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關于接地電阻阻抗特性的研究

作者:譚勝淋時間:2019-04-28來源:電子產品世界收藏

  Research on the impedance characteristics of grounding resistance

本文引用地址:http://www.begwkyjf.pw/article/201904/400022.htm

  譚勝淋

  (深圳征遠檢測有限公司,廣東 深圳 518000)

  摘要:隨著信息化系統及物聯網大數據時代的到來,信息化設施尤其是微小型高精度設施及設備井噴式發展,全球各地區的接地環境差異巨大,電磁環境復雜多變,嚴重。若僅依靠小值來解決信息化系統及高精度設備接地難題是不現實的,尤其處于環境復雜多變的機動及設備,根本無法完成很低的,本文通過和適用范圍,同時為提高施工設計容錯率和降低故障率,對及有關設備的高阻抗接地的可行性進行分析和建議。

  關鍵詞:;接地電阻;

  0 引言

  用電設施及設備均要接地,一般設施的接地系統主要有防雷地、保護地和工作地三類。常規的防雷接地主要是采用聯合接地方式,即共用聯合接地端排完成理想等電位連接。但建筑及有關設施的實際接地系統難完成理想等電位連接系統(即“0電位差”),容錯率很低,一旦其中一個連接點故障,地電位反擊的威脅和破壞仍然很大。為根本解決上述問題,需對接地系統做大很小的接地電阻、強化施工及維護的管理。

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  信息系統所處環境復雜多變,若都必須依賴很低的接地電阻,必然引起建設難、周期長、成本高等一系列難題,尤其是機動信息系統及設備,常地處接地和電磁環境復雜多變,根本無法實現小接地電阻值。因此,需引進兩端口浪涌保護器,并結合“通道阻攔”和“隔離接地”的方式,提升受保護系統及接地系統對外的抵抗性,降低對接地電阻的依賴。同時,在引進新保護措施時必須提高工程的容錯率和降低故障率。

  本是對接地系統的防雷地、保護地和工作地作用進行研究,并結合防雷與接地的國際先進標準進行分析,對接地系統高阻抗可行性進行分析研究。

  1 接地系統電阻高研究

  1.1 接地系統電阻值作用分析

  一般情況下,可把接地分為工作地、保護地和防雷地三種。在傳統的概念中不同類型的地對接地電阻的要求有所不同:

  工作接地一般作為參考點 — “0”電位,其接地電阻無標準明確要求;

  保護地的接地電阻要求各標準要求不一致,大致分為:(1)依據JGJ16-2008規定“當采用共用接地方式時,其接地電阻應以諸種接地系統中要求接地電阻最小的接地電阻值為依據。當與防雷接地系統共用時,接地電阻不應大于1 Ω。(2)不宜超過10 Ω”。

  防雷接地電阻值限制:不宜超過10 Ω。現行的國家標準和國家軍用標準都建議性提出防雷接地電阻不宜超10 Ω,執行標準主要有GB50057-2010、GB50169-2016、GJB 7581-2012、GJB5080-2004。

  通信類系統及設施的主要基準標準是GB 50689-2011通信局站防雷與接地工程設計規和GJB5080-2004軍用通信設施雷電防護設計及使用要求,有關通信類系統及設施的執行標準是GB 50169-2016電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規范,三大標準均建議或要求使用聯合接地,接地電阻不宜大于10Ω,但是沒有對單獨的工作接地電阻值提出具體條款及要求。

  1.2 接地功能的分析

  1.2.1 工作接地

  工作接地主要含直流工作接地、交流工作接地、通訊信號回路、射頻接地四大類。具體分析如下:

  直流工作接地。向直流電源提供“0”參考電位,-48 V直流電源是正極接地,+24 V直流電源則是負極接地。蓄電池正極接地,并可減少金屬導體的電化學腐蝕。

  交流工作接地。通指變壓器中性點或中性線(N線)接地,旨在控制三相的平衡。工作地線和工頻交流零線電氣相通,與地有0.2 V~4.8 V的電壓,帶寬范圍是20 Hz~2000 Hz。在信息系統及設備中,常對中性線和保護線分組布設,減少接地線受

  通訊信號回路。在信息化系統工程中,通常以共同的大地回路作為信號電路的單線回路,譬如通訊中將電池組的一個極接地,減少因用戶線路對地絕緣不良時引起的串話。

  射頻接地。射頻電路接地并非一定是防雷接地,但是與大地密切連接的電力接地必須可靠接地,構成信號發射接收天地線。無線電的發射是靠振蕩電路實現的,震蕩電路等效原理是一個電感線圈和一個電容的組合電路,可將通過的能量完成轉換,并產生震蕩頻率,并向外發射電磁波。實際運用中,電感被做成了發射塔,發射塔的尖和地是電容的兩極,因此就有了天線和地線。

  如:人體等效于手機的接地地線。

  2.2.2 安全保護接地

  安全保護接地就是將電氣設備不帶電的金屬部分與接地體做可靠電氣連接,減少觸電及高壓危險。安全保護接地,即 “PE”,可實現將漏電流、靜電等引入大地的導線,起著安全保護作用。

  2.2.3 防雷接地

  為了將雷電引入地下,將防雷裝置的接地端與大地相連,以消除雷電引起的過電壓過電流維護信息系統及人員安全。在理想狀態,接地越好,泄放雷電流越暢通,產生的副作用就越低,比如在雷擊發生在大海中,由于海水的導電性,從未發現有魚被雷電劈死的情況,在陸地上,各地區環境的土壤土質有差別,尤其是在土壤電阻率較高的地方,若將接地電阻做得很小,需要付出的代價難以想象。日本在20世紀70年代,用三年時間對419個微波站的雷擊事故進行了調查統計,證明雷電事故與微波站的接地電阻幾乎沒有關系。

  2.2.4 現行標準對接地電阻要求的解讀

  現行國家、行業標準如標準《GB50689-2011》、以及建筑標準《GB50057-2010》對接地電阻值有建議性指標,但都是在特定條件下推薦參考性質的,沒有對電阻值進行非常嚴格的規定。普遍使用的都是建議性的字眼,如:“宜”、“不宜”,而且在一些特定條件下完全取消了接地電阻的限制,如下列例子說明:

  (1)《GB 50689-2011 通信局(站)防雷與接地工程設計規范》:

  6.2.6 基站地網的接地電阻值不宜大于10 Ω。土壤電阻率大于1000 Ω?m的地區,可不對基站的工頻電阻予以限制;

  8.1.5 微波站的接地電阻宜控制在10 Ω之內。微波站土壤電阻率大于1000 Ω?m時,可不對微波站的接地電阻予以限制。

  (2)《GB 50057-2010建筑物防雷設計規范》:

  4.4.6 在土壤電阻率小于或等于3000 Ω?M時,外部防雷裝置的接地體當符合下列規定之一以及環形接地體所包圍面積的等效圓半徑等于或大于所規定的值時可不計及沖擊接地電阻。

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  2.3 通信基站防雷與接地標準技術的演進

  通信系統防雷與接地技術標準的演進隨著防雷技術的發展同步。無論在任何時候都遵循著技術先進、經濟合理、安全可靠的宗旨。

  2.4 高阻抗接地可行性實驗

  2.4.1 網絡通信傳輸驗證

  實驗1:通過交換機與PC機(個人電腦)之間的通信來驗證接地阻值對于通信傳輸是否有影響;見圖1、圖2;

  用交換機模擬局端設備有接地;PC機模擬終端設備,PC機供電通過隔離變壓器供電,(即終端處沒有接地)而是通過網線的屏蔽線在遠端接接地,通過改變連接網線的長度來改變接PC機的接地電阻的大小,從而驗證不同接地電阻值的通信情況;

  根據圖2和圖3原理,進行實驗環境搭建實驗場景1:傳輸網線為1 m網線,實測電阻為0.4 Ω,電腦與交換機數據傳輸正常,ping包正常無丟包和延時;實驗場景2:長度為100 m的網線,實測電阻為86 Ω,電腦與交換機數據傳輸正常,ping包正常無丟包和延時;實驗結果:接地電阻值的大小對信號傳輸沒有任何影響。

  通過遠征接地隔離抑制器接地電阻的等效電路模型如圖3,在高頻情況下的等效計算公式如下:

  Z=(2πfc) -1 +R (1)

  式中:Z:等效阻抗;

  f:通信系統工作頻率;

  C:等效電容;

  R:等效電阻。

  由式(1)可看出,在工作頻率越高線路中的接地電阻的有效阻值越低,不影響正常射頻通信系統工作,如手機則通過人體高阻抗接地實現射頻信號傳輸。

  在100 Ω保護地接地電阻對針對人體接觸時人的安全,驗證計算。

  人體電阻由(體內電阻 )和(皮膚)組成,體內電阻基本穩定,約為500 Ω。接觸電壓為220 V時,人體電阻的平均值為1900 Ω;接觸電壓為380 V時,人體電阻降為1200 Ω。經過對大量實驗數據的分析研究確定,人體電阻的平均值一般為2000 Ω左右,而在計算和分析時,通常取下限值1700 Ω。

  假設接地電阻值為100 Ω,極端接地短路電壓380V,則對地漏流為3.8 mA,

  根據數據統計對應于概率50%的擺脫電流成年男子約為11 mA,成年女子約為10.5 mA,對應于概率99.5%的擺脫電流則分別為9 mA和6 mA。接地電阻為100 Ω時對地漏流是安全的。

  案例1:廣東2018年6月突發大雨電死4人的案例,說明在小的接地電阻也不能保證人員安全,最可靠的是安裝漏電斷路器;

  案例2:在電工操作中有一種不可缺少的技能便是帶電操作,其核心思想是通過穿戴裝備來增大電器操作點、人體、接地所構成通路的有效電阻值。同樣的思想當機殼、人體、接地的有效電阻值大于機殼、接地線時人體是絕對安全的,見圖4:Ra+Rb+Rc>Ra′+Rc′是人體安全的基礎。

  Ra:人體接觸機殼的接觸電阻實測120 Ω; Rb:人體正常電阻值1000 Ω;Rc:人體以(穿鞋子時)地面接觸的接觸電阻值實測680 Ω;Ra′:機殼接地線一般采用導線壓接,4mm 2 銅質導線壓接接觸電阻實測0.2 Ω;Rc′:接地電阻,簡易接地和建筑基礎地,實測24 Ω;

  綜上所述,人體觸摸帶電金屬外殼時的電阻為:

  (Ra+Rb+Rc)=20 Ω+1000 Ω+688 Ω=1888 Ω;保護接地系統的接地電阻為: (Ra′+Rc′)=24.2 Ω;若金屬外殼帶電400V的交流電壓,則產生的漏電流為400 V/24.2 Ω=16.5 A;若在安全電壓36V情況下,高阻抗接地時,漏電流為36 V/100 Ω=36 mA,都大于漏電保護開關啟動電流30 mA值。

  因此:Rc′ 接地電阻值在100 Ω條件下不影響供電系統的保護地功能。

  2.4.2 地電位反擊驗證

  安裝了隔離式防雷裝置后;雷電波經過隔離抑制器是呈現的是高阻抗(幾十千歐以上),遠遠大于100 Ω的接地;根據電流特性將大部分的電流會通過接地電阻地線泄放。

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  實驗如圖5所示,SPD1、SPD2最大通流量(8/20 μs)為120 kA的同批次產品,且兩組SPD的壓敏電壓分別為632 V和633 V,其中SPD1的輸出端線纜穿過雷電流羅氏線圈1回到電流發生器的負極,SPD2串入接地隔離抑制器后線纜穿過雷電流羅氏線圈2再回到電流發生器負極。

  在沖擊放電電流20 kA,同時測量、記錄各個探頭流過的電流數據,并計算分流比:

  反擊分流比KE=I 2 /I 1 ×100% (2)

  實驗結果:測得通過CH1通道SPD1接地電阻泄放的雷電流為10.2 kA;通過CH2通道SPD1接地電阻泄放的雷電流為20 A;測試波形采集圖鑒圖6。

  通過式(2)計算反擊分流比KE為0.2%,如果雷電流入地時為20 kA,則通多接地端圖5 地電位反擊模擬試驗圖圖6 反擊分流比試驗采集波形圖進入設備電流為:20 kA×0.2%=0.04kA,遠小于設備電磁兼容能承受的2 kA要求。

  現行標準對高阻抗的驗證。YD∕T 3007-2016小型無線系統的防雷與接地技術要求標第5.2.2節對小型無線系統的地網要求原文如下:

  小型無線系統的地網應符合下列要求:

  a) ~e)省略。

  不具備直接接地,采用路燈桿、 照明桿等的小型無線系統,可將各種金屬桿的埋地部分直接作為其接地系統。

  路燈桿、照明桿等在實際施工過程中,大部為高阻抗接地。經對10個路燈桿接地電阻測試,在30 Ω~120 Ω不等,因為未對路燈桿、照明桿等接地電阻值有要求,則因為環境的不同存在高阻抗接地的情況。

  T/CAICI 006-2017中國通信企協團體標準《通信基站隔離式雷電防護系統工程設計與施工驗收規范》標準原文如下:

  6.3.1通信基站應在隔離式分組接地的基礎上實現聯合接地,隔離式分組接地裝置的聯合地排與地網引入線相接,且對聯合接地的地網阻值不做限制要求。

  該標準通過隔離式分組接地裝置的使用,對高阻抗接地的可行性給予了推薦和肯定。

  3 結論

  本文通過現行標準對防雷接地電阻的要求解讀、通過試驗和計算對高阻抗接地方式的可行性分析,得出以下結論:

  (1)正常工作頻段情況下,高阻抗接地系統不影響正常網絡信號和射頻信號的傳輸;

  (2)正常工作環境條件下,100Ω以內的接地電阻值不影響保護接地的防觸電接地作用;

  (3)可以通過感性元器件的可靠電氣連接,降低過電壓的維護,可實現防止地電位反擊引起隱患。

  綜上所述,在小接地電阻值不是降價地電位反擊的唯一途徑。可根據受保護系統及設備的接地系統性質及接地條件,選用對應的感性器件保護方案,亦可解決受保護系統及設備的地電位反擊問題。

  參考文獻:

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  本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第5期第61頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處



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