遠(yuǎn)動(dòng)中的接地技術(shù)綜述

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(1.甘肅省電力公司檢修公司，蘭州 蘭州 730000； 2.甘肅天水供電公司，甘肅 天水 741020)

1 電力系統(tǒng)接地概述

接地是指電氣設(shè)備的某個(gè)部分與直接接觸大地的金屬導(dǎo)體(組)連接的現(xiàn)象。接地不僅起著保護(hù)設(shè)備安全的作用,而且還起著抗干擾的作用。遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)分布在各發(fā)電廠、變電站，完成實(shí)時(shí)信息的收集、處理、傳送，并接收、執(zhí)行調(diào)度端的命令，運(yùn)行條件相對(duì)較為惡劣，而實(shí)時(shí)信息又是從室外端子箱、保護(hù)屏、控制屏、計(jì)量屏等多處采集，通過(guò)通信系統(tǒng)傳輸?shù)秸{(diào)度端，涉及多系統(tǒng)連接，且傳輸距離長(zhǎng)短不一，信號(hào)種類、幅度各不相同。因此，微機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)同其他系統(tǒng)連接的電氣問(wèn)題就成為一個(gè)非常實(shí)際和極為重要的問(wèn)題，解決處理不當(dāng)就可能造成信息不準(zhǔn)確、設(shè)備損壞、遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)停用。

1.1 接地分類

(1)安全接地：使用交流電的設(shè)備必須通過(guò)黃綠色安全地線接地，否則當(dāng)設(shè)備內(nèi)的電源與機(jī)殼之間的絕緣電阻變小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電擊傷害。

(2)雷電接地：出于防雷設(shè)計(jì)而要求的接地，一般由避雷針、下導(dǎo)體和與接地系統(tǒng)相連的接頭組成。

(3)電磁兼容接地：出于電磁兼容設(shè)計(jì)而要求的接地，包括屏蔽接地、濾波器接地、噪聲和干擾抑制 和電路參考等。

1.2 接地策略

(1)單點(diǎn)接地

所有電路的地線接到公共地線的同一點(diǎn)稱為單點(diǎn)接地，這樣接地的最大好處是沒(méi)有地環(huán)路，信號(hào)就可以在不同的電路之間傳輸。

(2)多點(diǎn)接地

所有電路的地線就近接地，地線很短，適合高頻接地。這種接地結(jié)構(gòu)能夠提供較低的接地阻抗，因此在高頻電路中必須使用多點(diǎn)接地。

(3)混合接地

混合接地既包含了單點(diǎn)接地的特性，又包含了多點(diǎn)接地的特性。

2 運(yùn)動(dòng)中的接地技術(shù)

2.1 地線系統(tǒng)分析

在自動(dòng)化相關(guān)系統(tǒng)中，一般有以下幾種地線：信號(hào)地( 模擬地、數(shù)字地) 、安全地、系統(tǒng)地、交流地。

(1)模擬地作為傳感器、變送器、放大器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器中模擬電路的零電位，直接與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)連接。數(shù)字地是計(jì)算機(jī)中各種數(shù)字電路的零電位，應(yīng)該與模擬地分開(kāi)，避免模擬信號(hào)受數(shù)字脈沖的干擾。兩者都是為保證信號(hào)具有穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓而設(shè)置的接地。

(2)安全地的目的是使設(shè)備機(jī)殼與大地等電位，以避免機(jī)殼帶電而影響人身及設(shè)備安全和防止電磁干擾和雷擊等因素對(duì)設(shè)備的影響和損壞而設(shè)置的接地。通常安全地又稱為保護(hù)地或機(jī)殼地，是為保證人身及設(shè)備安全而設(shè)置的接地。

(3)系統(tǒng)地就是上述幾種地的最終回流點(diǎn)，直接與大地相連如圖1所示。地球是導(dǎo)體而目體積非常大，因而大地的靜電容量也非常大，電位比較恒定，所以人們把它的電位作為基準(zhǔn)電位，也就是零電位。一般系統(tǒng)維護(hù)人員很容易將安全地、系統(tǒng)地和交流地同等對(duì)待。其實(shí)三者相互聯(lián)系，但絕不等同。

圖1 回流法接地

(4)交流地是計(jì)算機(jī)交流供電電源地，即動(dòng)力線地，它的地電位取決于供電質(zhì)量，一般情況下較為穩(wěn)定，但并非理想狀況下的零電位。在交流地上任意兩點(diǎn)之間，往往有幾伏甚至幾十伏的電位差存在，很容易帶來(lái)各種干擾。因此，交流地絕對(duì)不允許分別與上述幾種地相連，而且交流電源變壓的絕緣性能要好，絕對(duì)避免漏電現(xiàn)象。

顯然，采用合理的接地方法是非常重要的。接地系統(tǒng)的選用一般可根據(jù)接地引線長(zhǎng)度和電子設(shè)備的工作頻率來(lái)計(jì)算高頻阻抗及射頻電阻，然后選用合適的方式，當(dāng)頻率小于1MHz時(shí)，可以采用單點(diǎn)接地方式，當(dāng)頻率高于10MH時(shí)，可以采用環(huán)( 網(wǎng)) 狀接地方式。在1～10MHz之間，如果用單點(diǎn)接地時(shí)，其地線長(zhǎng)度不得超過(guò)波長(zhǎng)的1/20，否則應(yīng)環(huán)狀接地。單點(diǎn)接地的目的是避免形成地環(huán)路，地環(huán)路產(chǎn)生的電流會(huì)引入到信號(hào)回路內(nèi)引起干擾。

在過(guò)程控制計(jì)算機(jī)中，一般采用分別回流法單點(diǎn)接地。信號(hào)地、安全地(機(jī)殼地)的分別回流法如圖1所示。回流線往往采用匯流條而不采用一般的導(dǎo)線。匯流條是由多層銅導(dǎo)體構(gòu)成，截面呈矩形，各層之間有絕緣層。采用多層匯流條以減少自感，可減少干擾的竄入途徑。在要求高的系統(tǒng)中，分別使用橫向及縱向匯流條，機(jī)柜內(nèi)各層機(jī)架之間分別設(shè)置匯流條，以最大限度地減少公共阻抗的影響。在空間上將數(shù)字地匯流條與模擬地匯流條間隔開(kāi)，以避免通過(guò)匯流條間電容產(chǎn)生耦合。安全地( 機(jī)殼地) 始終與信號(hào)地( 模擬地、數(shù)字地) 是浮離開(kāi)的。這些地之間只在最后會(huì)聚一點(diǎn)，并且常常通過(guò)銅接地板交匯然后用線徑不小于300mm2的多股軟線焊接在接地極上后深埋地下。

2.2 低頻接地技術(shù)

(1)一點(diǎn)接地方式

信號(hào)地線的接地方式應(yīng)采用一點(diǎn)接地，而不采用多點(diǎn)接地。一點(diǎn)接地主要有兩種接法：即串聯(lián)接地(或稱共同接地)和并聯(lián)接地(或稱分別接地)如圖2、圖3所示。

圖2 串聯(lián)一點(diǎn)接地

圖3 并聯(lián)一點(diǎn)接地

從防止噪聲角度考慮，如圖2所示的串聯(lián)接地方式是最不適用的。由于地電阻r1、r2和r3是串聯(lián)的，所以各電路間相互發(fā)生干擾。雖然這種接地方式很不合理，但由于比較簡(jiǎn)單，用的地方仍然很多。當(dāng)各電路的電平相差很大時(shí)就不能使用，因?yàn)楦唠娖綄?huì)產(chǎn)生很大的地電流并干擾到低電平電路中去。使用這種串聯(lián)一點(diǎn)接地方式時(shí)還應(yīng)注意把低電平的電路放在距接地點(diǎn)最近的地方，即圖2最接近于地電位的A點(diǎn)上。

并聯(lián)接地式在低頻時(shí)是最適用的，因?yàn)楦麟娐返牡仉娢恢慌c本電路的地電流和地線阻抗有關(guān)，不會(huì)因地電流而引起各電路間的耦合。這種方式的缺點(diǎn)是需要連很多根地線，用起來(lái)比較麻煩。在遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中，如果多臺(tái)設(shè)備接地線合用同一接地點(diǎn)，必須并聯(lián)，嚴(yán)禁串聯(lián)。

(2)實(shí)用的低頻接地

一般在低頻時(shí)用串聯(lián)一點(diǎn)接地的綜合接法，即在符合噪聲標(biāo)準(zhǔn)和簡(jiǎn)單易行的條件下統(tǒng)籌兼顧。也就是說(shuō)可用分組接法，即低電平電路經(jīng)一組共同地線接地，高電平電路經(jīng)另一組共同地線接地。注意不要把功率相差很多、噪聲電平相差很大的電路接入同一組地線接地。在一般的系統(tǒng)中至少要有3條分開(kāi)的地線( 為避免噪聲耦合，3種地線應(yīng)分開(kāi))如圖4所示，一條是低電平信號(hào)地線I；一條是繼電器、電動(dòng)機(jī)等的地線(稱為噪聲地線) ；一條是設(shè)備機(jī)殼地線( 稱為金屬件地線)。若設(shè)備使用交流電源，則電源地線應(yīng)和金屬件地線相連。這三條地線應(yīng)在一點(diǎn)連接接地。使用這種方法接地時(shí)，可解決計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的大部分接地問(wèn)題。

圖4 實(shí)用低頻接地

3 通道饋線的接地技術(shù)

(1)電路一點(diǎn)地基準(zhǔn)

一個(gè)實(shí)際的模擬量輸入通道，總可以簡(jiǎn)化成由信號(hào)源、輸入饋線和輸人放大器3部分組成。如圖5所示的將信號(hào)源與輸入放大器分別接地的方式是不科學(xué)的。它在受到磁場(chǎng)耦合影響的同時(shí)，還會(huì)以為A、B兩點(diǎn)地電位不等而引起環(huán)流噪聲干擾。忽略導(dǎo)線電阻，誤認(rèn)為A和B兩點(diǎn)都是大地地電位應(yīng)該相等，是導(dǎo)致這種接地錯(cuò)誤的根本原因。實(shí)際上，由于各處接地體幾何形狀、材質(zhì)、埋地深度不可能完全相同，土壤的電阻率因地層結(jié)構(gòu)各異也相差甚大，使得接地電阻和接地電位可能有很大的差值。這種接地電位的不相等，幾乎每個(gè)控制現(xiàn)場(chǎng)都要碰到。為了克服雙端接地的缺點(diǎn)，應(yīng)將圖5輸入回路改為單端接地方式。當(dāng)單端接地點(diǎn)位于信號(hào)源端時(shí)，放大器電源不接地：當(dāng)單端接地點(diǎn)位于放大器端時(shí)，信號(hào)源不接地。

圖5 不科學(xué)的接地方式

(2)電纜屏蔽層的接地

當(dāng)信號(hào)電路是一點(diǎn)接地時(shí)，低頻電纜的屏蔽層也應(yīng)一點(diǎn)接地。如欲將屏蔽一點(diǎn)接地，則應(yīng)選擇較好的接地點(diǎn)。當(dāng)一個(gè)電路有一個(gè)不接地的信號(hào)源與一個(gè)接地的(即使不是接大地)放大器相連時(shí)，輸入線的屏蔽應(yīng)接至放大器的公共端：當(dāng)接地信號(hào)源與不接地放大器相連時(shí)，即使信號(hào)源端接的不是大地，輸入線的屏蔽層也應(yīng)接到信號(hào)源的公共端。這種單端接地方式如圖6所示。

圖6 電纜屏蔽層單端接地方式

4 主機(jī)外殼接地與多機(jī)系統(tǒng)接地

為了提高計(jì)算機(jī)的抗干擾能力，將主機(jī)外殼作為屏蔽罩接地。而把機(jī)內(nèi)器件架與外殼絕緣，絕緣電阻大于50MΩ，即機(jī)內(nèi)信號(hào)地浮空如圖7所示。這種方法安全可靠，抗干擾能力強(qiáng)，但制造工藝復(fù)雜，一旦絕緣電阻降低就會(huì)引入干擾。

圖7 主機(jī)外殼接地方式

通常，一幢建筑物存在多種接地。除上面提到的設(shè)備接地外，還有重復(fù)接地、防雷接地等。可以利用建筑物金屬體在房間內(nèi)將有關(guān)的和內(nèi)部有連接的各電子設(shè)備之間作為等電位聯(lián)結(jié)，建筑物結(jié)構(gòu)金屬體起到一種屏蔽作用，類似于計(jì)算機(jī)外殼屏蔽。

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，多臺(tái)計(jì)算機(jī)之間相互通信，資源共享。如果接地不合理，將使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無(wú)法正常工作。近距離的幾臺(tái)計(jì)算機(jī)安裝在同一機(jī)房?jī)?nèi)，可采用類似圖8那樣的多機(jī)一點(diǎn)接地方法。對(duì)于遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)多臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，可通過(guò)隔離的辦法把地分開(kāi)。

圖8 多機(jī)一點(diǎn)接地方式

5 舉例 視頻監(jiān)控系統(tǒng)接地

目前,視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般采用視頻傳輸,其頻率不超過(guò)6MHz。因此,建議采用一點(diǎn)接地方式。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的接地網(wǎng)由接地線、接地母線、接地干線、主接地母線(總接線端子)、接地引入線和接地體6部分組成,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。

圖9 電視監(jiān)控系統(tǒng)的接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)

在本系統(tǒng)的接地處理過(guò)程中,根據(jù)設(shè)備所處的地理位置不同,可以設(shè)置幾個(gè)接地母線連接點(diǎn)(盡可能少) ,將若干個(gè)相近的設(shè)備單獨(dú)用接地線接到同一條接地母線,各接地母線通過(guò)相應(yīng)的接地干線再連接到系統(tǒng)的唯一一條主接地母線(總接線端子) ,最后由接地引入線連接至接地體,這就是所謂的一點(diǎn)接地方式。系統(tǒng)中各設(shè)備接地的設(shè)計(jì)和具體施工,以及接地線、接地母線、接地干線、主接地母線、接地引入線和接地體的處理工藝都應(yīng)該嚴(yán)格按照有關(guān)技術(shù)操作規(guī)范要求進(jìn)行。

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