第31章接地设计.ppt.ppt
1控制系统接地工程的设计控制系统接地工程的设计21 1 接地系统的基本概念接地系统的基本概念 从电气特性来看，自然界的土壤地层有两大特性：从电气特性来看，自然界的土壤地层有两大特性：1)1)导电导电 导电率为导电率为1010-3-3至至1010-1-1s/ms/m，相对介电系数为，相对介电系数为5 5至至1515，介于良导体和绝缘，介于良导体和绝缘体之间；体之间；2)2)具有无限大的容电量具有无限大的容电量 因导电，故可将用电设备和地之间组成电气连接；又因为具有无限因导电，故可将用电设备和地之间组成电气连接；又因为具有无限大的容电量，故就可以把土壤地层理解为大的容电量，故就可以把土壤地层理解为等电位点等电位点或或等电位面等电位面，成为电，成为电路或系统的路或系统的基准电位基准电位。(对机器人、船舶以及飞机等对机器人、船舶以及飞机等运动系统运动系统，可以拿船体、机壳、机器人，可以拿船体、机壳、机器人的金属骨架作的金属骨架作“地地”，它们有相对大的容电量，被称为，它们有相对大的容电量，被称为“悬浮接地系悬浮接地系统统”）3 接地技术的发明接地技术的发明,一直来都认为是一直来都认为是17531753年美国科学家富兰克林年美国科学家富兰克林在在进行雷电试验时，在大地上安装了接线端子，即实施了人类的第一进行雷电试验时，在大地上安装了接线端子，即实施了人类的第一次的所谓接地技术。次的所谓接地技术。其实，接地和其实，接地和“引雷入地引雷入地”技术发明的真正鼻祖，应追溯到技术发明的真正鼻祖，应追溯到300300年前，来华传教士、年前，来华传教士、葡萄牙人安文斯葡萄牙人安文斯（1609-16771609-1677）在）在中国的十二中国的十二大奇迹大奇迹一书中对中国建筑的特点和渊源的述说。他在书中介绍，一书中对中国建筑的特点和渊源的述说。他在书中介绍，屋顶屋顶脊吻龙脊吻龙上的金属条一端插入地里，这样，当闪电落在屋上或皇上的金属条一端插入地里，这样，当闪电落在屋上或皇宫时，闪电就被龙舌引向金属条通路，并且直奔地下消散，因而不宫时，闪电就被龙舌引向金属条通路，并且直奔地下消散，因而不致伤害人（见林清凉、戴念祖著的致伤害人（见林清凉、戴念祖著的“电磁学电磁学”）。）。他的记述他的记述比起富兰克林要早一个世纪比起富兰克林要早一个世纪。由此可见，。由此可见，接地技术真接地技术真正的发明者应该是在我们中国。正的发明者应该是在我们中国。4接地的作用有二：接地的作用有二：1 1）保护人身和设备安全保护人身和设备安全，如保护地、防雷地、本安地、防静电，如保护地、防雷地、本安地、防静电地等；地等；2 2）抑制干扰抑制干扰，即为信号电压或系统电压，即为信号电压或系统电压提供一个稳定的电位参提供一个稳定的电位参考点考点。如工作地、屏蔽地、模拟地、数字地等。如工作地、屏蔽地、模拟地、数字地等。上述的各种接地名称，都是按上述的各种接地名称，都是按接地的用途接地的用途命名的。同一个接地命名的。同一个接地装置往往具有多个接地用途。装置往往具有多个接地用途。5用于仪表保护地的原理和设置用于仪表保护地的原理和设置V VZ Z1 1V VZ Z1 1Z Z2 2Z Z2 2机壳机壳杂散电阻杂散电阻机壳不接地机壳不接地机壳接地机壳接地212ZZZVVj6 根据根据GB 4793.1-2007GB 4793.1-2007，测量、控制和实验用电气设备的安全要，测量、控制和实验用电气设备的安全要求求 第第1 1部分：通用要求部分：通用要求(IEC 61010-1:2001,IDT)(IEC 61010-1:2001,IDT)的规定：的规定：设备在正常条件下，在可触及零部件与地之间，任意两个可触及设备在正常条件下，在可触及零部件与地之间，任意两个可触及的零部件之间，的零部件之间，如交流电压的有效值有可能超过如交流电压的有效值有可能超过33V33V（或峰值超过（或峰值超过46.7V46.7V），直流电压值有可能超过），直流电压值有可能超过70V70V时，时，都必须设置保护地都必须设置保护地。71.2 1.2 接地系统的结构接地系统的结构 从工业应用的角度来看，目前控制系统通常有三种接地方式：从工业应用的角度来看，目前控制系统通常有三种接地方式：1 1）单独接地单独接地 这种接地方式是将控制系统的这种接地方式是将控制系统的保护接地保护接地接入电气安全接地网，接入电气安全接地网，工作接地工作接地采用独立的、采用独立的、“干净的干净的”接地装置与大地相接。接地装置与大地相接。由于由于在一段电源保护地线的两点间会有数毫伏，甚至几伏的电在一段电源保护地线的两点间会有数毫伏，甚至几伏的电位差。位差。这对低电平信号电路来说，是一个非常严重的干扰，因此控这对低电平信号电路来说，是一个非常严重的干扰，因此控制系统的工作地不要和保护接地在柜内就混用。制系统的工作地不要和保护接地在柜内就混用。82 2）联合接地联合接地 这种接地方式是将控制系统在内的电子信息设备和其它电气系这种接地方式是将控制系统在内的电子信息设备和其它电气系统的接地系统连接在一起，形成统的接地系统连接在一起，形成“联合接地联合接地”并并一点接地一点接地，而且规，而且规定定接地电阻不应大于接地电阻不应大于1 1欧姆（欧姆（接地电阻按要求的最小值确定接地电阻按要求的最小值确定）。）。93 3）共用接地共用接地 等电位联结是以等电位联结是以等电位等电位观点为主体思想的观点为主体思想的多点连接多点连接，即设备和，即设备和装置外露可导电部分的电位基本相等的电气连接。其中包括结构纲装置外露可导电部分的电位基本相等的电气连接。其中包括结构纲筋、金属设备、管道等，进而和接地极相连。筋、金属设备、管道等，进而和接地极相连。所谓多点是指建筑物所谓多点是指建筑物基础钢筋、地下金属管道、埋地电缆的金属外皮都成为很好的接地基础钢筋、地下金属管道、埋地电缆的金属外皮都成为很好的接地极。极。10 由于通过共用接地网实现由于通过共用接地网实现等电位连接等电位连接，为干扰（特别是强大的，为干扰（特别是强大的雷电流）提供低阻抗的连续通道并泄放到大地。由于等电位连接雷电流）提供低阻抗的连续通道并泄放到大地。由于等电位连接减减小了系统内各金属部件和各系统间的电位差小了系统内各金属部件和各系统间的电位差（但并非是真正的等电（但并非是真正的等电位体），无论是从位体），无论是从防雷防雷的角度或者是从的角度或者是从减小控制系统的共模干扰减小控制系统的共模干扰来来看，这都是十分有益的。看，这都是十分有益的。11 接地系统在概念和技术上，近十年发生了很大的变化，其中接地系统在概念和技术上，近十年发生了很大的变化，其中最重要的转变是：最重要的转变是：以前的接地系统是否合格以前的接地系统是否合格以接地电阻值为准以接地电阻值为准，现在，现在侧重于接地侧重于接地结构兼顾接地电阻值结构兼顾接地电阻值，特别是从独立接地到采用共用接地网实行，特别是从独立接地到采用共用接地网实行等等电位连结电位连结方式的转变。方式的转变。实施等电位连接的方法：实施等电位连接的方法：n将分开的装置和诸导电物体用将分开的装置和诸导电物体用导体连接导体连接；n采用采用共用接地网共用接地网；n用用浪涌保护器浪涌保护器（SPDSPD）连接起来，以减小雷电流或其它干扰电流）连接起来，以减小雷电流或其它干扰电流在它们之间产生的电位差。在它们之间产生的电位差。12 据查证，世界上据查证，世界上最早提出等电位接地方式最早提出等电位接地方式的是我国在的是我国在19581958年建年建设人民大会堂时采用的设人民大会堂时采用的笼式接地网笼式接地网，比起英国，比起英国GOLDEGOLDE在在 雷电雷电 一书中提一书中提及要及要早十八年早十八年。但在标准中出现等电位接地是。但在标准中出现等电位接地是19991999年的年的“IEC 61312-IEC 61312-2”2”，我国是从，我国是从20002000年才开始出现在各类标准中。年才开始出现在各类标准中。131.3 S1.3 S型接地系统和型接地系统和M M型接地系统型接地系统 采用共用接地网实行等电位采用共用接地网实行等电位连接的网络有连接的网络有S S型和型和M M型两种结构型两种结构形式。形式。1)S1)S型接地系统型接地系统 S S型等电位连接网络仅通过型等电位连接网络仅通过唯一的一点（唯一的一点（ERPERP）组合到接地）组合到接地系统中去。系统中去。特点特点：无感应环路；组件间：无感应环路；组件间要绝缘；接地电缆平行敷设（要绝缘；接地电缆平行敷设（可可能多而长能多而长）。）。S S型也称型也称星型星型或或树型树型。ERPERP接地网接地网机柜机柜14仪表及控制系统仪表及控制系统S S型接地连接型接地连接 TN-S制中制中的的PE线线15电子信息设备机房电子信息设备机房S S 型等电位连接网络示意图型等电位连接网络示意图 162)M 2)M 型接地系统型接地系统 M M 型等电位连接网络是型等电位连接网络是通过多点连接组合到接地系统通过多点连接组合到接地系统中去。此时，各金属组件不应中去。此时，各金属组件不应与共用接地系统各组件绝缘。与共用接地系统各组件绝缘。M M 型等电位接地网络宜型等电位接地网络宜用于延伸较大的开环系统用于延伸较大的开环系统，而，而且在设备之间敷设许多线路和且在设备之间敷设许多线路和电缆，以及设施和电缆从若干电缆，以及设施和电缆从若干处进入该信息系统。处进入该信息系统。在复杂系统中，可以将在复杂系统中，可以将S S型和型和M M型两种等电位连接网络组型两种等电位连接网络组合在一起合在一起。接地网接地网机柜机柜17M M型（网格式）接地连接的例子型（网格式）接地连接的例子PEPEPE配电箱配电箱等电位接地连接等电位接地连接机柜机柜接地汇流排接地汇流排18电子信息设备机房电子信息设备机房M M 型等电位连接网络示意图型等电位连接网络示意图19最好用最好用梳状梳状连接网络连接网络去接地体去接地体去接地体去接地体201.4 1.4 接地系统的耦合接地系统的耦合1 1）串联接地和耦合）串联接地和耦合 串联接地因各电路的地电流串联接地因各电路的地电流在地线阻抗以及连接阻抗会引起在地线阻抗以及连接阻抗会引起各电路间的耦合，所以会产生干各电路间的耦合，所以会产生干扰，故要避免使用。扰，故要避免使用。V VA A=（I I1 1+I+I2 2+I+I3 3）R R1 1；V VB B=V=VA A+（I I2 2+I+I3 3）R R2 2；V VC C=V=VB B+I+I3 3 R R3 3。对应在工程中，对应在工程中，不宜将控制柜不宜将控制柜的接地汇流排实行串联接地的接地汇流排实行串联接地。电路电路1电路电路2电路电路3I3I2I1I2+I3I1+I2+I3ABCR1R2R3212 2）并联接地和分类汇总）并联接地和分类汇总 并联接地可以减少因地电流并联接地可以减少因地电流引起电路间的耦合。所以在有引起电路间的耦合。所以在有关接地的标准里，强调要关接地的标准里，强调要“分分类汇总类汇总”。汇总点离和地的接汇总点离和地的接入点愈近与好。入点愈近与好。V V1 1=I=I1 1R RI I+V+VA A；V V2 2=I=I2 2R R2 2+V+VA A；V V3 3=I=I3 3R R3 3+V+VA A；V VA A=（I I1 1+I+I2 2+I+I3 3）R R4 4。如果如果R R4 4代表接地电阻代表接地电阻，因，因为是公共阻抗，为减小耦合，为是公共阻抗，为减小耦合，显然是愈小愈好。显然是愈小愈好。电路1电路2电路3R1R2R3I1I2R3R4A221.5 1.5 工频接地电阻工频接地电阻和和冲击接地电阻冲击接地电阻-接地电阻的频率特性接地电阻的频率特性 由于流入地中的电流错综复杂，有工频电流，也有雷击时的脉由于流入地中的电流错综复杂，有工频电流，也有雷击时的脉冲电流，所以接地电阻按其用途一般有工频接地电阻和脉冲接地电冲电流，所以接地电阻按其用途一般有工频
