正確理解和測試信息技術(shù)設備的接地

正確理解電氣設備，尤其是敏感的信息技術(shù)設備的“接地”概念，是工程施工與檢測的基礎。所謂“接地”是否意味著(zhù)必須將設備地線(xiàn)“接入地球”?回答此問(wèn)題之前，先回顧一個(gè)事實(shí)：飛行中的飛機、火箭、衛星、空間站(如圖1所示)，內部的電氣設備地線(xiàn)是無(wú)法接入地球的(或稱(chēng)：接地電阻無(wú)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(zhù)將系統接入地球，確保飛行器內敏感電氣設備正常運行的，是可靠的屏蔽與“等電位聯(lián)結”等措施。

圖1 飛行中的空間站與地球間沒(méi)有電氣連接

1 標準與規范中是術(shù)語(yǔ)

談及“接地”和“等電位聯(lián)結”時(shí)，會(huì )遇到一些與之相關(guān)的名詞和術(shù)語(yǔ)，現將標準或規范中的定義摘錄如下。“建筑物接地系統綜覽(1)”(如圖2所示)中示意性但清楚地顯示了這些術(shù)語(yǔ)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：將電力系統或建筑物電氣裝置、設施過(guò)電壓保護裝置用接地線(xiàn)與接地體連接，稱(chēng)為接地。

1.2 接地體(極)(如圖2中標注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體，稱(chēng)為接地體(極)。

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

1.3 總接地端子(如圖2中標注文字)

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

1.4 接地導體(線(xiàn))(如圖2中標注8)

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

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

1.5 等電位聯(lián)結(如圖2中標注2、4、7，PE線(xiàn)及金屬托架等)

ANSI/TIA 568-C.0-2009(4)定義：為形成導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任何可能的附加電流。

2.正確理解接地和等電位聯(lián)結的作用

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：

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

◆ 在干擾源與信息技術(shù)裝置或設備間在電氣上實(shí)行隔離;

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

◆ 提供一個(gè)低阻抗的基準電位平面，使電位差減小，并提供屏蔽。

上述措施中強調的是“等電位聯(lián)結”或“近似等電位聯(lián)結”，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(chēng)為“接大地”。

就建筑物(或離地飛行器)內部的電氣系統而言，均以建筑物(或飛行器)內部等電位聯(lián)結電位為參考電位，已與地球電位無(wú)關(guān)。所謂“接地”，應理解為將電氣零電位參考點(diǎn)、保護導體、屏蔽層等納入到等電位聯(lián)結中，其目的是實(shí)現必要的電氣功能和提高系統的電磁兼容性(EMC)。此時(shí)，如果等電位聯(lián)結不可靠，即使建筑物接大地措施良好，也無(wú)法保證建筑物內電氣設備正常運行;反之不然，離地飛行器就是最好的例子。

由此可知，當談及接地措施與接地測試時(shí)，必須首先確認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”。

3 接地電阻與測試

無(wú)論“接大地”還是“等電位聯(lián)結”，其回路電阻是判斷此類(lèi)措施有效性的依據，一般統稱(chēng)為“接地電阻”，其區別在于：一個(gè)是接地極(圖1中建筑物的“基礎接地極”)與地球間所構成的回路電阻，一個(gè)是等電位聯(lián)結導體間回路電阻。因此，當談及“接地電阻”時(shí)，同樣應區分所指——“接入大地的電阻”還是“接入等電位聯(lián)結的電阻”;而且，要得到正確的接地電阻數值，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“接大地”與“接地體(極)”定義，只有將儀表接至“建筑物基礎接地極”(圖2中標記“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”體系中部分回路的導體電阻。

例如，如果將儀表接入“接地導體”(圖2中標記“8”處)，實(shí)際得到的是“總接地端子”上的所有等電位聯(lián)結導體(圖2中標記“7”處)并聯(lián)電阻與建筑物的鋼結構(圖2中標記“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)結的導體回路電阻

正如前文反復強調的，對電氣(子)設備電磁兼容性(EMC)起作用的是“等電位聯(lián)結”。關(guān)于等電位聯(lián)結導體(保護導體)，在以下標準條款中有所規定：

GB 16895.3(3)543.2 注1：“在中國、意大利、英國和美國，按其地區或國家規程或標準，允許將電纜托盤(pán)和電纜梯架用作保護導體。”

GB 16895.17(5)548.3.1：“信息技術(shù)設備的功能接地可利用供電回路的保護導體。”

GB 16895.17(5)548.7：“電信電纜或電信設備的可導電屏蔽層、護套或鎧裝是等電位聯(lián)結的組成部分。”

如本文3.1.1所述，相對“接大地電阻”而言，“等電位聯(lián)結導體回路電阻”測試更容易，只要將儀表接入所需測試的設備地線(xiàn)導體(圖8中的標注的“回路1、2、3”)，即可得到相應阻值。

3.2 接地電阻的測試方法

嚴格意義的接地電阻，應將儀表(歐姆表)串聯(lián)至被測回路中進(jìn)行測試，但在實(shí)際工程現場(chǎng)，大多少情況不允許或不可能將接地系統斷開(kāi)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：在獨立于建筑物基礎接地體(極)之外，根據客觀(guān)條件設置1或2個(gè)輔助接地極(分別稱(chēng)為“兩電極法”或 “三電極法”)，輔助電極與基礎接地體之間除通過(guò)大地(土壤中的電解質(zhì))構成回路外，不經(jīng)過(guò)其它導體。這樣測得的數據，可認為是真實(shí)“接大地電阻”。

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

圖3 三電極/兩電極法測試接地電阻

圖4 數字式輔助電極地阻測試儀(IDEAL 61-796型)

3.2.2 電磁感應測試法

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

圖5 電磁感應式地阻儀工作原理

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。當測試“接大地”電阻時(shí)，要求至少存在2個(gè)基礎接地極才可能得到電阻值。如圖7所示，在有多個(gè)接地極的輸電系統中，每個(gè)電線(xiàn)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(jiǎn)化為：被測電阻Rx與其他電阻并聯(lián)后的等效電阻——Rs構成的閉合回路。

圖7 多接地極(輸電)系統及其等效電路的簡(jiǎn)化、接地極數量越多，并聯(lián)后形成的Rs阻值就越小，當Rs

圖8 鉗形地阻儀測試等電位聯(lián)結導體回路電阻

4 綜合布線(xiàn)工程中涉及接地的規定與測試

4.1 綜合布線(xiàn)工程中的接地規定

綜合布線(xiàn)系統中，無(wú)論使用銅纜介質(zhì)還是光纖介質(zhì);無(wú)論采用屏蔽電纜還是非屏蔽電纜，系統中的網(wǎng)絡(luò )設備、機柜、線(xiàn)纜橋架、金屬管路、供電系統等都要求可靠接地;當采用屏蔽系統時(shí)，線(xiàn)纜屏蔽層和終端設備也必須可靠接地(如圖9所示)。

圖9 綜合布線(xiàn)系統的組成部分與接地環(huán)節

GB 50311-2007(6)7.0.4規定：“綜合布線(xiàn)系統應采用共用接地的接地系統，如單獨設置接地體時(shí)，接地電阻不應大于4Ω。如布線(xiàn)系統的接地系統中存在兩個(gè)不同的接地體時(shí)，其接地電位差不應大于1Vr.m.s”

上述要求都是為了提高系統的電磁兼容性而非防雷，顯然其中“接地”應被理解為：將系統保護導體(如：屏蔽層)納入等電位聯(lián)結，而非“接大地”。“接地電位差不大于1Vr.m.s”的規定，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(xiàn)系統中，小于1Vr.m.s就可認為是“等電位”了，當然此值越小越好。

4.2 綜合布線(xiàn)工程中的接地與等電位聯(lián)結測試

由于綜合布線(xiàn)系統的接地屬于等電位聯(lián)結范疇，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 )設備、機柜、線(xiàn)纜橋架、金屬管路等各自接地線(xiàn)回路(參見(jiàn)圖7)，并驗證它們與總接地端子的連通性,即可獲得各環(huán)節的等電位聯(lián)結效果。

特別需要說(shuō)明的是：綜合布線(xiàn)工作區沒(méi)有獨立接地體，終端設備與線(xiàn)纜屏蔽層必須通過(guò)工作區電源線(xiàn)中的保護地線(xiàn)(PE線(xiàn))實(shí)現接地(滿(mǎn)足 GB16895.17(5)548.3.1要求)。因此，GB50311-2007(6)6.1.2 規定，工作區交流電源必須是TN-S系統，即：帶有獨立的保護地線(xiàn)。具體測試方法建議參照圖10所示，將儀表直接套接在設備電源線(xiàn)(帶PE線(xiàn))上，也可套接在屏蔽跳線(xiàn)上，其測試效果是一樣的。

圖10 工作區接地電阻的測試方法

5 結束語(yǔ)

欲最大可能性地實(shí)現信息技術(shù)設備電磁兼容性(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理解為：“實(shí)行等電位聯(lián)結”和“提供低阻抗的基準電位平面，使電位差減小”,而非接入地球本身。

欲實(shí)現可靠防雷，必須準確測試真正的“接大地(地球)電阻”，而不能將“等電位聯(lián)結導體回路電阻”當作評判依據。

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

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

2 GB 50169-2006電氣裝置安裝工程.接地裝置施工及驗收規范

3 GB 16895.3-2004 建筑物電氣裝置第5-54部分：電氣設備的選擇和安裝.接地配置、保護導體和保護聯(lián)結導體

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》：電氣設備的選擇和安裝 第548節：信息技術(shù)裝置的接地配置和等電位聯(lián)結

6《綜合布線(xiàn)系統工程設計規范》(GB 50311-2007)