弱电设备的防护与分析

天使＆海豚

    　　　　　　　山东莱芜钢铁集团公司动力部　周志敏

 

　　摘　要：文中结合电子设备的技术特性，阐述了电子设备的接地类别及接地原则，并对其应用中应注意事项和应采取的安全措施作以论述。 
　　关键词：电子设备 接地 原则 措施


1.概述

　　 接地在电气技术中是指用导体与大地相连。在电子技术中的接地，可能就与大地毫不相关，它只是电路中的一个等电位。如电子设备中的地,它只是线路里的一个电位基准点。而在弱点设备的接地不但包含上述两种接地,还有其它的接地。例如智能建筑中安装有多个子系统如通信自动化系统,火灾报警及消防联动控制系统,楼宇自动化系统,保安监控系统,办公自动化系统,闭路电视系统等,各个子系统对接地的理解和要求都不太相同。按接地的作用可分为功能性接地和保护性接地。为保证电气设备正常运行或电气系统低噪声接地,称为功能性接地,功能性接地又有工作接地、逻辑接地、信号接地和屏蔽接地等。为了防止人、畜或设备因电击而造成伤亡或损坏的接地称为保护性接地,保护性接地有保护接地、防雷接地和防静电接地。有弱点设备构成的系统这几种接地类型都会遇到。


2.电源工作接地 

　　电子设备供电系统的接地关系到操作人员的人身安全和电子设备的安全稳定运行，电子设备的供电系统的接地通常包括工作接地和保护接地。工作接地是系统电源某一点的接地，这个点通常是电源（变压器、发电机）的中性点，工作地的主要作用是使供电系统正常运行。而保护接地是供电系统负荷侧金属的电气设备外壳和敷设用的金属套管、线槽等电气装置外露不导电部分的接地。如果不做保护接地，故障电压可达系统的相电压；做了保护接地后故障电压仅为PE线和接地电阻（RA）上的电压降，大大的低于相电压，接地电阻（RA）还为故障电流Id提供返回电源的通路，使保护电器及时切断电源，从而起到防电击和防电气火灾的保护作用。目前低压供电系统设计选用较多的接地系统有TN、TT系统。 
　　 2.1工作接地的目的　　 
　　 电力系统由于运行和安全的需要,常将中性点(N线)接地,这种接地方式称为工作接地。工作接地有下列目的: 
　　 2.1.1降低触电电压；
　　 在中性点不接地的系统中,当一相接地而人体触此及另外两相之一时,触电电压为相电压的1.732倍。而在中性点接地的系统中,触电电压就降低到等于或接近相电压。 
　　 2.1.2迅速切断故障设备；
　　 在中性点不接地的系统中,当一相接地时,接地电流很小(因为导线和地面间存在电容和绝缘电阻,也可构成电流的通路)不足以使保护装置动作而切断电源,接地故障不易被发现,将长时间持续下去,对人身不安全。而中性点接地的系统中,一相接地后的接地电流较大(接近单相短路)保护装置迅速动作,断开故障点。
　　 2.1.3降低电气设备对地的绝缘水平；
　　 在中性点不接地的系统中,一相接地时将使另外两相的对地电压升高到线电压。而在中性点接地的系统中,则接近于相电压,故可降低电气设备和输电线的绝缘水平,节省技资。为此本文分别对TN、TT系统作以分析。
　　 2.2TN系统 
　　 TN系统的电源端中性点直接接地，用设备金属外壳、保护零线与该中性点连接，这种方式简称保护接零或接零制。按中性线（工作零线）与保护线（保护零线）的组合情况TN系统又分以下三种形式：
　　 2.2.1.TN-C系统；
　　 在TN-C系统中，由于PNE线兼起PE线和N线的作用，节省了一根导线，但在PEN线上通过三相不平衡电流I，其上有电压降IZPEN使电气装置外露导电部分对地带电压。三相不平衡负荷造成外壳带电压甚低。并不会在一般场所造成人身事故，但它可能对地引起火花，不适宜医院、计算机中心场所及爆炸危险场所。TN-C系统不适用于无电工管理的住宅楼，这种系统没有专用的PE线，而是与中性线（N线）合为一根PEN线，住宅楼内如果因维护管理不当使PEN线中断，电源220V对地电压将如图1所示经相线和设备内绕组传导至设备外壳，使外壳呈现220V对地电压，电击危险很大。另外PEN线不允许切断（切断后设备失去了接地线），不能作电气隔离，电气检修时可能因PEN对地带电压而引起人身电击事故。TN-C系统中，不能装RCD（剩余电流动作保护器），因为当发生接地故障时，相线和PEN线的故障电流在电流互感器中的磁场互相抵消，RCD将检测不出故障电流而不动作，因此在住宅楼内不应采用TN-C系统。 
　　 2.2.2.TN-S系统；
　　 在TN-S系统中，工作零线N和保护零线PE从电源端中性点开始完全分开，PE线平时不通过电流，只在发生接地故障时通过故障电流，故外露导电部分平时对地不带电压比较完全，但需要增加一根导线，由于设备设备外壳保护零线PE，正常工作时漏电开关无剩余电流，所以在相同短路保护灵敏度不够时，可装设漏电开关来保护单相接地。RCD对接地故障电流有很高的灵敏度，即使接触220V时，也能在数十毫秒的时间内切断以毫安计的故障电流，使人免于电击事故，但它只能对其保护范围内的接地故障起作用，不能防止从别处传导来的故障电压引起的电击事故。 
　　 2.2.3.TN—C—S；
　　 TN—C—S是TN—C和TN—S两种系统的组合，如图2所示；第一部分是TN—C系统，第二部分是TN—S系统，分界面在N线与PE线的连接点。该系统一般用在建筑物有区域变电所供电引来的场所，进户线之前采用TN—C系统，进户处作重复接地，进户后变成TS—S系统，TN—C—S系统介于以上两者之间。 
　 根据《低压配电设计规范》有关条文，建筑电气设计当选用TN系统时应作等电位联结，消除自建筑外沿PEN线或PE线窜入的危险故障电压，同时减少保护电器动作不可靠带来的危险及有利于消除外界电磁场引起的干扰，改善装置的电磁兼容性能。 
　　 2.3TT系统
　　 TT系统的电源端中性点直接接地，用电设备金属外壳用保护地线接至与电源接地点无关的接地极。TT系统正常运行时，用电设备金属外壳电位为零，当电气设备一相碰壳时，则短路电流较TN系统小，通常不足以使相间短路保护装置动作。当人体偶然触及带电部分时危险较大，当在干线首端及用电设备处装有RCD时可保证安全。当变压器中性点和用电设备处接地电阻为4欧姆时，单相短路电流为Ld=220/（4+4）=27.5A（线路阻抗不计）。不论干线首端或用电设备处，当熔断器溶丝电流较大或自动开关瞬时脱扣器整定电流较大时，均不能可靠动作。所以TT系统内往往不能采用熔断器、低压短路器作接地故障保护而需采用漏电保护器。TT系统还有一个特点是中性线N与保护地线PE无一点电气联接，即中性点接地与PE线接地是分开的，所以不存在外部危险故障电压沿着PE进入建筑招致电击事故发生。在TT系统内每栋建筑物各有其专用的接地极和PE线，各栋建筑物的PE线互不导通，故障电压不致自一建筑物传导至另一建筑物。但TT系统以大地为故障电流返回电源的通路，故障电流小，必须采用对接地故障反应灵敏的漏电保护器来防人身电击。这些系统各有优缺点，需按具体情况选用。如果建筑物由供电部门以低压供电，应按供电部门的要求采用接地系统，以与地区的接地系统协调一致。如果采用TN-C-S系统，应注意从建筑物电源进线配电箱开始即将PEN线分为PE线和中性线，使建筑物内不再出现PEN线，这是因为PEN线因通过负荷电流而带有电位，容易产生杂散电流和电位差的缘故。 
　　 如果供电部门以10KV电压给住宅楼供电，且10/0.4KV变电所即在建筑物内，则这栋建筑物只能采用TN-S系统。因为采用TN-C-S系统将在建筑物内出现PEN线； TT系统则要求设置分开的工作接地和保护接地，而在同一个建筑物内是很难做到两个分开的接地，维护工作也是困难的。无论采用哪种接地系统都必须按规范要求作前述的等电位联结。


3.电子设备的系统工作接地

　　 电子设备的系统工作接地是为了使电子设备以及与之相连的仪器仪表均能可靠运行并保证测量和控制精度而设的接地。它分为机器逻辑地、信号回路接地、屏蔽接地，防爆系统中还有本安接地。
　　 3.1逻辑接地 　　
　　 将电子设备的金属板作为逻辑信号的参考点而进行的接地,称为逻辑接地。它的作用是保证电路有一个统一的基准电位,不致于浮动而引起信号误差。 
　　 3.2信号接地 
　　 各种电子电路，都有一个基准电位点，这个基准电位点就是信号地。它的作用是保证电路有一个统一的基准电位，不至于浮动而引起信号误差。信号地的连接是:同一设备的信号输入端地与信号输出端地不能联在一起,而应分开;前级(设备)的输出地只有后级(设备)的输入地相连。否则,信号可能通过地线形成在反馈，引起信号的浮动。这在设备的测试中，信号地的连接尤其要引起注意。 
　　 3.3保护接地 　　
　　 保护接地就是将设备正常运行时不带电的金属外壳(或构架)和接地装置之间作良好的电气连接。如果不作保护接地,当电气设备其中-相的绝缘破损,产生漏电而使金属外壳带上相电压时,人一接触就会发生触电事故。实行保护接地后,设备的金属外壳和大地已有良好的连接。如果发生漏电,只要接地电阻符合规定的要求,接地就能成为保障人身安全、防止电事故发生的有效措施。此外，保护接地还可以防止静电的积聚。 
　　 3.4防雷接地 　　
　　 为把雷电流迅速导人大地,以防止雷害为目的的接地叫作防雷接地。 
　　 3.5屏蔽接地 　　
　　 为使设备或布线达到电磁适应性要求而采取的屏蔽措施的接地称为屏蔽接地。对于弱电设备电磁兼容设计是非常重要的，为了避免所用设备的机能障碍，避免会出现的设备损坏，构成布线系统的设备应当能够防止内部自身传导和外来干扰。因此对这些设备及其布线必须采取保护屏蔽措施，免受来自各种方面的干扰。 
　　 3.6防静电接地 　　
　　 将带静电物体或有可能产生静电的物体(非绝缘体),通过导静电体与大地构成电气回路的接地叫防静电接地。在洁净、干燥的房间内,人的走步、移动设备,各自磨擦均会产生大量静电。例如在相对湿度10%—20%的环境中人的走步可以积聚3.5万V的静电电压。如果没有良好的接地,不仅仅会产生对电子设备的干扰,甚至会将设备芯片击坏。 
　　 3.7本安接地 
　 是本安仪表或安全栅的接地。这种接地除了抑制干扰外，还有使仪表和系统具有本质安全性质的措施之一。本安接地会因为采用的设备的本实措施不同而不同。 
　　 安全栅的作用是保护危险现场端永远处于安全电源和安全电压范围之内。如果现场端短路，则由于负载电阻和安全栅电阻R的限流作用，会将导线上的电流限制在安全范围内，使现场端不至于产生很高的温度，引起燃烧。第二种情况，如果计算机一端产生故障，则高压电信号加入了信号回路，则由于齐纳二级的嵌位作用，也使电压位于安全范围。
　　 值得提醒的是，由于齐纳安全栅的引入，使得信号回路上的电阻增大了许多，因此，在设计输出回路的负载能力时，除了要考虑真正的负载要求以外，还要充分考虑安全栅的电阻，留有余地。 


4.接地原则与技术要求

　　 在一个系统中安装有大量的电子设备,这些设备分属于不同的专系统,由于这些设备工作频率、抗干扰能力和功能等都不相同,对接地的要求也不同。在实际工程设计和施工中,电子设备的信号接地、逻辑接地、防静电接地、屏蔽接地和保护接地,一般合用一个接地极,其接地电阻不大于4Ω；当电子设备的接地与工频交流接地、防雷接地合用一个接地极时，其接地电阻不大于1Ω。屏蔽接地如单独设置,则接地电阻一般为300Ω。对抗干扰能力差的设备,其接地应与防雷接地分开,两者相互距离宜在20m以内,对抗干扰能力较强的电子设备，两者的距离可酌情减少,但不宜低于5m。当电子设备接地和防雷接地采用共同接地装置时,两者避免雷击时遭受反击和保证设备安全，应采用埋地铠装电缆供电。电缆屏蔽层必须接地,为避免产生干扰电流,对信号电缆和1MHz及以下低频电缆应一点接地;对1MHz以上电缆,为保证屏蔽层为地电位,应采用多点接地。闭路电视和工业电视都必须采用一点接地。 
　 上面介绍了的几种接地各设备制造商有各自的具体技术要求，虽然大都强调一点接地，接地电阻必须小于1欧姆等，但具体内容上差别很大。结合工控系统对接地的技术要求阐述其接地原则和接地方法。
　　 4.1供电系统地 
　　 在很多企业，特别是电厂、冶炼厂等，其厂区内有一个很大的地线网，而通常供电系统的地是与地线网连在一起的。有的厂家强调计算机系统的所有接地必须和供电系统地以及其它（如避雷地）严格分开，而且之间至少应保持15m以上的距离。为了彻底防止供电系统地的影响，建议供电线线路用隔离变压器隔开。从抑制干扰的角度来看，将电力系统地和计算机系统的所有地分开是很有好处的，因为一般电力系统的地线是不太干净的。但从工程角度来看，在有些场合下单设计算机系统地并保证其与供电系统地隔开一定距离是很困难的，这时可以考虑能否将计算机系统的地和供电地共用一个，这要考虑几个因素：
　　 4.1.1供电系统地上是否干扰很大，如大电流设备启停是否频繁，对地产生的干扰是否大； 　　4.1.2供电系统地的接地电阻是否足够小，而且整个地网各个部分的电位差是否很小，即地网的各部分之间是否阻值很小; 
　　 4.1.3微电子装置的抗干扰能力以及所用到的传输信号的抗干扰能力，例如有无小信号(电偶，热电阻)的直接传输等。
　　 4.2微电子装置工作地 
　　 所有计算机接线涉及到的接地采用一点接地方式，在这一点上，也有很多争议。有的厂家系统提出几个地：逻辑地、屏蔽地（又叫模拟地）、信号地、保护地分别自己接地在地上打接地装置，而大部分系统则指出各种地在机柜内部自己分别接地，汇于一点，然后用较粗的导体（铜）将各汇地点朕起来，接到一个公共的接地体上。
　　 这里有几点需要注意： 
　　 控制系统本身是由多台设备组成的，除了控制站以外，还包括很多外设，而且数量也不止一台，这就涉及到了多台设备，多种接地的问题。 
　　 4.2.1保护接地：所有的弱电设备均有一个保护地，该保护一般在机柜和其它设备设计加工时就已在内部接好，有的系统中已将该保护地在内部同电源进线的保护地（三芯插头的中间头）连在一起，有的不允许将保护地同该线相连，用户一定要仔细阅读厂家提供的接地安装说明书，不管哪种方式，机柜地必须将一台设备（控制站、操作员站等）上所有的外设或系统的机柜地连在一起，然后用较粗的绝缘铜导线将各站的机柜地连在一起，最后从一点上与大地接地系统相连。还有一点值得提醒的是，一个系统的所有外设必须从一条供电线上供电，而且一台设备（如操作员站位所连接的所有外设和主机系统（CRT、打印机、拷贝机主机系统）的电源必须从设备的供电分配器上取电，而不允许从其它地方取电，否则可能会烧坏接口甚至设备，对于不得不用长线连接的场合，应用较粗导线提供为其供电，或采取通信隔离措施。各站的机柜地在连接时可以采用幅射连接法，也可以采用串行接法。
　　 4.2.2电源逻辑地（P）;首先，各站内的逻辑地必须位于一点PG，然后，粗绝缘导线以辐射状接到一点上，然后接到大地接地线上。在有些系统中，所有的输入，输出均是隔离的，这样其内部逻辑地就是一个独立的单元，与其它部分没有电器连接，这种系统中往往不需要PG接地，而是保持内部浮空。所以，用户在设计和施工接地系统时，一定要仔细阅读产品的技术要求和接地要求。 　　
　　 4.2.3模拟地（AG）；是所有的接地中要求最高的一种。几乎所有的系统都提出AG一点接地，而且接地电阻小于1欧。 微电子装置设计和制造中，在机柜内部都安置了AG汇流排或其它设施。用户在接线时将屏蔽线分别接到AG汇流排上，在机柜底部，用绝缘的铜辫连到一点，然后将各机柜的汇流点再用绝缘的铜辫或铜条以辐射状连到接地点。 
　　 4.2.4信号地；原则上不允许各变送器和其它的传感器在现场端接地，而都应将其负端在计算机端子处一点接地。但在有些场合，现场端必须接地，这时，必须注意原信号的输入端子（上双端）绝对不许和计算机的接地线有任何电气连接，而计算机在处理这类信号时，必须在前端采用有效的隔离措施。 
　　 4.2.5安全栅的接地：安全栅线路有三个接地点：B，E，D，通常B和E两点都在计算机这一侧。可以连在一起，形成一点接地。而D点是变送器外壳在现场的接地，若现场和控制室两接地点间有电位差存在，那么， D点和E点的电位就不同了。假设我们以E作为参考点，假定是D点出现10V的电势，此时，A点和E点的电位仍为24V，那么A和D间就可能有34V的电位差了，己超过安全极限电位差，但齐纳管不会被击穿，因为A和E间的电位差没变，因而起不到保护作用。这时如果不小心现场的信号线碰到外壳上，就可能引起火花，可能会点燃周围的可燃性气体，这样的系统也就不具备本安性能了。所以，在涉及到安全栅的接地系统设计与实施时，一定要保证D点和B（E）点的电位近似相等。在具体实践中可以用以下方法解决此问题：用一根较粗的导线将D点与B点连接起来，来保证D点与B点的电位比较接近。另一种就是利用统一的接地网，将它们分别接到接地网上，这样，如果接地网的本身电阻很少，再采用较好的连接方法，也能保证D点和B点的电位近似相等。但注意，此接地一定不要与上面几种接地发生冲突。 
　　 以上讨论了几种接地的方法和注意事项。在不同的系统中，对这几种接地的要求不同，但大多数系统对AG的接地电阻一般要求1欧姆以下，而安全栅的接地电阻应＜4欧姆，最好<1欧姆，PG和CG的接地电阻应小于4欧姆。 

天使＆海豚

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