錢紅艷， 李龍剛， 李志鵬

（北京市特種工程設計研究院， 北京 100028）

1 引言

航天發(fā)射場（簡稱發(fā)射場）接地系統(tǒng)主要指發(fā)射場各地面設施的接地系統(tǒng)。 地面設施指火箭、航天器（衛(wèi)星、飛船、空間站等）測試、裝配技術廠房、相關燃料庫房、火箭發(fā)射用的發(fā)射塔架及火箭加注、發(fā)射指揮及其附屬用房，主要用于火箭、航天器及航天員系統(tǒng)等測試、發(fā)射控制設備在發(fā)射場進行相關測試、發(fā)射的工作場所。

中國發(fā)射場始建于20 世紀中期，當時沒有專門的接地技術規(guī)范指導，地面設施內火箭、航天器等設備內部結構及工藝相對復雜，依據(jù)蘇聯(lián)經驗，各類工藝信號接地系統(tǒng)必須設置獨立接地系統(tǒng)，接地電阻不大于1 Ω；各工藝信號獨立接地裝置距離其他接地系統(tǒng)的接地裝置不應少于20 m；發(fā)射場一個地面設施往往有多處獨立接地裝置，占地面積較大。 隨著發(fā)射場規(guī)模的不斷擴大，各獨立接地裝置日常維護也較為繁瑣。

隨著國內外相關技術發(fā)展，發(fā)射場火箭、航天器測試、發(fā)射等用電設備中，電子信息設備和集成電路、數(shù)據(jù)傳輸?shù)仍骷迷絹碓蕉啵跍y試或運行過程中信號不正?；虍惓嚯姷裙收蠋茁室蚕鄳黾?，故障分析往往歸結于其接地系統(tǒng)的干擾信號竄到測試設備的信號接地線路上，影響正常測試。 這些故障復現(xiàn)、排查比較困難，如某次發(fā)射任務，某控制系統(tǒng)信號燈異常點亮的故障歸結為控制單元集成電路受到接地系統(tǒng)信號干擾所造成，但是該故障一直無法復現(xiàn)，影響發(fā)射任務進程。 建立一個既滿足中國航天發(fā)射場火箭、航天器、航天員測試等各類工藝用電設備接地需求，又滿足國家現(xiàn)行規(guī)范的接地系統(tǒng)模式勢在必行。

本文在多年來發(fā)射場接地技術等相關課題研究、工程設計、任務技術保障及故障分析等工作的基礎上，結合國內外接地技術的發(fā)展線路和對火箭、航天器、航天員系統(tǒng)用電設備的相關調研，對中國航天發(fā)射場各類接地系統(tǒng)，特別是對各類工藝信號接地進行梳理分析，確定適合航天發(fā)射場的接地系統(tǒng)模式。

2 接地系統(tǒng)

2.1 接地基本概念及功能

地球是一個導體，為避免用電設備與大地之間產生電位差進行電氣連接，消除因電位差產生的電氣災害，從而保證人員或用電設備安全。 接地最初是工程領域的專業(yè)術語，是指電力系統(tǒng)設備或建筑物中的電氣裝置、設備的導電部分，經接地線接至接地裝置，實現(xiàn)與大地（地球）保持良好的電連接［1］。 國際電工標準委員會標準（Interna?tional Electro Technical Commission， ICE） 采 用earthing 這個英文單詞。 地球具有非常大的電容量，無論向其注入多大電流或電荷，在穩(wěn)態(tài)時其電位都為零，因此，地球是一個理想的零電位面（體），本文稱此類接地為工程接地。 隨著電子信息技術的發(fā)展，接地的定義發(fā)生了延展，在電子、計算機類設備領域內出現(xiàn)了ground 這個英文單詞，中文也是接地的含義，但英文的含義與earth不完全一樣。 這里主要指一些電子、集成電路類用電設備內的電路或系統(tǒng)的連接到參考導體上，作為電路中各信號電平零電位參考點。 這個電位參考點不一定是實際的大地（地球），可以是設備的外殼或其他金屬導體，本文稱此類接地為設備信號接地。

工程接地主要作用是建立與大地相連的低阻抗通路，作為供電系統(tǒng)電源中性點，雷擊電流、靜電放電電流、供電系統(tǒng)接地故障電流或用電設備的漏電電流從接地通路直接流入大地，不影響設備或系統(tǒng)的正常運行及人員安全。 設備信號接地的目的主要是設備或系統(tǒng)的各部分都連接到一個公共點或等位面，以便有一個公共的參考電位，消除各電路之間可能存在的干擾電壓，同時也為各電路提供一個返回信號通路，提高電磁兼容的性能。 不管是工程接地還是設備信號接地，按照功能可以分成兩類：一類是保障設備運行或人員安全的，稱為安全保護性接地；另一類是設備電流信號正?；芈返囊徊糠?，稱為功能性接地。

2.2 發(fā)射場接地系統(tǒng)

2.2.1 接地系統(tǒng)分類接地系統(tǒng)根據(jù)用途通?？梢苑譃橐韵?類［2］：第1 類是電力系統(tǒng)變配電設備為運行需要設置的接地，稱為供配電系統(tǒng)工作接地系統(tǒng)，如電力變壓器、柴油發(fā)電機等設備的中性點接地；第2類是用電設備保護接地，變配電裝置和用電設備的金屬外殼等由于絕緣損壞可能帶電，為防止其危及人身和設備的安全而設置的接地系統(tǒng)；第3類是防雷接地，指建筑物屋頂防雷接閃器、防雷引下線及接地裝置構成通路，使雷擊電流沿指定通路快速導入大地，從而保護建筑物不受雷擊危害；第4 類是防靜電接地，指防止靜電電荷在易燃、易爆等設施或場所帶來的危險而設置的接地，成為防靜電接地系統(tǒng)。

2.2.2 發(fā)射場接地系統(tǒng)分類

發(fā)射場接地系統(tǒng)除了供配電系統(tǒng)工作接地、用電設備保護接地、防雷接地、防靜電接地等常規(guī)4 類接地系統(tǒng)外，還包括2 類發(fā)射場特有的接地系統(tǒng)：工藝信號接地和發(fā)射場系統(tǒng)信號接地。 工藝信號接地指是火箭、航天器（衛(wèi)星、飛船、空間站等）、航天員系統(tǒng)用電設備的工作（系統(tǒng)）接地。其中，火箭信號接地又可細分為控制、動力、測量及遙測信號4 類信號接地（接地系統(tǒng)需要分開設置）。 發(fā)射場系統(tǒng)信號接地是指火箭發(fā)射指揮、監(jiān)控系統(tǒng)、火箭和航天器燃料加注系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、氣象系統(tǒng)、特燃特氣保障系統(tǒng)、技術勤務系統(tǒng)和測控通信系統(tǒng)等用電設備的工作接地。 發(fā)射場共計6 大類接地系統(tǒng)，也可以細分為10 類接地系統(tǒng)，如圖1 所示。

按照接地系統(tǒng)功能劃分，發(fā)射場電氣設備保護接地、防靜電接地及防雷接地屬于安全保護性接地；供配電系統(tǒng)工作接地、各工藝信號接地和發(fā)射場系統(tǒng)信號接地屬于功能性接地。

3 發(fā)射場接地系統(tǒng)分析

3.1 常規(guī)接地系統(tǒng)模式及分析

接地系統(tǒng)一般由設備接地端子、接地線和接地裝置組成。 接地裝置是指埋入地中并直接與大地接觸的金屬導體，建筑物基礎內直接與大地接觸的鋼筋或其他金屬構件也可以作為接地裝置的一部分。 接地線指電氣裝置、設備的接地端子與接地裝置連接的金屬導體，可以是絕緣導體，也可以是裸金屬導體。

隨著計算機、電子設備供配電技術和電磁干擾技術的不斷發(fā)展，中國工程建設中建筑物通常采用各類接地系統(tǒng)共用接地裝置這種接地模式，如圖2 所示。 各類接地系統(tǒng)共用接地裝置接地是指一個建筑物的供配電系統(tǒng)工作接地、電氣設備保護接地、防雷接地和防靜電接地等系統(tǒng)與同一個接地裝置連接來實現(xiàn)各系統(tǒng)接地。 這種接地模式原理是把共用接地裝置作為一個以大地作為參考的等電位面，各類接地系統(tǒng)都以此等電位面為參考點。 共用接地裝置的優(yōu)勢是根據(jù)電流特性原理，各接地系統(tǒng)的雜散電流應沿著低電位方向流動至大地（共用接地裝置），接地線路上產生的干擾信號電流一般會沿相連接的導體流向大地，從而有效減少用電設備或系統(tǒng)之間雜散電流的相互干擾，這也是國內建筑工程最常用的一種接地模式。

圖2 常規(guī)接地系統(tǒng)模式Fig.2 Conventional earthing system mode

3.2 發(fā)射場工藝信號接地模式及分析

3.2.1 工藝信號獨立接地模式存在問題

發(fā)射場建設初期工藝信號接地系統(tǒng)獨立接地模式在工程采用措施可以達到絕緣要求，正常情況下受到雷電或其他設備的電磁干擾時，不會產生干擾，但是獨立接地裝置運行多年后，隨著土壤的腐蝕變化，接地裝置的絕緣阻值隨著時間增長慢慢下降，甚至失效，獨立接地裝置之間存在一定電位差，當受到雷擊或其他設備的電磁干擾時，會產生電壓及雜散電流，從而影響火箭、航天器等用電設備正常運行。

隨著發(fā)射場建設規(guī)模的不斷擴大，新建的地面設施的體量和占地面積不斷增加，現(xiàn)有地面設施也會根據(jù)需求進行擴建，各類工藝信號獨立接地裝置的技術要求在實際工程建設中越來越難以實現(xiàn)，特別是地面設施在進行改擴建時，受到土建環(huán)境、施工工藝制約，很難實現(xiàn)甚至無法實現(xiàn)。

20 世紀后期，中國接地技術進一步發(fā)展，相關規(guī)范的不斷完善，獨立接地裝置已經被共用接地裝置的理念替代，GB50057－2010《建筑物防雷設計規(guī)范》、GB51204－2016《建筑電氣工程電磁兼容技術規(guī)范》等相關規(guī)范規(guī)定或推薦建筑物各接地系統(tǒng)采用共用接地裝置。 發(fā)射場的地面設施在改造或新建過程中逐步采用各類接地系統(tǒng)共用一個接地裝置，并實施等電位聯(lián)結的接地模式，但是發(fā)射場各工藝信號獨立接地要求與規(guī)范規(guī)定存在一定的矛盾，給工程實際設計實施及系統(tǒng)運行造成了一定困難。

3.2.2 工藝信號共用接地裝置可行性分析

發(fā)射場建設初期，場區(qū)220 V／380 V 低壓供電系統(tǒng)的接地形式是TN?C 系統(tǒng)［3］220 V／380 V，俗稱接零系統(tǒng)，如圖3 所示。 即N 線（電源中性點接地線）與PE 線（用電設備外漏導電部分接地保護線）共用，稱為PEN 線，PEN 線上存在三相不平衡電流，這也是發(fā)射場的工藝信號接地采用獨立接地裝置的一個原因。

圖3 TN?C 系統(tǒng)接地示意圖Fig.3 Earthing mode of TN?C system

隨著供電系統(tǒng)技術發(fā)展，中國220 V／380 V低壓供電系統(tǒng)的接地形式改為TN?S 系統(tǒng)，在全系統(tǒng)內N 線與PE 線分開，如圖4 所示。

圖4 TN?S 系統(tǒng)接地示意圖Fig.4 Earthing mode of TN?S system

在TN?S 系統(tǒng)內，220 V／380 V 電氣設備的金屬外殼增加了專用接地端子（線），避免了電氣設備絕緣破壞，導致外殼帶電，危害人員，進一步提高了人員安全性。 電氣設備基本都在建筑物內是通過低壓供電系統(tǒng)的PE 線來實現(xiàn)電氣設備的金屬外殼接地，即用電設備接地保護系統(tǒng)。 發(fā)射場220 V／380 V 電氣設備包括工藝設備都設有接地端子（線），通過低壓供電系統(tǒng)的PE 線實現(xiàn)接地。電設備接地系統(tǒng)采用共用接地模式，如果發(fā)射場工藝設備內部的工藝信號接地與外殼保護接地是連通的，工藝信號接地系統(tǒng)采用獨立接地模式，則2 個接地裝置之間的電位不同，順著各自接地線就可能導致工藝設備內部產生一個電壓，可能會給設備運行帶來一定的影響。

近年來中國火箭、航天器等工藝用電設備在通用性和標準化方面有了很大發(fā)展，近80%用電設備通過插座或電源接口連接端子供電，同時通過供電系統(tǒng)的PE 線（接地線）實現(xiàn)接地相關功能，不再需要專用的信號接地線，這部分工藝設備應該可以采用共用接地系統(tǒng)模式。但還有近20%用電設備控制精度要求較高，電磁兼容性相對較弱，對信號接地干凈程度要求相對較高，供電系統(tǒng)的PE 線沒有直接連接，需要單獨信號接地。 這類用電設備內部結構復雜，存在大量的模擬電路、數(shù)字電路、功率電路等，其中一些對干擾較為敏感的電路接地模式已經進行了進一步的優(yōu)化，內部信號接地如圖5 所示。

圖5 電子集成設備接地模式示意圖Fig.5 Earthing mode of integrated electronic equipment

這類工藝設備［4］內部將模擬電路、數(shù)字電路、功率電路采用單點接地和多點接地結合起來構成混合接地方式，且共用一個參考地，為各類型電路分別提供一個信號返回通路。 同時，還需要與金屬外殼連接，形成了一個局部等電位聯(lián)結。按照法拉第籠的原理，在設備參考地和設備金屬外殼上形成了一個籠子，就對其他設備或系統(tǒng)帶來的電磁干擾起到了有效的隔絕。 這類設備信號接地相當于把這個局部等電位面（或導體）與大地采用導體連通，進一步降低外來的信號干擾，根據(jù)電流特性，這類信號接地也應該采用共用接地模式，但是與共用接地裝置連接方式需要進一步分析。

3.2.3 工藝信號接地模式現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析

通過圖紙資料復查、現(xiàn)場實地測試等技術方法，對中國酒泉、西昌、文昌及太原4 個發(fā)射中心地面設施接地系統(tǒng)現(xiàn)有狀況進行梳理和數(shù)據(jù)分析。 酒泉、西昌、文昌發(fā)射中心改造或新建的地面設施的各類信號接地已經全部采用共用接地裝置，目前運行良好。 太原發(fā)射中心的少數(shù)技術廠房和發(fā)射工位工藝信號接地一直采用獨立接地裝置，已經運行十年以上，期間沒有進行必要的維護。 針對這一情況，進行現(xiàn)場測試，特別是對工藝信號獨立接地裝置和其他系統(tǒng)共用接地裝置的絕緣性能，測試結果見表1。

表1 工藝獨立接地裝置與共用接地裝置絕緣電阻測量表Table 1 Insulation resistance between common earthing and functional equipment earthing

結果表明，太原發(fā)射中心工藝信號獨立接地裝置與其他系統(tǒng)共用接地裝置之間絕緣電阻值遠小于1 MΩ，絕緣電阻最大3.5 Ω，實際上是連通狀態(tài)，多年來并沒有影響火箭、航天器及發(fā)射場系統(tǒng)設備的正常運行，進一步證明了發(fā)射場工藝信號接地與其他系統(tǒng)共用接地裝置不會影響其正常運行。

3.2.4 發(fā)射場系統(tǒng)信號接地共用接地模式分析

經過調研，近年來火箭發(fā)射指揮、監(jiān)控系統(tǒng)、火箭、航天器燃料加注系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、氣象系統(tǒng)、特燃特氣保障系統(tǒng)、技術勤務系統(tǒng)和測控通信系統(tǒng)等用電設備發(fā)射場系統(tǒng)設備基本采用計算機、電子元器件高度集成的設備，都是通過插座或電源接口連接端子供電，并且通過供電系統(tǒng)的PE 線（接地線）實現(xiàn)接地功能，不再需要專用的信號接地線，應該可以采用共用接地系統(tǒng)模式。

4 發(fā)射場接地系統(tǒng)模式確定

4.1 常規(guī)接地系統(tǒng)與共用接地裝置連接模式

發(fā)射場供配電系統(tǒng)工作接地、用電設備保護接地、防雷接地、防靜電接地這4 類常規(guī)接地系統(tǒng)與共用接地裝置連接模式在GB 50343－2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》［5］和GB51204－2016《建筑電氣工程電磁兼容技術規(guī)范》［6］等規(guī)范有明確規(guī)定。 根據(jù)規(guī)范規(guī)定，防雷接地采用裸導體與共用接地裝置連通。 防雷接地引下線采用熱鍍鋅鋼材或土建結構的鋼筋，線路結構復雜，阻抗相對較大，產生雜散電流幾率高，雷擊時相關接地線路上產生雷電感應電流也較大。 防靜電接地線路也是采用裸導體與共用接地裝置連通，與地面設施土建結構內鋼筋相通，產生信號干擾的幾率也較大。 電氣設備保護接地（PE 線）和供電系統(tǒng)中性點接地在低壓配電柜處相連后采用絕緣導線與共用接地裝置連接，當系統(tǒng)電壓波動或系統(tǒng)發(fā)生故障時，在會在PE 線上耦合產生雜散電流。

4.2 工藝信號接地與共用接地裝置連接模式

發(fā)射場航天器、火箭測試設備等工藝設備基本屬于電子、計算機類設備，對電壓波動、電流沖擊較為敏感。 由4.1 節(jié)可知，發(fā)射場地面設施各系統(tǒng)接地線路復雜，接地系統(tǒng)接地線路上都會或多或少地產生雜散電流，如果將工藝信號接地的接地線路與其他接地系統(tǒng)線路相通，會增加被雜散電流干擾的可能性。 為避免接地線路上的信號干擾，地面設施內的工藝信號接地系統(tǒng)應采用目前建筑物內計算機、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等工作接地一樣的連接模式，用絕緣導體與共用接地裝置連接。

工藝信號接地系統(tǒng)接地線路應采用導電性能好的絕緣導體沿最短路徑與共用接地裝置可靠連接，在接地線路上與其他系統(tǒng)接地線絕緣，把雜散電流或耦合等信號降低到最小，避免影響設備或系統(tǒng)正常運行。 原航天部標準的QJ.1211－87《航天系統(tǒng)地面設施接地要求》［7］及GB／T 29084－2012 《航天器接地要求》［8］等規(guī)范中火箭及航天器等設備也要求通過單獨的接地線與地面設施的共用接地裝置連接。

4.3 發(fā)射場接地系統(tǒng)模式確定

經過對發(fā)射場各類接地系統(tǒng)接地裝置及連接模式分析，確定發(fā)射場地面設施接地系統(tǒng)模式為共用接地裝置絕緣接線模式，其中絕緣接線模式特指發(fā)射場各類工藝信號接地系統(tǒng)和發(fā)射場接地系統(tǒng)的接地模式，如圖6 所示。

圖6 共用接地裝置絕緣接線模式示意圖Fig.6 Common earthing device insulation wiring mode

5 結論

航天發(fā)射場地面設施接地系統(tǒng)采用共用接地裝置絕緣接線模式，最突出的優(yōu)點是使地面設施內各類接地系統(tǒng)的干擾信號沿本系統(tǒng)接地線直接引入大地，減少對其他系統(tǒng)的信號干擾，特別是各類工藝信號接地和發(fā)射場接地系統(tǒng)的接地線采用絕緣接線方式與共用接地裝置連接，最大限度降低了其他接地系統(tǒng)的信號干擾，使各類工藝信號接地系統(tǒng)和發(fā)射場接地系統(tǒng)獲得較為干凈的接地。 共用接地裝置絕緣接線模式從根本上消除了發(fā)射場工藝信號接地系統(tǒng)獨立接地裝置做法的電位差，實現(xiàn)了等電位，也進一步降低了各類接地系統(tǒng)的相互干擾。

近年來，中國各發(fā)射場改造或新建項目的接地系統(tǒng)都采用共用接地裝置絕緣接線模式，這種接地模式經歷了約百余次工藝測試及發(fā)射任務，期間火箭、航天器等工藝用電設備與接地相關的故障明顯減少甚至消失，有效保障了發(fā)射場工藝設備正常運行和發(fā)射任務的順利完成，進一步提高了中國航天發(fā)射場接地系統(tǒng)的技術水平，為類似場所接地系統(tǒng)的設計實施提供了依據(jù)。