正確理解和測試信息技術(shù)設(shè)備的接地

正確理解電氣設(shè)備，尤其是敏感的信息技術(shù)設(shè)備的“接地”概念，是工程施工與檢測的基礎(chǔ)。所謂“接地”是否意味著必須將設(shè)備地線“接入地球”?回答此問題之前，先回顧一個(gè)事實(shí)：飛行中的飛機(jī)、火箭、衛(wèi)星、空間站(如圖1所示)，內(nèi)部的電氣設(shè)備地線是無法接入地球的(或稱：接地電阻無窮大)，但都能有很好的電磁兼容性，尤其在電磁環(huán)境惡劣的外太空。顯然，“接地”并不意味著將系統(tǒng)接入地球，確保飛行器內(nèi)敏感電氣設(shè)備正常運(yùn)行的，是可靠的屏蔽與“等電位聯(lián)結(jié)”等措施。

圖1 飛行中的空間站與地球間沒有電氣連接

1 標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范中是術(shù)語

談及“接地”和“等電位聯(lián)結(jié)”時(shí)，會遇到一些與之相關(guān)的名詞和術(shù)語，現(xiàn)將標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范中的定義摘錄如下。“建筑物接地系統(tǒng)綜覽(1)”(如圖2所示)中示意性但清楚地顯示了這些術(shù)語所指各部分在建筑物中的位置。

圖2

1.1 接地

GB 50169-2006(1)2.0.5定義：將電力系統(tǒng)或建筑物電氣裝置、設(shè)施過電壓保護(hù)裝置用接地線與接地體連接，稱為接地。

1.2 接地體(極)(如圖2中標(biāo)注9)

GB 50169-2006(2)2.0.1定義：埋入地中并直接與大地接觸的金屬導(dǎo)體，稱為接地體(極)。

GB 16895.3(3)541.3.3定義：接地極——埋入特定的導(dǎo)電介質(zhì)(如混凝土或焦炭)中，與地有電氣接觸的導(dǎo)電部分。

1.3 總接地端子(如圖2中標(biāo)注文字)

GB 16895.3(3)541.3.2定義：總接地端子(總接地母線)——電氣裝置接地配置的一部分， 用于與若干接地用的導(dǎo)體實(shí)行電氣連接的端子或母線。

1.4 接地導(dǎo)體(線)(如圖2中標(biāo)注8)

GB 50169-2006(2)2.0.3定義：電氣設(shè)備、桿塔的接地端子與接地體或零線連接用的在正常情況下不載流的金屬導(dǎo)體，稱為接地線。

GB 16895.3(3)541.3.6定義：接地導(dǎo)體——總接地端子與接地極之間提供導(dǎo)電通路或部分導(dǎo)電通路的導(dǎo)體。

1.5 等電位聯(lián)結(jié)(如圖2中標(biāo)注2、4、7，PE線及金屬托架等)

ANSI/TIA 568-C.0-2009(4)定義：為形成導(dǎo)電通路而將金屬部進(jìn)行的永久連接，可確保電氣連通性并有能力安全傳導(dǎo)任何可能的附加電流。

2.正確理解接地和等電位聯(lián)結(jié)的作用

GB 16895.17(5)附錄B：《電磁兼容(EMC)措施》中提出的“避免電磁干擾入侵的基本技術(shù)舉例”有：

◆ 采用電的或糾錯(cuò)的技術(shù)在信息技術(shù)裝置或設(shè)備中提供內(nèi)在抗干擾性能;

◆ 在干擾源與信息技術(shù)裝置或設(shè)備間在電氣上實(shí)行隔離;

◆ 在相關(guān)頻率范圍的設(shè)備之間實(shí)行等電位聯(lián)結(jié);

◆ 提供一個(gè)低阻抗的基準(zhǔn)電位平面，使電位差減小，并提供屏蔽。

上述措施中強(qiáng)調(diào)的是“等電位聯(lián)結(jié)”或“近似等電位聯(lián)結(jié)”，而并未提及接大地(接地球)措施。

就整個(gè)建筑物而言，以大地(地球)電位為參考電位，建筑物電氣裝置接地(球)是為了泄放雷電電流和靜電荷，通常稱為“接大地”。

就建筑物(或離地飛行器)內(nèi)部的電氣系統(tǒng)而言，均以建筑物(或飛行器)內(nèi)部等電位聯(lián)結(jié)電位為參考電位，已與地球電位無關(guān)。所謂“接地”，應(yīng)理解為將電氣零電位參考點(diǎn)、保護(hù)導(dǎo)體、屏蔽層等納入到等電位聯(lián)結(jié)中，其目的是實(shí)現(xiàn)必要的電氣功能和提高系統(tǒng)的電磁兼容性(EMC)。此時(shí)，如果等電位聯(lián)結(jié)不可靠，即使建筑物接大地措施良好，也無法保證建筑物內(nèi)電氣設(shè)備正常運(yùn)行;反之不然，離地飛行器就是最好的例子。

由此可知，當(dāng)談及接地措施與接地測試時(shí)，必須首先確認(rèn)此措施是針對防雷還是電磁兼容，是“接大地”還是“等電位聯(lián)結(jié)”。

3 接地電阻與測試

無論“接大地”還是“等電位聯(lián)結(jié)”，其回路電阻是判斷此類措施有效性的依據(jù)，一般統(tǒng)稱為“接地電阻”，其區(qū)別在于：一個(gè)是接地極(圖1中建筑物的“基礎(chǔ)接地極”)與地球間所構(gòu)成的回路電阻，一個(gè)是等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體間回路電阻。因此，當(dāng)談及“接地電阻”時(shí)，同樣應(yīng)區(qū)分所指——“接入大地的電阻”還是“接入等電位聯(lián)結(jié)的電阻”;而且，要得到正確的接地電阻數(shù)值，還必須選擇正確的測試位置和測試方法。

3.1 接地電阻的測試位置

3.1.1 “接大地”電阻的測試位置

根據(jù)“接大地”與“接地體(極)”定義，只有將儀表接至“建筑物基礎(chǔ)接地極”(圖2中標(biāo)記“9”處)，才能得到真實(shí)的“接大地”電阻值。其他測試位置得到的均為“等電位聯(lián)結(jié)”體系中部分回路的導(dǎo)體電阻。

例如，如果將儀表接入“接地導(dǎo)體”(圖2中標(biāo)記“8”處)，實(shí)際得到的是“總接地端子”上的所有等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體(圖2中標(biāo)記“7”處)并聯(lián)電阻與建筑物的鋼結(jié)構(gòu)(圖2中標(biāo)記“2”處)所形成的回路(圖8中的“回路1”)電阻，而并非“接大地電阻”。

3.1.2等電位聯(lián)結(jié)的導(dǎo)體回路電阻

正如前文反復(fù)強(qiáng)調(diào)的，對電氣(子)設(shè)備電磁兼容性(EMC)起作用的是“等電位聯(lián)結(jié)”。關(guān)于等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體(保護(hù)導(dǎo)體)，在以下標(biāo)準(zhǔn)條款中有所規(guī)定：

GB 16895.3(3)543.2 注1：“在中國、意大利、英國和美國，按其地區(qū)或國家規(guī)程或標(biāo)準(zhǔn)，允許將電纜托盤和電纜梯架用作保護(hù)導(dǎo)體。”

GB 16895.17(5)548.3.1：“信息技術(shù)設(shè)備的功能接地可利用供電回路的保護(hù)導(dǎo)體。”

GB 16895.17(5)548.7：“電信電纜或電信設(shè)備的可導(dǎo)電屏蔽層、護(hù)套或鎧裝是等電位聯(lián)結(jié)的組成部分。”

如本文3.1.1所述，相對“接大地電阻”而言，“等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體回路電阻”測試更容易，只要將儀表接入所需測試的設(shè)備地線導(dǎo)體(圖8中的標(biāo)注的“回路1、2、3”)，即可得到相應(yīng)阻值。

3.2 接地電阻的測試方法

嚴(yán)格意義的接地電阻，應(yīng)將儀表(歐姆表)串聯(lián)至被測回路中進(jìn)行測試，但在實(shí)際工程現(xiàn)場，大多少情況不允許或不可能將接地系統(tǒng)斷開后接入測試儀表。因此，工程中一般使用“輔助接地極法”和“電磁感應(yīng)法”測試。

3.2.1 輔助電極測試法

圖3所示測試方法，多用于測試“接大地電阻”，即：在獨(dú)立于建筑物基礎(chǔ)接地體(極)之外，根據(jù)客觀條件設(shè)置1或2個(gè)輔助接地極(分別稱為“兩電極法”或 “三電極法”)，輔助電極與基礎(chǔ)接地體之間除通過大地(土壤中的電解質(zhì))構(gòu)成回路外，不經(jīng)過其它導(dǎo)體。這樣測得的數(shù)據(jù)，可認(rèn)為是真實(shí)“接大地電阻”。

“兩電極法”操作更簡單，但誤差較大;“三電極法”測試精確較高，但需要測試場地滿足要求。圖4是采用此類測試方法的一款典型數(shù)字式地阻測試儀。

圖3 三電極/兩電極法測試接地電阻

圖4 數(shù)字式輔助電極地阻測試儀(IDEAL 61-796型)

3.2.2 電磁感應(yīng)測試法

此測試方法又稱為“電壓注入，電流檢出法”，其原理是：通過電磁感應(yīng)方式，將交流電壓信號注入到閉合導(dǎo)體回路中，同時(shí)探測回路中的電流信號(如圖5所示)，并利用歐姆定律計(jì)算回路電阻。為簡化操作，實(shí)際測試儀表是將電壓和電流感應(yīng)線圈集成制作在同一個(gè)鉗形適配器內(nèi)(如圖6所示)，儀表根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算并顯示電阻值，所以此類儀表又被成為“鉗形地阻儀”。

圖5 電磁感應(yīng)式地阻儀工作原理

圖6鉗形地阻儀(IDEAL 61-920型)

鉗形地阻儀的工作原理決定了：它只能測試閉合回路的電阻。當(dāng)測試“接大地”電阻時(shí)，要求至少存在2個(gè)基礎(chǔ)接地極才可能得到電阻值。如圖7所示，在有多個(gè)接地極的輸電系統(tǒng)中，每個(gè)電線桿(塔)接地極對大地的接地電阻分別為：R1、R2、R3…Rn，其中被測阻值為：Rx，它們之間都是并聯(lián)關(guān)系，其等效電路可最終簡化為：被測電阻Rx與其他電阻并聯(lián)后的等效電阻——Rs構(gòu)成的閉合回路。

圖7 多接地極(輸電)系統(tǒng)及其等效電路的簡化、接地極數(shù)量越多，并聯(lián)后形成的Rs阻值就越小，當(dāng)Rs<

圖8 鉗形地阻儀測試等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體回路電阻

4 綜合布線工程中涉及接地的規(guī)定與測試

4.1 綜合布線工程中的接地規(guī)定

綜合布線系統(tǒng)中，無論使用銅纜介質(zhì)還是光纖介質(zhì);無論采用屏蔽電纜還是非屏蔽電纜，系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、機(jī)柜、線纜橋架、金屬管路、供電系統(tǒng)等都要求可靠接地;當(dāng)采用屏蔽系統(tǒng)時(shí)，線纜屏蔽層和終端設(shè)備也必須可靠接地(如圖9所示)。

圖9 綜合布線系統(tǒng)的組成部分與接地環(huán)節(jié)

GB 50311-2007(6)7.0.4規(guī)定：“綜合布線系統(tǒng)應(yīng)采用共用接地的接地系統(tǒng)，如單獨(dú)設(shè)置接地體時(shí)，接地電阻不應(yīng)大于4Ω。如布線系統(tǒng)的接地系統(tǒng)中存在兩個(gè)不同的接地體時(shí)，其接地電位差不應(yīng)大于1Vr.m.s”

上述要求都是為了提高系統(tǒng)的電磁兼容性而非防雷，顯然其中“接地”應(yīng)被理解為：將系統(tǒng)保護(hù)導(dǎo)體(如：屏蔽層)納入等電位聯(lián)結(jié)，而非“接大地”。“接地電位差不大于1Vr.m.s”的規(guī)定，實(shí)際指明了：實(shí)際工程中的“等電位”并不一定要求電位差必須為0，在綜合布線系統(tǒng)中，小于1Vr.m.s就可認(rèn)為是“等電位”了，當(dāng)然此值越小越好。

4.2 綜合布線工程中的接地與等電位聯(lián)結(jié)測試

由于綜合布線系統(tǒng)的接地屬于等電位聯(lián)結(jié)范疇，因此鉗形地阻儀是最適合的接地電阻測試儀表。分別將儀表接入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、機(jī)柜、線纜橋架、金屬管路等各自接地線回路(參見圖7)，并驗(yàn)證它們與總接地端子的連通性,即可獲得各環(huán)節(jié)的等電位聯(lián)結(jié)效果。

特別需要說明的是：綜合布線工作區(qū)沒有獨(dú)立接地體，終端設(shè)備與線纜屏蔽層必須通過工作區(qū)電源線中的保護(hù)地線(PE線)實(shí)現(xiàn)接地(滿足 GB16895.17(5)548.3.1要求)。因此，GB50311-2007(6)6.1.2 規(guī)定，工作區(qū)交流電源必須是TN-S系統(tǒng)，即：帶有獨(dú)立的保護(hù)地線。具體測試方法建議參照圖10所示，將儀表直接套接在設(shè)備電源線(帶PE線)上，也可套接在屏蔽跳線上，其測試效果是一樣的。

圖10 工作區(qū)接地電阻的測試方法

5 結(jié)束語

欲最大可能性地實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)設(shè)備電磁兼容性(EMC)，必須正確采取多種措施，其中可靠接地是必不可少的。電磁兼容中的接地概念應(yīng)理解為：“實(shí)行等電位聯(lián)結(jié)”和“提供低阻抗的基準(zhǔn)電位平面，使電位差減小”,而非接入地球本身。

欲實(shí)現(xiàn)可靠防雷，必須準(zhǔn)確測試真正的“接大地(地球)電阻”，而不能將“等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體回路電阻”當(dāng)作評判依據(jù)。

正確選擇測試儀表和測試方法，也是獲得接地效果真實(shí)情況的重要保證。

參考文獻(xiàn)

1 GB16895.16-2002建筑物電氣裝置第444節(jié)：建筑物電氣裝置電磁干擾(EMI)防護(hù)

2 GB 50169-2006電氣裝置安裝工程.接地裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范

3 GB 16895.3-2004 建筑物電氣裝置第5-54部分：電氣設(shè)備的選擇和安裝.接地配置、保護(hù)導(dǎo)體和保護(hù)聯(lián)結(jié)導(dǎo)體

4 ANSI/TIA-568-C.0-2009 Generic Telecommunications Cabling for Customer Premises

5 GB16895.17-2002《建筑物電氣裝置 第5部分》：電氣設(shè)備的選擇和安裝 第548節(jié)：信息技術(shù)裝置的接地配置和等電位聯(lián)結(jié)

6《綜合布線系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50311-2007)