關于信息系統共用接地和獨立接地的探討

王祿靜，李龍玲，金 超，許 毅

(貴州省清鎮市氣象局，貴州 清鎮 551400)

1 引言

接地是指電氣系統的某些節點或電氣設施的某些導電部分與地(包括大地，或范圍比較廣泛，能用來代替大地的等效導體)之間的電氣連接［1］。接地按照不同用途可以分為工作接地、保護接地、防靜電及電磁干擾接地。此外一個現代化的智能大廈里面安裝有電子信息設備時，強大的雷電波或者雷擊電磁脈沖可能會進入到設備造成損壞。因此防雷是必須的，而防雷必有防雷接地。對于以上的接地在工程中如何處理他們的關系，不同的標準有不同的答案，不同的人在處理工程時有自己獨到的看法。

信息系統的接地是很多的，在內部的電板上有數字地、模擬地，還可能有用于通信的信號地，這些“地”都是為低電平信號提供基準點，要求浮動不要太大，這些地有的與機殼連在一起，有的沒有在一起，還有的設置了獨立接地。一直以來有不同的做法，即使共用接地也有好多做法，有S型的接地還有M型的接地。但是由于發電站自身的特點，特別是在發電站廠和變電站中，即使在正常運行中，地網也會有大的電流，這就出現了強電對弱電的干擾問題，如何通過接地系統來消除這些問題，這都是本文要討論的。

2 信息系統接地的分類

在信息系統中，各種功能的接地有多種，按照信息系統的使用性質，一般電子設備系統主要分為功能性接地和安全性接地。安全接地是為設備和電路故障電流進入大地提供一個低阻抗通道;功能性接地是設備或電路為了穩定可靠地工作而需要建立一個參考電平，也稱為工作接地。安全性接地可以劃分為保護接地和防雷接地等。保護接地是指電子設備的金屬機殼、底盤等與大地通過低阻抗通道相連，可以防止事故狀態時設備外殼上出現過高的對地電壓而危及操作人員等的安全。防雷接地是把可能受到雷擊的物體和大地接通，以便提供泄放大電流的通路。功能性接地(工作接地)包括信號接地、電源接地等，信號接地是指設備內部的信號回路的接地，供電電源單獨建立基準接地點稱之為電源接地［2］。具體如圖1:

圖1 信息系統的接地圖

3 信息系統獨立接地系統的探索

3.1 獨立接地的概念

所謂獨立接地就是系統各自進行接地施工的方式。理想的獨立接地應該如圖1所示的那樣，如果有兩個獨立接地系統的接地極，其中一個電極中不論怎樣流過電流，對另一個接地電極不應該發生電位上升的情況，如圖2。

圖2 獨立接地的電位分布圖

從理論上講，如果兩個電極之間的距離不是無限遠的話，不能說它們是完全獨立的。當然，在工程中只要把電位上升限制在一定范圍內，就可以看成是相互獨立的。此時接地極之間的距離，由以下三個因素決定:流入接地極的電流波形與其最大值;電位上升的容許值;接地點土壤的電阻率。

對于要求設置獨立接地的系統一般為信息系統，對于電源系統的接地就是配電房的中性點和PE排接地。它們一般從總電位排引上接地干線上或大樓的主筋上，因此大樓電源的接地是在共用接地網絡上的。

3.2 信息系統獨立接地的原因

獨立接地的系統，其目的就是讓信息系統獲得一個“干凈”的地。因為信息系統是比較脆弱的，例如計算機設備內部電路的工作電壓為5～12V，這些工作地要有一個基準點，這個基準點接到共用接地系統時候，共用接地系統中有一些大的雜散電流的影響，從而導致地電位的不穩定，使計算機設備不能正常工作。所以信息系統的接地成為了一個好的選擇，以此來讓信息系統得到一個獨立的接地。

3.3 獨立接地的電氣模型

當避雷針(帶)接閃雷電流時，防雷引下線、建筑物地面、構架、接地裝置都將會有很高的電位，可能會與配電設備及信息設備發生反擊而將其損壞。即使設備距引下線較遠，兩者不會發生擊穿，但也不能說是安全的。當建筑物頂部避雷針(帶)接閃時，設備所在處的地面電位為:

式中:I——雷電流幅值，單位kA;

R1——接地裝置沖擊電阻，單位Ω;

L0——引下線單位長度電感，單位 μH/m，可取15μH/m;

hx——設備距防雷接地裝置的高度，單位m;

di/dt——雷電流變化率，單位 kA/μs。

從上面的式子可以看出獨立接地設備和共用接地系統的電位差由兩個部分組成，一部分是基礎接地裝置的電壓UR，一部分是大樓引下線上的電壓UL，設備離地越高，設備處的地面電壓越高。而且獨立接地和共用接地的電位差很多，極易發生損壞。由于設備的信號地是與建筑物20 m以外的大地相連的，其電位比防雷接地裝置電位低很多，比設備所在地面電位更低，因此信號地與金屬外殼之間的電位差是很大的，足以使設備內部的部件與金屬外殼擊穿而損壞。

3.4 獨立接地的改進方法

為了防止兩個接地系統之間發生反擊，采用的辦法是在兩個接地系統之間加裝避雷器，當兩個接地系統之間產生過電壓時，避雷器動作，從而起到均壓的作用，達到保護的目的。但是避雷器是有殘壓的，其有一定的響應時間，在它動作之前肯定有一部分的雷電波耦合到設備上，從而對設備造成損壞。因此對獨立接地的改進也有一定的缺陷。

3.5 獨立接地的防雷引出線的干擾問題

獨立接地需要有單獨的接地引出線，引出線一般都是絕緣導線穿金屬管，由于它的引出線一般有很長的距離，很難避開隨機產生的各種信號的干擾。在某一信號的干擾下，引出線可能不能作為防雷引出線，達到防雷的作用，相反會成為發射干擾信號的發射線，作為接地的作用大大減少 ，而作為干擾源，影響其他設備的正常運行。

4 共用接地系統的探索

4.1 共用接地系統的概念

共用接地系統是指所有的接地都接在一個接地體上，而現在所說的接地就是指所有的接地就近的接在法拉第籠的柱筋上。因為法拉第籠在防雷中，是一個始終保持電氣聯通的系統，使建筑物形成了一個均壓的建筑物。

然而共用接地系統就是最大限度的使用了法拉第籠，在共用接地系統中，有兩種不同的做法，第一種就是從樓層預留出等電位連接端子(從主鋼筋引出的預埋等電位連接板)，然后將有關接地連接到等電位連接端子。第二種是從基礎內引出一個自上而下的接地干線，然后將有關接地接到這個干線上。無論怎么連接，它們都是用的基礎的接地裝置，屬于共用接地系統。

4.2 對于共用接地的安全分析

在獨立接地系統中，我們在前面說過獨立的接地系統會有高的電位差，從而對設備造成傷害，但是在共用接地中就不會有這樣的問題，因為大樓是一個“法拉第”樓，處處等電位連接，當大樓由于雷擊而電位抬高時，大樓處處電位升高，不會發生反擊。如:當380/220 V系統發生相線碰設備外殼的接地故障時，勢必在接了地的電氣裝置外露可導電部分與其他獨立接地的金屬體之間存在很高的危險電壓。如采用共用接地，可減少電擊事故的發生。并且共用接地系統的一個很顯著的特點就是它的接地電阻非常小，有的甚至達到0.1Ω，這是獨立接地系統不能比的，能夠迅速的泄放掉大的電流，抑制電壓的升高。

4.3 共用接地系統的連接方式

信息系統應該設計好合理的接地系統，以保持等電位連接。合理的等電位連接可以降低干擾，提高電磁兼容的能力。信息系統的金屬部件如箱體、外殼、機架等與建筑物的共用接地系統的等電位連接有2種方式，即兩種基本等電位連接網絡中的一種:S型和M型。當采用S型連接網絡的時候，信息系統的所有金屬部件，除在連接點外，應與共用接地系統部件有足夠的絕緣。通常，S型連接網絡用于相對較小、局部封閉的信息系統，所有的設施及電纜僅在一點進入系統。

S型連接網絡(圖3)應該僅以一點(接地基準點ERP)連接方式并入共用接地系統，從而構成Ss型等電位連接網絡。在此情況下，為了避免構成感應回路，各設備間的所有連接線路及電纜應與按星型布置的各條等電位連接線平行布線。由于是單點連接因而沒有與雷電相關的低頻信號進入信息系統中，此外，信息系統內部的低頻干擾源也不能產生地電流。

圖3 電子信息系統機房S型等電位連接示意圖

當使用M型連接網絡(圖4)的時候，信息系統的金屬部件不必與共用接地系統部件結緣。M型連接網絡應以多點連接方式并入共用接地系統，從而構成M型等電位連接網絡。通常，M型等電位連接網絡用于相對廣延的、開放的信息系統，在這種系統中各設備間連有許多線路及電纜，各種設備及電纜從多個點進入信息系統。

圖4 電子信息系統機房M型等電位連接示意圖

至此，獲得一個對高頻來說也為低阻抗的網絡。而且，連接網絡的多個短路環路對磁場也起到多個衰減環路的作用，從而對信息系統附近的原有磁場加以衰減。

在一個復雜的系統中，可以將兩種類型的等電位連接網絡組合在一起，將兩種類型的組合優點結合在一起。

4.4 完善系統等電位聯結

接閃裝置在接閃雷電時，引下線立即產生高電位，會對防雷系統周圍尚處于地電位的導體也產生較高的電位差，如發生雷電流反擊也會對人員設備構成危害。必須采用均壓措施，將處于地電位的導體等電位連接起來，一直到接地裝置。室內的金屬設施、電氣裝置和電子設備，如果其與防雷系統的導體達不到所需的安全距離時，應將它們用較粗的導線與防雷系統進行等電位聯結。這樣在雷電流通過時，室內所有設施立即形成一個局部等電位環境，保證導電部件之間不產生有害的電位差。以圖5為例，建筑層高為地上29層，地下1層，地下1層設有變配電室、水泵房和車庫等。頂層為設備層，設有變配電所、空調機房、排風機房和電梯機房等，并設有水箱及衛星天線和共用天線接收系統。從地下1層～29層，接地端子El及各種通信設施共同的總接地端子EZ。這兩個接地端子除與接地干線Nl、N連接外，都通過等電位聯結與各層的結構柱內主筋不少于2處相連。通過這種連接，各樓層已成為等電面。在地下1層，配電所各設接地端子，這種接地端子都接到接地連接箱AM1。頂層變壓器、配電室及空調機房、排風機房和電梯機房等各接地端子，通過接地干線N3接到接地連接箱AM2上。水泵房內電氣設備的接地端子同時接到接地連接箱AM2上，接地干線NZ則直接到連接箱AM3上。接閃器另設接地干線N4接到接地連接箱AM4上。基礎鋼筋全部相連，在地下形成等電位面，接地連接箱AM1～AM4就近以最短距離接到地下由鋼筋網構成的等電位面上。由于各層的等電位面通過柱內主筋和接地干線相連，并與地下等電位面相連，因此形成了一個完整的法拉第籠和等電位網，確保了電氣安全。

圖5 建筑物完整的等電位連接圖

5 應該采用共用接地系統

在國家標準《建筑物防雷設計規范》中采用共用接地系統，但是也為獨立接地留有余地，如“對直流工作接地有特殊要求需單獨設置接地裝置的電子計算機系統，其接地電阻值及與其他接地裝置之間的距離，應按計算機系統及有關規范的要求確定”，鐵路部門還在用分地式，近年來也采用共地式。采用獨立接地的一個重要原因就是怕引來電磁兼容的問題，是把設備的正常運行放在第一位。而我們的最高原則應該是任何設備的安全，分地式由于破壞等電位連接(采用SPD實現暫態均壓仍不能很好的解決問題)，對人和設備造成極大的隱患，在雷擊產生高點位時，設備和人的安全都不能保證，更不用說設備的安全運行了。

共用接地在電磁兼容問題實際上也是可以解決的問題，通過合理的電氣設計，使PE線上沒有大的電流，通過合理的地線設計等等可以解決電磁兼容的問題，解決這些問題實際上是舉手之勞，而設置獨立接地卻要浪費很多的人力和物力，在經濟上造成很大的損失。當我們按前面的方法設計共用接地系統時，不僅在常態下能夠滿足電磁兼容的要求，可靠地運行，而且當雷電等高電壓來時也能保證人和設備的安全，是完美的設計方案，同時也是經濟可行的［17］。

6 結論

該文對信息系統的接地系統進行了歸納，在分析信息系統的獨立接地和共用接地的基礎上，提出信息系統雷電防護技術體系中接地的布設方式存在的問題，對獨立接地還是共同接地兩種接地方式進行了比較，在對其電磁干擾方面進行分析后，得到下面的結論:

①獨立接地易發生反擊，并且引線過長，容易受到其他信號的干擾，占地面積也相當大，不經濟，不應該采用獨立的接地系統。

②因此，應該采用共用接地系統，通過合理的布線和等電位連接網絡，既可以滿足人和設備的電氣安全要求，又可以滿足電磁兼容的要求，使設備正常的運行。

③在發電廠和變電站中，由于強電對弱電干擾的影響，采用獨立接地和共同接地的方法來消除干擾，起到保護人和設備的目的。

［1］陳先祿，劉渝跟，黃勇.接地［M］.重慶:重慶大學出版社，2002，122 －135.

［2］翟望.地環流抑制技術的探討［J］.自動化儀表，2003，(3):21－24.

［3］等電位聯結設計與安裝［M］.蘇D01.江蘇省建設標準設計站，2003.

［4］關象石.防雷技術標準規范匯編［M］.北京:中國計劃出版社出版，10－12.

［5］林維勇.建筑物防雷設計規范［M］.北京:中國計劃出版社，2001，10 －15.