摘 要:系统地介绍了广播电视设备接地的作用,要求和接地系统的施工方法,并对数据机房的接地要求作简要的介绍.
1 接地的作用和要求
理论上我们将大地当作一个等势体,作为零电位,出于功能的,保护的考虑要将一些设备的某些部分与大地连接起来,这就是接地.接地一般分为功能性接地和保护性接地.
1. 1 功能接地
(1)工作接地.根据系统运行需要进行的接地,例如中性点接地,这个接地系统通常有电流通过.三相四线制的零线在供电变压器端是接在这个接地点上的,保护接零也属于这种接地.
(2)逻辑接地.造成一个等电位点或等电位面作为电子电路的公共电位参考点,这仅是逻辑上的接地,不一定是大地零电位.
(3)电磁适应性接地.为防止寄生电容回授或形成噪声电压而进行的屏蔽接地,也称为电磁兼容接地即出于电磁兼容设计要求的接地,包括: a.屏蔽接地:为了防止电路之间由于寄生电容存在而产生相互干扰,电路辐射电场或对外界电场敏感,必须进行隔离和屏蔽,这些隔离和屏蔽的金属必须接地.
b.滤波器接地:滤波器中一般都包含信号线或电源线到地的旁路电容,当滤波器不接地时,这些电容就处于悬浮状态,起不到旁路的作用.
c.噪声和干扰抑制:对内部噪声和外部干扰的控制需要设备或系统上的许多点与地相连,从而为干扰信号提供"最低阻抗"通道.
1. 2 保护性接地
(1)外露导电部分接地.将电气设备的外露导电部分接地,使其处于地电位,一旦电气设备带电部分的绝缘被损坏时,可以减轻或消除电击危害.
(2)装置外导电部分接地.将非电气设备的导电部分,例如机械设备的外壳,建筑物的金属结构,金属管线等进行接地或连接到接地干线或相互连接,以减少电击的危害.
(3)防雷接地.为了消除或减轻雷电危害而将雷电电流导入大地的接地.
(4)防静电接地.将静电导入大地防止其危害的接地.
此外,作为保护接地的补充,将电力系统多处接地,例如架空线在进入建筑物处进行的接地,称为重复接地,用以减轻电击危害.
接地状况的好坏主要用接地电阻的大小进行衡量,接地电阻主要是由接地引线的电阻,接地体的电阻,接地体与大地的接触电阻,散流电阻组成.
a.接地引线电阻,是指由接地体至设备接地母线间引线本身的电阻,其阻值与引线的几何尺寸和材质有关.
b.接地体电阻,其阻值与接地体的几何尺寸和材质有关.
c.接地体表面与土壤的接触电阻,其阻值与土壤的性质,接触面积及接触紧密程度有关.
d.从接地体开始向远处(20 m)扩散电流所经过的路径土壤电阻,即散流电阻,决定散流电阻的主要因素是土壤的含水量.接地电阻虽由4部分构成,但前两项所占比例甚小,起决定作用的是接触电阻与散流电阻.
不同的电气设备对接地电阻有不同的要求:
①大接地短路电流系统,R≤0. 5Ω;
②数据通信机房的接地,R≤1Ω,这样可有效地降低雷击和高压故障所引起的地位升高,抑制干扰;
③广播电视设备对干扰特别敏感,出于抗干扰的要求,R≤2Ω;
④容量在100kVA以上的变压器或发电机,R≤4Ω;
⑤阀型避雷器,R≤5Ω;
⑥独立避雷针,小接地电流系统,容量在100 kVA及以下的变压器或发电机,高低压设备共用的接地,R≤10Ω;
⑦低压线路金属杆,水泥杆及烟囱的接地,R≤30Ω.
虽然对建筑物的金属结构,金属管线都要求接地,但在未测量其接地电阻的情况下不宜将其视为可靠的地线,因为这些金属结构,金属管线可能并未良好接地,这样连接在这些金属结构,金属管线上的大电流用电设备的漏电,开启关闭时的浪涌将损坏以此为地线的弱电设备,所以最好不要用暖气管道,自来水管道,墙壁内的钢筋做地线.
2 电路接地的方式
(1)单点接地.单点接地是为许多连接在一起的电路提供公共电位参考点的方法,这样信号就可以在不同的电路之间传输,若没有公共参考点,就会出现错误信号传输.单点接地要求每个电路只接地一次,并且接在同一点,该点常常以地球为参考.由于只存在一个参考点,没有地回路存在,因而也就没有干扰问题.
(2)多点接地.设备内电路都以机壳为参考点,而各个设备的机壳又都以地为参考点.这种接地结构能够提供较低的接地阻抗,这是因为多点接地时,每条地线可以很短,并且多根导线并联能够降低接地导体的总电感.在高频电路中必须使用多点接地,并且要求每根接地线的长度小于信号波长的1/ 20.
(3)混合接地.混合接地既包含了单点接地的特性,又包含了多点接地的特性.例如,系统内的电源需要单点接地,而射频信号又要求多点接地,这时就可以采用混合接地.
3 接地网的设计和施工
综合布线系统接地网的结构组成包括接地线,接地母线(层接地端子),接地干线,主接地母线(总接地端子),接地引入线,接地体6部分.
3. 1 接地线
接地线是指综合布线系统设备与接地母线之间的连线,所有接地线均为铜质绝缘导线.当综合布线系统采用屏蔽电缆布线时,信息插座的接地可利用电缆屏蔽层作为接地线连至每层的配线柜.若综合布线的电缆采用穿钢管或金属线槽敷设时,钢管或金属线槽应保持连续的电气连接,并应在两端具有良好的接地.对于那些对接地和电磁屏蔽有特殊要求的广播电视机房与数据设备机房,建议单独敷设接地线.
3. 2 接地母线
接地母线(层接地端子)是水平布线与系统接地线的共用中心连接点.每一楼层配线柜应与本楼层接地母线相焊接,与接地母线同一配线间的所有综合布线用的金属架及接地干线均应与该接地母线相焊接.接地母线应为铜线,并尽量采用电镀锡以减小接触电阻,如不是电镀,须在将导线固定到母线之前对母线进行清理.
3. 3 接地干线
接地干线是由总接地母线引出,连接所有接地母线的接地导线.在进行接地干线设计时,应充分考虑建筑物的结构形式,建筑物的大小以及综合布线的路由与空间配置,并与电缆干线的敷设相协调.接地干线应安装在不受物理和机械损伤处,建筑物内的水管及金属电缆屏蔽层不能作为接地干线使用.当建筑物中使用两个或多个垂直接地干线时,垂直接地干线之间每隔3层及顶层需用与接地干线等截面的绝缘导线相焊接.接地干线应为绝缘铜芯导线,当它的接地电位差大于1 Vr m S(有效值)时,楼层配线间应单独用接地干线接至主接地母线.
3. 4 主接地母线
一般情况下,每栋建筑物有一个主接地母线(总接地端子).主接地母线作为综合布线接地系统中接地干线及设备接地线的转接点,其理想位置宜设于外线引入间或建筑配线间.主接地母线应布置在直线路径上,同时从保护器到主接地母线的焊接导线不宜过长.接地引入线,接地干线,直流配电屏接地线,外线引入间的所有接地线以及与主接地母线同一配线间的所有综合布线用的金属架均应与主接地母线良好焊接.外线引入电缆如配有屏蔽或穿金属保护管时,此屏蔽和金属管应焊接至主接地母线.主接地母线应采用铜母线,其最小截面为6 mm×100 mm,长度可视需要而定.主接地母线也应尽量采用电镀锡以减小接触电阻,如不是电镀,则主接地母线在固定到导线前必须进行清理.
3. 5 接地引入线
接地引入线是指主接地母线与接地体之间的接地连接线.接地引入线采用40 mm×4 mm镀锌扁钢,应做绝缘防锈防腐处理,在其出土部位应有防机械损伤措施,且不宜与暖气管道同沟布放.
3. 6 接地体
接地体分为自然接地体和人工接地体.自然接地体一般指建筑物基础内的钢筋网.人工接地体分为水平接地体和垂直接地体,水平接地体采用40 mm×4mm镀锌扁钢,垂直接地体采用50 mm×50 mm×5 mm×2 500 mm镀锌角钢或40 mm×3. 5 mm×2 500 mm的镀锌钢管.
在一般商用建筑物中,当综合布线采用联合接地系统时,接地体一般利用建筑物基础内的钢筋网作为自然接地体,接地状况应经过严格测试,其接地电阻应小于1Ω.在实际应用中通常采用联合接地系统,这是因为与前者相比,联合接地方式具有以下几个显著的优点:
a.当建筑物遭受雷击时,楼层内各点电位分布比较均匀,人员及设备安全能得到较好保障.同时,大楼的框架结构对中波电磁场能提供10～40 dB的屏蔽效果.
b.容易获得较小的接地电阻.
c.可以节约金属材料,占地少.当综合布线采用单独接地系统时,一般采用人工接地体,并应满足以下条件:
a.距离工频低压交流供电系统的接地体不宜小于5 m.
b.距离建筑物防雷系统的接地体不应小于3 m.
c.接地电阻不应大于4Ω.
广播电视机房,数据设备机房建议采用单独接地系统.
广播电视系统中已经大量采用综合布线系统,综合布线系统的接地设计应注意以下几个问题:
(1)综合布线系统采用屏蔽措施时,所有屏蔽层应保持连续性,并应保证导线间相对位置不变.屏蔽层的配线设备端应接地,用户(终端设备)端视具体情况接地.两端的接地应尽量连接至同一接地体.当接地系统中存在两个不同的接地体时,其接地电位差应不大于1 Vr m S(有效值).
(2)电缆进入建筑物内部容易受到雷击,受电源碰地,电源感应电势或地电势上浮等外界因素影响时,必须采用保护器.
(3)当线路处于以下任何一种危险环境时,应进行过压过流保护:
①雷击引起的危险影响;
②工作电压超过250 V的电源线路碰地;
③地电势上升到250 V以上而引起电源故障;
④交流50Hz感应电压超过250 V.
(4)综合布线系统的过压保护宜选用气体放电管保护器,因为气体放电管保护器的陶瓷外壳内密封有两个电极,其间有放电间隙,并充有惰性气体.当两个电极之间的电位差超过250 V交流电源或700 V雷电浪涌电压时,气体放电管开始出现电弧,在导体和地电极之间提供了一条导电通路.
(5)综合布线系统的过流保护宜选用能够自复的保护器.电缆上可能出现这样或那样的电压,如果连接设备为其提供了对地的低阻通路,则不足以使过压保护器动作,而其产生的电流却可能损坏设备或引起着火.因此在采用过压保护的同时必须采用过流保护,要求采用能自复的过流保护器主要是为了方便维护.
3. 7 室外接地网的施工方法
在1 m深的槽沟内按间隔5 m埋设3个以上垂直接地体,用水平接地体连接垂直接地体组成室外接地网.水平接地体埋入1 m深的槽沟内,接地网用40mm×4 mm镀锌扁钢引入室内,接地引出线的保护管距地高度一般为1. 5 m.扁钢及圆钢的连接均采用搭接焊,扁钢搭接长度为扁钢宽度的2倍,并应焊3个棱边.圆钢搭接长度为圆钢直径的6倍,并进行两面焊接.圆钢与扁钢连接时,搭接长度为圆钢直径的6倍.扁钢与钢管(或角钢)焊接时,除在接触部位两侧焊接外,还应将扁钢弯成弧形或直角形,并紧贴在钢管或角钢上再进行焊接.化学降阻剂应用较为广泛,将它使用于接地体和土壤之间,一方面能够减小接地体与土壤的接触电阻,另一方面,它能向周围土壤渗透,降低周围土壤的电阻率.其具体施工技术是:按设计要求开挖1 m深的用于敷设水平接地体的槽沟,垂直接地体埋设坑全部在这些槽沟内开挖,坑深与垂直接地体等深;采用钢管作模具,将垂直接地体插入钢管中心后,浇注降阻剂,并同时进行回填,抽出钢管后,此时接地体已形成200mm的圆柱形接地体,待降阻剂凝固后,将回填土夯实;在槽沟内敷设水平接地体,待水平接地体与垂直接地体按规范要求焊接完毕后,采用上下半圆形模具注入降阻剂,待模具拆除后,应在200 mm的水平接地体周围用湿土填护,并回填夯实.
4 接地电阻的测量
4. 1 用万用表测接地电阻
先断开接地线连接点,如图1所示,A为接地体,
图1
B ,C为临时接地体,用万用表测出AB ,BC ,CA间的电阻RAB,RBC,RCA,由下式
RAB=RA+RB
RBC=RB+RC
RCA=RC+RA
解得RA=(RAB+RCA-RBC)/ 2
4. 2 接地摇表测量法
接地摇表也称为接地电阻测定仪,测量时断开接地线连接点,将被测接地体,电位探测针,电流探测针相距20 m按直线布置;将接地摇表水平放置,并将指针调到中心线,"倍率盘"置于最大倍数上;缓慢转动摇表手柄的同时旋动"测量标度盘",使检流计指针平衡,当指针接近中心线时,转动手柄加速到120 r/ min ,并使指针保持在中心线上,这时"测量标度盘"上的读数乘以"倍率盘"上的读数即为所测的接地电阻值.为使探针与大地接触良好,可以用泼水的方法增加土壤湿度.
4. 3 压降简易测量法
用双绕组隔离变压器从市电网获取不接地电流电源,读取电流电压值,由公式R=U/I即得接地电阻值.
4. 4 3点测量法
与上法一样得到不接地电流电源,为使接地电阻更准确,另选两个辅助点2 ,3与接地点1成等腰三角形布置,如图2所示,得到下式
R12=R1+R2=U1/I1;
R23=R2+R3=U2/I2;
R31=R3+R1=U3/I3;
R1=(R12+R31-R23)/ 2 其中U1,I1为1 ,2间的电压,电流读数;U2,I2为2 ,3间的电压,电流读数;U3,I3为3 ,1间的电压,电流读数.
图2
4. 5 钳式接地电阻测试仪测量法
这是一种非接触测量法,只需用钳口夹住被测接地电阻的引线即可测得电阻值,由于不必断开接地线测量,所测值准确反映了设备运行情况下的接地状况,但测得的电阻值包括整个回路的电阻,必须牢记这一点,以正确分析测量结果.
5 室内接地网的要求
一是采用TN - S系统,使交流电源线路中的返回通道(中性线)只在一点与安全接地系统相连接,交流电源线路的返回电流不流入信号参考地系统.由于消除了电流环路,这种与交流返回电流隔开的信号参考地系统可最大限度地减少公共阻抗耦合.
二是将广播电视设备尽可能通过多点与信号参考地相连接,这可为高频干扰提供多个并联的对地通路,从而减少电感效应.根据欧姆定律,电阻并联后其阻值减少,故并联通路越多,对地阻抗越小.这样做可消除接地电流环路,因为设备多点与地线相连可以减少高频干扰,而接地系统的接地点只有一个.在布设地线和连接导线时不要将设备接地线和各类被接地的线合成一回线,应使进入接地系统的电流尽量小,也应使此电流进入接地系统后尽快流入大地,即要求与接地点间的地线粗些,距离短些,应记住接地线的长度和宽度在接地中是至关重要的.良好的接地平面可减少接地阻抗,通常的做法是采用网格,当网孔尺寸小于所需频率波长的1/ 10时,网格的效果接近一实体平板.为使接地平面更为适用,应满足两个条件:所有接至网格的设备接地线的长度必须小于最高频率波长的1/ 10 ;设备与接地平面的连接必须具有足够的并联通路,以降低设备与接地平面间的电位差.
6 数据机房对接地的要求
(1)接地电阻不应大于1Ω,这样可有效降低雷击和高压故障所引起的地电位升高,抑制干扰.
(2)不宜用中性线作为交流保护地线,因为中性线平时有荷载电流,当其作为交流地线时会成为干扰源.
(3)直流地的处理方法
直流地处理方式目前有两种,即直流地悬浮和直流地接大地.直流地悬浮就是直流地与大地严格绝缘,这种方法简单,不受交流网的干扰.其缺点是有可能使电流耦合干扰临近设备,万一交流地火线与机箱相碰,就会使机箱带有很高的交流电压,这是极其危险的.另外,一旦绝缘下降或发生对地短路就会产生干扰,使大量的静电无法排除,从而使机器带静电.因此,现在一般计算机机房系统接地不采用此方法.
直流地接大地,就是把计算机中的数字电路逻辑地与大地相接,由于直流地与机箱分开了,机柜外壳接大地,为防止高频干扰提供了低阻通路,也为静电荷找到了通路.
应该指出的是在直流地接大地的地线系统中,决不是直流地在任意一点上都可以接大地,而在直流地接大地之前应像直流地悬浮一样,保持对大地有足够的绝缘电阻.
直流地接法有3种:一是串联接地,计算机各设备地线以串联方式接在直流地线上,注意此处所用的连接部位应与机箱绝缘,这种接法在简单,电位差很小的接地系统中应用比较适宜;二是并联接地,这种接法各点间的电位差很小,大系统中应用较多;三是网络接地,就是用一定截面积的铜芯线,在活动地板下面交叉排成方格,交叉点用锡焊接在一起,计算机各机柜的直流地都用铜芯线连接到直流网络地交点上.
(4)交流地的处理方法
交流工作地可分为计算机系统中的交流设备和为计算机系统配套的交流设备两种.在计算机系统中使用的交流设备,其中性点用绝缘导线连接起来接到配电柜中性线上,或将中性线连接在一起用接地母线接地;在计算机机房以外配备的交流设备,应按TN- S系统要求接地.
(5)安全保护地
安全保护地在计算机系统中也分为计算机机房内,外两种情况.计算机机房内的安全保护地是将所有机箱的机壳用一根绝缘导线串联起来,再用接地母线将其接地;计算机机房外的交流设备的机壳也应进行保护接地.
(6)防雷接地
(7)地线处理应注意的问题
为了防止接地电流干扰,各接地母线应使用带有绝缘外皮的屏蔽线,屏蔽套的一端接地;计算机的直流地在机房内不允许与其他交流地相短接或混接;交流线路走线最好不与直流地线紧贴或平行;直流接地与避雷接线引线相距3 m以上.
7 各类地线之间的关系
广播电视机房,数据机房内各类地线之间的关系,也就是各种工作接地,保护接地的相互关系.广播电视机房,数据机房的防雷接地均要单独设立;广播电视机房的安全地线,逻辑地线,屏蔽地线可以接入母线后再与中性线按TN - S系统的接法处理;数据机房内的直流地,交流地,安全地应各自成系统,各自汇流后用一根接地母线接入接地主干线,这种方法比较方便;为安全起见,计算机机房内的直流地,交流地,安全地可分别接入不同的地线,这种方法比较合理
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