佛山市富兰防雷研究所有限公司南海分所 528208
【摘 要】本文介绍电子计算机通讯系统、有线电视系统等设备防雷接地的关键技术。
【关键词】独立接地；共用接地；一点接地；多点接地；环形接地
接地是防雷（直击雷、感应雷或其他形式的雷）技术最重要的环节，都要把雷电流送入大地，因此，没有合理而良好的接地装置是不能可靠地避雷的。
过去讨论接地，总是把焦点放在接地电阻上，认为接地电阻越小避雷效果就越好、越安全。当然避雷接地电阻值越小散流越快，被雷击物体高电位保持时间越短，危险性越小，其跨步电压、接触电压也越小。但是，近十几年来理论和实践证明：接地电阻值不如接地网的结构重要。下面就这一问题加以讨论。
一、共用接地和独立接地
现代的建筑物，往往在一座建筑物内有许多不同性质的电气设备，需要多个接地装置、如防雷接地、电气安全接地、交流电源工作接地、防静电接地、通讯及计算机系统接地（也叫直流接地，在数字逻辑系统中叫逻辑接地）等。这么多系统的接地到底采用共用接地系统好还是每个系统独立接地好呢？
途中“O”为需要接地的装置或设备
图1（a）为每个需要接地的装置或设备自己独立接地装置。
图1（b）为在图1（a）的基础上，用连接线将各独立接地装置连接起来。
图1（c）为所有需要接地的装置或设备共同合用一组接地装置。
图1（d）为利用建筑物的金属体（包括钢构架和钢筋）做接地引线和接地装置。
图1（a）成为独立接地，图1(b)、图1（c）、图1（d）称为共用接地。
所谓独立接地是指上面所谈的需要接地的系统分别独立地建立接地网，在上世纪六、七十年代以前比较多用，它的好处是多系统之间不会造成互相干扰，这点在通讯系统尤其重要，但近年发现这种独立接地方式在计算机通讯网络和有线电视网络中特别容易被雷击。故除了在特别危险的有防爆炸要求的环境必须要采用独立避雷针（线、网）的地方外，一般不主张采用独立接地的方式而被共同接地所取代。
图1（b）、（c）、（d）都叫做共同接地，或叫统一接地。它是把需接地的各系统统一接到一个地网上，或者把各系统原来的接地网通过地下或者地上用金属连接起来，使他们之间成为电气相通的统一接地网。
独立接地网存在什么问题？它为什么会被共同接地网取代？因为各通讯系统和交流电源系统的接地是为了获得一个零电位点，如果各系统分别接地，当发生雷击时各系统的接地点的电位可能相差很大，如图1（a）中的1、2、3个接地网之间瞬间电位差很大，假定其中“1”为交流电源工作接地，“2”为计算机逻辑接地。“3”为机壳安全保护接地，又假定雷电冲击波从其中一条路“1”即交流电源送进来，由于雷电的瞬时电压往往是几万伏乃至几十万伏，那么在同一台电子计算机电路板上分别与电源、通讯线和外壳相接的各部分就承担各地网之间的高电压而击穿，对于微机网络来讲，一般是调制解调器和网卡首先被击穿。据我们了解，在微机通讯网络中，电源、逻辑、安全保护和防雷各独立接地的系统被雷击损坏的机率远远高于共同接地的情况。
其次，在一座楼房要分别做几个互相没有电气联系的地网是很困难的，尤其是在现代的大城市更是如此。因为要求各地网之间最小要有几米乃至20米的距离，同时又要与各种地下金属管道、电缆金属屏蔽层、各大金属构件都要有足够安全距离就不容易做到，即使在新建接地系统是做到了，但在日后维修工作中，由于接手人不了解情况容易破坏以上的要求，由于以上两个原因，所以独立接地系统已不适应现代通讯技术迅猛发展的形势。
如果采用共同接地，雷电流1在冲击接地电阻上产生的高电位，将同时存在各系统的接地线上，（如图1 b、c、d）各系统地线之间不存在上面讲到的高电位差，也不存在同一台设备的各接地系统之间的击穿问题。
二、一点接地
设独立接地体的一个经常提出的主要理由是为了避免信号干扰和消除“噪音”。为了分析这一问题，首先需要理解一下一些基本概念。
20-30年以前，干扰被称为无线电频率干扰（Radio frequency interference,缩写为RFI），因为绝大多数的噪音和干扰信号出自于无线电频率。现今，随着日渐大量采用电子计算机、数字技术、逻辑电路，现在的干扰被称为电磁干扰（Electromagnetic interference,缩写为EMI）。电磁干扰都包含一种导电性电磁干扰，另一种为辐射性电磁干扰。导电性电磁干扰，其干扰能量是通过线材或电缆从一电路传送到另一电路。减少导电性电磁干扰是通过电路的合理设计、采用滤波器和电路的合理接地；辐射性电磁干扰，其能量是通过空气中的电磁场传送的。在设计外壳和箱体式，通过选用合理的屏蔽材料、构造技术和设备布置以及采用合理的接地技术等来减少辐射性电磁干扰。其中处理好接地释放电磁干扰最重要的技术措施。
低频干扰绝大部分是通过线路互相耦合而来，即所谓共组抗耦合。当两个电路电流流经同一个公共阻抗时，一个电路上的电流在这个阻抗上形成的电压就会影响到另一个电路，这就是公阻抗耦合。
如果一个公用的接地网，在不同的地方分别接上连线，（如图2）由于共阻耦合关系，各连线之间将有Vg1，Vg2……电压，各连线的接地点电位不完全一样，当Vg1，Vg2……就是干扰电压，经放大后可能直接影响通讯或控制讯号。
图2表示出一个系统的三台内部有连接的设备，用多点接地方式接至一接地平面或接地母线上。由于各种干扰源感应的电流1在接地平面内流动，并在A、B点和B、C点之间产生感应电压Vg1和Vg2。
因此，A、B、C三点不可能处于同一电位，这就出现干扰源，图2是与图3同样的设备，但三台设备的地线全都接于点B，因此，避免了由电流Ig引发的公共阻抗耦合效应。当频率低时，A＇、B＇、和C＇点的电位基本上与B点的一样。
如图3那样把各系统的接地线接到接地母线同一点或同一金属平面图上，这样的连接方法叫“一点接地法”。一点接地法由于解决了各系统的接地线等电位问题，所以各系统之间的干扰问题初步得到了解决，尤其是50Hz工频讯号对系统的干扰基本消除，所以一点接地法在工程上得到广泛应用。一点接地消除了公共阻抗耦合和低频接地环路引起的干扰。一点接地能很好工作于1MHz及以下的频率，并且当整个系统的尺寸较小时（最大尺寸小于λ/20，λ为干扰信号的波长）甚至可以应用到10MHz。
当电磁干扰和信号的频率增加时，图3在电气上的等效电路更像图4有分布电感、电容以及引线电阻，引发谐振效应，在高频下，图3中的A＇、B＇、和C＇点的电位与B点不同，每一点对B点说来通常总有某些不确定的电压。
当信号或电磁干扰的频率相当高或采用快速逻辑时，电容耦合效应将会产生某种干扰耦合，如图4所示，这时引线长度成为主要矛盾，必须采用多点短连线接地方式，以最短连接线连接到地平面（零伏基准电位面）上，使串联阻抗减至最小，并将驻波减至最少。接地平面可以是设备的机壳（如图5所示）或遍布整个系统的接地线（网）。可能时，选用一大的导电体做为接地平面。多点接地方式应用于高频电路（f＞MHz ）。多点接地的优点允许存在许多接地环路，这可能对同时使用较低频率的电路是有害的，在这种情况下，可以采用混合接地的方法。
所谓混合接地，是在一部设备内的各电路板，以最短的导线与机壳连接，或者讯号电路相关的几部设备以最短的导线与同一个金属体连接接地，然后多台设备分别引金属线接到地网的同一点上。
高频接地的接地线需要多长，它应为高频波波长的几分之几？对此问题没有明确的答复，但是长度必须小于λ/4（不会产生驻波的条件），小多少，这取决于通过接地线的电流和接地线允许的电压降。当电路对干扰电压降极为敏感时，接地线的长度可以限制在λ/20或更小，如果电路相对说来不敏感时，其长度可以长到0.15λ。传输线路的试验已经表明，驻波在一根不超过波长1/10至1/20长度导体的两端，不会产生明显的电位差。
三、环形接地和等电位连接
环形接地网就是把接地体沿建筑物周围围成一个闭合环，这样的接地网可以使到界面以内的电场分布比较均匀，减少跨步电压对人的危害，也减少室内在被雷击时由于地面电位梯度大容易产生对设备高电压反击的危险。
等电位连接是把建筑物内和附近的所有金属物，使整座建筑物空间成为一个良好的等电位体。当雷电袭击时在这建筑物内部和附近大体上是等电位的，而不会发生内部的设备被高电位反击和人被雷击的事故。此外在电力线、电话线、电视讯号电缆、电子计算机讯号传输线等一切与外界有联系的金属线都要接上合理的过电压保护装置（避雷器），并且避雷器的接地端要与建筑物的防雷接地装置直接进行电气连接，使之成为等电位（实际上是准等电位）。
等电位连接是防雷和电工技术的新技术，由于采用等电位连接，不但使建筑物和其内部的设备防雷能力大大提高，而且接地电阻的要求可以放宽，使建设投资可以减少，降低施工难度，尤其是对在干旱、沙漠和山地土壤电阻率高的地区建设更为重要。
上面讲到，接地系统的结构在一定意义上比接地电阻的欧姆数更为重要，其意义也在这里。
关于共用接地的接地电阻值许多文献建议共用的接地电阻要在1Ω以下。这是不合理的，经济上是浪费的。姑且不论这1Ω是工频还是冲击接地电阻，就按1Ω工频接地电阻等于1Ω冲击接地电阻考虑。建筑物内220/380V用的电设备，其绝缘耐冲击电压按国际电工委员会的规定为6KV。当建筑物的防雷装置遭直接雷击时，雷电流幅值在积累次数取50%时其值为35KA，它与1Ω接地电阻的乘积为35KV，这为上述耐冲击电压6KV的6.8倍。在共用接地的重要条件下，防止用电设备绝缘击穿的最主要措施是采用在绝缘导体与共用接地系统之间装设过电压保护器。在特殊条件下，某类金属物体不允许与共用接地系统直接连接时，也在它们之间装设过电压保护器以防发生跳击而在大气中产生火花。过电压保护器是用来限制存在于某两物体之间的冲击过电压的一种设备，如放电间隙避雷器或半导体器件。如果装设了过电压保护器，共用接地装置接地电阻的大小对本建筑物说来是次要的，因为只要过电压值大于过电压保护器的动作电压，该过电压均能在瞬间使过电压保护器动作而不管此电压值大出多少，并使其两侧物体在此瞬间内短接而得到等电位。
综上所述，作为一座新建（构）筑物要作地网设计时应遵循下面几条来做：
1、尽量采用建筑物地基的钢筋和自然金属接地物统一连接起来作为接地网。
2、尽量以自然接地物为基础辅以人工接地体补充，外形尽可能采用闭合环形。
3、应采用统一接地网，用一点接地的方式接地。
4、若用高频和超高频调设备时，应采用机壳或就近用一金属平面作最短接线的多点接地，以便减少高频干扰。
5、当工作场所内或附近有大功率的晶闸管移相电源时，有可能对通讯系统仍存在低频干扰，在这种情况下建议把晶闸管电源独立接地，并把它的接地网与共同接地地网用一个电子开关连接起来，平时两地网之间是独立的，防止干扰，当雷电流来到的时候两地网之间通过这个电子开关自动连接起来，使它们之间达到等电位以便提高抗雷害能力。又避免低频杂散讯号对电子设备的干扰。
本文曾得到华南理工大学苏邦礼教授悉心指导，在此特别鸣谢！
论文作者:崔秉球
论文发表刊物:《低碳地产》2015年第7期
论文发表时间:2016/8/19
标签：过电压论文; 电位论文; 干扰论文; 电压论文; 系统论文; 设备论文; 电阻论文; 《低碳地产》2015年第7期论文;