1.4　機(jī)電設(shè)備接地系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

從工業(yè)應(yīng)用的角度來看，目前機(jī)電設(shè)備接地系統(tǒng)通常有三種接地結(jié)構(gòu)方式。

1.4.1　機(jī)電設(shè)備接地系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方式

（1）單獨(dú)接地結(jié)構(gòu)

這種接地方式是將機(jī)電設(shè)備接地系統(tǒng)的保護(hù)接地接入電氣安全接地網(wǎng)，工作接地采用獨(dú)立的、“干凈的”接地裝置與大地相接。

由于有時在某一段電源保護(hù)地線的兩點(diǎn)間會出現(xiàn)數(shù)毫伏，甚至幾伏的電位差，這對機(jī)電設(shè)備的低電平信號電路來說，是一個非常嚴(yán)重的干擾，因此機(jī)電設(shè)備接地系統(tǒng)的工作地不能和保護(hù)接地在設(shè)備柜內(nèi)混用。

（2）聯(lián)合接地結(jié)構(gòu)

這種接地方式是將機(jī)電設(shè)備接地系統(tǒng)在內(nèi)的電子信息設(shè)備和其他電氣系統(tǒng)的接地系統(tǒng)連接在一起，形成“聯(lián)合接地”并為一點(diǎn)接地，而且規(guī)定接地電阻不應(yīng)大于1Ω（接地電阻按要求的最小值確定）。

（3）共用接地結(jié)構(gòu)

等電位連接是以等電位觀點(diǎn)為主體思想的多點(diǎn)連接，即設(shè)備和裝置外露可導(dǎo)電部分的電位基本相等的電氣連接。其中包括結(jié)構(gòu)鋼筋、金屬設(shè)備、管道等，進(jìn)而和接地極相連。所謂多點(diǎn)是指建筑物基礎(chǔ)鋼筋、地下金屬管道、埋地電線的金屬外皮，都可成為很好的接地極。

由于通過共用接地網(wǎng)實(shí)現(xiàn)等電位連接，為干擾（特別是強(qiáng)大的雷電流）提供低阻抗的連續(xù)通道并泄放到大地，減小了系統(tǒng)內(nèi)各金屬部件和各系統(tǒng)間的電位差（但并非是真正的等電位體），無論是從防雷的角度或者是從減小控制系統(tǒng)的共模干擾來看，這都是十分有益的。

1.4.2　機(jī)電設(shè)備等電位接地系統(tǒng)

（1）等電位連接

機(jī)電設(shè)備接地系統(tǒng)在概念和技術(shù)上，近十年發(fā)生了很大的變化，其中最重要的轉(zhuǎn)變是：以前的接地系統(tǒng)是否合格，是以接地電阻值為準(zhǔn)；現(xiàn)在側(cè)重于接地結(jié)構(gòu)兼顧接地電阻值，特別是從獨(dú)立接地到采用共用接地網(wǎng)實(shí)行等電位連接方式的轉(zhuǎn)變。

具體實(shí)施等電位連接的方法：

①將分開的裝置和諸導(dǎo)電物體用導(dǎo)體連接；

②采用共用接地網(wǎng)；

③用浪涌保護(hù)器（SPD）連接起來，以減小雷電流或其他干擾電流在它們之間產(chǎn)生的電位差。

采用共用接地網(wǎng)實(shí)行等電位連接的網(wǎng)絡(luò)有S型和M型兩種結(jié)構(gòu)形式。

（2）等電位S型接地系統(tǒng)

S型等電位連接網(wǎng)絡(luò)僅通過唯一一點(diǎn)（ERP）組合到接地系統(tǒng)中去。S型也稱星型或樹形，如圖1-18所示。

其特點(diǎn)：無感應(yīng)環(huán)路；組件間要絕緣；接地電纜平行敷設(shè)（可能多而長）。

圖1-19所示為某一機(jī)電設(shè)備中儀表及控制系統(tǒng)S型接地連接的示意圖。

圖1-20所示為某一機(jī)電設(shè)備機(jī)房S型等電位連接網(wǎng)絡(luò)示意圖。

（3）等電位M型接地系統(tǒng)

M型等電位連接網(wǎng)絡(luò)是通過多點(diǎn)連接組合到接地系統(tǒng)中去。此時，各金屬組件不應(yīng)與共用接地系統(tǒng)各組件絕緣。如圖1-21所示。

M型等電位接地網(wǎng)絡(luò)宜用于延伸較大的開環(huán)系統(tǒng)，而且在設(shè)備之間敷設(shè)許多線路和電纜，設(shè)施和電纜從若干處進(jìn)入該信息系統(tǒng)。

在復(fù)雜系統(tǒng)中，可以將S型和M型兩種等電位連接網(wǎng)絡(luò)組合。

圖1-22所示為M型接地系統(tǒng)（網(wǎng)格式）接地連接的實(shí)例。

圖1-23所示為某設(shè)備機(jī)房采用M型接地系統(tǒng)（網(wǎng)格式）接地連接的實(shí)例。

在實(shí)際應(yīng)用中最好用梳狀連接網(wǎng)絡(luò)的接地結(jié)構(gòu)方式，如圖1-24所示。

1.4.3　機(jī)電設(shè)備接地系統(tǒng)的耦合

①串聯(lián)接地的耦合　串聯(lián)接地因各電路的地電流流經(jīng)地線阻抗以及連接阻抗，會引起各電路間的耦合，所以會產(chǎn)生干擾，故要避免使用。如圖1-25所示。

UA=（I1+I2+I3）R1

UB=UA+（I2+I3）R2

UC=UB+I3R3

因此，對應(yīng)在機(jī)電設(shè)備工程中，不宜將控制柜的接地匯流排實(shí)行串聯(lián)接地。

②并聯(lián)接地及分類匯總　并聯(lián)接地可以減少因地電流引起電路間的耦合，所以在有關(guān)接地的標(biāo)準(zhǔn)里，強(qiáng)調(diào)要“分類匯總”，如圖1-26所示。匯總點(diǎn)和地的接入點(diǎn)越近越好。

U1=UA+I1R1

U2=UA+I2R2

U3=UA+I3R3

UA=（I1+I2+I3）R4

如果R4代表接地電阻，又因?yàn)槭枪沧杩梗瑸闇p小耦合，顯然是越小越好。

1.4.4　機(jī)電設(shè)備接地電阻的頻率特性

由于流入地下的電流錯綜復(fù)雜，有工頻電流，也有雷擊時的脈沖電流，所以接地電阻按其用途一般有工頻接地電阻和脈沖接地電阻之分。

它們之間的換算關(guān)系為：

Ra=ARi　　（1-1）

式中　Ra——工頻接地電阻，Ω；

A——換算系數(shù)，取決于土壤電阻率、接地體最長支線的實(shí)際長度和有效長度，一般A的取值范圍是1<A<3，其數(shù)值可查表，如圖1-27所示（x為距離或長度）；

Ri——沖擊接地電阻，Ω。

由上式可知，同一個接地裝置，其工頻接地電阻值大于沖擊接地電阻值，所以如果測出的Ra值合格，一般Ri值也就合格了。

1.4.5　機(jī)電設(shè)備接地系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾

①機(jī)電設(shè)備接地系統(tǒng)有來自不同地方的電流，如設(shè)備的漏電流等。由于接地系統(tǒng)存在電阻，所以就會產(chǎn)生電壓降。這個電壓降就是造成電磁干擾的干擾電動勢，而且正比于接地電阻，也稱為“公共阻抗耦合”。

②機(jī)電設(shè)備接地系統(tǒng)的連接可能存在回路，則外部的電磁場就可能通過“電感性耦合”產(chǎn)生感應(yīng)干擾電動勢。

由此可見：減小接地電阻（公共耦合阻抗）有利于控制系統(tǒng)抗干擾，但會增加投資；接地系統(tǒng)的連接應(yīng)避免產(chǎn)生回路。

1.4.6　機(jī)電設(shè)備的接地電流引起大地電位上升

一旦機(jī)電設(shè)備接地電流流入接地電極，不只是接地電極，而且其附近大地的電位分布也改變。在安全上尤為重要的是地表面的電位。

對半球電極而言，離電極中心距離電阻，可表示為：

由距離x的點(diǎn)到達(dá)無限遠(yuǎn)方所包含的全電阻假定為Rx，如圖1-28所示，它可由dR積分求得：

例　x點(diǎn)的電位為Vx（以無限遠(yuǎn)為基準(zhǔn)），它可由Rx與接地電流乘積得出：

地表面的電位分布如圖1-29所示。在式（1-4）中如取x=r，便得出半球狀電極自身的電位V，即

上式與求半球狀接地電極時求得的結(jié)果是一致的。

由圖1-29得知，大地電位與離接地電極的距離成反比例下降。中央的平坦部分是存在接地電極的部分。如人在地面以跨步Δx站立，兩足之間便可能有電壓ΔV，把ΔV稱為跨步電壓。

在接地電極中，可因各種各樣的原因有接地電流流入，如室外的輸配電線有雷擊電流流入，如室內(nèi)機(jī)電設(shè)備上，在發(fā)生接地事故時便有接地電流流入。

偶然在接地電極上有接地電流流入之際，在接地電極附近站立的人會因跨步電壓而觸電。這里，比電位更重要的是電位梯度，可把電位微分求得：

由上式知道，電位梯度與離電極的距離x的平方成反比，即電位梯度在靠近電極的地方最大，隨離電極距離增大而急劇降低。理論上，不到無限遠(yuǎn)方電位梯度不會降至零，但實(shí)際上，到達(dá)一定程度的距離，幾乎無電位梯度的危險。所以以電極為中心，把危險的電位梯度發(fā)生的范圍稱作禁止區(qū)域。

禁止區(qū)域的大小，隨這個地點(diǎn)的大地電阻率及接地電流而變化。因電位梯度與ρ成比例，對大地電阻率高的地點(diǎn)來說禁止區(qū)域便大。同樣，因電位梯度與I成比例，發(fā)生接地電流大的禁止區(qū)域也就變大。

假定接地電流由直擊雷引起，因有非常大的電流，禁止區(qū)域也變得相當(dāng)大。同樣，接近變電所，因接地故障電流變大，禁止區(qū)域也變得相當(dāng)大。