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防雷接地的由来和接地形式
山西太原防雷检测公司发布:2022-05-21

一、 接地的由来

所谓接地就是在机电设备和大地之间实现确定的电气连接。 接地技术在英式英语中称为Earthing,美式英语中称为Grounding。接地的由来要从避雷针谈起。

1.接地的原创

1754年富兰克林设计了避雷针,用避雷针为设备和设施防雷电灾害,得到了确实的效果而为世人认可,并在全世界得到推广。

富兰克林最初发明的避雷针,如图1所示。即把铁棒连接并立在建筑物上,其下端埋入地下,恰好相当于现在的所谓接地电极。由于避雷针是把雷电的能量完全释放入大地的设备,它的足部与大地确保被短接是必要的,这样就产生了接地技术。

图1 富兰克林的避雷针和最早的接地

接地技术的发明,一直以来都认为是富兰克林在进行雷电试验时,在大地上安装了接线端子,即实施了人类的第一次所谓的接地技术。其实,接地和“引雷入地”技术发明的真正鼻祖,应追溯到300年前,来华传教士、葡萄牙人安文斯(1609—1677)在《中国的十二大奇迹》一书中,对中国建筑的特点和渊源的述说。他在书中介绍,屋顶脊吻龙上的金属条一端插入地里,这样,当闪电落在屋顶或皇宫时,闪电就被龙舌引向金属条通路,并且直奔地下消散,因而不致伤害人。 他的记述比起富兰克林要早一个世纪。由此可见,接地技术真正的发明者应该是在中国。

2.接地的拓展

1835年,莫尔斯对有线电信采取了接地技术,将用于有线电信架起来的两根往复电线除去一根,即只将一根发出信号的电线架起来,而利用大地返回信号,这叫做大地回路(earthreturn),如图2所示。在实现大地回路时,发信点及受信点必须接地,这种接地是把大地认为是电路的一部分,也称为设备功能的接地。

图2 莫尔斯有线通信电路——大地回路

3.接地的发展

1876年,贝尔研究成功了电话,电话用的架空线网广泛地在大地上覆盖起来。这些线路更容易受到雷的直接或间接的攻击,造成雷电冲击电压的陡波前冲击波在线路上疾走,甚至雷电冲击电压到达住宅内的电话机,带来灾害。

为此在电话网采用避雷器,如图3所示,也就是现在的电话保安器。用两个避雷器与保险丝接在一起再接入线路并接地,电话线就不需要采用大地回路了。

图3 电话的保安器

避雷器与避雷针同样都是为了把雷电能量释放入大地的设备,所以一定要把避雷器的一端接地。由此可见,电话的接地,比起后发达起来的电力用的接地技术历史更早。

4.接地的突破

1889年,日本出现了交流配电技术,在大阪以1kV电压开始。初始时期,电力系统的变压器二次侧是不接地的,是以非接地方式供电的,即在配电用变压器的二次侧以下,电路任何地方都不与大地连接的一种方式。

在这种非接地方式中,如果变压器的一、二次侧间的绝缘破坏,一次侧的高电压就会侵入二次侧,把二次侧电路的电位提升得异常高,造成危险。这种现象称为高低压混触事故,如图4所示。这种混触事故不只产生触电事故,也发生火灾事故,所以,作为对策,把变压器二次侧的电路进行接地,把非接地方式转换为接地方式,如图5所示,就能防止二次侧电路的电位异常上升。因此,低压配电系统都采用接地方式。

图4 高低压混触事故

图5 接地方式的配电系统

配电用变压器二次侧电路接地,也称为第二种接地方式。另外,也有依然采用非接地方式的电力系统,如医院的集中治疗室(ICU)的配线和游泳池有些设备的配线。

在电力系统中,将机电设备的某些部位、电力系统的某点与大地用导体做良好的电气连接,叫做接地。通常,“接地”术语中的“地”就是指大地。接地可看作是建造一个导体系统,使电子按照指定路径流入大地,沿这条路径传输的电子可以是静电、漏电流、雷电、浪涌或故障电流。

接地是人类最早使用的电气安全措施。直至今天,接地仍然是应用最广泛的电气安全措施之一,对防雷电至关重要,对机电设备的正常使用和保护更是不可缺少的,也是确保电力系统运行人员及其设备工作人员人身安全的措施。

二、 接地的形式

接地作为一种应用最为广泛的电气安全措施,对于机电设备,不论是强电还是弱电,交流还是直流,高压还是低压,固定式还是移动式,生产用还是生活用,是发电厂还是用户,都以不同的方式、不同的用途被采用。

1.设备接地

对连接在低压电气系统的机电设备的金属外箱或机架等实施接地,如图6所示,这种接地称为箱壳或壳体接地。对机电设备而言,其接地的特征是在非通电的部分接地,有接地点。

图6 机电设备接地

2.系统接地

配电用变压器的二次侧电路的接地属于系统接地。从电路的绝缘原则上来说,电路与大地应该是绝缘的,这与电路的绝缘原则是相反的。按现有对接地技术的理解,只能认为这种接地施工的接地点是排除在电路绝缘原则之外的。

3.避雷针接地

这是历史最长的接地方式。在避雷针上直接落雷,极有被直击雷直击的可能,一旦直击,避雷针上将有波幅为10kA、持续时间为几十微秒的电流波通过。在对避雷针接地设计时,必须考虑这些条件。

4.避雷器接地

避雷器是以对付由直击雷或感应雷(线路附近落雷的场合)在线路上发生的雷电冲击电压为目的。因为雷电冲击电压在线路上行进是衰减的,应按避雷器安装位置(屋外、屋侧或屋内)不同而考虑避雷器的接地设置方式。又因为在避雷器上持有平时电路的对地电压,这个电压的高低也是选定避雷器及设置方式的重要条件。图7所示是供电线路为提高线路耐雷水平、降低线路雷击跳闸率而设置的避雷器接地。

图7 线路避雷装置接地示意

对于自然界的雷及由其引起的雷电冲击电压称为外雷,与之对应的在内部产生的被称作内雷。内雷是电力系统中因接入的断路器等在操作时发生过渡的急陡上升引起的冲击波。这样,不论外雷还是内雷,对机电设备都应有必要的防护措施,特别是半导体电子线路及设备,更有防护的必要。 冲击电压吸收器不是避雷器,只是与接地有关的装置。

5.功能接地

功能接地的特征为,接地电极上平时有负荷电流流过,在有水分的地下埋设的接地电极因常有电流流过,会引起电化学反应。特别是直流场合,更容易引起这种现象,在对接地电极设计时必须充分注意。如图8所示的电气防腐蚀回路,阴极保护利用电化学防止金属的腐蚀,为了使防腐蚀电流流入土壤或水中,应在系统中进行接地。如图9所示的直流输电系统中有采用大地归路的,都属于功能接地。

图8 电气防腐蚀回路

图9 直流输电系统

不管是交流还是直流,电气铁路中也采用功能接地,其典型回路的归路是使用轨道,如图10所示。但是,铁路的轨道是不与大地绝缘的,从而铁路的轨道自然发生被多重接地。所以,并行于轨道归路的大地归路也可能是同时起作用的。通常大部分的电流经轨道返回,还有一部分电流会向大地分流,因此也称为准大地归路。

图10 轨道归路——准大地回路

对以上功能接地来说,在接地电极上有负荷电流流过,也可以说是动的功能接地,还应该有静的功能接地。如为了保证计算机及其他机电设备的正常工作,必须采用具有稳定电位的基准点,该基准点通过接地来实现。还有对传输电波的天线实施的接地天,也是功能接地,因此也叫做基准电位接地,或逻辑接地。

6.基准电位接地

基准电位接地从本质上也属功能接地,由于这种方式大多反映在仪器设备上,也叫信号接地,是信号回路中放大器、混频器、扫描电路、逻辑电路等的统一基准电位接地,目的是不致引起信号量的误差。功率接地是所有继电器、电动机、电源装置、大电流装置、指示灯等电路的统一接地,以保证在这些电路中的干扰信号泄漏到地中,不至于干扰灵敏的信号电路。

作为大地的重要功能,有电位的稳定性。与地球上所有的人工设备相比较,地球的尺寸可看作是无限大,因而,作为导体的地球几乎持有无限大的电容,多少次充电它的电位也不会上升。

对电脑和高灵敏测量装置来讲,信号是以电压的形式来接收的场合较多,无论是模拟信号还是数字信号,在接受电压信号的时候,稳定的电位基准点是不可或缺的,这个基准点就是静的功能接地,如图11所示。没有比地球更稳定的电位基准点了。

图11 稳定电位基准点的提供(静的功能接地)

对汽车那样的移动体,以及飞机、火箭、人造卫星等飞行体,显然是不能与真的大地进行固定的接地。可把车体或机体中最大的导体做接地,把它称为身体地(body earth),以模拟的大地来替代真的大地。

7.屏蔽接地

近年来,机电设备中电子装置的电源输入部位盛行接入线路滤波器,如图12所示。这个线路滤波器是为了不让通入电源线的无用的噪声进入电子装置,把电源的各线与大地间接入电容器,噪声就逸入大地。因此,在各线路滤波器中用线路滤波器接地是必要的。还有屏蔽装置的接地和电子镜头的接地等,都是为了把无用的电磁波的能量释放入大地。

图12 线路滤波器

8.静电接地

汽车的车体因轮胎与大地是绝缘的,汽车车体因行进中的摩擦蓄积产生了静电。炼油厂的油罐车,在进入场内之前必须要将车体接地一段时间,把积蓄的静电电荷放掉,如图13所示,这就是静电的接地。计算机中的内置IC芯片等也容易受到静电影响,还有储油罐、天然气储罐和管道等,都是特别容易因静电放电而引起爆炸的。通过接地,可以将由于摩擦等产生并积蓄的静电尽快释放到大地,防止静电干扰引起事故和破坏。在集成电路(LSI)制造厂,静电是大敌。

图13 油罐车静电接地

9.悬浮接地

为了有别于常见于地面上的接地系统,把运动的机电设备中的接地系统称为“悬浮接地系统”。

从电气特性来看,作为运动的机电设备中的接地装置的“地”,它应该具备两个条件,即导电和具有相对大的容电量。

对运动的机电设备,无疑应选择金属壳体作为“地”;对机器人,一般选择固定电子线路板的金属支架作为“地”。

(1)悬浮接地系统的特点

①是不可能与大地相连接的。

②在这种接地系统中,不存在“电位为零的远方接地极”,所有运动的机电设备的电子、电气部分只有相对的零电位。

对运动的机电设备的接地装置,接地电阻的大小已不是那么重要,在实施过程中强调的是机电设备的“等电位连接”。

(2)悬浮接地系统的保护地

根据《Q/SWS 46-003—2003,船舶电气设备和电缆接地工艺规范》的规定,工作电压超过50V的电气设备、电缆均予以保护接地。

一般而言,机器人内部不存在上述的危险电压,故无需考虑保护地设置。

接地系统的连接必须遵循的一个原则,就是接地连线要尽可能地短,避免形成回路,以免将空间的电磁干扰通过接地连线引入到系统中去。所以,对船舶、飞机而言,保护接地线可以就近挂接到船体、飞机的永久结构与船体、飞机相焊接的金属基座或支架上。

(3)悬浮接地系统工作地的连接

悬浮接地系统的工作地不能像保护地那样,和就近的金属结构相连就算了事。因为无论是机器人的金属骨架,或者是金属船体、飞机,它们不是一块完整的导电体,往往是由许多块金属通过铆接、焊接以及螺钉等方法连接起来的,在这些金属块的连接处都存在一定的接触电阻。再则,和“地”相连接的机电设备又有一定的接地电流流向“地”,故很难保证接地平面有一个稳定的电位参考点。

对悬浮接地系统的工作地,应该设置一个基准接地面,它应该像工业接地装置中的总接地板那样,按不同种类的接地要求,采用分类汇总的方式进行连接,这样可避免彼此间的耦合。如图14所示中的总接地板,应设置两根接地干线和船体壳体相连,以保证接地系统的可靠性。工作地汇流排和总接地板应用绝缘支架固定,以避免重复接地。

图14 悬浮接地系统工作地的连接

在悬浮接地系统中,工作地不得与保护地共用。

对机电设备中的机器人,可以直接选择一块整体的金属骨架(最好是用铜制作)作为工作地的基准接地面,需要接地的地方,通过接地连线和基准接地面相连。为了保证等电位的实现,金属构架上的任何两点间的连接电阻宜控制在0.1Ω以下。

(4)基准接地面和其他“地”之间的安全距离

在处理运动的机电设备上控制系统工作地的安全距离时,可以参考《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范(GB 50169—2006)》的规定。在共用接地网上,外部防雷装置的接地点和控制系统的接地点,沿地下接地体的长度必须大于15m,即经过15m的距离,一般沿接地体传播的雷电过电压能衰减到不足以危及设备的绝缘。大电流、高电压用电设备的接地点和控制系统的接地点,沿接地体的长度必须大于5m。



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