關(guān)于接地電阻阻抗特性的研究

　　Research on the impedance characteristics of grounding resistance

　　譚勝淋

　　（深圳征遠檢測有限公司，廣東 深圳 518000）

　　摘要：隨著信息化系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)時代的到來，信息化設(shè)施尤其是微小型高精度設(shè)施及設(shè)備井噴式發(fā)展，全球各地區(qū)的接地環(huán)境差異巨大，電磁環(huán)境復(fù)雜多變，電磁干擾嚴(yán)重。若僅依靠小接地電阻值來解決信息化系統(tǒng)及高精度設(shè)備接地難題是不現(xiàn)實的，尤其處于環(huán)境復(fù)雜多變的機動信息系統(tǒng)及設(shè)備，根本無法完成很低的接地電阻，本文通過研究接地電阻阻抗特性和適用范圍，同時為提高施工設(shè)計容錯率和降低故障率，對信息系統(tǒng)及有關(guān)設(shè)備的高阻抗接地的可行性進行分析和建議。

　　關(guān)鍵詞：信息系統(tǒng)；電磁干擾；接地電阻；阻抗特性；研究

　　0 引言

　　用電設(shè)施及設(shè)備均要接地，一般設(shè)施的接地系統(tǒng)主要有防雷地、保護地和工作地三類。常規(guī)的防雷接地主要是采用聯(lián)合接地方式，即共用聯(lián)合接地端排完成理想等電位連接。但建筑及有關(guān)設(shè)施的實際接地系統(tǒng)難完成理想等電位連接系統(tǒng)（即“0電位差”），容錯率很低，一旦其中一個連接點故障，地電位反擊的威脅和破壞仍然很大。為根本解決上述問題，需對接地系統(tǒng)做大很小的接地電阻、強化施工及維護的管理。

　　信息系統(tǒng)所處環(huán)境復(fù)雜多變，若都必須依賴很低的接地電阻，必然引起建設(shè)難、周期長、成本高等一系列難題，尤其是機動信息系統(tǒng)及設(shè)備，常地處接地和電磁環(huán)境復(fù)雜多變，根本無法實現(xiàn)小接地電阻值。因此，需引進兩端口浪涌保護器，并結(jié)合“通道阻攔”和“隔離接地”的方式，提升受保護系統(tǒng)及接地系統(tǒng)對外的抵抗性，降低對接地電阻的依賴。同時，在引進新保護措施時必須提高工程的容錯率和降低故障率。

　　本研究是對接地系統(tǒng)的防雷地、保護地和工作地作用進行研究，并結(jié)合防雷與接地的國際先進標(biāo)準(zhǔn)進行分析，對接地系統(tǒng)高阻抗可行性進行分析研究。

　　1 接地系統(tǒng)電阻高阻抗特性研究

　　1.1 接地系統(tǒng)電阻值作用分析

　　一般情況下，可把接地分為工作地、保護地和防雷地三種。在傳統(tǒng)的概念中不同類型的地對接地電阻的要求有所不同：

　　工作接地一般作為參考點 — “0”電位，其接地電阻無標(biāo)準(zhǔn)明確要求；

　　保護地的接地電阻要求各標(biāo)準(zhǔn)要求不一致，大致分為：（1）依據(jù)JGJ16-2008規(guī)定“當(dāng)采用共用接地方式時，其接地電阻應(yīng)以諸種接地系統(tǒng)中要求接地電阻最小的接地電阻值為依據(jù)。當(dāng)與防雷接地系統(tǒng)共用時，接地電阻不應(yīng)大于1 Ω。（2）不宜超過10 Ω”。

　　防雷接地電阻值限制：不宜超過10 Ω。現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)和國家軍用標(biāo)準(zhǔn)都建議性提出防雷接地電阻不宜超10 Ω，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)主要有GB50057-2010、GB50169-2016、GJB 7581-2012、GJB5080-2004。

　　通信類系統(tǒng)及設(shè)施的主要基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)是GB 50689-2011通信局站防雷與接地工程設(shè)計規(guī)和GJB5080-2004軍用通信設(shè)施雷電防護設(shè)計及使用要求，有關(guān)通信類系統(tǒng)及設(shè)施的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)是GB 50169-2016電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規(guī)范，三大標(biāo)準(zhǔn)均建議或要求使用聯(lián)合接地，接地電阻不宜大于10Ω，但是沒有對單獨的工作接地電阻值提出具體條款及要求。

　　1.2 接地功能的分析

　　1.2.1 工作接地

　　工作接地主要含直流工作接地、交流工作接地、通訊信號回路、射頻接地四大類。具體分析如下：

　　直流工作接地。向直流電源提供“0”參考電位，-48 V直流電源是正極接地，+24 V直流電源則是負(fù)極接地。蓄電池正極接地，并可減少金屬導(dǎo)體的電化學(xué)腐蝕。

　　交流工作接地。通指變壓器中性點或中性線（N線）接地，旨在控制三相的平衡。工作地線和工頻交流零線電氣相通，與地有0.2 V～4.8 V的電壓，帶寬范圍是20 Hz～2000 Hz。在信息系統(tǒng)及設(shè)備中，常對中性線和保護線分組布設(shè)，減少接地線受電磁干擾。

　　通訊信號回路。在信息化系統(tǒng)工程中，通常以共同的大地回路作為信號電路的單線回路，譬如通訊中將電池組的一個極接地，減少因用戶線路對地絕緣不良時引起的串話。

　　射頻接地。射頻電路接地并非一定是防雷接地，但是與大地密切連接的電力接地必須可靠接地，構(gòu)成信號發(fā)射接收天地線。無線電的發(fā)射是靠振蕩電路實現(xiàn)的，震蕩電路等效原理是一個電感線圈和一個電容的組合電路，可將通過的能量完成轉(zhuǎn)換，并產(chǎn)生震蕩頻率，并向外發(fā)射電磁波。實際運用中，電感被做成了發(fā)射塔，發(fā)射塔的尖和地是電容的兩極，因此就有了天線和地線。

　　如：人體等效于手機的接地地線。

　　2.2.2 安全保護接地

　　安全保護接地就是將電氣設(shè)備不帶電的金屬部分與接地體做可靠電氣連接，減少觸電及高壓危險。安全保護接地，即 “PE”，可實現(xiàn)將漏電流、靜電等引入大地的導(dǎo)線，起著安全保護作用。

　　2.2.3 防雷接地

　　為了將雷電引入地下，將防雷裝置的接地端與大地相連，以消除雷電引起的過電壓過電流維護信息系統(tǒng)及人員安全。在理想狀態(tài)，接地越好，泄放雷電流越暢通，產(chǎn)生的副作用就越低，比如在雷擊發(fā)生在大海中，由于海水的導(dǎo)電性，從未發(fā)現(xiàn)有魚被雷電劈死的情況，在陸地上，各地區(qū)環(huán)境的土壤土質(zhì)有差別，尤其是在土壤電阻率較高的地方，若將接地電阻做得很小，需要付出的代價難以想象。日本在20世紀(jì)70年代，用三年時間對419個微波站的雷擊事故進行了調(diào)查統(tǒng)計，證明雷電事故與微波站的接地電阻幾乎沒有關(guān)系。

　　2.2.4 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對接地電阻要求的解讀

　　現(xiàn)行國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)如標(biāo)準(zhǔn)《GB50689-2011》、以及建筑標(biāo)準(zhǔn)《GB50057-2010》對接地電阻值有建議性指標(biāo)，但都是在特定條件下推薦參考性質(zhì)的，沒有對電阻值進行非常嚴(yán)格的規(guī)定。普遍使用的都是建議性的字眼，如：“宜”、“不宜”，而且在一些特定條件下完全取消了接地電阻的限制，如下列例子說明：

　?。?）《GB 50689-2011 通信局（站）防雷與接地工程設(shè)計規(guī)范》：

　　6.2.6 基站地網(wǎng)的接地電阻值不宜大于10 Ω。土壤電阻率大于1000 Ω?m的地區(qū)，可不對基站的工頻電阻予以限制；

　　8.1.5 微波站的接地電阻宜控制在10 Ω之內(nèi)。微波站土壤電阻率大于1000 Ω?m時，可不對微波站的接地電阻予以限制。

　?。?）《GB 50057-2010建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》：

　　4.4.6 在土壤電阻率小于或等于3000 Ω?M時，外部防雷裝置的接地體當(dāng)符合下列規(guī)定之一以及環(huán)形接地體所包圍面積的等效圓半徑等于或大于所規(guī)定的值時可不計及沖擊接地電阻。

　　2.3 通信基站防雷與接地標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的演進

　　通信系統(tǒng)防雷與接地技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的演進隨著防雷技術(shù)的發(fā)展同步。無論在任何時候都遵循著技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全可靠的宗旨。

　　2.4 高阻抗接地可行性實驗

　　2.4.1 網(wǎng)絡(luò)通信傳輸驗證

　　實驗1：通過交換機與PC機（個人電腦）之間的通信來驗證接地阻值對于通信傳輸是否有影響；見圖1、圖2；

　　用交換機模擬局端設(shè)備有接地；PC機模擬終端設(shè)備，PC機供電通過隔離變壓器供電，（即終端處沒有接地）而是通過網(wǎng)線的屏蔽線在遠端接接地，通過改變連接網(wǎng)線的長度來改變接PC機的接地電阻的大小，從而驗證不同接地電阻值的通信情況；

　　根據(jù)圖2和圖3原理，進行實驗環(huán)境搭建實驗場景1：傳輸網(wǎng)線為1 m網(wǎng)線，實測電阻為0.4 Ω,電腦與交換機數(shù)據(jù)傳輸正常，ping包正常無丟包和延時；實驗場景2：長度為100 m的網(wǎng)線，實測電阻為86 Ω，電腦與交換機數(shù)據(jù)傳輸正常，ping包正常無丟包和延時；實驗結(jié)果：接地電阻值的大小對信號傳輸沒有任何影響。

　　通過遠征接地隔離抑制器接地電阻的等效電路模型如圖3，在高頻情況下的等效計算公式如下：

　　Z=（2πfc） -1 +R （1）

　　式中：Z：等效阻抗；

　　f：通信系統(tǒng)工作頻率；

　　C：等效電容；

　　R：等效電阻。

　　由式（1）可看出，在工作頻率越高線路中的接地電阻的有效阻值越低，不影響正常射頻通信系統(tǒng)工作，如手機則通過人體高阻抗接地實現(xiàn)射頻信號傳輸。

　　在100 Ω保護地接地電阻對針對人體接觸時人的安全，驗證計算。

　　人體電阻由(體內(nèi)電阻 )和(皮膚)組成，體內(nèi)電阻基本穩(wěn)定，約為500 Ω。接觸電壓為220 V時，人體電阻的平均值為1900 Ω；接觸電壓為380 V時，人體電阻降為1200 Ω。經(jīng)過對大量實驗數(shù)據(jù)的分析研究確定，人體電阻的平均值一般為2000 Ω左右，而在計算和分析時，通常取下限值1700 Ω。

　　假設(shè)接地電阻值為100 Ω，極端接地短路電壓380V，則對地漏流為3.8 mA，

　　根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計對應(yīng)于概率50%的擺脫電流成年男子約為11 mA，成年女子約為10.5 mA，對應(yīng)于概率99.5%的擺脫電流則分別為9 mA和6 mA。接地電阻為100 Ω時對地漏流是安全的。

　　案例1：廣東2018年6月突發(fā)大雨電死4人的案例，說明在小的接地電阻也不能保證人員安全，最可靠的是安裝漏電斷路器；

　　案例2：在電工操作中有一種不可缺少的技能便是帶電操作，其核心思想是通過穿戴裝備來增大電器操作點、人體、接地所構(gòu)成通路的有效電阻值。同樣的思想當(dāng)機殼、人體、接地的有效電阻值大于機殼、接地線時人體是絕對安全的，見圖4：Ra+Rb+Rc>Ra′+Rc′是人體安全的基礎(chǔ)。

　　Ra：人體接觸機殼的接觸電阻實測120 Ω； Rb：人體正常電阻值1000 Ω；Rc：人體以（穿鞋子時）地面接觸的接觸電阻值實測680 Ω；Ra′：機殼接地線一般采用導(dǎo)線壓接，4mm 2 銅質(zhì)導(dǎo)線壓接接觸電阻實測0.2 Ω；Rc′：接地電阻，簡易接地和建筑基礎(chǔ)地，實測24 Ω；

　　綜上所述，人體觸摸帶電金屬外殼時的電阻為：

　　(Ra+Rb+Rc)=20 Ω+1000 Ω+688 Ω=1888 Ω；保護接地系統(tǒng)的接地電阻為： (Ra′+Rc′)=24.2 Ω；若金屬外殼帶電400V的交流電壓，則產(chǎn)生的漏電流為400 V/24.2 Ω=16.5 A；若在安全電壓36V情況下，高阻抗接地時，漏電流為36 V/100 Ω=36 mA，都大于漏電保護開關(guān)啟動電流30 mA值。

　　因此：Rc′ 接地電阻值在100 Ω條件下不影響供電系統(tǒng)的保護地功能。

　　2.4.2 地電位反擊驗證

　　安裝了隔離式防雷裝置后；雷電波經(jīng)過隔離抑制器是呈現(xiàn)的是高阻抗（幾十千歐以上），遠遠大于100 Ω的接地；根據(jù)電流特性將大部分的電流會通過接地電阻地線泄放。

　　實驗如圖5所示，SPD1、SPD2最大通流量(8/20 μs)為120 kA的同批次產(chǎn)品，且兩組SPD的壓敏電壓分別為632 V和633 V，其中SPD1的輸出端線纜穿過雷電流羅氏線圈1回到電流發(fā)生器的負(fù)極，SPD2串入接地隔離抑制器后線纜穿過雷電流羅氏線圈2再回到電流發(fā)生器負(fù)極。

　　在沖擊放電電流20 kA，同時測量、記錄各個探頭流過的電流數(shù)據(jù)，并計算分流比：

　　反擊分流比KE=I 2 /I 1 ×100% （2）

　　實驗結(jié)果：測得通過CH1通道SPD1接地電阻泄放的雷電流為10.2 kA；通過CH2通道SPD1接地電阻泄放的雷電流為20 A；測試波形采集圖鑒圖6。

　　通過式（2）計算反擊分流比KE為0.2%，如果雷電流入地時為20 kA，則通多接地端圖5 地電位反擊模擬試驗圖圖6 反擊分流比試驗采集波形圖進入設(shè)備電流為：20 kA×0.2%=0.04kA，遠小于設(shè)備電磁兼容能承受的2 kA要求。

　　現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對高阻抗的驗證。YD∕T 3007-2016小型無線系統(tǒng)的防雷與接地技術(shù)要求標(biāo)第5.2.2節(jié)對小型無線系統(tǒng)的地網(wǎng)要求原文如下：

　　小型無線系統(tǒng)的地網(wǎng)應(yīng)符合下列要求：

　　a) ～e)省略。

　　不具備直接接地，采用路燈桿、 照明桿等的小型無線系統(tǒng)，可將各種金屬桿的埋地部分直接作為其接地系統(tǒng)。

　　路燈桿、照明桿等在實際施工過程中，大部為高阻抗接地。經(jīng)對10個路燈桿接地電阻測試，在30 Ω～120 Ω不等，因為未對路燈桿、照明桿等接地電阻值有要求，則因為環(huán)境的不同存在高阻抗接地的情況。

　　T/CAICI 006-2017中國通信企協(xié)團體標(biāo)準(zhǔn)《通信基站隔離式雷電防護系統(tǒng)工程設(shè)計與施工驗收規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)原文如下：

　　6.3.1通信基站應(yīng)在隔離式分組接地的基礎(chǔ)上實現(xiàn)聯(lián)合接地,隔離式分組接地裝置的聯(lián)合地排與地網(wǎng)引入線相接，且對聯(lián)合接地的地網(wǎng)阻值不做限制要求。

　　該標(biāo)準(zhǔn)通過隔離式分組接地裝置的使用，對高阻抗接地的可行性給予了推薦和肯定。

　　3 結(jié)論

　　本文通過現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對防雷接地電阻的要求解讀、通過試驗和計算對高阻抗接地方式的可行性分析，得出以下結(jié)論：

　　（1）正常工作頻段情況下，高阻抗接地系統(tǒng)不影響正常網(wǎng)絡(luò)信號和射頻信號的傳輸；

　?。?）正常工作環(huán)境條件下，100Ω以內(nèi)的接地電阻值不影響保護接地的防觸電接地作用；

　?。?）可以通過感性元器件的可靠電氣連接，降低過電壓的維護，可實現(xiàn)防止地電位反擊引起隱患。

　　綜上所述，在小接地電阻值不是降價地電位反擊的唯一途徑。可根據(jù)受保護系統(tǒng)及設(shè)備的接地系統(tǒng)性質(zhì)及接地條件，選用對應(yīng)的感性器件保護方案，亦可解決受保護系統(tǒng)及設(shè)備的地電位反擊問題。

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　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第5期第61頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處