第3-2章独立接地与共用接地

1独立接地和共用接地

Independentearthingandcommonearthing徐义亨2012年5月27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。

世界上一些一流的控制系统制造商还在要求用户采用独立接地。

本部分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。37.1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

42）将独立接地的接地线连接在一起

53）共用接地

64）将接地线连接到共用接地网上

第一种为独立接地,后三种均为共用接地.77.2独立接地

控制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，对另一个接地电极就不应该发生电位上升的情况。

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理想的独立接地电位分布接地极电位上升V=0VS(无穷远)I9如果电位的分布用双曲线函数的曲线来拟合

V=k/s(对半球状电极，s≥r)式中：V—电位，V；

V0—s=r时的最高电位，V；

s--距离，m；

k—常数,V•m,对半球状电极k=rV0。

理论上，在s=∞处，V=O。

rsVV010如果允许有个电位升高V，S应该多少？

I电位分布接地极允许电位上升VVSAB11

在这里介绍以半球状接地极为例，研究因接地电流I产生的电位上升（V）与间隔距离S的关系。12

因为土壤有一定的电阻率，在泄散电流过程中，电流将在土壤中建立起恒定电场。由图可知，土壤中的电流密度在接地体处很大，随着离开接地体距离的增加，电流密度逐渐减小。根据恒定电场理论,土壤中的电场强度E、电流密度和土壤电阻率的关系应满足：

E=ρj式中：ρ——土壤电阻率Ω·m；

J——土壤中的电流密度A/m2。13

接地体处的电位等于电场强度沿长度方向的积分：

式中：r——半球状接地体的半径,m。

所以离接地体距离为s处的电位得：

式中：I——接地电流，A。(对半球状电极，s≥r)14

由上式可知，只有当s为无穷远处，电位才为零。根据式可得：由该式可计算出因接地电流I产生的电位上升（V）与间隔距离S的关系。15

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S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I；2）电位上升的容许值V；3）该地点的大地的电阻率ρ。16独立接地的间隔距离S（m）接地电流I（A）电位上升的容许值V2V4V10V1841.6540208108040165040020080

注：本表相对于电阻率为ρ=100Ω·m。

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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。由表可知，在实施独立接地时，必须采取很大的极间间隔。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。

所以说，在工业现场，不可能有真正放热独立接地。

187.3共用接地

7.3.1共用接地的优点1）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）便于实现等电位连接有利于防雷和防爆；6）由于等电位，减小了进入控制系统电子线路的共模干扰，便于抗干扰。197.3.2共用接地存在的一个问题发生接地电流的设备I1I2R2I2R2I1R1R120

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，由接地电流引起的电位上升会波及到共用接地的全部设备。21

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100kA），频率也很高（高至1MHz），但持续时间很短(μs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。227.3.3如何解决共用接地系统的电位上升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简易公式可知：

要降低共用接地系统的接地电阻，是尽量将地网面积S做大。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。

232）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仪表的接地点，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仪表的接地点，沿地下接地体的长度必须大于5米。

243）保证整个DCS系统的所有接地点都在同一个共用接地网上在工业装置中，有许多高的金属塔器是直接利用金属塔器的金属壁作引下线的，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，使位于金属塔上的变送器随整个塔产生电位浮动，相对于仪表系统之间会产生很大的地电位差，随即会产生闪络（反击）使变送器、DCS损坏。为了防止产生反击（反击的原理见后图），应把避雷针和仪表的接地装置都连接到共用接地网上。25DCS地电位分布曲线地电位差接地干线信号线100kA的雷电流金属塔器位于塔上的变送器法拉第笼和反击的概念26电缆RL=1Ω法拉第孔100kA100kV法拉第笼（变送器）

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一个孤独的设备如果和空间其它的设备和人没有接触联系的话，而所有的接地点仅通过一个接地参考点连接在共用接地网上，那么接地系统的电位上升对该设备的损坏不会产生影响，这就像水涨船高的原理一样。问题就在DCS系统除了DCS本身的接地点外，还有变送器、执行器等许多现场设备，这些设备大多都自然接地，如果这些自然接地体和共用接地网没有连接而且又在外部防雷系统的附近，则在外部防雷系统接闪时，会因为地电位的升高而产生反击。所以必须保证整个DCS系统（包括现场的变送器、执行器）的所有接地点（包括自然接地点）都应在同一个共用接地网上。287.4建筑结构体的接地方法

在接地电极中，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。以前所述的接地极都是人工接地极。

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性物体来代替接地极使用的。这种物体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，好多场合已经不能作为代用接地电极了。于是有人就想利用建筑结构体位地表下部分的钢筋作自然接地极。最初提出该想法的是美国的H.G.Ufer,“Ufer电极”的名称由此而来。29

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电极。307.4.1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”（cage）？31

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。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。在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。32

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10-3Ω。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10-2Ω左右。所以“电笼”必须满足下列的两个条件:1)建筑物必须是钢架造、钢筋混凝土造、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）施工地点的土壤电阻率要低到一定的程度。337.4.2建筑结构体的接地电阻

建筑结构体如下图所示。A地上建筑部分地下建筑部分34

建筑结构体的地表下部分与大地接触着，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(m2)，土壤电阻率为ρ（Ω·m），则其接地电阻为：

由式可知，结构体与大地的接触面积A愈大，接地电阻就愈小。

35结构体接地的实测例子（日本）大厦名层数总建筑面积m2地下层的地面面积m2

结构结构体的接地电阻Ω

新大谷饭店地上17层地下3层

102,5009,470钢架钢筋混凝土造

0.31东京电业会馆

地上4层地下1层1,767480钢筋混凝土造0.6千叶大学工学部

地上4层地下1层2,354576钢筋混凝土造1.04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0.21迎宾馆地上2层地下1层15,3555,260钢架砖砌0.35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0.01367.4.3建筑物防雷区等电位连接及共用接地系统

下图为《GB50343-2004建筑物电子信息系统防雷技术规范》规定的建筑物防雷区等电位连接及共用接地系统。建筑物内应设总的等电位接地端子板，每层竖井内设置楼层等电位接地端子板，各设备机房设置局部等电位接地端子板。

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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。3839

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，而工作地不应该。IEEE

Std1050-2004电站仪表控制系统的接地规范40保护地汇总板工作地汇总板共用接地网就近接地417.5运动系统的接地技术

船舶、机器人乃至飞机等物体都是以一定速度与陆地作相对运动的运动系统，它的内部又装备着密集的电子、电气设备。为保证人体和设备的安全，也为了满足电子、电气设备的电磁兼容性、特别是抗干扰的要求，必须设置专门的接地系统。42

从电气特性来看，作为运动系统接地装置的“地”，它也应该具备两个条件：

1）导电。

2）具有相对大的容电量。对船舶和飞机，无疑应该选择金属船体或飞机的壳体作为“地”；对机器人，一般选择固定电子线路板的金属支架作为“地”。为了有别于常见于地面上的接地系统，我们把运动系统上的接地系统称作为“悬浮接地系统”。43

悬浮接地系统的特点：

1）是不可能与大地相连接的。

2）在这种接地系统中，不存在“电位为零的远方接地极”。所有的电子、电气设备只有相对的零电位。对运动系统的接地装置，接地电阻的大小已不是那么重要，所以在实施过程中，我们强调的是电子、电气设备的“等电位连接”。44悬浮接地系统的保护地根据《Q/SWS46-003-2003，船舶电气设备和电缆接地工艺规范》的规定，工作电压超过50V的电气设备、电缆，均予以保护接地。一般而言，机器人内部不存在上述的危险电压，故无须考虑保护地的设置。45

接地系统的连接必须遵循的一个原则就是接地连线要尽可能的短，避免形成回路，以免将空间的电磁干扰通过接地连线引入到系统中去。所以，对船舶、飞机而言，保护接地线可以就近挂接到船体、飞机的永久结构与船体、飞机相焊接的金属基座或支架上。46悬浮接地系统工作地的连接

悬浮接地系统的工作地不能像保护地那样，和就近的金属结构相连就算了事。因为无论是机器人的金属骨架，或者是金属船体、飞机，它们不是一块完整的导电体，往往是有许多块金属通过铆接、焊接以及螺丝等方法连接起来的，在这些金属块的连接处都存在一定的接触电阻。再则，和“地”相连接的电子、电气设备又有一定的接地电流流向“地”，故很难保证接地平面有一个稳定的电位参考点。曾经有人对金属板上的“地”的电位分布作过研究（见图），可见如何保证有一个相对稳定的电位参考点是十分重要的。47金属材料上典型的地电位分布

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所以，对悬浮接地系统的工作地，应该设置一个基准接地面，它应该像工业接地装置中的总接地板那样，按不同种类的接地要求，采用分类汇总的方式进行连接，这样可避免彼此间的耦合。工作地汇流排工作地汇流排工作地汇流排工作地汇流排总接地板船体49

图中的总接地板应设置两根接地干线和船体壳体相连，以保证接地系统的可靠性。工作地汇流排和总接地板应用绝缘支架固定，以避免重复接地。在悬浮接地系统中，工作地不得与保护地共用。对机器人，可以直接选择一块整体的金属骨架（最好是用铜制作）作为工作地的基准接地面，需要接地的地方，通过接地连线和基准接地面相连。为了保证等电位的实现，金属构架上的任何两点间的连接电阻宜控制在0.1Ω以下。50基准接地面和其它“地”之间的安全距离

我们在处理运动系统上控制系统工作地的安全距离时，可以参考《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范（GB50169-2006）》的规定。在共用接地网上，外部防雷装置的接地点和控制系统的接地点，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能衰减到不足以危及设备的绝缘。大电流、高电压用电设备的接地点和控制系统的接地点，沿接地体的长度必须大于5米。518接地技术面临的挑战

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。

528.1“接地电阻不可测，应予废除”

我们在前面，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）电阻的最初概念是来自欧姆定律，即R=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）欧姆定律只用于电路，而土壤层不是“路”，而应该是“场”。532002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28次测量，测得的数据共14组，最小值为0.7Ω，最大值为100Ω，两者相差竟达140倍。对此，有人对“接地电阻”这个已经沿袭100多年的概念产生了怀疑。其代表人物是清华大学的虞昊教授。他认为（见《中国防雷》2006年NO.1）：541）文献上对应于不同形状的接地极的接地电阻计算公式都是立足于这样的一个假设：接地电流从接地极进入地下深处，沿着半径的辐射方向均匀流向无穷远。而迄今为止的任何测量，都是测量两个电极之间流过的有限范围的地表介质的电阻状态，以至把对象给置换了。2）“电路”的概念是不能代替“电磁场”的概念去解释接地电流的流动状况，接地电流中包括了高频成分，高频电流必有趋肤效应，若认定土壤为导体，则电流必沿地表面流动。553）国际上目前之所以还没有各国公认的“接地电阻”标准件，不仅现在没有，而且永远也不可能有，其原因就是“接地电阻”是不可测的。4）只有用Maxwell的电磁场理论才能够真正检验和解释有关接地的电磁现象。56

虞昊教授认为，之所以出现上述黑龙江省防雷中心测量接地电阻时读数相差一百多倍的问题，其原因就在每次测量时，因辅助电极在土壤中的深浅不一而导致电流流动的分布发生重大的变化，从而导致测量的不确定性，除非将电流的回归电极即辅助接地体A做成大面积并埋在几十米以下的深度，但有哪家仪表厂肯如此规定呢？所以他认为：“接地电阻不可测，应予废除。”578.2人类科学技术的发展，总是呈螺旋式的上升当初人们基于土壤的导电性和具有无限大的容电量，所以把土壤地层理解为等电位点或等电位面，把它作为电路或电子系统的基准电位，用来保护人身和设备的安全以及抑制干扰。之后，人们又发现，在接地系统本身，也存在着许多电磁干扰，它可以通过各种耦合途径去影响电子系统的正常工作。于是就想到“浮地”。让电子系统的地线在电气上与建筑物的接地保持绝缘。这样，建筑物接地系统中的电磁干扰不会传递到电子设备上去；地电位的浮动对设备也没有影响。但是浮地又带来了新的问题，如容易产生静电积累；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。

58

于是人们又在想，减少干扰的关键不仅是减小接地电阻值，更重要的是设法减小系统漏向接地系统中去的电流。我国接地防雷界的前辈，中科院电工所的马宏达在《关于防雷接地问题的探讨》（见“中国防雷“2005年第5期）一文中强调：“电子地稳定的关键条件是使接地连线中的电流为零。”59

许多DCS、PLC产品，对接地电阻值大小的要求，相差甚远。要求高的如1欧姆，要求低的只要100欧姆即可。其原因就是存在于系统的绝缘性能和漏电流上的差异。

任何一种电子信息产品，包括控制系统在内，对正常工作条件（包括自然环境条件、电气工作条件以及机械工作条件）的要求愈高，就意味着产品本身的性能和可信性愈差。60

科学的真理往往被少数人掌握，而检验真理的标准只能是实践。接地技术虽然古老，但还没有达到“自由王国”的地步。孰是孰非，让我们拭目以待。61附录3A接地装置电气连续性的测量电路VA测量端220VACLPENS1T（220/24）ES2R62图中:S1----空气开关,250V,脱扣器额定电流3A；

T----220/24V短路安全型变压器，200VA；

V----电压表，30V，1.5级；

A----电流表，10A，1.5级；

E----熔断器，15A；

R----可变绕线电阻器，4.7Ω，120W；

S2----按钮开关，15A。63测量步骤：1）将测量端连接到被测钢筋上的预埋件上；2）断开S2，将串入的可变绕线电阻器R调至最大值；3）合上变压器T一次侧电源后，从电压表V上读取U1；4）合上S2后，调节R使电流表A上的读数为1A左右，并读取I和U2值；5）按下式计算测量电阻r:r=(U1-U2)/I-RL（注：RL为测量连接线的电阻。）64附录3B接地电阻的测量误差

3B.1测量误差的形成120AV电源65

根据前述接地电阻的定义，需要在土壤中打入供测量电位与电流用的电压极和电流极，其原理布置如图所示，其中0为接地极，1为电流极，2为电压极。该三电极系统的各电极之间存在着互电阻。以I0、I1、I2和U0、U1、U2分别代表接地极0、电流极1和电压极2中的电流和电位。于是可写出如下方程：U0=R0I0+R10I1+R20I2U1=R10I0+R1I1+R12I2

U2=R20I0+R12I1+R2I266式中：R0、R1、R2---接地极0，电流极1，电压极2各自的接地电阻；

R10、R20、R12---相应电极之间的互电阻。

67

由图可知，测量电流从接地级0注入，取该方向为电流的正方向，电流从电流极1流出，此方向取为电流负方向。因为电压表的内阻很大，流过的电流可以忽略，于是得：

I0=-I1，I2=0。代入可得：U0=R0I0-R10I0U1=R10I0-R1I0

U2=R20I0-R12I068可得：

U02=U0-U2=I0（R0+R21-R10-R20）上式中的电压U02和电流I0分别由图中的电压表和电流表测出因此，按图所示的电极布置方式测出的接地电阻的实际值应为

R=U02/I0=R0+R21-R10-R2069

上式给出的测量值R与接地体真实接地电阻值R0之间存在一个误差，该误差是由测量造成的，称为测量误差，记为

ΔR=R-R0=R21-R10-R20如用δ表示ΔR的相对值，则

δ=ΔR/R0=（R21-R10-R20）/R070

由上式可见，接地电阻的测量误差直接来源于接地体与电流极和电压极之间的互电阻，而这些互电阻又取决于三个电极之间的相对位置。作为实用的接地电阻的测量方法，应如何保证测量误差δ接近于零。下面介绍直线布电极法和三角形布电极法。713B.2直线布电极法（0.618法）电源AVr0d02d12d0121I0I0072

直线布电极法就是将接地极0和电流极1、电压极2布置成一直线。如果我们假定电极之间的距离比电极本身的长度要大得多，则我们可以把电极0看成是半球状电极，而后就可利用前面在讨论半球状电极的接地电阻的公式来讨论三电极之间的互电阻。因为半球状电极的接地电阻为R=ρ/2πr0,所以，如果电流I0流入电极0，以无限远点的电位为基准，电极0的电位上升为ρI0/2πr0（V）。由I0在土壤中产生的恒定电场使电流极1和电压极2带上的电位分别为

U01=ρI0/2πd01U02=ρI0/2πd0273

则接地极0与电流极1和电