电子系统中功能性接地和等电位连接的几个问题——林维勇

电子系统中功能性接地和等电位连接的几个问题林维勇（中元国际工程设计研究院，北京100089）【摘要】本文对电子系统中的功能性接地和等电位连接以及接地线和等电位连接线的长短和基准点等问题加以阐述。

【关键词】电子系统功能性接地等电位连接引言很长时间以来，在电子系统中是采用独立接地体还是共用接地体;接地基准点是从建筑物一层或地下室的总等电位连接带用绝缘隔离法引至需要做功能性接地之处还是就近引自共用接地系统（或称共用等电位连接网络）; 电子系统功能性接地的50Hz(或说直流)接地电阻是否必须达到很小的数值(如0.5～1Ω)等等。

本文将对以上这些问题做较详细的阐述，提出个人看法，供大家参考。

对几个名词的说明：（1）电子系统(electronic system)：敏感电子组合部件（如信息技术设备、控制和仪表系统、无线电系统、电力电子装置等）构成的一个系统。

[1]（2）共用接地系统(common earthing system)：一建筑物接至接地装置的所有互相连接的金属装置，包括防雷装置。

[2]（3）共用等电位连接网络(common bonding network, CBN)：1）在一栋建筑物内供有效等电位连接和接地的首要方法。

2）一栋建筑物的各金属组件，它们有意或偶然互相连接而形成的供（接地）等电位连接用的一网状网络。

这些金属组件包括建筑结构钢材或钢筋、金属水管装置、ac供电系统管道、PE线、电缆桥架和等电位连接导体。

CBN总是具有一网状结构并连接至接地装置。

[3]1 独立接地体的缺点对有敏感电子系统的每栋建筑物，其50Hz、220/380V电源采用TT系统，或当供电电源为TN-C系统时应在总配电箱之后采用TN-S系统。

在上述两种情况下，在总配电箱之后绝对不应发生中性线（N线）有意或无意接触到PE线或共用接地系统，否则，将产生50Hz 基波及其谐波的干扰。

当总配电箱之后设有隔离变压器或UPS时，在它们之后不是采用IT 系统，则在负荷侧的起点将中性点或中性线做一次接地（直接接至附近的共用接地系统），其后的情况与上述同。

在电气设计者的典型设计图中接地体的连接如图1中的a) 图所示。

这种表示十分不全面，并对理解所希望做到的更添加了混淆不清，以及为什么所采用的接地符号包含了与大地的连接。

图 1 典型接地体的三种表示图注：所示接地体可能是复杂埋地接地网的一部分（以下同）通常，设计者对接地体的连接，其最普通的技术看法如图1中的b)图，这里仅有一电阻单元。

这一观点显然得到许多有关测试接地体接地电阻的技术文献和市场上用于这类测试而仅显示电阻欧姆值的可应用产品的支持。

然而，对一接地体的真实表示更多地应如图1中的c)图，它清楚地表示为一复数阻抗。

除了提供有关接地连接的电阻值外，还示出接地体连接的无功（电抗）特性，这是重要的。

通常，设计者要求的功能性接地电阻为工频接地电阻，市场上出卖的绝大多数测量仪表仅供测量直流至工频的接地电阻之用，而电子系统的功能性接地是要流过直流至高频的电流。

在高频条件下，接地阻抗大大增大。

举一例说明之，一61 m长水平接地体，在小于10 kHz频率下的阻抗约为6～7 Ω，当频率增高至1 MHz时，其阻抗将加大到52 Ω，见图2中的A接地体。

当频率再增高，从图中曲线的走向，可推测其阻抗将大大加大。

图2 接地体的阻抗与频率的关系其次，接地线的感抗为X L=2πfL，一根25 mm2铜导体和一根107 mm2铜导体，其在自由空间的一些有关数值见表1和表2。

从表中可看出，在不同频率下，感抗都大大地大于电阻，因此，导体的阻抗可略去电阻，看其等于感抗；将导体的截面从25 mm2加大到107 mm2，即截面加大约三倍，而感抗减小的比例却很小，例如，30.5 m长的导体，在100 MHz下仅减小(35-31.4)/35=3.6/35=0.1=10%，因此，由于流过的电流很小，功能性接地/等电位连接线的截面无需选的很大。

表1 25 mm2铜导体在空气中的电阻和感抗表2 107 mm2铜导体在空气中的电阻和感抗现代电子系统绝大多数为数子化，其怕干扰的频率为数拾乃至数百兆赫芝。

因此，上述所指出的接地阻抗和接地线感抗将会增至很大。

所以，功能性接地电阻要求很低的直流至工频的接地电阻（如0.5～1Ω）是毫无意义的，而且，浪费了人力和财力。

当为共用接地装置时，其工频接地电阻主要应取决于50 Hz供电系统对人身安全的合理要求值。

一栋建筑物设有独立接地体的情况如图3所示。

其与建筑物共用接地体之间在地中的土壤可以看作是一阻抗Z earth，见图4。

当有一电流I earth流过土壤阻抗Z earth时，U=I earth×Z earth，这一压降就是独立接地体与共用接地体之间的共模电位差。

当I earth为雷击电流或50Hz短路电流时，在电子系统与PE线或其周围共用接地系统之间将会产生跳击而损坏设备；当I earth 为干扰电流时，将对电子系统产生干扰。

因此，美国的国家电气法规NEC和国际电工委员会IEC的一些标准都规定，每一建筑物（每一装置）的所有接地体都应等电位直接连接在一起，通常，是在总等电位连接带处，见图5。

这样就消除了上述的共模电位差U。

图3 典型分开的接地体图4 独立接地体与共用接地体之间的共模电位差图5 IEC和美国NEC要求在各组接地体之间做等电位连接如文献[5]的542.1.2指出的：“Where provided, earth electrodes within an installation shall be connected to the main earthing terminal using an earthing conductor.”（在一个装置内所安装的接地体都应用接地导体连接到总接地端子上）上述的独立体还通常被叫做信号地、干净地、专用地、安静地、计算机等级地、计算机地、技术地、某某站地，等等。

从以上可看出，这些都是不存在的。

在一栋建筑物中设了独立接地体，在动态条件下实际上是把人身安全和设备安全放在第二位，这是不对的；应将人身安全放在第一位来处理接地和等电位连接。

2 接地基准点引自建筑物一层或地下室总等电位连接带的缺点当功能性接地基准点是用隔离绝缘线引自建筑物一层或地下室的总等电位连接带时，由于隔离绝缘线过长，可能产生以下两种不好后果。

其一，这隔离绝缘线与引至电子系统的其他导体构成较大的环路，大的近磁场强度将在该环路感应出高电压[Mdi/dt或规范[2]的（附7.1）式，即U oc/max= μ0·b·l·H1/max/T1]危及设备。

其二，当隔离绝缘线的长度l为干扰频率波长的1/4或其奇数倍时将产生谐振，这时，隔离绝缘线的阻抗成为无穷大，它成为一根天线，能接收远磁场的干扰或发射出干扰磁场，见（1）式和图6[3、4]。

图6中的λ为干扰波的波长。

l resonance = cn/4f resonance（1）式中l resonance——导体产生谐振的长度（m）；n——任一奇数值（1、3、5……）；c——自由空间的光速（3×108 m/s）；f resonance——使导体产生谐振的频率（Hz）。

图6 同一波长下不同接地/等电位连接线长度d与其阻抗|Z|的关系图7为约7 m长的1根25 mm2铜导体产生谐振的例子[3]。

其产生谐振的频率接近于10MHz、30 MHz、50 MHz ……。

图7 1根长约7 m截面25 mm2铜导体产生谐振的条件实际上，设计者必须考虑一接地（等电位连接）导体在n = 1时将产生谐振的最高干扰频率。

所以，通常最好是按远离加于导体的电气干扰频率的1/4波长来选择接地（等电位连接）导体的物理长度l，从图5看出，最好是l≤λ/20 。

但是，现在数字化电子系统的工作频率是越来越高，如普通计算机的时钟频率是100 MHz，在此频率下要做到l≤λ/20 =300/（100×20）= 0.15 m 是很难的。

所以，文献[3]推荐，每台设备从基准平面引两根接地（等电位连接）导体接于设备底的对角处，两根导体一长一短，相差约20%，如一根为0.5 m，另一根为0.4 m。

这样，其中一根产生谐振，即阻抗无穷大，另一根是不会的。

当功能性接地基准点不是用隔离绝缘线引自建筑物一层或地下室的总等电位连接带以及该建筑物具有共用接地系统（或称共用等电位连接网络）时,这根线宜于每层与共用接地系统做等电位连接。

但这根线是多余的，完全可以取消，因为共用接地系统本体已有许许多多并联金属物体，它们的截面积大于这一根专设且与其并联的导体。

因此，接地基准点应就近接至共用接地系统（或称共用等电位连接网络），如文献[2、3]所表达的。

从这一基准点至接地装置之间的许许多多并联金属物体是否会产生前面所述的谐振，不会的，因它们的长度不会是一样长。

3M型网状功能性等电位连接的例子功能性等电位连接分两种，其一是S型星形(通称一点)等电位连接，它适用于工作频率300 kHz以下的模拟线路；另一种是M型网状(通称多点)等电位连接，它适用于MHz级的数字化线路。

以下的例子均属于后者。

3.1 利用钢筋混凝土地面内焊接钢筋网做高频功能性等电位连接基准网(见图8)图8 利用地面钢筋网做等电位连接基准网图8中1～5的标注代表：1 ——装有电子负荷设备的金属外壳；2 ——混凝土地面上部；3 ——地面焊接钢筋网，利用其作为高频功能性等电位连接基准网。

除固有的绑扎点外，宜在约500～600网格交叉点上加以焊接。

地面钢筋网应与周边的柱、墙、圈梁内钢筋连通，即该基准网是本建筑物共用接地系统的一部分；4 ——高频等电位跨接线（施工地面时预埋好），其长度应不长于0.5 m。

由于高频集肤效应，应采用薄而宽的金属带，铜或钢材都可以，但与其他钢质物连接时采用钢带的优点是不会产生直流电池的腐蚀效应。

两端的连接应有良好的电气接触，最好是焊接；5 ——每台外壳应有两根不同长度（相差20%）的等电位跨接线，如一根0.5 m和另一根为0.4 m，并设于外壳的对角处。

3.2 利用设备底座做高频功能性等电位连接基准网(见图9)图9 利用设备底座做等电位连接基准网图9中1～6的标注代表：1 ——装有电子负荷设备的金属底座；2 ——上述设备的金属外壳；3 ——将外壳固定到底座上的螺栓，螺栓与底座、外壳焊接；4 ——底座之间的焊接；5 ——≥φ10 mm圆钢，一端与地面内钢筋焊接，另一端与底座焊接；6 ——地面内钢筋网，应与周边的柱、墙、圈梁内钢筋连通，即该钢筋网是本建筑物共用接地系统的一部分。

3.3 活动地板下专设高频功能性等电位连接基准网(见图10)图10 活动地板下专设等电位连接基准网图10中1～9的标注代表：1 ——薄铜带，可用0.3 mm×100 mm；2 ——薄铜带与薄铜带之间的焊接连接；3 ——薄铜带与立柱之间的焊接连接；4 ——薄铜带与等电位连接带之间的焊接连接；5 ——设备的低阻抗等电位连接带；6 ——薄铜带与设备等电位连接带之间的焊接连接，每台设备应设两根不同长度的等电位连接带，参见图8；7 ——电源配电中心；8 ——电源配电中心的接地等电位连接线；9 ——专设基准网与周围建筑物钢柱（或钢筋混凝土柱上的预埋件）的焊接连接，即与共用接地系统的连接。