电子系统中功能性接地和等电位连接的几个问题

内容摘要 本文对电子系统中的功能性接地和等电位连接以及接地线和等电位连接线的长短和基准点等问题进行了详细阐述。 前 言 对几个名词的说明： （1）电子系统（electronic system）：敏感电子组合部件（如信息技术设备、控制和仪表系统、无线电系统、电力电子装置等）构成的一个系统。 （2）共用接地系统（common earthing system）：一栋建筑物接至接地装置的所有互相连接的金属装置，包括防雷装置。 （3）共用等电位连接网络（common bonding network，CBN）：①在一栋建筑物内供有效等电位连接和接地的首要方法。②一栋建筑物的各金属组件有意或偶然互相连接而形成的供（接地）等电位连接用的一网状网络。这些金属组件包括建筑结构钢材或钢筋、金属水管装置、ac供电系统管道、PE线、电缆桥架和等电位连接导体。CBN总是具有一网状结构并连接至接地装置。 很长时间以来，在电子系统中是采用独立接地体还是共用接地体；接地基准点是从建筑物一层或地下室的总等电位连接带用绝缘隔离法引至需要做功能性接地之处还是就近引自共用接地系统（或称共用等电位连接网络）；电子系统功能性接地的50Hz（或说直流）接地电阻是否必须达到很小的数值（如0.5～1Ω）等等。本文将对以上这些问题做较详细的阐述。 独立接地体的缺点 对有敏感电子系统的每栋建筑物，其50Hz、220/380V电源采用TT系统，或当供电电源为TN—C系统时应在总配电箱之后采用TN—S系统。上述两种情况下，在总配电箱之后绝对不应发生中性线（N线）有意或无意接触到PE线或共用接地系统，否则，将产生50Hz基波及其谐波的干扰。当总配电箱之后设有隔离变压器或具有隔离电源特性的UPS时，在它们之后不是采用IT系统，则在负荷侧的起点将中性点或中性线做一次接地（直接接至附近的共用接地系统），其后的情况与上述同。 典型电气设计图中接地体的连接如图1a所示。这种表示十分不全面，并对理解所希望做到的更添加了混淆，以及为什么所采用的接地符号包含了与大地的连接。 通常，设计者对接地体的连接，其最普通的技术看法如图1b所示，仅有一电阻单元。这一观点显然得到许多有关测试接地体接地电阻的技术文献和市场上用于这类测试而仅显示电阻欧姆值的可应用产品的支持。 然而，对一接地体的真实表示更多地应如图1c所示，它清楚地表示为一复数阻抗。除了提供有关接地连接的电阻值外，还示出接地体连接的无功（电抗）特性，这是重要的。 通常，设计者要求的功能性接地电阻为工频接地电阻，市场上出售的绝大多数测量仪表仅供测量直流至工频的接地电阻之用，而电子系统的功能性接地是要流过直流至高频的电流。在高频条件下，接地阻抗大大增大。举例说明，一根61m长水平接地体，在小于10kHz频率下的阻抗约为6～7Ω，当频率曾高至1MHz时，其阻抗将加大到52Ω，见图2中的A接地体。当频率再增高，从图中曲线的走向，可推测其阻抗将大大加大。 接地线的感抗为XL＝2πfL，一根25mm2铜导体和一根107mm2铜导体，其在自由空间的一些有关数值见表l和表2。从表中可看出，在不同频率下，感抗都大大地大于电阻，因此导体的阻抗可略去电阻，看其等于感抗；将导体的截面从25mm2加大到107mm2，即截面加大约三倍，而感抗减小的比例却很小，例如，长度为305m的导体，在100MHz下仅减小（35－3l.4）/35=3.6/35=0.1=10％，因此，由于流过的电流很小，功能性接地/等电位连接线的截面无需选的很大。 现代电子系统绝大多数已数字化，其怕干扰的频率为数十乃至数百兆赫兹。因此，上述所指出的接地阻抗和接地线感抗将会增至很大。所以，功能性接地电阻要求很低的直流至工频的接地电阻（如0.5～1Ω)是毫无意义的，而且，浪费了人力和财力。当为共用接地装置时，其工频接地电阻主要应取决于50Hz供电系统对人身安全的合理要求值。 一栋建筑物设有独立接地体的情况如图3所示。其与建筑物共用接地体之间在地中的土壤可以看作是一阻抗Zearth，如图4所示。当有一电流Iearth流过土壤阻抗Zearth时，U=Iearth×Zearth，这一压降就是独立接地体与共用接地体之间的共模电位差。当Iearth为雷击电流或50Hz短路电流时，在电子系统与PE线或其周围共用接地系统之间将会产生跳击而损坏设备；当Iearth为干扰电流时，将对电子系统产生干扰。因此，美国的国家电气法规NEC和国际电工委员会IEC的一些标准都规定，每一建筑物（每一装置）的所有接地体都应等电位直接连接在一起，通常是在总等电位连接带处，如图5所示。这样就消除了上述的共模电位差U。 如文献的542.1.2指出的：“Where provided，earth electrodes within an installation shall he connected to the main earthing terminal using an earthing conductor.”（在一个装置内所安装的接地体都应用接地导体连接到总接地端子上。） 上述的独立体还通常被叫做信号地、干净地、专用地、安静地、计算机等级地、计算机地、技术地、某站地，等等。从以上可看出，这些都是不存在的。 在一栋建筑物中设了独立接地体，在动态条件下实际上是把人身安全和设备安全放在第二位，这是不对的；应将人身安全放在第一位来处理接地和等电位连接。 接地基准点引自建筑物一层或地下室总等电位连接的缺点 当功能性接地基准点是用隔离绝缘线引自建筑物一层或地下室的总等电位连接带时，由于隔离绝缘线过长，可能产生以下两种缺陷。其一，隔离绝缘线与引至电子系统的其他导体构成较大的环路，大的近磁场强度将在该环路感应出高电压。其二，当隔离绝缘线的长度I为干扰频率波长的1/4或其奇数倍时将产生谐振，这时，隔离绝缘线的阻抗成为无穷大，它成为一根天线，能接收远磁场的干扰或发射出干扰磁场，见式（1）和图6。图6中的入为干扰波的波长。 Iresonance=cn/4/fresonance（1）式中，Iresonance为导体产生谐振的长度（m）；n为任一奇数值（1、3、5……）；c为自由空间的光速（3X108m/s）；fresonance为使导体产生谐振的频率（Hz）。 图7所示为约7m长的1根25mm2铜导体产生谐振的例子。其产生谐振的频率接近于10MHz、30MHz、50MHz、……。 实际上，设计者必须考虑一接地（等电位连接）导体在n=1时将产生谐振的最高干扰频率。所以，通常最好是按远离加于导体的电气干扰频率的1/4波长来选择接地（等电位连接）导体的物理长度I，从图5看出，最好是I≤λ/20。但是，现在数字化电子系统的工作频率是越来越高，如普通计算机的时钟频率是100MHz，在此频率下要做到I≤λ/20=300/（100X20）=0.15n是很难的。所以，文献[31]推荐，每台设备从基准平面引两根接地（等电位连接）导体接于设备底的对角处，两根导体一长一短，相差约20％，如一根为0.5m，另一根为0.4m。这样，其中一根产生谐振，即阻抗无穷大，另一根是不会的。 当功能性接地基准点不是用隔离绝缘线引白建筑物一层或地下室的总等电位连接带以及该建筑物具有共用接地系统（或称共用等电位连接网络）时，这根线宜于每层与共用接地系统做等电位连接。但这根线是多余的，完全可以取消，因为共用接地系统本体已有许许多多并联金属物体，它们的截面积大于这一根专设且与其并联的导体。因此，接地基准点应就近接至共用接地系统（或称共用等电位连接网络），如文献[2，3]所表达的。从这一基准点至接地装置之间的许多并联金属物体因长度不一样，不会产生前面所述的谐振。 M 型网状功能性等电位连的例子 功能性等电位连接分两种，其一是S型星形（通称一点）等电位连接，它适用于工作频率300kHz以下的模拟线路；另一种是M型网状（通称多点）等电位连接，它适用于兆赫兹级的数字化线路。以下的例子均属于后者。 （1）利用钢筋混凝土地面内焊接钢筋网做高频功能性等电位连接基准网如图8所示。 图8中1～5的标注含义： 1——装有电子负荷设备的金属外壳； 2——混凝土地面上部； 3——地面焊接钢筋网，利用其作为高频功能性等电位连接基准网。除固有的绑扎点外，宜在约500～600网格交叉点上加以焊接。地面钢筋网应与周边的柱、墙、圈梁内钢筋连通，即该基准网是本建筑物共用接地系统的一部分； 4——高频等电位跨接线（施工地面时预埋好），其长度应不大于0.5m。由于高频集肤效应，应采用薄而宽的金属带，铜或钢材都可以，但与其他钢质物连接时采用钢带的优点是不会产生直流电池的腐蚀效应。两端的连接应有良好的电气接触，最好是焊接； 5——每台外壳应有两根不同长度（相差20％）的等电位跨接线，如一根0.5m和另一根为0.4m，并设于外壳的对角处。 （2）利用设备底座做高频功能性等电位连接基准网，如图9所示。 图9中1～6的标注含义： 1——装有电子负荷设备的金属底座； 2—<