接地技术Training

1、单击此处编辑副标题单击此处编辑副标题接地工程接地工程概述概述接地工程1 1 接地系统的基本概念接地系统的基本概念1.1 概述 从电气特性来看，自然界的土壤地层有两大特性：导电 导电率为10-3至10-1s/m，相对介电系数为5至15，介于良导体和绝缘体之间；具有无限大的容电量 因导电，故可将用电设备和地之间组成电气连接；又因为具有无限大的容电量，故就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。接地工程接地的作用有二：接地的作用有二： 1 1）保护设备和人身安全保护设备和人身安全，如保护地、防雷地、本安地、，如保护地、防雷地、本安地、防静电地等；防静电地等； 2 2）抑制干

2、扰抑制干扰，即为信号电压或系统电压提供一个稳定，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。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，都是按上述的各种接地名称，都是按接地的用途接地的用途命名的。同一命名的。同一个接地装个接地装 置往往具有多个接地用途。置往往具有多个接地用途。接地工程 接地系统在概念和技术上，近十年发生了很大的变化，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：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

3、顾接地电阻值，特别是从独立接地到采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实行用共用接地网实行等电位连结等电位连结方式的转变。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。扰电流在它们之间产生的电位差。 接地工程1.2 1.2 接地系统的结构接地系统的结构 从工业应用的角度来看，目前控制系统通常有两种接地方式： 1）单独接地 这种接地方式是将控制系统的保护接地接入电气安全接地网，工作接地

4、采用独力的、“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。 接地工程2）共用接地共用接地 等电位联结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。其中包括结构纲筋、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，采用共用接地网实行等电位联结有如下的特点 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地电位差的存在，

5、这时如意外地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。如采用等电位联结，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。接地工程 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）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接地网时，此时控制系统再单独接地并要求其接地网和电气接地网相距至少5m，和建筑物防雷地相距至少20m这很难做到。 4）规范标准对等电位联结接地要求接地联接（Bonding）电阻，即接地通路（Path）的电阻总和不大于1欧姆；对控制系统一般规范标准规定不大于4欧姆。这两个数值

6、是不难做到的。接地工程1.3 S1.3 S型接地系统和型接地系统和M M型接地型接地系统系统 采用共用接地网实行等电位连接的网络有S型和M型两种结构形式。1) S型接地系统 S型等电位连接网络仅通过唯一的一点（ERP）组合到接地系统中去。 特点：电缆平行敷设，无感应环路；但组件间要绝缘。 S型也称星型或树型。 ERPERP接地网接地网机柜机柜TN-S制中制中的的PE线线接地工程2) M 型接地系统型接地系统 M 型等电位连接网络是通过多点连接组合到接地系统中去。此时，各金属组件不应与共用接地系统各组件绝缘。 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许多线路和电缆，以及设

7、施和电缆从若干处进入该信息系统。 在复杂系统中，可以将S型和M型两种等电位连接网络组合在一起。 接地网接地网机柜机柜 PEPEPE配电箱配电箱等电位接地网等电位接地网机柜机柜接地汇流排接地汇流排接地工程1.4 1.4 接地系统的耦合接地系统的耦合1）串联接地和耦合 串联接地因各电路的地电流在地线阻抗以及连接阻抗会引起各电路间的耦合，所以会产生干扰，故要避免使用。VA=（I1+I2+I3）R1；VB=VA+（I2+I3）R2；VC=VB+I3 R3。 对应在工程中，不宜将控制柜的接地汇流排实行串联接地。 电路1电路2电路3I3I2I1I2+I3I1+I2+I3ABCR1R2R3接地工程2 ）并联

8、接地和分类汇总 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，强调要“分类汇总”。汇总点离和地的接入点愈近与好。V1=I1RI+VA；V2=I2R2+VA；V3=I3R3+VA；VA=（I1+I2+I3）R4。 如果R4代表接地电阻，因为是公共阻抗，为减小耦合，显然是愈小愈好。 电路1电路2电路3R1R2R3I1I2R3R4A接地工程1.5 工频接地电阻和冲击接地电阻-接地电阻的频率特性 由于流入地中的电流错综复杂，有工频电流，也有雷击时的脉冲电流，所以接地电阻按其用途一般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=ARi 式中：Ra-工频接地电阻（欧姆

9、）； 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和有效长度Le，一般A的取值范围是大于1，小于3， Ri-冲击接地电阻（欧姆）。 由上式可知，同一个接地装置，其工频接地电阻值要大于冲击接地电阻值；所以测出的Ra值是合格的话，一般Ri值也是合格的。 接地工程1.6 1.6 接地系统产生的电磁干扰接地系统产生的电磁干扰 1）接地系统有来自不同地方的电流（如电气设备的漏电流），由于接地系统存在电阻，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，也称为“公共阻抗耦合”。 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

10、扰电动势。 由此可见： 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）接地系统的连接应避免产生回路。接地工程2 2 交流供电系统的接地交流供电系统的接地 2.1 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（包括信息系统）不同的接地组合来分类，按照IEC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IEC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。 按低压系统接地制式划分有TN-S、TN-C、TN-C-S、TT、IT等五种。接地工程 TN-STN-S、TN-CTN-C、TN-C-STN-C-S、TTTT、ITIT

11、第一个字母表示电源接地点对地的关系：T表示直接接地，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DCS的机柜）与地的关系：T表示独立于电源接地点的直接接地，N表示直接与电源系统接地点或与该点引出导体相连接。 后续字母表示中性线（N）与保护线（PE）之间的关系：C表示中性线（N）与保护线（PE）合并为PEN线；S表示表示中性线与保护线分开；C-S表示在电源侧为PEN线，从某点分开为N及PE线。接地工程 1）TN-C系统系统 这种系统有简单、经济的优这种系统有简单、经济的优点。但是当三相负载不平衡或点。但是当三相负载不平衡或有谐波电流时，

12、有谐波电流时，PENPEN线中有电线中有电流流，其所产生的压降呈现在电，其所产生的压降呈现在电气设备的外壳上，对敏感性的气设备的外壳上，对敏感性的电子设备不利。电子设备不利。 L1L2L3PEN外露导电部分外露导电部分接地工程 2）TN-S系统系统 该系统相对于TN-C系统的最大特点是因为在正常时PE线上不通过负荷电流，与PE线相连的电气设备的金属外壳在正常运行时不带电位。 L1L3L2NPE接地工程 3）TN-C-S系统系统 该系统的前端是TN-C系统，后面改为TN-S系统。 L1L2L3PENPEN接地工程 4）TT系统系统 TT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

13、。 其优点是避免发生故障时，将故障电压蔓延。 PEL1L2L3N接地工程 5）IT系统系统 该系统没有配出中性线。适用于大型电厂的厂用电。 L1L2L3PE接地工程 3 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。 3.1:定义： 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身的电阻和接地体与土壤间的接触电阻可以忽略不计。接地工程 另一种说法认为，从仪表、控制设备的接地端子到另一种说法认为，从仪表、控制设备的接地端子到总接地板之间导体及连接

14、点电阻的总和称为总接地板之间导体及连接点电阻的总和称为联结电阻联结电阻；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连接点电阻之和称为两端的连接点电阻之和称为接地电阻接地电阻 后一种说法是因为它对联接电阻和接地电阻分别提后一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。出了不同的要求。 接地电阻的大小主要取决于下列因素： 1）接地体附近土壤的电阻率； 2）接地体的形状，它影响到土壤里电流场的截面大小。接地工程3.2 3.2 降低接地电阻的方法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 （1）对土壤进行处

15、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）换土，如换成黏土、黑土、沙质黏土等电阻率较低的土壤。 （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）钻孔深埋法，接地体长度一般为5至10米，再深效果不明显。 （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）引入无腐蚀的污水。 （7）利用水和与水接触的钢筋混凝土体作为流散介质。 接地工程2 2）采用新型的接地系统）采用新型的接地系统-IEA-IEA电解离电解离子接地系统子接地系统 1）它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；

16、 2）内部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，使接地极中的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； 3）回填料是增加电解离子的导电作用。 4）合金电极的连接采用火泥熔接技术，以确保连接的可靠性； 5）这是美国ATI公司的技术，接地电阻在1欧姆以下，使用寿命大于25年（一般钢为3-5年）。 IEA接地体接地体IEA回填料回填料扩大土壤的导电范围扩大土壤的导电范围呼吸孔呼吸孔接地工程3.3 3.3 接地材料的选择接地材料的选择镀锌钢材；铜；美国ATI镀铜钢（寿命可达30年）；非金属材料和电解质。 1）由于铜的导电率是钢的8倍，铜的

17、耐腐蚀性也比钢好，所以作为接地材料铜优于钢。 2）但铜的单价是镀锌钢的4-5倍 综上所述，铜材接地系统性能稳定、可靠、免维护，寿命长。4.1 4.1 组成接地系统各部分的名称组成接地系统各部分的名称接地系统接地联接接地装置接地连线接地汇流排接地分干线接地汇总板接地干线总接地板接地极接地总干线接地工程 4.2 4.2 接地方式的选择接地方式的选择 1）当企业已把建筑物（或装置）的金属结构、基础钢筋、金属设备、管道、进线配电箱的PE（保护接地线）母排、接闪器引下线形成等电位联结时，仪表、控制系统各类接地也应汇接到该总接地板，实现等电位联结，与电气装置合用接地装置与大地连接。这是首选原则。 2）当企

18、业尚未形成等电位联结，仪表、控制系统如采用单独接地，即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5m以上。在采用单独接地时，仍采用分类汇总的联结方式。为了防止雷电反击，还应采取一定的防雷措施。 4.3 4.3 接地系统的联接方法接地系统的联接方法A.A.现场仪表的接地连接方法现场仪表的接地连接方法1）对于现场仪表的电缆槽、仪表电缆保护管是每隔30米用接地连接线与就近已接地的金属构件相连，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

19、。2）现场仪表的工作接地一般应在控制室侧接地。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、PH计、电磁流量计等应在现场侧接地。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）现场仪表接线箱两侧的电缆的屏蔽层应在箱内跨接。接地工程B. B. 控制室盘、台、柜的接地控制室盘、台、柜的接地 1）控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，地中的直线距

20、离宜大于10m。接地工程2 2）在控制室内的盘、台、柜内应分类设置）在控制室内的盘、台、柜内应分类设置保护接地汇流排、信保护接地汇流排、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）在控制室内，可设置接地汇总箱接地汇总箱。箱内设置工作接地汇总板。箱内设置工作接地汇总板和保护接地汇总板。和保护接地汇总板。4 4）由于）由于工控机工控机在出厂时已将工作接地和保护接地连在一起，将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。外壳上的任一颗螺丝连在操作台内的保护接

21、地汇流排上即可。5 5）如果）如果DCSDCS系统的系统的通信线路上设有电气隔离装置通信线路上设有电气隔离装置，远程设备的接，远程设备的接地汇流排可汇总到就近的总接地板上。地汇流排可汇总到就近的总接地板上。接地工程4.44.4关于浮地关于浮地 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50兆欧以上。 优点：1）建筑物接地系统中的电磁干扰不会传递到电子设备上去；2）地电位的浮动对设备没有影响；所以提高了设备的抗干扰能力。 缺点：1）容易产生静电积累；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.

22、接地工程 5 独立接地和共用接地 在许多信息、控制系统需要接地的场合，应该是独在许多信息、控制系统需要接地的场合，应该是独立接地还是共用接地，这个问题至今还在争论，似乎没立接地还是共用接地，这个问题至今还在争论，似乎没有完全解决。本章对有关独立接地与共用接地的特点以有完全解决。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介绍。及对它们的评价作一介绍。接地工程5.1 5.1 接地方式的形态接地方式的形态 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下图所示的四种形态：1)各个设备独立接地 接地工程2 2）将独立接地的接地线连接在一起）将独立接地的接地线连接在一起 接地工程3

23、 3）共用接地）共用接地 接地工程4 4）将接地线连接到共用接地网上）将接地线连接到共用接地网上 第一种为独立接地第一种为独立接地, ,后三种均为共用接地后三种均为共用接地. .接地工程 5.2 5.2 独立接地独立接地 DCS系统采用了计算机等数字电路技术，各部分电路需要有统一的工作基准电压。即该工作基准电压起到建立一个统一的信号参考点的作用。如几部分电路没有统一的工作基准电压，就会造成系统工作异常。 理想的独立接地应该是那样，如果有接地极，其中一个电极中不论怎流过电流，对另一个接地电极就不应该发生电位上升的情况。 I I电位分布电位分布接地极接地极电位上升电位上升V0V0V V接地工程 当

24、然，在工程中只要把电位上升限制在一定范围内，就可以看成是相互独立的。 此时的接地极其间距决定以下三个重要因素：1）发生的接地电流的波形和其最大值；2）电位上升的容许值；3）该地点的大地的电阻率。接地工程 在这里介绍以棒状接地极（半径为7mm,c长度为3m）为例，研究因工频接地电流I产生的电位上升（V）与间隔距离S的关系。表为有工频接地电流流入A电极时，计算出B电极发生电位上升到容许值V的间隔距离。I I电位分布电位分布接地极接地极电位上升电位上升V0V0V VS SA AB B接地电流接地电流I I（A A） 电位上升的容许值电位上升的容许值VV 2.5V25V50V1063635031832

25、161006376432 注：本表相对于电阻率为注：本表相对于电阻率为=100m=100m。 接地工程 如果大地的电阻率很高，即使接地电流很小，间隔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。距离也会增大。 由表所知，在实施独立接地时，必须采取大的电极由表所知，在实施独立接地时，必须采取大的电极间隔。在有限的场地内如有多个接地系统时，要找到间隔。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。足够的接地施工的空间是很困难的。接地工程 5.3 5.3 共用接地共用接地 所谓共用接地就是把几个设备系统汇集在一起，连接到设置在一个或几个地点的共用接地电极上的接地

26、。其中，有连接接地线或把接地线汇集到一点。所以，在评价共用接地时，应该把接地作为系统来考虑。接地工程5.3.1 5.3.1 共用接地的优点共用接地的优点1）接地线少，接地系统简单，维修检查容易；2）将各个接地电极并联连接，此时比独立接地的总电阻低。如果利用建筑结构体，因接地电阻非常小，更能显示出共用接地的优点；3）即使有一个接地极失效，其它电极也能补充，提高了接地的可靠性；4）因为可以减少接地电极的总数，节省设备施工的费用；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地电位差的存在，这时如意外地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

27、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）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。 发生接地发生接地电流的设备电流的设备I I1 1I I2 2R R2 2I I2 2R R2 2I I1 1R R1 1R R1 1接地工程 共用接地存在的一个主要问题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。这时因各个接地电极总是有些接地电阻，就会使接地点的电位上升。如果是独立接地，由接地电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

28、地电流引起的电位上升会波及到共用接地的全部设备。接地工程 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很大（如200kA），频率也很高（高至1MHz），但持续时间很短(s级)。 又如在设备电路和大地之间有大电容滤波器，会有相当大的位移电流流向大地。 如果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。接地工程5 5.3.3 .3.3 如何解决共用接地

29、系统的电位上升如何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）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简易公式可知：要降低共用接地系统的接地电阻，一可增加地网总面积S，二可降低土壤的电阻率。 如果要把某共用接地网的接地电阻减小到原来的二分之一，则要将接地网面积增加到原来的四倍，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%90%之间。)(5.0SR接地工程2 2）保持离大的接地电流系统的接地点有一定的距离）保持离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避雷针的接地点和DCS的接地点，沿地下接地体的长度必须大于15米。即经过15米的距离，一般能沿接地体传播的雷电过电压衰减到不足以危及设备的绝缘。土壤的电阻率愈低，该距离就愈小。 在共用接地网上大电流、高电压的用电设备的接地点和DCS的接地点，沿地下接地体的长度必须大于10米。 接地工程3 3）保证整个）保证整个DCSDCS系统的所有接地点都在同一个共用