電子信息系統(tǒng)機(jī)房等電位聯(lián)結(jié)與接地的探討

石 健

(北京市避雷裝置安全檢測(cè)中心, 北京 100089)

電子信息系統(tǒng)機(jī)房等電位聯(lián)結(jié)與接地的探討

石 健

(北京市避雷裝置安全檢測(cè)中心, 北京 100089)

依據(jù)GB 50343—2012、GB 50057—2010等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),探討了實(shí)際防雷檢測(cè)中電子信息系統(tǒng)機(jī)房的等電位聯(lián)結(jié)和接地。主要從電子信息系統(tǒng)機(jī)房等電位聯(lián)結(jié)的型式、適用范圍、連接方式、連接導(dǎo)體長(zhǎng)度、接地電阻值及接地方式方面進(jìn)行了論述,以期為電子信息系統(tǒng)機(jī)房的防雷設(shè)計(jì)和防雷檢測(cè)提供借鑒。

等電位聯(lián)結(jié); 接地; 電子信息系統(tǒng)機(jī)房; 防雷

0 引 言

雷擊嚴(yán)重影響和破壞電子信息系統(tǒng)機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備的正常工作。一旦這些設(shè)備的誤動(dòng)作和損壞,將造成不同程度的人身傷害和財(cái)產(chǎn)損失。因此,電子信息系統(tǒng)機(jī)房采取等電位聯(lián)結(jié)和接地措施,對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)人身安全、配電系統(tǒng)安全、電子設(shè)備安全起了很大的作用。所以,等電位聯(lián)結(jié)和接地是防雷保護(hù)中不可缺少的重要技術(shù)措施。

電子信息系統(tǒng)機(jī)房主要指為電子信息設(shè)備提供運(yùn)行環(huán)境的場(chǎng)所,可以是一幢建筑物或建筑物的一部分,包括主機(jī)房、輔助區(qū)、支持區(qū)和行政管理區(qū)。

等電位聯(lián)結(jié)是指直接用連接導(dǎo)體或通過(guò)電涌保護(hù)器(Surge Protective Device,SPD)將分離的金屬部件、外來(lái)導(dǎo)電物、電力線路、通信線路及其他電纜連接起來(lái),以減小雷電流在它們之間產(chǎn)生的電位差。

接地原指與真正的大地連接以提供雷擊放電的通路,后來(lái)成為為用電設(shè)備提供剩余電流保護(hù)的技術(shù)措施。但接地現(xiàn)在已延伸為為了使電路、設(shè)備或系統(tǒng)與零電位參考點(diǎn)或零電位參考面之間建立低阻抗通路,而將電路、設(shè)備或系統(tǒng)連接到一個(gè)作為參考電位點(diǎn)或參考電位面的良導(dǎo)體的技術(shù)行為。

1 等電位聯(lián)結(jié)

1.1 等電位聯(lián)結(jié)的分類(lèi)

電子信息系統(tǒng)機(jī)房?jī)?nèi)的等電位聯(lián)結(jié)可以分為直接等電位聯(lián)結(jié)和間接等電位聯(lián)結(jié)。直接等電位聯(lián)結(jié)應(yīng)根據(jù)電子信息設(shè)備易受干擾的頻率及電子信息系統(tǒng)機(jī)房的等級(jí)和規(guī)模,確定等電位聯(lián)結(jié)方式,可采用S型星形結(jié)構(gòu)、M型網(wǎng)形結(jié)構(gòu)或SM混合型結(jié)構(gòu)。間接等電位聯(lián)結(jié)采用SPD進(jìn)行聯(lián)結(jié)。SPD是在不能進(jìn)行直接等電位聯(lián)結(jié)時(shí)一個(gè)瞬時(shí)起等電位聯(lián)結(jié)作用的器件。

1.2 S型星形結(jié)構(gòu)

S型星形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在S型等電位聯(lián)結(jié)電子信息系統(tǒng)機(jī)房?jī)?nèi),ERP為各種電路的電位基準(zhǔn),所有信號(hào)都是以該點(diǎn)作為零電位參考點(diǎn)。在S型等電位聯(lián)結(jié)中,電子信息設(shè)備與ERP之間具有較長(zhǎng)的等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體。由于每條等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體均有阻抗,當(dāng)流過(guò)等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體中的電流頻率足夠高時(shí),其波長(zhǎng)就會(huì)與等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體的長(zhǎng)度可比。如果等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體長(zhǎng)度達(dá)到1/4電流波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí),將產(chǎn)生諧振,即

圖1 S型星形結(jié)構(gòu)

l=cn/4f

式中:l——導(dǎo)體產(chǎn)生諧振的長(zhǎng)度,m;

n——任一奇數(shù)值;

c——自由空間的光速,3×108m/s;

f——使導(dǎo)體產(chǎn)生諧振的頻率,Hz。

此時(shí),等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體的阻抗趨于無(wú)窮大,相當(dāng)于開(kāi)路。同一波長(zhǎng)時(shí)不同等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體長(zhǎng)度與其阻抗的關(guān)系如圖2所示。

圖2 同一波長(zhǎng)時(shí)不同等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體長(zhǎng)度

所以,S型等電位聯(lián)結(jié)適用于面積較小的電子信息系統(tǒng)機(jī)房及工作頻率300 kHz以下的模擬線路的電子信息系統(tǒng)機(jī)房。

采用S型等電位聯(lián)結(jié)時(shí),為防止幅度和功率較大的大信號(hào)電路中較大工作電流對(duì)電子信息機(jī)房?jī)?nèi)小信號(hào)電路造成干擾,電子信息系統(tǒng)機(jī)房?jī)?nèi)的所有金屬組件,例如箱體、殼體、機(jī)架,除等電位聯(lián)結(jié)點(diǎn)外,應(yīng)與接地系統(tǒng)的各組件絕緣。

采用S型等電位聯(lián)結(jié)時(shí),為防止與引至電子信息系統(tǒng)機(jī)房的其他導(dǎo)體構(gòu)成較大的環(huán)路,當(dāng)空間產(chǎn)生大的瞬變電磁場(chǎng)時(shí),大的近磁場(chǎng)強(qiáng)度將在該環(huán)路感應(yīng)出高電壓,危及設(shè)備安全。所有設(shè)施管線和電纜宜從ERP處附近進(jìn)入該電子信息系統(tǒng),設(shè)備之間所有線路和電纜無(wú)屏蔽時(shí),宜與成星形聯(lián)結(jié)的等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體平行敷設(shè)。

電子信息系統(tǒng)機(jī)房S型等電位聯(lián)結(jié)的接地基準(zhǔn)點(diǎn)通過(guò)隔離絕緣線引自建筑物總等電位聯(lián)結(jié)帶時(shí),在正常情況下減少了共用接地系統(tǒng)中的雜散電流對(duì)電子信息設(shè)備的干擾。但是,由于隔離絕緣線較長(zhǎng),使其長(zhǎng)度遠(yuǎn)離加于導(dǎo)體的電氣干擾頻率的1/4奇數(shù)倍,而不產(chǎn)生諧振是很難實(shí)現(xiàn)的。而且,隔離絕緣線與引至電子信息系統(tǒng)的其他導(dǎo)體構(gòu)成較大環(huán)路,當(dāng)空間產(chǎn)生大的瞬變電磁場(chǎng)時(shí),大的近磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)在該環(huán)路中感應(yīng)出高電壓。所以,電子信息系統(tǒng)機(jī)房S型等電位聯(lián)結(jié)不應(yīng)采取接地基準(zhǔn)點(diǎn)引自建筑物總等電位聯(lián)結(jié)帶的聯(lián)結(jié)方式,而應(yīng)采取就近引自樓層或機(jī)房?jī)?nèi)部的局部等電位端子或機(jī)房的結(jié)構(gòu)鋼筋,使其直接連入建筑物的共用接地系統(tǒng)。共用接地系統(tǒng)中有許多的并聯(lián)金屬體,但它們的長(zhǎng)度不一樣,不會(huì)同時(shí)產(chǎn)生諧振。當(dāng)空間產(chǎn)生大的瞬變電磁場(chǎng)時(shí),這些并聯(lián)金屬體就成為許多條并聯(lián)泄放路徑,減小了寄生電感,從而降低了感應(yīng)電壓。

1.3 M型網(wǎng)形結(jié)構(gòu)

M型網(wǎng)形結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 M型網(wǎng)形結(jié)構(gòu)

在M型等電位聯(lián)結(jié)的電子信息系統(tǒng)機(jī)房?jī)?nèi),等電位聯(lián)結(jié)網(wǎng)格為各種電路的電位基準(zhǔn),所有信號(hào)都是以該面作為零電位參考面。M型等電位聯(lián)結(jié)適用于面積較大的且工作頻率為兆赫茲級(jí)的數(shù)字線路電子信息系統(tǒng)機(jī)房,減小了寄生電感,從而減小了暫態(tài)感應(yīng)過(guò)電壓。系統(tǒng)的各金屬組件不應(yīng)與接地系統(tǒng)各組件絕緣,應(yīng)通過(guò)多點(diǎn)聯(lián)結(jié)組合到等電位聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)中去,并縮短等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體的長(zhǎng)度。

由圖2可知,電子信息系統(tǒng)機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備的等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體的長(zhǎng)度最好為l≤λ/20。由于數(shù)字線路工作頻率很高,l值會(huì)很小,故很難實(shí)施。所以,M型等電位聯(lián)結(jié)的電子信息系統(tǒng)機(jī)房?jī)?nèi)每臺(tái)設(shè)備從等電位網(wǎng)格引兩根等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體,接于設(shè)備的對(duì)角處,其長(zhǎng)度宜按相差20%考慮,當(dāng)其中一根產(chǎn)生諧振時(shí),另一根不會(huì)產(chǎn)生。每臺(tái)設(shè)備的等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體的長(zhǎng)度不宜大于0.5 m。

1.4 SM混合型結(jié)構(gòu)

由于S型等電位聯(lián)結(jié)的接地線較長(zhǎng),當(dāng)其長(zhǎng)度達(dá)到λ/4奇數(shù)倍時(shí),相當(dāng)于開(kāi)路。M型等電位聯(lián)結(jié)的電子信息系統(tǒng)機(jī)房?jī)?nèi)部可能會(huì)產(chǎn)生很多地線回路。大信號(hào)電路可以通過(guò)地線回路電流影響小信號(hào)電流,造成干擾。此時(shí),可采用SM混合型結(jié)構(gòu),對(duì)于工作頻率在1 MHz級(jí)以上的高頻電路,采用M型等電位聯(lián)結(jié);對(duì)于工作頻率在300 kHz以下的低頻電路,采用S型等電位聯(lián)結(jié)。

當(dāng)電子信息系統(tǒng)機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備的工作頻率在300 kHz與MHz之間時(shí),如果其實(shí)際等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體不超過(guò)λ/20且面積較小時(shí),可采用S型等電位聯(lián)結(jié),反之可采用M型等電位聯(lián)結(jié)。

對(duì)于實(shí)際工程,當(dāng)很難精確確定電子信息系統(tǒng)機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備的工作頻率時(shí),頻率為兆赫茲級(jí)以下的電子系統(tǒng),采用S型星形等電位聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu);頻率為兆赫茲級(jí)以上的電子系統(tǒng),采用M型網(wǎng)格形等電位聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)。

2 接 地

電子信息系統(tǒng)機(jī)房的接地可以與大地保持絕緣,即浮地。浮地的抗干擾能力強(qiáng),但易產(chǎn)生靜電積累,尤其當(dāng)雷電感應(yīng)較強(qiáng)時(shí),絕緣將被擊穿,造成電子電路的損壞。電子信息系統(tǒng)機(jī)房的接地與大地相連,主要是:① 泄放雷電流及靜電電荷;② 提高設(shè)備的工作穩(wěn)定性。接地能夠給高頻干擾信號(hào)提供低阻抗的通路,并使屏蔽措施發(fā)揮良好的效能。所以從防雷角度考慮,電子信息系統(tǒng)機(jī)房的接地應(yīng)與大地相聯(lián)結(jié)。

接地體應(yīng)表示為復(fù)數(shù)阻抗Z=R+jX,接地線的感抗XL=2πfL。對(duì)于一根25 mm2銅導(dǎo)體,在1 MHz條件下,當(dāng)長(zhǎng)度為3 m時(shí),Rf=0.05 Ω,XL=26 Ω;當(dāng)長(zhǎng)度為6.1 m時(shí),Rf=0.1 Ω,XL=57 Ω。對(duì)于電子信息系統(tǒng)機(jī)房?jī)?nèi)的設(shè)備,因?yàn)槠浣^大多數(shù)為數(shù)字化,工作頻率為數(shù)十至數(shù)百赫茲。接地裝置在高頻電流下,電抗值遠(yuǎn)大于其電阻值,此時(shí)要求很低的直流至工頻的接地電阻無(wú)意義。所以,當(dāng)采用共用接地裝置時(shí),應(yīng)滿(mǎn)足不大于按人身安全所確定的接地電阻值。但從建筑物電子信息系統(tǒng)防雷的角度考慮,電子信息設(shè)備的種類(lèi)多且用途不同,對(duì)接地裝置的電阻值的要求也不相同。因此,為確保人身安全和電氣、電子設(shè)備的正常工作,電子信息設(shè)備的共用接地裝置的接地電阻值必須按接入設(shè)備中要求的最小值確定。

當(dāng)電子信息系統(tǒng)機(jī)房所在建筑物可能遭受直接雷擊時(shí),建筑物應(yīng)按防雷類(lèi)別裝設(shè)防雷裝置,機(jī)房應(yīng)采用共用接地裝置。因?yàn)椴捎锚?dú)立接地方式,其獨(dú)立接地體與建筑物接地體之間將存在阻抗。當(dāng)有電流經(jīng)過(guò)該阻抗時(shí),將會(huì)產(chǎn)生共模電壓。當(dāng)電流為雷擊電流時(shí),在電子系統(tǒng)與周?chē)ㄖ锝拥叵到y(tǒng)之間將產(chǎn)生跳擊,從而損害設(shè)備。

當(dāng)電子信息系統(tǒng)機(jī)房所在建筑物不可能遭受直接雷擊時(shí),可不采取防直擊雷措施。但當(dāng)機(jī)房?jī)?nèi)電氣設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾影響電子信息設(shè)備正常工作時(shí),電子信息設(shè)備應(yīng)設(shè)獨(dú)立接地裝置(相對(duì)與電氣系統(tǒng)的保護(hù)接地),其接地電阻值應(yīng)按接入設(shè)備中要求的最小值確定。

3 結(jié) 語(yǔ)

電子信息系統(tǒng)機(jī)房防雷是系統(tǒng)工程,等電位聯(lián)結(jié)和接地是兩個(gè)必不可少的部分。在進(jìn)行機(jī)房?jī)?nèi)等電位聯(lián)結(jié)設(shè)計(jì)和檢測(cè)時(shí),還應(yīng)根據(jù)機(jī)房的實(shí)際情況,綜合考慮各種因素,做好電子信息系統(tǒng)機(jī)房的防雷工作。

[1] 王厚余.淺論建筑物電氣裝置的接地、等電位聯(lián)結(jié)和共用接地[J].電氣應(yīng)用,2005,24(2):1-3.

[2] 許銳.防雷等電位聯(lián)結(jié)特殊問(wèn)題分析[J].現(xiàn)代建筑電氣,2013,4(7):32-35.

[3] 潘家利,侯安校,李敏.等電位聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)在信息系統(tǒng)防雷接地工程中的應(yīng)用[J].氣象研究與應(yīng)用,2008,29(3):51-54.

[4] 李寧,胡泉,李瑩.等電位聯(lián)結(jié)在現(xiàn)代建筑物防雷中的重要性[J].氣象研究與應(yīng)用,2007,28(4):62-63.

[5] GB 50174—2008 電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6] GB 50343—2012 建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范[S].

[7] 楊克俊.電磁兼容原理與設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2004.

[8] 王厚余.試論等電位聯(lián)結(jié)的應(yīng)用[J].建筑電氣,2005(5):3-7.

[9] GB 50057—2010 建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[10] 張小青.建筑物內(nèi)電子設(shè)備的防雷保護(hù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2000.

[11] 林維勇.電子系統(tǒng)中功能性接地和等電位聯(lián)結(jié)的幾個(gè)問(wèn)題[J].電氣應(yīng)用,2005(5):6-10.

2015《現(xiàn)代建筑電氣》雜志征訂單

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Discussion on Equipotential Bonding and Grounding in Electronic Information System Room

SHI Jian

(Beijing Lightning Devices Security Test Center, Beijing 100089, China)

On the basis of GB 50343—2012,GB 50057—2010 and other existing national standards,this paper discussed the equipotential bonding and grounding of electronic information system room in the actual lightning detection.The main types of connected,applicable scope,length of connection conductor,grounding resistance value and grounding methods of electronic information system room were discussed.It can provide

for the lightning protection design and the lightning detection of similar electronic information system room.

equipotential bonding; grounding; electronic information system room; lightning protection

《現(xiàn)代建筑電氣》雜志訂單(回執(zhí)) 120元/年

石 健(1984—),男,研究方向?yàn)榉览讬z測(cè)與電磁兼容。

TU 862

A

1674-8417(2015)01-0032-04

2014-09-09