1.4　机电设备接地系统的基本结构

从工业应用的角度来看，目前机电设备接地系统通常有三种接地结构方式。

1.4.1　机电设备接地系统的结构方式

（1）单独接地结构

这种接地方式是将机电设备接地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。

由于有时在某一段电源保护地线的两点间会出现数毫伏，甚至几伏的电位差，这对机电设备的低电平信号电路来说，是一个非常严重的干扰，因此机电设备接地系统的工作地不能和保护接地在设备柜内混用。

（2）联合接地结构

这种接地方式是将机电设备接地系统在内的电子信息设备和其他电气系统的接地系统连接在一起，形成“联合接地”并为一点接地，而且规定接地电阻不应大于1Ω（接地电阻按要求的最小值确定）。

（3）共用接地结构

等电位连接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。其中包括结构钢筋、金属设备、管道等，进而和接地极相连。所谓多点是指建筑物基础钢筋、地下金属管道、埋地电线的金属外皮，都可成为很好的接地极。

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，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。

1.4.2　机电设备等电位接地系统

（1）等电位连接

机电设备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，是以接地电阻值为准；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接方式的转变。

具体实施等电位连接的方法：

①将分开的装置和诸导电物体用导体连接；

②采用共用接地网；

③用浪涌保护器（SPD）连接起来，以减小雷电流或其他干扰电流在它们之间产生的电位差。

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。

（2）等电位S型接地系统

S型等电位连接网络仅通过唯一一点（ERP）组合到接地系统中去。S型也称星型或树形，如图1-18所示。

其特点：无感应环路；组件间要绝缘；接地电缆平行敷设（可能多而长）。

图1-19所示为某一机电设备中仪表及控制系统S型接地连接的示意图。

图1-20所示为某一机电设备机房S型等电位连接网络示意图。

（3）等电位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。如图1-21所示。

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，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。

图1-22所示为M型接地系统（网格式）接地连接的实例。

图1-23所示为某设备机房采用M型接地系统（网格式）接地连接的实例。

在实际应用中最好用梳状连接网络的接地结构方式，如图1-24所示。

1.4.3　机电设备接地系统的耦合

①串联接地的耦合　串联接地因各电路的地电流流经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。如图1-25所示。

UA=（I1+I2+I3）R1

UB=UA+（I2+I3）R2

UC=UB+I3R3

因此，对应在机电设备工程中，不宜将控制柜的接地汇流排实行串联接地。

②并联接地及分类汇总　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”，如图1-26所示。汇总点和地的接入点越近越好。

U1=UA+I1R1

U2=UA+I2R2

U3=UA+I3R3

UA=（I1+I2+I3）R4

如果R4代表接地电阻，又因为是公共阻抗，为减小耦合，显然是越小越好。

1.4.4　机电设备接地电阻的频率特性

由于流入地下的电流错综复杂，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　　（1-1）

式中　Ra——工频接地电阻，Ω；

A——换算系数，取决于土壤电阻率、接地体最长支线的实际长度和有效长度，一般A的取值范围是1<A<3，其数值可查表，如图1-27所示（x为距离或长度）；

Ri——冲击接地电阻，Ω。

由上式可知，同一个接地装置，其工频接地电阻值大于冲击接地电阻值，所以如果测出的Ra值合格，一般Ri值也就合格了。

1.4.5　机电设备接地系统产生的电磁干扰

①机电设备接地系统有来自不同地方的电流，如设备的漏电流等。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机电设备接地系统的连接可能存在回路，则外部的电磁场就可能通过“电感性耦合”产生感应干扰电动势。

由此可见：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；接地系统的连接应避免产生回路。

1.4.6　机电设备的接地电流引起大地电位上升

一旦机电设备接地电流流入接地电极，不只是接地电极，而且其附近大地的电位分布也改变。在安全上尤为重要的是地表面的电位。

对半球电极而言，离电极中心距离电阻，可表示为：

由距离x的点到达无限远方所包含的全电阻假定为Rx，如图1-28所示，它可由dR积分求得：

例　x点的电位为Vx（以无限远为基准），它可由Rx与接地电流乘积得出：

地表面的电位分布如图1-29所示。在式（1-4）中如取x=r，便得出半球状电极自身的电位V，即

上式与求半球状接地电极时求得的结果是一致的。

由图1-29得知，大地电位与离接地电极的距离成反比例下降。中央的平坦部分是存在接地电极的部分。如人在地面以跨步Δx站立，两足之间便可能有电压ΔV，把ΔV称为跨步电压。

在接地电极中，可因各种各样的原因有接地电流流入，如室外的输配电线有雷击电流流入，如室内机电设备上，在发生接地事故时便有接地电流流入。

偶然在接地电极上有接地电流流入之际，在接地电极附近站立的人会因跨步电压而触电。这里，比电位更重要的是电位梯度，可把电位微分求得：

由上式知道，电位梯度与离电极的距离x的平方成反比，即电位梯度在靠近电极的地方最大，随离电极距离增大而急剧降低。理论上，不到无限远方电位梯度不会降至零，但实际上，到达一定程度的距离，几乎无电位梯度的危险。所以以电极为中心，把危险的电位梯度发生的范围称作禁止区域。

禁止区域的大小，随这个地点的大地电阻率及接地电流而变化。因电位梯度与ρ成比例，对大地电阻率高的地点来说禁止区域便大。同样，因电位梯度与I成比例，发生接地电流大的禁止区域也就变大。

假定接地电流由直击雷引起，因有非常大的电流，禁止区域也变得相当大。同样，接近变电所，因接地故障电流变大，禁止区域也变得相当大。