第31章接地设计.ppt.ppt
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1、,1,控制系统接地工程的设计,2,1 接地系统的基本概念,从电气特性来看,自然界的土壤地层有两大特性:1)导电 导电率为10-3至10-1s/m,相对介电系数为5至15,介于良导体和绝缘体之间;2)具有无限大的容电量 因导电,故可将用电设备和地之间组成电气连接;又因为具有无限大的容电量,故就可以把土壤地层理解为等电位点或等电位面,成为电路或系统的基准电位。(对机器人、船舶以及飞机等运动系统,可以拿船体、机壳、机器人的金属骨架作“地”,它们有相对大的容电量,被称为“悬浮接地系统”),3,接地技术的发明,一直来都认为是1753年美国科学家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
2、类的第一次的所谓接地技术。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,当闪电落在屋上或皇宫时,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(见林清凉、戴念祖著的“电磁学”)。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我们中国。,4,接地的作用有二:1)保护人身和设备安全,如保护地、防雷地、本安地、防静电地等;2)抑制干扰,即为信号电压或系统电压提供一个稳定的电位参考点。如工作
3、地、屏蔽地、模拟地、数字地等。上述的各种接地名称,都是按接地的用途命名的。同一个接地装置往往具有多个接地用途。,5,用于仪表保护地的原理和设置,机壳不接地,机壳接地,6,根据GB 4793.1-2007,测量、控制和实验用电气设备的安全要求 第1部分:通用要求(IEC 61010-1:2001,IDT)的规定:设备在正常条件下,在可触及零部件与地之间,任意两个可触及的零部件之间,如交流电压的有效值有可能超过33V(或峰值超过46.7V),直流电压值有可能超过70V时,都必须设置保护地。,7,1.2 接地系统的结构 从工业应用的角度来看,目前控制系统通常有三种接地方式:1)单独接地 这种接地方式
4、是将控制系统的保护接地接入电气安全接地网,工作接地采用独立的、“干净的”接地装置与大地相接。由于在一段电源保护地线的两点间会有数毫伏,甚至几伏的电位差。这对低电平信号电路来说,是一个非常严重的干扰,因此控制系统的工作地不要和保护接地在柜内就混用。,8,2)联合接地 这种接地方式是将控制系统在内的电子信息设备和其它电气系统的接地系统连接在一起,形成“联合接地”并一点接地,而且规定接地电阻不应大于1欧姆(接地电阻按要求的最小值确定)。,9,3)共用接地 等电位联结是以等电位观点为主体思想的多点连接,即设备和装置外露可导电部分的电位基本相等的电气连接。其中包括结构纲筋、金属设备、管道等,进而和接地极
5、相连。所谓多点是指建筑物基础钢筋、地下金属管道、埋地电缆的金属外皮都成为很好的接地极。,10,由于通过共用接地网实现等电位连接,为干扰(特别是强大的雷电流)提供低阻抗的连续通道并泄放到大地。由于等电位连接减小了系统内各金属部件和各系统间的电位差(但并非是真正的等电位体),无论是从防雷的角度或者是从减小控制系统的共模干扰来看,这都是十分有益的。,11,接地系统在概念和技术上,近十年发生了很大的变化,其中最重要的转变是:以前的接地系统是否合格以接地电阻值为准,现在侧重于接地结构兼顾接地电阻值,特别是从独立接地到采用共用接地网实行等电位连结方式的转变。实施等电位连接的方法:将分开的装置和诸导电物体用
6、导体连接;采用共用接地网;用浪涌保护器(SPD)连接起来,以减小雷电流或其它干扰电流在它们之间产生的电位差。,12,据查证,世界上最早提出等电位接地方式的是我国在1958年建设人民大会堂时采用的笼式接地网,比起英国GOLDE在雷电一书中提及要早十八年。但在标准中出现等电位接地是1999年的“IEC 61312-2”,我国是从2000年才开始出现在各类标准中。,13,1.3 S型接地系统和M型接地系统 采用共用接地网实行等电位连接的网络有S型和M型两种结构形式。1)S型接地系统 S型等电位连接网络仅通过唯一的一点(ERP)组合到接地系统中去。特点:无感应环路;组件间要绝缘;接地电缆平行敷设(可能
7、多而长)。S型也称星型或树型。,ERP,接地网,机柜,14,仪表及控制系统S型接地连接,TN-S制中的PE线,15,电子信息设备机房S 型等电位连接网络示意图,16,2)M 型接地系统 M 型等电位连接网络是通过多点连接组合到接地系统中去。此时,各金属组件不应与共用接地系统各组件绝缘。M 型等电位接地网络宜用于延伸较大的开环系统,而且在设备之间敷设许多线路和电缆,以及设施和电缆从若干处进入该信息系统。在复杂系统中,可以将S型和M型两种等电位连接网络组合在一起。,接地网,机柜,17,M型(网格式)接地连接的例子,PE,PE,PE,配电箱,等电位接地连接,机柜,接地汇流排,18,电子信息设备机房M
8、 型等电位连接网络示意图,19,最好用梳状连接网络,去接地体,去接地体,20,1.4 接地系统的耦合1)串联接地和耦合 串联接地因各电路的地电流在地线阻抗以及连接阻抗会引起各电路间的耦合,所以会产生干扰,故要避免使用。VA=(I1+I2+I3)R1;VB=VA+(I2+I3)R2;VC=VB+I3 R3。对应在工程中,不宜将控制柜的接地汇流排实行串联接地。,电路1,电路2,电路3,I3,I2,I1,I2+I3,I1+I2+I3,A,B,C,R1,R2,R3,21,2)并联接地和分类汇总 并联接地可以减少因地电流引起电路间的耦合。所以在有关接地的标准里,强调要“分类汇总”。汇总点离和地的接入点愈
9、近与好。V1=I1RI+VA;V2=I2R2+VA;V3=I3R3+VA;VA=(I1+I2+I3)R4。如果R4代表接地电阻,因为是公共阻抗,为减小耦合,显然是愈小愈好。,电路1,电路2,电路3,R1,R2,R3,I1,I2,R3,R4,A,22,1.5 工频接地电阻和冲击接地电阻-接地电阻的频率特性 由于流入地中的电流错综复杂,有工频电流,也有雷击时的脉冲电流,所以接地电阻按其用途一般有工频接地电阻和脉冲接地电阻之分。它们之间的换算关系为:Ra=ARi 式中:Ra-工频接地电阻(欧姆);A-换算系数,它取决于土壤电阻率、接地体最长支线的实际长度L和有效长度Le,一般A的取值范围是大于1,小
10、于3,其数值可按图3-9确定;Ri-冲击接地电阻(欧姆)。由上式可知,同一个接地装置,其工频接地电阻值要大于冲击接地电阻值;所以测出的Ra值是合格的话,一般Ri值也是合格的。,23,换算系数A,24,接地体最长支线长度的计算,25,接地体的有效长度应按下式确定:式中:敷设接地体处的土壤电阻率(m)。附:一场关于接地电阻的法律纠纷。,26,1.6 接地系统产生的电磁干扰 1)接地系统有来自不同地方的电流(如电气设备的漏电流),由于接地系统存在电阻,所以就会产生电压降。这个电压降就是造成电磁干扰的干扰电动势,而且正比于接地电阻,也称为“公共阻抗耦合”。2)接地系统的连接可能存在回路,则外部的电磁场
11、就可能通过“电感性耦合”产生感应干扰电动势。由此可见:1)减小接地电阻(公共耦合阻抗)有利于控制系统抗干扰,但会增加投资;2)接地系统的连接应避免产生回路。,27,2 交流供电系统的接地,2.1 低压配电系统的接地制式 低压系统接地制式按配电系统和电气设备(包括信息系统)不同的接地组合来分类,按照IEC规定,低压系统接地制式一般由两个字母组成,必要时可加后续字母。因为IEC标准以法文作为正式文件,因此所用字母为相应法文文字的首字母。按低压系统接地制式划分有TN-S、TN-C、TN-C-S、TT、IT等五种。,28,第一个字母表示电源接地点对地的关系:T表示直接接地,I表示不接地(包括所有带电部
12、分与地隔离)或通过阻抗与大地相连。第二个字母表示电气设备的外露导电部分(如DCS的机柜)与地的关系:T表示独立于电源接地点的直接接地,N表示直接与电源系统接地点或与该点引出导体相连接。后续字母表示中性线(N)与保护线(PE)之间的关系:C表示中性线(N)与保护线(PE)合并为PEN线;S表示表示中性线与保护线分开;C-S表示在电源侧为PEN线,从某点分开为N及PE线。,29,1)TN-C系统 这种系统有简单、经济的优点。但是当三相负载不平衡或有谐波电流时,PEN线中有电流,其所产生的压降呈现在电气设备的外壳上,对敏感性的电子设备不利。,L1,L2,L3,PEN,外露导电部分,30,2)TN-S
13、系统 该系统相对于TN-C系统的最大特点是因为在正常时PE线上不通过负荷电流,与PE线相连的电气设备的金属外壳在正常运行时不带电位。由于比TN-C系统多拉一根线,所以在价格上要贵一点。,L1,L3,L2,N,PE,31,3)TN-C-S系统 该系统的前端是TN-C系统,后面改为TN-S系统。缺点是如前端的PEN线上有电流通过,很难保证后面的PE线上没有电流通过。,L1,L2,L3,PEN,PE,N,32,4)TT系统 TT系统内,电气设备的金属外壳单独接地,与电源在接地上无电气联系。其优点是避免发生故障时,将故障电压蔓延。缺点是若某相线碰壳时,接地故障回路因增加了一个接地电阻,故障电流小于TN
14、系统,自动开关不能切除故障,设备外壳上会带百伏级的电压,人身安全无法保证。,PE,L1,L2,L3,N,相线碰壳的故障回路,33,5)IT系统 该系统没有配出中性线。适用于大型电厂的厂用电。该系统中任一根相线若与地或设备金属外壳相碰,由于不构成回路,不会出现危险故障电流,即不会出现引爆的电火花,故适用于防爆现场。,L1,L2,L3,PE,34,2.2 有关标准对TN-S系统的规定(1)建筑物电子信息系统防雷技术规范(GB 50343-2004)第5.4.1条作了下列强制性的规定:“电子信息系统设备由TN交流配电系统供电时,配电线路必须采用TN-S系统的接地方式。”(2)建筑物防雷设计规范(GB
15、 50057-94)第6.4.1条规定:“当电源采用TN系统时,从建筑物内总配电盘(箱)开始引出的配电线路和分支线路必须采用TN-S系统。”,35,3 接地电阻,由于土壤是由不同的土壤颗粒和其间隙中存在的水和空气组成;再则,接地体的形状、尺寸又不一,所以接地电阻有非常复杂的性质。3.1 接地电阻的定义 有人曾经认为:接地电阻包括接地体本身的电阻、接地体与土壤间的接触电阻、接地体附近的土壤电阻、接地体至电气设备间连接导线的电阻四者之和。其中,接地体附近的土壤电阻是主要的,接地体本身的电阻和接地体与土壤间的接触电阻可以忽略不计。,36,后来,许多标准把整个接地系统分成两大部分:1)从仪表、控制设备
16、的接地端子到总接地板之间导体及连接点电阻的总和称为联结电阻,该部分称作为“接地连接”。2)接地极对地电阻和总接地板、接地总干线及接地总干线两端的连接点电阻之和称为接地电阻。该部分称作为“接地装置”。后一种说法对联接电阻和接地电阻分别提出了不同的要求。总连接电阻一般要求小于1欧姆;机柜内部的连接电阻应小于0.1欧姆。,37,接地连接示意图,接地连接,接地装置,38,2)定量地定义,权威著作辞海对接地电阻的定义是:“接地体对地电阻和接地引线电阻的和,数值上等于接地装置对地电压与通过接地体流入地中电流的比值。”这个定义似乎很严谨,但在实践中难以测量,而且它把接地电阻和连接电阻混在一起了。,39,全国
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