第3-2章独立接地和共用接地

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7.3.3 如何解决共用接地系统的电位上升
1）降低共用接地系统的接地电阻 如果共用接地系统的接地电阻很低，那么电位上升波及的危险
不会有太大的问题。由接地网的接地电阻的简易公式可知：
R
0.5 ( ) S
要降低共用接地系统的接地电阻，是尽量将地网面积S做大。 如果要把某共用接地网的接地电阻减小到原来的二分之一，则要 将接地网面积增加到原来的四倍。
本部分对有关独立接地与共用接地的特点以及对它们 的评价作一介绍。
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7.1 接地方式的形态
如果有几个并存的系统或设备需要接地时，接地的方式可以有 如下图所示的四种形态： 1)各个设备独立接地
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2）将独立接地的接地线连接在一起
4
3）共用接地
5
4）将接地线连接到共用接地网上
第一种为独立接地,后三种均为共用接地.
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7.3.2 共用接地存在的一个问题
发生接地 电流的设备
I1R1
I1
I2
I2R2
R1
R2
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共用接地存在的一个主要问题就是电位上升而波及的危险。 在共用接地的场合，如果在共有接地设备中有一个发生接地电 流，就会流入大地。这时因各个接地电极总是有些接地电阻，就会 使接地点的电位上升。如果是独立接地，由接地电极引起的电位上 升仅限于本身而不波及它极（这是理想的接地）。而如图所示共用 接地，由接地电流引起的电位上升会波及到共用接地的全部设备。
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7.4.2 建筑结构体的接地电阻
建筑结构体如下图所示。
地上建筑部分
A
地下建筑部分
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建筑结构体的地表下部分与大地接触着，设结构体与大地的
接触面积（包括结构体的底面积与侧面积的总和）为A(m2)，土壤 电阻率为ρ （Ω ·m），则其接地电阻为：
R
0.4 A
由式可知，结构体与大地的接触面积A愈大，接地电阻就愈小。
况。
7
理想的独立接地
I
V
电位分布
电位上升 V=0
接地极
S(无穷远)
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如果电位的分布用双曲线函数的曲线来拟合
V=k/s
(对半球状电极，s≥r)
V
式中：V—电位，V； V0—s=r时的最高电位，V； s--距离，m； k— 常数,V•m ,对半球状电极 k=rV0。
理论上，在s=∞处，V=O。
V0
s
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7.2 独立接地
控制系统采用了计算机等数字电路技术，各部分电路需要有统 一的工作基准电压。即该工作基准电压起到建立一个统一的信号参 考点的作用。如几部分电路没有统一的工作基准电压，就会造成系
统工作异常。
理想的独立接地应该是那样：如果有两个接地极，其中一个电极中
不论流过怎样的电流，对另一个接地电极就不应该发生电位上升的情
1）接地系统简单，维修检查容易； 2）将各个接地电极并联连接，此时比独立接地的总电阻低。如果利 用建筑结构体，因接地电阻非常小，更能显示出共用接地的优点； 3）即使有一个接地极失效，其它电极也能补充，提高了接地的可靠 性；
4）因为可以减少接地电极的总数，节省设备施工的费用；
5）便于实现等电位连接有利于防雷和防爆； 6）由于等电位，减小了进入控制系统电子线路的共模干扰，便于抗 干扰。
80
注：本表相对于电阻率为ρ =100Ω ·m。
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如果大地的电阻率很高，即使接地电流很小，间隔距离也会增 大。由表可知，在实施独立接地时，必须采取很大的极间间隔。在 有限的场地内如有多个接地系统时，要找到足够的接地施工的空间 是很困难的。
所以说，在工业现场，不可能有真正放热独立接地。
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7.3 共用接地 7.3.1 共用接地的优点
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结构体接地的实测例子（日本）
大厦名 新大谷饭店 东京电业 会馆 层数 地上17层 地下3层 地上4层 地下1层 总建筑 面积m2 102,500 1,767 地下层的地 面面积m2 9,470 480 结构 钢架钢筋混 凝土造 钢筋 混凝土造 结构体的 接地电阻Ω 0.31 0.6
千叶大学工 学部
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7.4.1 建筑结构体的电气特性
在钢架造、钢筋混凝土造和钢架-钢筋混凝土造的建筑物中，其 本体结构无疑是牢固的，即柱或梁等都是相互紧密结合。但是建筑 物结构体的各个部分是否以很低的电阻互相连接着呢？换言之，建 筑物结构体是否是一个以导体构成的“电笼”（cage）？
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钢架造的大厦，因钢架之间是用铆钉或螺栓连接的，无疑是一 个电笼。
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实测某钢架造的高层大厦结构体电阻，从顶层到地下一层的直 流电阻是10-3Ω 。用双电桥测钢筋混凝土结构的三层楼结构体的电 阻的直流电阻是10-2Ω 左右。 所以“电笼”必须满足下列的两个条件: 1)建筑物必须是钢架造、 钢筋混凝土造、钢架造-钢筋混凝土 造，而且要有相当大的地下部分与大地接触的面积。 2）施工地点的土壤电阻率要低到一定的程度。
r
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如果允许有个电位升高V，S应该多少？
V I S
允许电位 上升V
电位分布
接地极
A
B
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在这里介绍以半球状接地极为例，研究因接地电流I产生的电位 上升（V）与间隔距离S的关系。
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因为土壤有一定的电阻率，在泄散电流过程中，电流将在土壤 中建立起恒定电场。由图可知，土壤中的电流密度在接地体处很 大，随着离开接地体距离的增加，电流密度逐渐减小。根据恒定电 场理论,土壤中的电场强度E、电流密度和土壤电阻率的关系应满足：
而对于钢筋混凝土结构的大厦，混凝土中主筋和箍筋就未必是 连接的，所以有人就怀疑它不是电笼。
在混凝土中钢筋和钢筋之间虽然是分离的，但是钢筋之间却充 满了混凝土。从外观上看，混凝土如同坚硬的石头，但它比一般的 岩石吸水性大，因此，处于湿润状态的混凝土的电阻率相当低。在 加上躯体或柱有很大的截面积，所以即使是钢筋混凝土造的大厦， 结构体的各部分也是以低电阻连接的，可以将它看成是电笼。
此时的接地极其间距S决定以下三个重要因素：
1）发生的接地电流的波形和其最大值I； 2）电位上升的容许值V； 3）该地点的大地的电阻率ρ 。
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独立接地的间隔距离S（m）
接地电流I （A ） 1 5 电位上升的容许值V 2V 8 40 4V 4 20 10V 1.6 8
10
50
80
400
40
200
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大阪合同厅 舍3号楼
地上4层 地下1层
地上15层 地下3层
2,354
39,579
576
3,405
钢筋 混凝土造
钢架钢筋混 凝土造
1.04
0.21
迎宾馆
东亚不动产 新侨大厦
地上2层 地下1层
地上15层 地下3层
15,355
52,015
5,260
4,742
钢架砖砌
钢架钢筋混 凝土造
0.35
0.01
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7.4.3 建筑物防雷区等电位连接及共用接地系统
为了防止产生反击（反击的原理见后图），应把避雷针和仪表 的接地装置都连接到共用接地网上。
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金属塔器
百度文库
位于塔上 的变送器
DCS
100kA 的雷电流 信号线 接地干线
地电位分 布曲线
地电位差
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法拉第笼和反击的概念
100kA
法拉第孔
电缆
法拉第笼 （变送器）
100kV RL=1Ω
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一个孤独的设备如果和空间其它的设备和人没有接触联系的
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3）保证整个DCS系统的所有接地点都在同一个共用接地网上 在工业装置中，有许多高的金属塔器是直接利用金属塔器 的金属壁作引下线的，而金属塔器上又有许多测量元件和变送器， 高的金属塔器一当遭到雷击，由于强大的雷电流通过金属塔的接地 装置，使位于金属塔上的变送器随整个塔产生电位浮动，相对于仪 表系统之间会产生很大的地电位差，随即会产生闪络（反击）使变 送器、DCS损坏。
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图中，工作地总干线和各楼层的钢筋实行了等电位连接，而保 护地总干线却没有和各楼层的钢筋进行等电位连接。为此，有人提 出异议：

一种认为，两条总干线均应和各楼层的钢筋实行等电位连接；
还有一种观点认为，保护地总干线应和各楼层的钢筋实行等电位 连接，而工作地不应该。

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IEEE
Std
1050-2004 电站仪表控制系统的接地规范
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2）保持离大的接地电流系统的接地点有一定的距离 在共用接地网上建筑物避雷针的接地点和仪表的接地点，沿地 下接地体的长度必须大于15米。即经过15米的距离，一般能沿接地 体传播的雷电过电压衰减到不足以危及设备的绝缘。土壤的电阻率 愈低，该距离就愈小。 在共用接地网上大电流、高电压的用电设备的接地点和仪表的 接地点，沿地下接地体的长度必须大于5米。
下图为《GB50343-2004 建筑物电子信息系统防雷技术规范》规 定的建筑物防雷区等电位连接及共用接地系统。建筑物内应设总的 等电位接地端子板，每层竖井内设置楼层等电位接地端子板，各设 备机房设置局部等电位接地端子板。
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当建筑物采取总等电位连接措施后，各等电位连接网络均与共用 接地系统有直通大地的可靠连接，每个电子信息系统的等电位连接 网络，不宜再设单独的接地引下线接至总等电位接地端子板，而宜 将各个等电位连接网络用接地线引至本楼层或电气竖井内的等电位 接地端子板。
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7.4 建筑结构体的接地方法
在接地电极中，可以采用棒状、线状、板状等人工接地极，也 可利用水管等作自然接地极。以前所述的接地极都是人工接地极。
自然接地极并不是那种以接地为目的的施工物体，而是将与大 地接触的导电性物体来代替接地极使用的。
这种物体以前使用的水管多半为金属管，但近几年来水管用合 成树脂制成，好多场合已经不能作为代用接地电极了。于是有人就 想利用建筑结构体位地表下部分的钢筋作自然接地极。
话，而所有的接地点仅通过一个接地参考点连接在共用接地网上， 那么接地系统的电位上升对该设备的损坏不会产生影响，这就像水 涨船高的原理一样。 问题就在DCS系统除了DCS本身的接地点外，还有变送器、执行 器等许多现场设备，这些设备大多都自然接地，如果这些自然接地 体和共用接地网没有连接而且又在外部防雷系统的附近，则在外部 防雷系统接闪时，会因为地电位的升高而产生反击。所以必须保证 整个DCS系统（包括现场的变送器、执行器）的所有接地点（包括自 然接地点）都应在同一个共用接地网上。
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所以在实施共用接地的场合，对于因共用接地而连接的全部设 备必须要考虑发生的接地电流的性质以及电位上升给系统带来的影 响。 接地电流的性质包括接地电流的大小和波形、持续时间的长短 以及发生的概率。例如，由直击雷在外部避雷装置的接地系统上可 以产生的电流很大（如100kA），频率也很高（高至1MHz），但持续 时间很短(μ s级)。 又如在设备电路和大地之间有大电容滤波器，会有相当大的位 移电流流向大地。 如果大电流高电压的工频用电设备，会有漏电流长时间地流向 大地等等。 下面就该问题提出几个解决问题的方法。
式中：I——接地电流，A。 (对半球状电极，s≥r)




1 I dx 2 x 2S s
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由上式可知，只有当s为无穷远处，电位才为零。根据式可得：
I S 2V
由该式可计算出因接地电流I产生的电位上升（V）与间隔距 离S的关系。
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在工程中只要把电位上升限制在一定范围内，就可以看成是相互独立 的。
独立接地和共用接地
Independent earthing and common earthing
徐义亨
2012年5月
1
7
独立接地和共用接地
在许多信息、控制系统需要接地的场合，应该是独立
接地还是共用接地，这个问题至今还在争论，似乎没有完 全解决。 世界上一些一流的控制系统制造商还在要求用户采用 独立接地。
保护地汇总板
工作地汇总板
就近接地
共用接地网
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7.5 运动系统的接地技术
船舶、机器人乃至飞机等物体都是以一定速度与陆地作相对运动 的运动系统，它的内部又装备着密集的电子、电气设备。为保证人 体和设备的安全，也为了满足电子、电气设备的电磁兼容性、特别 是抗干扰的要求，必须设置专门的接地系统。
E=ρ j
式中：ρ ——土壤电阻率Ω ·m； J——土壤中的电流密度A/m2。
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接地体处的电位等于电场强度沿长度方向的积分：
V Edx
r

式中：r——半球状接地体的半径,m。 所以离接地体距离为s处的电位得：
I I V Edx Jdx dx 2 2x 2 s s s
最初提出该想法的是美国的H.G.Ufer,“Ufer电极”的名称由此 而来。
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建筑结构体接地的必要条件是结构体必须为钢架、钢筋混凝土 制造，而不是砂浆或木造的。
钢架和钢筋本身有很好的导电性，而且贯穿到整个建筑物并通过
混凝土与大地接触。只要混凝土不是绝对的绝缘物，从宏观上可以 认为结构体就是一个接地电极。