作接地接至網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)與接地體相連。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)邊長(zhǎng)等于30 MHz電磁波的波長(zhǎng)，0.5 m時(shí)，對(duì)從直流到30 MHz的所有頻率，在接地網(wǎng)上任何兩點(diǎn)之間幾乎沒(méi)有電位差。以上三種接地方式的采用，應(yīng)根據(jù)機(jī)房面積、計(jì)算機(jī)的工作性質(zhì)、干擾源的情況和計(jì)算機(jī)廠家安裝要求等實(shí)際情況綜合加以確定。

1.1.4 數(shù)字地和模擬地

在信息綜合大樓中，數(shù)字地和模擬地都是直流工作地，但在系統(tǒng)內(nèi)部必須分別接地。即使同一芯片上有兩種地也要分別進(jìn)行接地，然后僅在一點(diǎn)處把兩種地連接起來(lái)。否則，數(shù)字電路通過(guò)模擬電路的地線再返回到數(shù)字電路將會(huì)對(duì)模擬信號(hào)產(chǎn)生影響。

1.1.5 交流工作接地

交流工作接地又稱功率地，是控制系統(tǒng)中交流電源及交流大電流電路的接地，其性質(zhì)和電力系統(tǒng)中是一樣的。實(shí)際上就是低壓電力系統(tǒng)中的交流電力變壓器地，屬于大電流系統(tǒng)的地，這樣做的目的只有一個(gè)：安全。這個(gè)地有兩個(gè)作用：（1）通過(guò)低阻抗導(dǎo)體把所有設(shè)備連接在一起，并把這個(gè)系統(tǒng)接到接地裝置上去，于是，所有設(shè)備具有同樣的電位，且此電位是地電位。這樣即使在故障狀態(tài)下，任何兩個(gè)暴露的非帶電金屬之間或非帶電金屬與地之間都不存在不安全的電位差。（2）設(shè)備接地為故障電流提供了一條安全的低阻抗返回通路，可以讓過(guò)電流裝置快速切除故障，使損壞減至最小。同時(shí)，又保證電路的干擾信號(hào)泄漏到大地中，不致干擾靈敏的信號(hào)電路或測(cè)量回路。對(duì)于直流地來(lái)說(shuō)它是噪聲地。我國(guó)通用電氣規(guī)程規(guī)定：交流工作地的接地電阻應(yīng)小于4 Ω。

1.2 保護(hù)接地

保護(hù)接地的作用是，避免操作人員因電子設(shè)備的絕緣損壞或下降時(shí)遭受觸電的危險(xiǎn)，并保證設(shè)備的安全。

1.2.1 安全保護(hù)接地

安全保護(hù)接地簡(jiǎn)稱安全地。電力設(shè)備的金屬外殼由于進(jìn)線電源絕緣被損壞有可能帶上危險(xiǎn)相電壓。為了防止這種危險(xiǎn)電壓危及人身和設(shè)備安全，將正常工作時(shí)不帶電的金屬外殼如機(jī)柜外殼、元件外殼等接地。其優(yōu)點(diǎn)：機(jī)殼接地可使高頻干擾電壓形成低阻抗通路，防止其對(duì)電子電路的干擾。根據(jù)我國(guó)供電接線方式、特點(diǎn)的不同，安全性接地有五種形式：tn-c系統(tǒng)、tn-s系統(tǒng)、tn-c-s系統(tǒng)、it系統(tǒng)、tt系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)外的計(jì)算機(jī)安全接地多采用tn-s系統(tǒng)和tt系統(tǒng)方式。安全保護(hù)接地電阻應(yīng)小于4 Ω。

1.2.1.1 靜電接地

靜電接地是為了消除計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的靜電電荷而設(shè)的一種接地。由于機(jī)房?jī)?nèi)的濕度一般不低于50%，且機(jī)房?jī)?nèi)大都采用抗靜電活動(dòng)地板，產(chǎn)生靜電的可能性較小，因而，通常可不設(shè)此接地。其接地電阻一般應(yīng)小于10 Ω。

1.2.1.2 屏蔽接地

屏蔽接地多用于通訊系統(tǒng)，即將設(shè)備屏蔽體和大地之間用低阻導(dǎo)線連接起來(lái)，為高頻干擾信號(hào)提供電氣通路，其作用有兩點(diǎn)：

1）防止計(jì)算機(jī)處理的信息被竊??；

2）防止外界電磁場(chǎng)干擾計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。其接地電阻一般應(yīng)小于2 Ω。屏蔽接地已包含在計(jì)算機(jī)機(jī)殼的安全保護(hù)接地內(nèi)，設(shè)計(jì)時(shí)一般不再另設(shè)。

1.2.2 防雷保護(hù)接地

防雷保護(hù)接地應(yīng)實(shí)施等電位聯(lián)結(jié)及共用接地系統(tǒng)。電子信息設(shè)備各個(gè)部位的工作是通過(guò)微電位或者是微電流來(lái)進(jìn)行的，在其進(jìn)行工作的過(guò)程中極其容易受到靜電及其他電場(chǎng)的干擾，從而導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行的遇阻。而等電位聯(lián)結(jié)及共用接地系統(tǒng)則可以通過(guò)避免信號(hào)接地的閉合回路形成，減少共模形態(tài)雜信號(hào)的產(chǎn)生，從而消除靜電及電場(chǎng)干擾。首先，將信息設(shè)備所有的外漏導(dǎo)電部位建立等電位的聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)，或者使用S 型單點(diǎn)接地，或者使用M 型多點(diǎn)接地，總之要發(fā)揮等電位聯(lián)結(jié)對(duì)于接地系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。再者，工作人員還要將銅質(zhì)的等電位聯(lián)結(jié)線與PE 線壓接在一起，避免產(chǎn)生過(guò)多的電阻，不利于雷電的疏散。

2 計(jì)算機(jī)接地系統(tǒng)的接地方式及作用

此處的接地系統(tǒng)是指信息綜合大樓的交流工作接地、直流工作接地、安全保護(hù)接地、防雷保護(hù)接地與大地之間的關(guān)系。接地系統(tǒng)的接地方式可分為兩類：獨(dú)立接地和共用接地。下面分別加以論述。

2.1 獨(dú)立接地

每種接地分別接到獨(dú)立的接地裝置，其中部分接地通過(guò)接地母線相連分別接至獨(dú)立的接地裝置。由于獨(dú)立接地表面看上去較完美，但在實(shí)際工程中投資高，施工困難，除非在特定條件下非這樣做不可時(shí)才采用這種接地系統(tǒng)。

1）直流工作接地懸浮時(shí)諸地間的關(guān)系：當(dāng)信息綜合大樓的直流地懸浮時(shí)，除防雷接地外其他諸地可分別接在同一母線上再接至接地裝置。為了防止反擊現(xiàn)象，要求接地裝置與防雷接地裝置的距離大于5 m。

2）直流直接接地時(shí)諸地間的關(guān)系：（1）直流地和防雷地各自獨(dú)立，安全地和交流地共用一個(gè)接地裝置。但是施工中這三個(gè)接地裝置真正做到電氣上的相互獨(dú)立是難以實(shí)現(xiàn)的；（2）直流地、交流地和安全地共用一個(gè)接地裝置，防雷地為單獨(dú)接地裝置。其優(yōu)點(diǎn)：施工方便、投資少，目前的工程實(shí)踐中采用較多，但必須滿足兩個(gè)接地裝置之間距離大于5 m的要求；（3）計(jì)算機(jī)直流地和安全地共用一個(gè)接地裝置，其他動(dòng)力設(shè)備與計(jì)算機(jī)設(shè)備的交流地共用一個(gè)接地裝置，防雷地為單獨(dú)接地裝置。其優(yōu)點(diǎn)：可避免非計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)力設(shè)備對(duì)計(jì)算機(jī)的交流信號(hào)干擾。要求三個(gè)獨(dú)立接地裝置相互間距離應(yīng)大于5 m。

2.2 共用接地

從電氣安全的觀點(diǎn)看，最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的措施是采用等電位聯(lián)結(jié)，而總等電位聯(lián)結(jié)實(shí)際上就是共用接地，即將一幢建筑物的各種接地裝置共同連接到一個(gè)接地裝置上。否則，當(dāng)防雷裝置遭雷擊時(shí)其電位升高（最高可達(dá)百萬(wàn)伏級(jí)），使人身遭受電擊或引發(fā)火災(zāi)、損環(huán)設(shè)備等事故的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于采用共用接地的情況。另外，當(dāng)220/380 V系統(tǒng)發(fā)生相線設(shè)備外殼的接地故障時(shí)，而保護(hù)開(kāi)關(guān)未能及時(shí)跳開(kāi)故障點(diǎn)，勢(shì)必在接地的電氣裝置外露可導(dǎo)電部分與其他獨(dú)立接地的金屬體之間存在很高的危險(xiǎn)電壓。共用接地在施工中應(yīng)該注意：各種接地在采用單點(diǎn)或多點(diǎn)接地時(shí)共用一個(gè)接地裝置，但不能隨意連接。正確的連接方法是：各設(shè)備或箱柜中的各種接地分別接至各自的接地母線上，然后將這些母線分別接到接地裝置上。在這之前設(shè)備的接地分支線和接地母線應(yīng)嚴(yán)格絕緣。共用接地的連接形式分三種：（1）單點(diǎn)接地：電路中某一點(diǎn)被定義為零電位基準(zhǔn)點(diǎn)，信息綜合大樓中所有零電位接地點(diǎn)都直接接到它上面。當(dāng)系統(tǒng)有多臺(tái)箱柜時(shí)，每一個(gè)箱柜及其電子電路的接地可以與其他箱柜分開(kāi)，各箱柜的接地僅在整個(gè)系統(tǒng)的接地基準(zhǔn)點(diǎn)連接。其優(yōu)點(diǎn)：消除了公共阻抗耦合和低頻接地環(huán)路，使其工作于小于1 MHz的頻率；（2）多點(diǎn)接地：每一接地以最短連線連到零伏電位接地基準(zhǔn)平面上，使接地線的申聯(lián)電阻和駐波效應(yīng)減到最小。這個(gè)基準(zhǔn)面可以是一臺(tái)設(shè)備的外殼，當(dāng)采用多臺(tái)設(shè)備時(shí)也可以是布遍整個(gè)系統(tǒng)的接地網(wǎng)（線）。其優(yōu)點(diǎn)：可應(yīng)用于頻率大于（等于）10 MHz的高頻電路，施工時(shí)接地連接比單點(diǎn)接地易實(shí)現(xiàn)，而且高頻下駐波效應(yīng)可減至最?。唬?）混合接地：多點(diǎn)和單點(diǎn)接地同時(shí)存在的接地方式。其特點(diǎn)：這種接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，施工較容易，但該系統(tǒng)不夠安全，故國(guó)內(nèi)外很少采用這種接地系統(tǒng)。

3 結(jié)語(yǔ)

防雷接地系統(tǒng)的設(shè)置對(duì)于電子信息系統(tǒng)的保護(hù)是非常必要的，因此，電子信息設(shè)備保護(hù)人員在對(duì)電子信息設(shè)備實(shí)施了必要的保護(hù)之后，還要針對(duì)電子信息設(shè)備具體使用環(huán)境的特點(diǎn)采取必要的措施，以實(shí)現(xiàn)對(duì)于電子信息設(shè)備的有效保護(hù)。

［1］工業(yè)和信息化部. GB 50174-2008電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范［S］. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

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