機房電氣設備接地研究

邱 凱，張 海

（五凌電力有限公司，湖南 長沙 410000）

1 分類接地介紹

電氣設備接地按功能可分為工作接地、保護接地、防雷接地、信號參考地和屏蔽接地等[1]。

工作接地指將電力系統的某點（如中性點）直接接大地，或經消弧線圈、電阻等與大地金屬連接，如變壓器、互感器中性點接地等[1]。

保護接地是為防止電氣裝置的金屬外殼、配電裝置的構架和線路桿塔等帶電危及人身和設備安全而進行的接地[1]。

防雷接地采用避雷針、避雷器等雷電防護設備，防止雷電對電力系統及人身安全造成危害，將防雷設備與合適的接地裝置相連，以此將雷電流導入大地[1-3]。

信號參考地，又叫直流地或邏輯地），為固體電子設備為基礎的儀器和控制設備工作時純凈、無干擾的信號參考點（幾乎無法提供）[1]。

屏蔽接地將線路中的屏蔽層、金屬橋架進行有效接地，是頻率低于1 MHz或導體長度與信號波長比小于0.15時的低頻接地系統。通常應當采用單點接地方式，否則應采用兩端接地或多點接地方式。這是由于當長度為1/4波長時，如果只在屏蔽的一端接地，屏蔽層將成為相當有效的天線[1]。

2 接地方式分析

2.1 原理分析

現代機房內有許多不同性質的電氣設備，要有多種接地措施，如電氣安全接地、交流電源工作接地、直流接地、避雷接地和屏蔽接地等。隨著計算機的復雜控制和信號系統的使用不斷廣泛，出現了一些與干擾控制有關的問題。干擾源一般通過信號發生源和傳輸過程引入。接收信號中的干擾信號能引起通信亂碼、誤差甚至宕機現象等，特殊情況下會損壞設備，導致系統停止運行，造成較大的經濟財產損失或延誤指令傳達。這些干擾源包括大型感性負荷操作、大故障電流、雷電過電壓等。這些干擾源通過各種途徑引入或各種耦合產生暫態干擾電壓，如沿著電力線、信號線波及系統中的包括保護、控制、通信等的儀器儀表等弱電設備，其抗干擾能力和耐壓水平較弱。為了限制暫態干擾電壓，應力求從接地網的結構、屏蔽、接地等方面著手，將干擾電壓限制到器件可以承受的電壓水平，以此提高控制系統的安全和可靠性。

建立一個具有低阻抗對地通道的接地系統，確保在雷電沖擊、短路故障、操作暫態、高低頻的抗耦干擾或靜電放電等干擾源不在設備或構筑物上出現高壓是關鍵。另外，如何有效抗干擾成為當今接地系統建設中的一個重點。在20世紀六七十年代以前，各接地系統獨立建設接地網，各個系統之間不會造成相互間的干擾。近年來發現，這種接地方式在通信自控系統中存在特別容易被地電位反擊的弱點，所以現在一般不主張采用獨立接地的方式，而是被共用接地所取代。但是，共用接地也有明顯缺點。在共用接地方式中，易產生高、低頻干擾，干擾源是通過線路互相耦合的，為共阻抗耦合。當兩個電路電流經同一個公共阻抗時，一個電路上的電流在這個阻抗上形成的電壓會影響到另一個電路，稱為共阻抗耦合。假設在一個公用的接地網，在不同的地點分別接上連線，如圖1所示。

圖1 共阻抗耦合

因為共阻抗耦合的關系，各連線之間將會有Vg1、…、Vgn共模電壓。各連線的接地點電位不完全一樣，而Vg1、…、Vgn就是干擾電壓和相應的干擾電流Ig1、…、Ign。干擾電壓和電流沿接地線傳輸到設備上時，經過設備內部放大電路放大后可能直接影響通信或控制信號，從而造成通信和控制錯誤。當然，這種系統可以通過降低接地電阻的方法，在一定范圍內降低“噪音”，但不能完全消除“噪音”。

為了避免電流Ig引發的公共阻抗耦合效應，采用一點接地方式解決，如圖2所示。

圖2 一點接地

當頻率低時，A1、B1、…、N1的電位基本上與B點一樣。一點接地法由于解決了各系統的接地線等電位問題，所以各系統之間的干擾問題初步得到了解決。尤其針對50 Hz工頻信號，對系統的干擾基本消除。

一點接地對公阻抗耦合和低頻接地環路有很好的降“噪音”效果。但當干擾源和信號的頻率增加時，電氣上的等效電路上存在分布電感、分布電容及引線電阻，如圖3所示。

圖3 多點短連線接地

當信號或電磁干擾的頻率相當高或采用快速邏輯電路時，電容耦合效應將會產生某種干擾耦合，引線長度成為主要矛盾。此時，必須采用多點短連線接地方式，以最短連接線連接到地平面（零伏基準電位面）上，使串聯阻抗減至最小，并將駐波減至最少。供輸線路的試驗表明，駐波在一根不超過波長1/10至1/20長度導體的兩端，不會產生明顯的電位差。綜上所述，接地線越短越好。

綜上所述，當低頻（50 Hz）和高頻（＞10 kHz）混合在一起的設備處理接地時，同時存在一點接地和多點接地方式，即混合接地。為了消除高頻電容耦合效應，建議通信線路采用屏蔽方式解決一點接地時的電容耦合效應“噪音”，充分利用分布電感（Rc=2πfl）阻隔高頻“噪音”進行多點接地（即分頻段設置一點接地方式）。所以，在具體實施時，需遵循原則：在低頻電路部分宜采用單點接地，而高額電路需采用多點接地的混合接地方式。如圖4所示。

圖4 混合接地

2.2 接地引線對弱電設備干擾的控制

供電系統中的故障電流或雷電侵入電流，會引起接地裝置的電位抬升引起過電壓。為了避免這類過電壓的危害，可在弱電線路和接地外殼間加裝SPD（浪涌吸收器即避雷器）來吸收過電壓能量和限制過電壓幅值。

2.3 接地點取點方法

工作接地、防雷接地、保護接地、信號參考地、屏蔽接地等接地點的取點方法如下：

分析。所有接地采用共地原則，但為了提高設備干擾能力和耐過電壓能力，采用分頻段接地的方法，即混合接地法。

工作接地、防雷接地、保護接地、屏蔽接地均為低頻率接地系統，采用一點接地法，以設備局部為單位共用一點為接地端子。

信號參考地，運行頻率較高且頻帶較寬，采用高低頻混合接地系統。

采用混合接地方式相當復雜，也相當專業。只要其中一點接地錯誤，會影響整個接地系統的抗干擾性能。為了便于簡化日后維護、擴容接地方便和提高抗干擾能力，可采用直流參考地單獨、其他接地共用建筑物地網的接地方式。

為了提高整個系統抗干擾能力，即有效抑制高低頻之間的抗耦干擾，充分利用接地體中的分布電容、分布電感和分布電阻，將工作接地、防雷接地、保護接地、屏蔽接地設為一組（共用建筑物地網），盡量遠離信號參考地（即直流參考地）。

綜上所述，為了克服直流地單獨而引起地電位反擊的弱點，機房內將建筑物地網與直流地網之間采用地極保護器進行電氣連接。這樣平常時兩地網之間是分開的，高低頻之間無抗耦干擾；當有地電位差時（如雷擊建筑物時），地極保護器導通，瞬間共網，使所有接地處于同一等電位狀態[1-3]。

3 結 論

計算機設備和通信設備都有可靠的數字電路，要求有可靠等電位，需要通過建立良好的接地系統來解決防干擾的屏蔽和防靜電問題。因此，良好的接地是機房安全運行的重要保障，必須給予足夠重視。

參考文獻：

[1] 金 良，曾 嶸.電力系統接地技術[M].北京：科學出版社，2007.

[2] 陳家斌.接地技術與接地裝置[M].北京：中國電力出版社，2003.

[3] 周志敏，周紀海，紀愛華.電氣電子系統防雷接地實用技術[M].北京：電子工業出版社，2005.