智能建筑弱電系統(tǒng)工程接地干擾抑制方法

何環(huán)球

【摘 要】在智能建筑弱電系統(tǒng)工程中，接地干擾是十分常見(jiàn)的，其危害性也較大。本文通過(guò)分析智能建筑弱電系統(tǒng)的干擾機(jī)理及不同接地方式下干擾的差異，提出了有針對(duì)性的接地干擾抑制方法，能有效提高智能建筑弱電設(shè)備的接地抗干擾能力。

【關(guān)鍵詞】接地干擾；地環(huán)路干擾；疊加原理；抑制方法

近年來(lái)，以電子和微機(jī)為基礎(chǔ)的保護(hù)、監(jiān)控、信號(hào)、通信等設(shè)備在智能建筑的應(yīng)用日益普及。在這些新型弱電系統(tǒng)應(yīng)用的同時(shí)，因過(guò)電壓和電磁耦合作用等引起的電磁干擾問(wèn)題也日益突出。由于電力系統(tǒng)中干擾源眾多，加之弱電系統(tǒng)設(shè)備耐壓水平低、抗干擾能力弱，若不采取措施消除和抑制電磁干擾，將影響電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。在抑制與消除干擾的措施中，接地技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。然而接地既可以消除和抑制電磁干擾，也可能因接地引入或放大電磁干擾，對(duì)弱電設(shè)備的運(yùn)行造成了很大的干擾，因此，本文就智能建筑弱電系統(tǒng)非常接地干擾抑制方法進(jìn)行探討。

1.單點(diǎn)接地公共地阻抗耦合

單點(diǎn)接地分為串聯(lián)單點(diǎn)接地和并聯(lián)單點(diǎn)接地，最大好處是沒(méi)有地環(huán)路，相對(duì)簡(jiǎn)單。但地線往往過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致地線阻抗過(guò)大。公共阻抗產(chǎn)生的電壓通過(guò)地回路耦合，一個(gè)電路的地電位受另一個(gè)電路的地電流的調(diào)制，另一個(gè)電路的信號(hào)耦合進(jìn)了前一個(gè)電路。

2.多點(diǎn)接地的地環(huán)路干擾

如圖1所示，圖1中兩設(shè)備用一對(duì)電纜傳輸線連接，圖中設(shè)備一（發(fā)送部分）、設(shè)備二（接收部分）分別接各自的地，這是一個(gè)不平衡的傳輸電路。在理想情況下，兩設(shè)備的地電位相等，傳輸線對(duì)中僅存在有用信號(hào)Us、差模電流Is，途徑為信號(hào)源Us經(jīng)信號(hào)源阻抗Zs，經(jīng)傳輸進(jìn)線阻抗，再經(jīng)負(fù)載ZL以及傳輸回線阻抗流回Us，但是，由于兩設(shè)備分別接入不同的接地點(diǎn)，兩點(diǎn)接地阻抗不同，兩設(shè)備的接地點(diǎn)A、D 自然會(huì)存在著電位差，此時(shí)信號(hào)源產(chǎn)生的電流將在地回路上分流，特別是在外來(lái)因素的影響下，如電纜傳輸線處在較強(qiáng)的電磁場(chǎng)中，如圖1中的設(shè)備四產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)，此時(shí)地環(huán)路中產(chǎn)生一感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，地回路中相當(dāng)于迭加一受控源，除此，由于地線是公用接地線，當(dāng)附近有大功率設(shè)備，如設(shè)備三起動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的地電流流經(jīng)兩設(shè)備系統(tǒng)地環(huán)路，在異常情況下，如雷擊時(shí)，地環(huán)電流會(huì)更大。以上各種狀態(tài)，由于地環(huán)電流分流為I1和I2，將同時(shí)通過(guò)信號(hào)線與回流線，方向是相同的，因此是共模電流。

3.接地干擾抑制方法

3.1公共阻抗接地干擾的抑制

（1）多點(diǎn)等電位聯(lián)結(jié)法

多點(diǎn)等電位聯(lián)結(jié)法就是統(tǒng)一選擇一個(gè)基準(zhǔn)電位，將多點(diǎn)進(jìn)行等電位聯(lián)結(jié)，它們各自對(duì)地的電位相等。接地可以統(tǒng)一各設(shè)備的基本電位，為外部進(jìn)入系統(tǒng)的信號(hào)提供一個(gè)參考，從而避免了由于各設(shè)備間電位不統(tǒng)一而引起的相互干擾。實(shí)施方法是將建筑物及附近的所有金屬物如鋼筋、水管、鋁合金窗、設(shè)備外殼和PE線均用電氣連接的方法連接起來(lái)，使之成為一個(gè)良好的電位體，在高層建筑中一般每隔三層就設(shè)一個(gè)均壓環(huán)，將本層所有的金屬物可靠連接。等電位聯(lián)結(jié)通常采用兩種基本形式：S型星形結(jié)構(gòu)和M型網(wǎng)形結(jié)構(gòu)，接地網(wǎng)的電阻應(yīng)小于1Ω。S型等電位聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)僅通過(guò)唯一的一點(diǎn)，即接地基準(zhǔn)點(diǎn)ERP 組合到共用接地系統(tǒng)中去，適用于低頻，M型等電位聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)通過(guò)多點(diǎn)連接組合到共用接地系統(tǒng)中去，對(duì)于高頻，分布電容的耦合效應(yīng)將會(huì)產(chǎn)生耦合干擾，應(yīng)采用MG型網(wǎng)形結(jié)構(gòu)，此接法對(duì)1～10MHz頻率范圍，接地線長(zhǎng)度在L>λ/20的弱電設(shè)備適用效果也很好。

（2）減小公共阻抗

對(duì)于許多設(shè)備，停運(yùn)時(shí)，測(cè)試其接地電阻，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)阻抗，卻遠(yuǎn)超過(guò)其標(biāo)準(zhǔn)值。其主要原因是公共阻抗中電感引起的分量往往占主要成分，對(duì)于較高的頻率，其往往成為造成干擾的主要原因。因而必須減少電感值，如地線選擇盡可能粗的導(dǎo)線，有條件的可采用電感量很小的銅板條，大電流地線通常采用銅匯流排等，除能達(dá)到降低電感值的目的，還能起到降低接地電阻的作用。接地電阻由接地線電阻、接觸電阻和地電阻組成，將接地線與接地螺栓和接地極做緊密牢靠的連接，增加接地極和土壤之間的面積與接觸的緊密度以降低接觸電阻，增加接地極的表面積和增加土壤的電導(dǎo)率以降低地電阻，一般要求接地電阻小于4Ω。

除此，采用多點(diǎn)接地法也是減小公共阻抗干擾的一項(xiàng)措施，所有設(shè)備的地線就近各自接地，所有導(dǎo)線連接成網(wǎng)，各設(shè)備單元，盡量以最短的連線接地，以降低接地阻抗。

3.2環(huán)路電流干擾的抑制

（1）采用平衡電路

如果用平衡電路來(lái)代替圖1的不平衡電路，即令回線阻抗值與信號(hào)線、信號(hào)傳輸線及負(fù)載阻抗值相等，則共模電流在進(jìn)回兩條線中是平衡的，因而負(fù)載兩端僅有信號(hào)電流流過(guò)，消除了差模壓降，此時(shí)地環(huán)路電流在負(fù)載上沒(méi)有造成影響。所以用平衡電路可以避免從共模到差模的轉(zhuǎn)換，從而提高傳輸線的抗干擾能力。但是，在高頻條件下，平衡是很難實(shí)現(xiàn)的，實(shí)際的電路會(huì)有很多寄生因素，如寄生電容、電感等。這些參數(shù)在頻率較高時(shí)對(duì)電路阻抗發(fā)揮著較大作用。且這些寄生參數(shù)的不確定性，電路的阻抗也是不確定的，因此很難保證兩個(gè)導(dǎo)體的阻抗完全相同，此時(shí)，電路平衡性往往較差，因而平衡電路對(duì)頻率較高的地環(huán)路電流干擾抑制效果較差。

（2）切斷地環(huán)路

由于地環(huán)路電流產(chǎn)生的根本原因是因?yàn)榈仉娢徊畹拇嬖?，所以切斷地環(huán)路是抑制地環(huán)路干擾最直接的方法，通常有如下幾種措施。

①如果將一端電路浮地，如在圖1中將B端斷開(kāi)，就切斷了地環(huán)路，可以消除地環(huán)路電流。其實(shí)質(zhì)就是兩設(shè)備經(jīng)公共阻抗接地，ZA成為兩設(shè)備的公共阻抗，此時(shí)的干擾是設(shè)備一對(duì)設(shè)備二的干擾，設(shè)備二是后級(jí)，工作信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于設(shè)備一公共阻抗的干擾，不會(huì)造成不良的后果，但考慮設(shè)備及其部件的靜電防護(hù)及其安全，往往不允許電路浮地，可以將設(shè)備通過(guò)一個(gè)電感接地，這樣對(duì)于50Hz的交流電流設(shè)備接地阻抗很小，而對(duì)于頻率較高的干擾信號(hào)，設(shè)備接地阻抗較大，減小了地環(huán)路電流。另一方面，盡管設(shè)備浮地，但設(shè)備與地之間還是有寄生電容，這個(gè)電容在頻率較高時(shí)會(huì)呈現(xiàn)較低的阻抗，因此不能有效地減小高頻的環(huán)路電流。

②在設(shè)備一和設(shè)備二之間插入隔離變壓器，設(shè)備一的傳輸信號(hào)通過(guò)變壓器的磁場(chǎng)耦合到設(shè)備二中，而地環(huán)路電流在變壓器的一次側(cè)繞組中方向相反而互相抵消，難以傳輸至二次側(cè)，消除了環(huán)路電流的影響，但由于一般變壓器難以消除一次側(cè)與二次側(cè)間的分布電容的影響，為了消除環(huán)路電流通過(guò)這些分布電容流到二次側(cè)，增強(qiáng)隔離的效果，應(yīng)在變壓器的一次側(cè)、二次側(cè)間加一金屬屏蔽層，方法是用一層銅箔繞一匝，但在交接處必須墊上絕緣層，以免其變成短路環(huán)，否則，信號(hào)電流也被隔離了，該銅箔起到了一次側(cè)與二次側(cè)間的電場(chǎng)屏蔽作用，即減小了兩者之間的分布電容。該銅箔要在二次側(cè)接地，否則，如在信號(hào)端接地，則地環(huán)路電流可通過(guò)C2耦合到負(fù)載上去，所以在負(fù)載端接地。隔離變壓器的缺點(diǎn)是不能直接傳輸直流信號(hào)與低頻信號(hào)。

（3）共模扼流圈

在設(shè)備一與設(shè)備二之間插入共模扼流圈，共模扼流圈可以傳輸差模信號(hào)，直流與低頻信號(hào)均可以通過(guò)，而對(duì)于高頻地環(huán)電流則呈現(xiàn)很大的阻抗，所以可以用來(lái)抑制地環(huán)電流的干擾，此外，用鐵氧體磁環(huán)套在兩根導(dǎo)線上也同樣起到共模扼流圈的作用。但要注意控制共模扼流圈的寄生電容，否則對(duì)高頻干擾的隔離效果很差。共模扼流圈的匝數(shù)越多，則寄生電容越大，高頻隔離的效果越差。

（4）光耦合器

在設(shè)備一與設(shè)備二之間采用光耦合連接，有兩種方法，一種是光耦器件，另一種是用光纖連接。由于光耦合器只能傳輸差模信號(hào)，不能傳輸共模信號(hào)，所以切斷了設(shè)備一與設(shè)備二之間地環(huán)路的傳輸，光耦合器可以傳輸直流與低頻信號(hào)，響應(yīng)速度快，輸入輸出端的分布參數(shù)小，而且體積小，重量輕，便于安裝。

（5）屏蔽

屏蔽也是抑制各種干擾的重要措施，用屏蔽材料將設(shè)備屏蔽起來(lái)，即降低其他設(shè)備作為電磁輻射源對(duì)其進(jìn)行的電磁輻射干擾，也屏蔽了本設(shè)備對(duì)其他設(shè)備的干擾。在地環(huán)回路中，能有效降低電磁輻射產(chǎn)生的接地電動(dòng)勢(shì)，屏蔽體作為一保護(hù)層必須接地，屏蔽體內(nèi)的電路地線只能一點(diǎn)接屏蔽體，而不得利用屏蔽體作返回導(dǎo)體。對(duì)于多層屏蔽電纜，每個(gè)屏蔽層應(yīng)在一接地，各屏蔽層應(yīng)相互絕緣。當(dāng)電纜長(zhǎng)度大于工作信號(hào)波長(zhǎng)的0.5倍時(shí)，采用間隔工作信號(hào)波長(zhǎng)的0.5倍的多點(diǎn)接地式。如果不能實(shí)現(xiàn)，則至少應(yīng)將屏蔽層兩端接地。

4.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，引起智能建筑弱電系統(tǒng)工程接地干擾的原因較為復(fù)雜，為了解決好這一問(wèn)題，就必須綜合考慮各原因，從頻率范圍、布線空間、設(shè)備性質(zhì)、接地功能、設(shè)備工作要求、電磁幅射、暫態(tài)過(guò)程及雷電與靜電等方面進(jìn)行研究，對(duì)不同的系統(tǒng)、不同的設(shè)備采取不同的抑制方法，這樣才能最大限度地消除接地干擾。

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