正确理解和测试信息技术设备的接地

ldmmaggie

正确理解电气设备，尤其是敏感的信息技术设备的“接地”概念，是工程施工与检测的基础。所谓“接地”是否意味着必须将设备地线“接入地球”呢？回答此问题之前，先回顾一个事实：飞行中的飞机、火箭、卫星、空间站（图1），内部的电气设备地线是无法接入地球的（或称：接地电阻无穷大），但都能有很好的电磁兼容性，尤其在电磁环境恶劣的外太空。显然，“接地”并不意味着将系统接入地球，确保飞行器内敏感电气设备正常运行的，是可靠的屏蔽与“等电位联结”等措施。

图1 飞行中的空间站与地球间没有电气连接

1.标准与规范中是术语

谈及“接地”和“等电位联结”时，会遇到一些与之相关的名词和术语，现将标准或规范中的定义摘录如下。“建筑物接地系统综览”（图2）中示意性但清楚地显示了这些术语所指各部分在建筑物中的位置。

图2 按GB16895.3《接地配置和保护导体》、GB/Z18039.1《电磁兼容》规定，建筑物接地系统综览

1.1局部地

GB/T2900.71（2）826-13-02定义：大地与接地极有电接触的部分，其电位不一定等于零。

1.2接地

GB/T2900.71（2）826-13-03定义：在系统、装置或设备的给定点与局部地之间做电连接。(作动词用的earth或ground)

1.3接地极（体）（图2中标注9）

GB/T2900.71（2）826-13-05定义：埋入土壤或特定的导电介质（如混凝土或焦炭）中，与地有电气接触的导电部分。

1.4总接地端子（图2中标注文字）

GB16895.3（3）541.3.2定义：总接地端子（总接地母线）（main earthing terminal)——电气装置接地配置的一部分， 用于与若干接地用的导体实行电气连接的端子或母线。

1.5接地导体（线）（图2中标注8）

GB16895.3（3）541.3.6定义：接地导体（earthing conductor）——总接地端子与接地极之间提供导电通路或部分导电通路的导体

1.6等电位联结（图2中标注4、7及金属托架部分）

GB/T2900.71（2）826-13-19定义：等电位联结（equipotential bonding）——为达到等电位，多个可导电部分间的电连接。

ANSI/TIA-568-C.0-2009（4）定义：为形成导电通路而将金属部进行的永久连接，可确保电气连通性并有能力安全传导任何可能的附加电流。（Bonding:  The permanent joining of metallic parts to form an electrically conductive path that will ensure electrical continuity and the capacity to conduct safely any current likely to be imposed.）

1.7保护等电位联结（图2中标注2、PE线部分）

GB/T2900.71（2）826-13-20定义：等电位联结（protective-equipotential- bonding）——为了安全目的进行的等电位联结。

2.正确理解接地和等电位联结的作用

IEC60364-4-44（1）的444.4.2提出以下降低电磁干扰的措施；

a）采用抗防护和滤波装置提高设备电磁兼容性；
b）电缆屏蔽层连接至公共等电位联结网络；
c）电源、信号和数据线避免出现环路；
d）电源与信号线应保持间隔并直角交叉；
e）使用同轴电缆时，减少保护导体的感应电流；
f）使用多芯屏蔽电缆；
g）按设备制造商的EMC要求使用信号和数据电缆；
h）电源与信号线与防雷系统隔离；
i）为限制电源系统故障电流流经信号或数据线的线芯和屏蔽层，需要增加旁路等电位联结导体；
j）信号或数据线缆的屏蔽层来自TT系统供电的不同建筑时，应使用不小于16mm2的铜材作为旁路等电位联结导体；
k）等电位联结线应尽可能短，宽厚比达到5：1，以求阻抗尽可能低；
等电位联结线尽可能短，并使用与；
l）建筑物中，用于信息技术设备等电位联结系统的接地母线应为封闭环。

上述措施中强调的是“等电位联结”，而并未提及接大地（接地球）措施。

就整个建筑物而言，以大地（地球）电位为参考电位，建筑物电气装置接地（球）是为了泄放雷电电流和静电荷，通常称为：“接大地”。

就建筑物（或离地飞行器）内部的电气系统而言，均以建筑物（或飞行器）内部等电位联结电位为参考电位，已与地球电位无关。所谓“接地”，应理解为：将电气零电位参考点、保护导体、屏蔽层等纳入到等电位联结中，其目的是实现必要的电气功能和提高系统的电磁兼容性（EMC）。此时，如果等电位联结不可靠，即使建筑物接大地措施良好，也无法保证建筑物内电气设备正常运行；反之不然，离地飞行器就是最好的例子。

由此可知，当谈及接地措施与接地测试时，必须首先确认：此措施是针对防雷还是电磁兼容，是“接大地”还是“等电位联结”。

3.接地电阻与测试
   
无论“接大地”还是“等电位联结”，其回路电阻是判断此类措施有效性的依据，一般统称为“接地电阻”，其区别在于：一个是接地极（图2中建筑物的“基础接地极”）与地球间所构成的回路电阻，一个是等电位联结导体间回路电阻。因此，当谈及“接地电阻”时，同样应区分所指——“接入大地的电阻”还是“接入等电位联结的电阻”；而且，要得到正确的接地电阻数值，还必须选择正确的测试位置和测试方法。

3.1接地电阻的测试位置

3.1.1“接大地”电阻的测试位置

根据“接大地”与“接地体（极）”定义，只有将仪表接至“建筑物基础接地极”（图2中标记“9”处），才能得到真实的“接大地”电阻值。其它测试位置得到的均为“等电位联结”体系中部分回路的导体电阻。
例如，如果将仪表接入“接地导体”（图2中标记“8”处），实际得到的是“总接地端子”上的所有等电位联结导体（图2中标记“7”处）并联电阻与建筑物的钢结构（图2中标记“2”处）所形成的回路（图7中的“回路1”）电阻，而并非“接大地电阻”。

3.1.2 等电位联结的导体回路电阻

正如前文反复强调的，对电气（子）设备电磁兼容性（EMC）起作用的是“等电位联结”。关于等电位联结导体（保护导体），在以下标准条款中有所规定：

GB16895.3（3） 543.2 注1：“在中国、意大利、英国和美国，按其地区或国家规程或标准，允许将电缆托盘和电缆梯架用作保护导体。”

IEC60364-4-44（1）444.4.2指出：电缆屏蔽层是等电位联结的组成部分。

如本文3.1.1所述，相对“接大地电阻”而言，“等电位联结导体回路电阻”测试更容易，只要将仪表接入所需测试的设备地线导体（图7中的标注的“回路1、2、3”），即可得到相应阻值。

3.2接地电阻的测试方法

严格意义的接地电阻，应将仪表（欧姆表）串联至被测回路中进行测试，但在实际工程现场，大多少情况不允许或不可能将接地系统断开后接入测试仪表。因此，工程中一般使用“辅助接地极法”和“电磁感应法”测试。

3.2.1辅助电极测试法

图3所示测试方法，多用于测试“接大地电阻”，即：在独立于建筑物基础接地体（极）之外，根据客观条件设置1或2个辅助接地极（分别称为“两电极法”或“三电极法”），辅助电极与基础接地体之间除通过大地（土壤中的电解质）构成回路外，不经过其它导体。这样测得的数据，可认为是真实“接大地电阻”。

“两电极法”操作更简单，但误差较大；“三电极法”测试精确较高，但需要测试场地满足要求。图4是采用此类测试方法的一款典型数字式地阻测试仪。


3.2.2电磁感应测试法

此测试方法又称为“电压注入，电流检出法”，其原理是：通过电磁感应方式，将交流电压信号注入到闭合导体回路中，同时探测回路中的电流信号（图5），并利用欧姆定律计算回路电阻。为简化操作，实际测试仪表是将电压和电流感应线圈集成制作在同一个钳形适配器内（图6），仪表根据实测数据自动计算并显示电阻值，所以此类仪表又被成为“钳形地阻仪”。

               
钳形地阻仪的工作原理决定了：它只能测试闭合回路的电阻。当测试“接大地”电阻时，要求至少存在2个基础接地极才可能得到电阻值。如图7所示，在有多个接地极的输电系统中，每个电线杆（塔）接地极对大地的接地电阻分别为：R1、R2、R3…Rn，其中被测阻值为：Rx，它们之间都是并联关系，其等效电路可最终简化为：被测电阻Rx与其它电阻并联后的等效电阻——Rs构成的闭合回路。


接地极数量越多，并联后形成的Rs阻值就越小，当Rs<<Rx时，钳形地阻仪的测试读数就可视为与被测接地极接地电阻——Rx相等。钳形地阻仪的这一特点，使之不仅可以测试“接大地电阻”，还尤其适于测试“等电位联结导体回路电阻”（图7）。


4.综合布线工程中涉及接地的规定与测试

4.1综合布线工程中的接地规定

综合布线系统中，无论使用铜缆介质还是光纤介质；无论采用屏蔽电缆还是非屏蔽电缆，系统中的网络设备、机柜、线缆桥架、金属管路、供电系统等都要求可靠接地；当采用屏蔽系统时，线缆屏蔽层和终端设备也必须可靠接地（图8）。


GB50312-2007（5）4.0.5 规定：“安装机柜、机架、配线设备屏蔽层及金属管、线槽、桥架使用的接地体应符合设计要求，就近接地，并应保持良好的电气连接。”

GB50311-2007（6）7.0.4规定：“综合布线系统应采用共用接地的接地系统，如单独设置接地体时，接地电阻不应大于4Ω。如布线系统的接地系统中存在两个不同的接地体时，其接地电位差不应大于1Vr.m.s”

上述要求都是为了提高系统的电磁兼容性而非防雷，显然其中“接地”应被理解为：将系统保护导体（如：屏蔽层）纳入等电位联结，而非“接大地”。“接地电位差不大于1Vr.m.s”的规定，实际指明了：实际工程中的“等电位”并不一定要求电位差必须为0，在综合布线系统中，小于1Vr.m.s就可认为是“等电位”了，当然此值越小越好。

4.2综合布线工程中的接地与等电位联结测试

由于综合布线系统的接地属于等电位联结范畴，因此钳形地阻仪是最适合的接地电阻测试仪表。分别将仪表接入网络设备、机柜、线缆桥架、金属管路等各自接地线回路（参见图7），并验证它们与总接地端子的连通性,即可获得各环节的等电位联结效果。

特别需要说明的是：综合布线工作区没有独立接地体，终端设备与线缆屏蔽层必须通过工作区电源线中的保护线（PE线）实现接地。因此，GB50311-2007（5）6.1.2 规定，工作区交流电源必须是TN-S系统，即：带有独立的保护地线。具体测试方法建议参照图9所示，将仪表直接套接在设备电源线（带PE线）上，也可套接在屏蔽跳线上，其测试效果是一样的。


5.结论

欲最大可能性地实现信息技术设备电磁兼容性（EMC），必须正确采取多种措施，其中可靠接地是必不可少的。电磁兼容中的接地概念应理解为：“实行等电位联结”和“提供低阻抗的基准电位平面，使电位差减小”,而非接入地球本身。

欲实现可靠防雷，必须准确测试真正的“接大地（地球）电阻”，而不能将“等电位联结导体回路电阻”当作评判依据。

正确选择测试仪表和测试方法，也是获得接地效果真实情况的重要保证。

参考文献
1. GB/T2900.71-2008 电工术语 电气装置
2. IEC60364-4-44:2007 Low-voltage electrical installations Part4-44:Protection against voltage disturbances and electromagnetic disturbances
3.GB 16895.3-2004 建筑物电气装置 第5-54部分:电气设备的选择和安装 接地配置、保护导体和保护联结导体
4.ANSI/TIA-568-C.0-2009 Generic Telecommunications Cabling for Customer Premises
5.GB50312-2007 综合布线系统工程验收规范
6.GB50311-2007 综合布线系统工程设计规范