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接地及其布线工艺改善优化摘要：防雷工程一个关键方面是接地和引下线路布线工程，整个工程防雷效果甚至防雷器件是不是起作用全部取决于此，所以应该认真系统研究。 关键词：接地 布线工艺 防雷工程 一 概述 防雷工程一个关键方面是接地和引下线路布线工程，整个工程防雷效果甚至防雷器件是不是起作用全部取决于此，所以应该认真系统研究。 电力、电子设备接地，是保障设备安全、操作人员安全和设备正常运行必需方法。能够认为，通常和电网连接全部仪器设备全部应该接地；通常电力需要抵达地方，就是接地工程需要作到地方。由此能够我们知道，接地工程广泛性和关键性。 首先，伴随时代进步，强功效高价值设备广泛使用，要求提供愈加可靠接地保护；其次，微电子技术推广，使得现代设备要求更低接地电阻，还往往需要抗干扰。实践要求有愈加系统接地理论来对工程实际进行指导。依据多年来设计施工经验，认为： a、接地连接方法和接地参数并重； b、以减小或消除同系统中不一样性质接地（如防雷地、工作地、外壳接地、静电地、信号地等）之间电位差为目标，选择合适布线方法； c、依据地网所在地接地电阻、土层分布等地质情况，尽可能进行正确设计； 以下，本文对接地及其布线进行讨论。 二、目标和要求 （一）接地分类和目标 接地作用总步说能够分为有两个：保护人员和设备不受损害叫保护接地；保障设备正常运行叫工作接地。这里分类是指接地工程设计施工中考虑多种要求，并不表示每种“地”全部需要独立开来。相反，除了有地电信号抗干扰、设备本身专门要求等特殊原因之外，我们提倡尽可能采取联合接地方案。 1、保护接地 防雷接地是受到雷电攻击（直击、感应或线路引入）时，为预防造成损害接地系统。常有信号（弱电）防雷地和电源（强电）防雷地之分，区分原因不仅仅是因为要求接地电阻不一样，而且在工程实践中信号防雷地常附在信号独立地上，和电源防雷地分开建设。 机壳安全接地是将系统中平时不带电金属部分（机柜外壳，操作台外壳等)和地之间形成良好导电连接，以保护设备和人身安全。原因是系统供电是强电供电（380、220或11OV），通常情况下机壳等是不带电，当故障发生（如主机电源故障或其它故障）造成电源供电火线和外壳等导电金属部件短路时，这些金属部件或外壳就形成了带电体，假如没有很好接地，那么这带电体和地之间就有很高电位差，假如人不小心触到这些带电体，那么就会经过人身形成通路，产生危险。所以，必需将金属外壳和地之间作很好连接，使机壳和地等电位。另外，保护接地还能够预防静电积聚。 2、工作接地 工作接地是为了使系统和和之相连仪表均能可靠运行并确保测量和控制精度而设接地。它分为机器逻辑地、信号回路接地、屏蔽接地，在石化和其它防爆系统中还有本安接地。 机器逻辑地，也叫主机电源地，是计算机内部逻辑电平负端公共地，也是+5V等电源输出地。 信号回路接地，如各变送器负端接地，开关量信号负端接地等。 屏蔽接地（模人信号屏蔽层接地）。 本安接地，是本安仪表或安全栅接地。这种接地除了抑制干扰外，还有使仪表和 系统含有本质安全性质方法之一。本安接地会因为采取设备本实方法不一样而不一样，下面以齐纳式安 全栅为例，说明其接地内容。 安全栅作用是保护危险现场端永远处于安全电源和安全电压范围之内。假如现场端短路，则因为负载电阻和安全栅电阻R限流作用，会将导线上电流限制在安全范围内，使现场端不至于产生很高温度，引发燃烧。第二种情况，假如计算机一端产生故障，则高压电信号加入了信号回路，则因为齐纳二级嵌位作用，也使电压在安全范围。 值得提醒是，因为齐纳安全栅引入，使得信号回路上电阻增大了很多，所以，在设计输出回路负载能力时，除了要考虑真正负载要求以外，还要充足考虑安全栅电阻，留有余地。 除了上述多个接地外，在很多场所下轻易引发混乱还有一个供电系统地，也叫交流电源工作地，它是电力系统中为了运行需要设接地(如中性点接地）。 （l）接地要求和方法： 上面介绍了六种接地：供电系统地、保护地、逻辑地、屏蔽地安全栅地、信号回路地。对这六种接地，各家有各家要求，即使大全部强调一点接地，接地电阻必需小于1欧姆等，但具体内容上差异很大，下面给出多个例子介绍常碰到接地要求和方法。 供电系统地：在很多企业，尤其是电厂、冶炼厂等，其厂区内有一个很大地线网，而通常供电系统地是和地线网连在一起。有厂家强调计算机系统全部接地必需和供电系统地和其它（如避雷地）严格分开，而且之间最少应保持15m以上距离。为了根本预防供电系统地影响，提议供电线线路用隔离变压器隔开。这对那些电力负荷很重，而且负荷常常启停单位是应注意。从抑制干扰角度来看，将电力系统地和计算机系统全部地分开是很有好处，因为通常电力系统地线是不太洁净。但从工程角度来看，在有些场所下单设计算机系统地并确保其和供电系统地隔开一定距离是很困难，这时能够考虑能否将计算机系统地和供电地共用一个，这要考虑多个原因： 供电系统地上是否干扰很大，如大电流设备启停是否频繁，对地产生干扰是否大； 供电系统地接地电阻是否足够小，而且整个地网各个部分电位差是否很小，即地网各部分之间是否阻值很小（1W） 弱电子系统抗干扰能力和所用到传输信号抗干扰能力，比如有没有小信号(电偶，热电阻）直接传输等。 全部计算机接线包含到接地采取一点接地方法，在这一点上，也有很多争议。有厂家系统提出多个地：逻辑地、屏蔽地（又叫模拟地）、信号地、保护地分别自己接地在地上打接地装置，而大部分系统则指出多种地在机柜内部自己分别接地，汇于一点，然后用较粗导体（铜）将各汇地点朕起来，接到一个公共接地体上。这里有几点需要注意： 控制系统本身是由多台设备组成，除了控制站以外，还包含很多外设，而且数据也往往不止一台，这就包含到了多台设备，多个接地问题。另外，通常系统供电是各站（控制站，操作站等)用专门一条线单独供电，即相互之间不相互供电。图1是一个GCS接地图代表性示意。 图1 DCG接地图 保护接地：系统全部设备全部有一个保护地，该保护通常在机柜和其它设备设计加工时就已在内部接好，有系统中已将该保护地在内部同电源进线保护地（三芯插头中间头)连在一起，有不许可将保护地同该线相连，用户一定要仔细阅读厂家提供接地安装说明书，不管哪种方法，CG必需将一台设备（控制站、操作员站等）上全部外设或系统CG连在一起，然后用较粗绝缘铜导线将各站CG连在一起，最终从一点上和大地接地系统相连。还有一点值得提醒是，同一体统全部外设必需从一条供电线上供电，而且一台设备（如操作员站位所连接全部外设和主机系统（计算机、打印机、拷贝机主机系统）电源必需从设备供电分配器上取电，而不许可从其它地方取电，不然可能会烧坏接口甚至设备，对于不得不用长线连接场所，或用较粗导线提供供电，或采取通信隔离方法。 各站CG在连接时能够采取幅射连接法，也能够采取串行接法。电源逻辑地（P）图 1所表示。首先，各站内逻辑地必需在一点PG，然后，粗绝缘导线以辐射状接到一点上，然后接到大地接地线上。在有些系统中，全部输入，输出均是隔离，这么其内部逻辑地就是一个独立单元，和其它部分没有电器连接，这种系统中往往不需要PG接地，而是保持内部浮空。所以，用户在设计和施工接地系统时，一定要仔细阅读产品技术要求和接地要求。 模拟地（AG），模拟地（又叫屏蔽地）是全部接地中要求最高一个。几乎全部系统全部提出AG一点接地，而且接地电阻小于1。 DCS设计和制造中，在机柜内部全部安置了AG汇流排或其它设施。用户在接线时将屏蔽线分别接到AG汇流排上，在机柜底部，用绝缘铜辫连到一点，然后将各机柜汇流点再用绝缘铜辫或铜条以辐射状连到接地点。大多数DCS要求，不仅各机柜AG对地电阻I，而且各机柜之间电阻也要1。 信号地处理：标准上不许可各变送器和其它传感器在现场端接地，而全部应将其负端在计算机端子处一点接地。但在有些场所，现场端必需接地，这时，必需注意原信号输入端子（上双端）绝对不许和计算机接地线有任何电气连接，而计算机在处理这类信号时，必需在前端采取有效隔离方法。 安全栅接地：我们来看图2所表示安全栅线路图。 图2 安全栅接地原理图 从图中能够看出有三个接地点：B，E，D，通常B和E两点全部在计算机这一侧。能够连在一起，形成一点接地。而D点是变送器外壳在现场接地，若现场和控制室两接地点间有电位差存在，那么， D点和E点电位就不一样了。假设我们以E作为参考点，假定是D点出现10V电势，此时，A点和E点电位仍为24V，那么A和D间就可能有34V电位差了，己超出安全极限电位差，但齐纳管不会被击穿，因为A和E间电位差没变，所以起不到保护作用。这时假如不小心现场信号线碰到外壳上，就可能引发火花，可能会点燃周围可燃性气体，这么系统也就不含有本安性能了。所以，在包含到安全栅接地系统设计和实施时，一定要确保D点和B（E）点电位近似相等。在具体实践中能够用以下方法处理此问题：用一根较粗导线将D点和B点连接起来，来确保D点和B点电位比较靠近。另一个就是利用统一接地网，将它们分别接到接地网上，这么，假如接地网本身电阻极少，再用很好连接，也能确保D点和B点电位近似相等。但注意，此接地一定不要和上面多个接地发生冲突。 以上讨论了多个接地方法和注意事项。在不一样系统中，对这多个接地组态要求不一样，但大多数系统对AG接地电阻通常要求I欧姆以下，而安全栅接地电阻应4欧姆，最好3mm钢管。角钢对角线长约为70mm，短约为56.6mm。若包裹厚度为30mm，地网开挖直径尺寸应在130mm。对水平扁钢来说，因为地面开挖高低不平，扁钢本身弯曲不直，在施工中很多部位刚刚被降阻剂盖住。这么，钢材实际上处于两个介质交界处，大大地加紧了腐蚀程度，所以地网开挖尺寸也应该加大。我们认为垂直极灌降阻剂直径以130200mm为好，水平沟以150mm100mm为好（扁钢竖放）。这么做开挖工程量和降阻剂用量全部会增加，但从整体降阻、防腐效果看是合理。 离子接地系统埋深通常为3000-4000mm，当加长时对应加深，有条件用钻机施工。孔径确保100-250mm（依据接地系统形式选择）。施工中应确保导电为辅料包裹密实，消除空管和气泡。 （二）、接地材料选型 接地材料是接地工作主体，材料选择很关键。下面对常见接地材料属性做个简单介绍。 广泛使用接地工程材料有多种金属材料（最常见如扁钢）、接地体、降阻剂和离子接地系统等。金属材料如扁钢，也常见铜材替换，关键用于接地环建设，这是大多接地工程全部选择；接地体有金属接地体（角钢、铜棒和铜板）这类接地体寿命较短，接地电阻上升快，地网改造频繁（有地域每十二个月全部需要改造），维护费用比较高，不过从传统金属接地极（体）中派生出类特殊结构接地体（带电解质材料），使用效果比很好，通常称为离子或中空）接地系统；另外就是非金属接地体，使用比较方便，几乎没有寿命约束，各方面比较认可。 在以下讨论中以降阻剂、非金属接地块和离子接地系统为代表进行探讨。 降阻剂分为化学将阻剂和物理降阻剂，化学降阻剂自从发觉有污染水源事故和腐蚀地网缺点以后基础上没有使用了，现在广泛接收是物理降阻剂（也称为长久有效型降阻剂）。物理降阻剂是接地工程广泛接收材料，属于材料学中不定性复合材料，能够依据使用环境形成不一样形状包裹体，所以使用范围广，能够和接地环或接地体同时利用，包裹在接地环和接地体周围，达成降低接触电阻作用。而且，降阻剂有可扩散成份，能够改善周围土壤导电属性。现在较优异降阻剂全部有一定防腐能力，能够加长地网使用寿命，其防腐原理通常来说有多个：牺牲阳极保护（电化学防护），致密覆盖金属隔绝空气，加入改善界面腐蚀电位外加剂成份等方法。物理降阻剂有超出二十年工程利用历史，经过不停实践和改善，现在不管是性能还是使用施工工艺全部已经是相当成熟产品了。 非金属接地体有是在通讯、广电等部门广泛使用工程材料。基础成份是 导电能力优越非金属材料材料复合加工成型，加工方法有浇注成型和机械压模成型，通常来说浇注成型产品结构松散、强度低、导电性能差，而且质量不稳定，部分小型厂家少许生产使用这么措施；机械压模法，是使用设备在几到十几吨压力下成型，不仅尺寸精度较高、外观很好，更关键是材料结构致密、电学性能好、抗大电流冲击能力强，质量也相当稳定，不过生产成本较高，批量生产多采取。选型时，尽可能采取后者，尤其是接地体有抗大电流或大冲击电流要求（如电力工作地、防雷接地）时，不宜采取浇注成型非金属接地体。非金属接地体特点是稳定性优越，其气候、季节、寿命全部是现有接地材料中最好，是不受腐蚀接地体，所以，不需要地网维护，也不需要定时改造，不过，非金属接地体施工需要地网面积比传统接地面积小很多，不过在不一样地质条件下也需要确保足够接地面积才能够达成良好效果。 离子（中空）接地系统是传统金属接地改善而来，从工作原理到材料选择全部脱胎换骨改变，形成多种形状结构。这些接地系统共同点是结构部分采取防腐性愈加好金属，内填充电解物质及其载体组分内填料，外包裹导点性能良好不定性导电复合材料，通常称为外填料。接地系统金属材料已经出现有不锈钢、铜包钢和纯铜材。不锈钢防腐较钢材好，不过在埋地环境中仍然会多多少少锈蚀，以不锈钢为主体接地系统不宜在腐蚀性严重环境中使用。表面处理过铜是很好抗锈蚀材料，铜包钢是铜-钢复合材料，钢材表面覆盖铜，能够节省大量贵金属铜材。套管法或电镀法生产，表面铜层厚度从0.01mm到0.50mm，厚度越厚防腐效果越好。纯铜材料防腐性能最好，不过要耗用大量贵金属，在性能要求较高工程中使用。因为接地系统大多向垂直方向伸展，所以接地面积大多要求很小，能够满足地形严重局限工程需要。尤其是，赔偿类型接地系统有加长设计，笔者曾使用过加长至24米接地系统，辅以深井法施工，能够达成很好效果。 介绍接地材料各有优势，不过全部有本身局限。我们提倡各取所长，选择合适材料满足不一样工况。 序号 降阻剂 非金属接地体 中空接地棒 传统接地 1 类型 地网和接地极 接地极 接地极 地网和接地极 2 新建地网施工 简单 简单 较简单 简单 3 改造地网施工 复杂 简单 较简单 复杂 4 适用环境 一般地网通用 恶劣地质条件 腐蚀环境较高要求地网 地网面积小城市或复杂山岩环境 通用 5 价格比较 低 较高 较高 地好要求低廉价，地坏要求高较贵或很贵 6 抗腐蚀 有防腐作用 不被腐蚀 很好抗腐能力 低 7 气候稳定性 一般 优异 很好 不好 8 使用寿命 较长 最长 长最长 短，常需要改造 四、接地布线 提倡单点法联合接地和独立地相结合。接地布线标准是提供良好接地通路，而且尽可能降低各系统电位差，使其等电位化，而且预防接地信号干扰。 室内系统经过接地引下线和地网联络，建筑内线路排布直接关系到接地系统是否真正有效工作。假如处理不好线路排布，常常造成设备损害。 为了更清楚叙述布线标准，我们模拟一个建筑来考察她在受到雷击时候情况。 1、 雷击避雷针、避雷带、电源线、信号线产生感应过电压（过电流）现象是常常发生。图3中电子设备和是两台相互传输数据设备，假设电源线上传输进来kA雷电电流波（10/350nS），按图4所表示等效电路，设备是否会被损坏？ 图3 独立接地系统设备电位差图 假设：电源避雷器性能优良，其响应时间和导通后残压不会损坏电子设备，雷电流IP=5kA全部流经避雷器P进入接地点1入地； 接地电阻R11、R21、R31，且互为独立接地。 雷电流IP流过接地电阻1时，接地点1地电位将抬升为G1IpR15kV。 图4 用避雷器防雷等电位接地图 该电位G1此时会加到电源输入端1，而设备接地点2为零电位，则电源输入端和入地点2之间电位差a1G25kV。 电子设备开关电源能耐受最高电压为8001500V（10/350?S波）,若5kV电压波加到1G2两端，则设备电源端将被过电压损坏。 为了避免设备电源端免受雷击损坏，应将接地点G1和G2相连接（图4所表示）。 能够知道，2电位变为5kV，此时，信号传输线另一端设备接地点3为零电位，而信号接口2和接地点2之间电位差VG2a2变成了5kV，从而使信号接口2损坏。 要保护信号接口2，应在信号接口2和接地点2之间安装残压小信号避雷器A，且接地点必需和2相连。 同时能够看出，设备信号接口被雷击损坏，该雷电不一定是由信号传输线产生感应过电压所致。 也能够发觉，即使设备信号接口2并未损坏，但5kV电压已加到2和G3端，那么信号接口2会损坏吗？理论计算和试验结果表明：2至2信号传输线，假如线径1mm，长度大于100m，则线阻加上导线分布电感所形成电抗分压，使得加到2和3电压b2G3小于100V，但假如传输线小于100m，则有可能使b2G3100V 而使设备B受到雷击损坏。