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　　Research on the impedance characteristics of grounding resistance

　　谭胜淋

　　（深圳征远检测有限公司，广东 深圳 518000）

　　摘要：随着信息化系统及物联网大数据时代的到来，信息化设施尤其是微小型高精度设施及设备井喷式发展，全球各地区的接地环境差异巨大，电磁环境复杂多变，电磁干扰严重。若仅依靠小接地电阻值来解决信息化系统及高精度设备接地难题是不现实的，尤其处于环境复杂多变的机动信息系统及设备，根本无法完成很低的接地电阻，本文通过研究接地电阻阻抗特性和适用范围，同时为提高施工设计容错率和降低故障率，对信息系统及有关设备的高阻抗接地的可行性进行分析和建议。

　　关键词：信息系统；电磁干扰；接地电阻；阻抗特性；研究

　　0 引言

　　用电设施及设备均要接地，一般设施的接地系统主要有防雷地、保护地和工作地三类。常规的防雷接地主要是采用联合接地方式，即共用联合接地端排完成理想等电位连接。但建筑及有关设施的实际接地系统难完成理想等电位连接系统（即“0电位差”），容错率很低，一旦其中一个连接点故障，地电位反击的威胁和破坏仍然很大。为根本解决上述问题，需对接地系统做大很小的接地电阻、强化施工及维护的管理。

　　信息系统所处环境复杂多变，若都必须依赖很低的接地电阻，必然引起建设难、周期长、成本高等一系列难题，尤其是机动信息系统及设备，常地处接地和电磁环境复杂多变，根本无法实现小接地电阻值。因此，需引进两端口浪涌保护器，并结合“通道阻拦”和“隔离接地”的方式，提升受保护系统及接地系统对外的抵抗性，降低对接地电阻的依赖。同时，在引进新保护措施时必须提高工程的容错率和降低故障率。

　　本研究是对接地系统的防雷地、保护地和工作地作用进行研究，并结合防雷与接地的国际先进标准进行分析，对接地系统高阻抗可行性进行分析研究。

　　1 接地系统电阻高阻抗特性研究

　　1.1 接地系统电阻值作用分析

　　一般情况下，可把接地分为工作地、保护地和防雷地三种。在传统的概念中不同类型的地对接地电阻的要求有所不同：

　　工作接地一般作为参考点 — “0”电位，其接地电阻无标准明确要求；

　　保护地的接地电阻要求各标准要求不一致，大致分为：（1）依据JGJ16-2008规定“当采用共用接地方式时，其接地电阻应以诸种接地系统中要求接地电阻最小的接地电阻值为依据。当与防雷接地系统共用时，接地电阻不应大于1 Ω。（2）不宜超过10 Ω”。

　　防雷接地电阻值限制：不宜超过10 Ω。现行的国家标准和国家军用标准都建议性提出防雷接地电阻不宜超10 Ω，执行标准主要有GB50057-2010、GB50169-2016、GJB 7581-2012、GJB5080-2004。

　　通信类系统及设施的主要基准标准是GB 50689-2011通信局站防雷与接地工程设计规和GJB5080-2004军用通信设施雷电防护设计及使用要求，有关通信类系统及设施的执行标准是GB 50169-2016电气装置安装工程接地装置施工及验收规范，三大标准均建议或要求使用联合接地，接地电阻不宜大于10Ω，但是没有对单独的工作接地电阻值提出具体条款及要求。

　　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、通讯信号回路、射频接地四大类。具体分析如下：

　　直流工作接地。向直流电源提供“0”参考电位，-48 V直流电源是正极接地，+24 V直流电源则是负极接地。蓄电池正极接地，并可减少金属导体的电化学腐蚀。

　　交流工作接地。通指变压器中性点或中性线（N线）接地，旨在控制三相的平衡。工作地线和工频交流零线电气相通，与地有0.2 V～4.8 V的电压，带宽范围是20 Hz～2000 Hz。在信息系统及设备中，常对中性线和保护线分组布设，减少接地线受电磁干扰。

　　通讯信号回路。在信息化系统工程中，通常以共同的大地回路作为信号电路的单线回路，譬如通讯中将电池组的一个极接地，减少因用户线路对地绝缘不良时引起的串话。

　　射频接地。射频电路接地并非一定是防雷接地，但是与大地密切连接的电力接地必须可靠接地，构成信号发射接收天地线。无线电的发射是靠振荡电路实现的，震荡电路等效原理是一个电感线圈和一个电容的组合电路，可将通过的能量完成转换，并产生震荡频率，并向外发射电磁波。实际运用中，电感被做成了发射塔，发射塔的尖和地是电容的两极，因此就有了天线和地线。

　　如：人体等效于手机的接地地线。

　　2.2.2 安全保护接地

　　安全保护接地就是将电气设备不带电的金属部分与接地体做可靠电气连接，减少触电及高压危险。安全保护接地，即 “PE”，可实现将漏电流、静电等引入大地的导线，起着安全保护作用。

　　2.2.3 防雷接地

　　为了将雷电引入地下，将防雷装置的接地端与大地相连，以消除雷电引起的过电压过电流维护信息系统及人员安全。在理想状态，接地越好，泄放雷电流越畅通，产生的副作用就越低，比如在雷击发生在大海中，由于海水的导电性，从未发现有鱼被雷电劈死的情况，在陆地上，各地区环境的土壤土质有差别，尤其是在土壤电阻率较高的地方，若将接地电阻做得很小，需要付出的代价难以想象。日本在20世纪70年代，用三年时间对419个微波站的雷击事故进行了调查统计，证明雷电事故与微波站的接地电阻几乎没有关系。

　　2.2.4 现行标准对接地电阻要求的解读

　　现行国家、行业标准如标准《GB50689-2011》、以及建筑标准《GB50057-2010》对接地电阻值有建议性指标，但都是在特定条件下推荐参考性质的，没有对电阻值进行非常严格的规定。普遍使用的都是建议性的字眼，如：“宜”、“不宜”，而且在一些特定条件下完全取消了接地电阻的限制，如下列例子说明：

　　（1）《GB 50689-2011 通信局（站）防雷与接地工程设计规范》：

　　6.2.6 基站地网的接地电阻值不宜大于10 Ω。土壤电阻率大于1000 Ω•m的地区，可不对基站的工频电阻予以限制；

　　8.1.5 微波站的接地电阻宜控制在10 Ω之内。微波站土壤电阻率大于1000 Ω•m时，可不对微波站的接地电阻予以限制。

　　（2）《GB 50057-2010建筑物防雷设计规范》：

　　4.4.6 在土壤电阻率小于或等于3000 Ω•M时，外部防雷装置的接地体当符合下列规定之一以及环形接地体所包围面积的等效圆半径等于或大于所规定的值时可不计及冲击接地电阻。

　　2.3 通信基站防雷与接地标准技术的演进

　　通信系统防雷与接地技术标准的演进随着防雷技术的发展同步。无论在任何时候都遵循着技术先进、经济合理、安全可靠的宗旨。

　　2.4 高阻抗接地可行性实验

　　2.4.1 网络通信传输验证

　　实验1：通过交换机与PC机（个人电脑）之间的通信来验证接地阻值对于通信传输是否有影响；见图1、图2；

　　用交换机模拟局端设备有接地；PC机模拟终端设备，PC机供电通过隔离变压器供电，（即终端处没有接地）而是通过网线的屏蔽线在远端接接地，通过改变连接网线的长度来改变接PC机的接地电阻的大小，从而验证不同接地电阻值的通信情况；

　　根据图2和图3原理，进行实验环境搭建实验场景1：传输网线为1 m网线，实测电阻为0.4 Ω,电脑与交换机数据传输正常，ping包正常无丢包和延时；实验场景2：长度为100 m的网线，实测电阻为86 Ω，电脑与交换机数据传输正常，ping包正常无丢包和延时；实验结果：接地电阻值的大小对信号传输没有任何影响。

　　通过远征接地隔离抑制器接地电阻的等效电路模型如图3，在高频情况下的等效计算公式如下：

　　Z=（2πfc） -1 +R （1）

　　式中：Z：等效阻抗；

　　f：通信系统工作频率；

　　C：等效电容；

　　R：等效电阻。

　　由式（1）可看出，在工作频率越高线路中的接地电阻的有效阻值越低，不影响正常射频通信系统工作，如手机则通过人体高阻抗接地实现射频信号传输。

　　在100 Ω保护地接地电阻对针对人体接触时人的安全，验证计算。

　　人体电阻由(体内电阻 )和(皮肤)组成，体内电阻基本稳定，约为500 Ω。接触电压为220 V时，人体电阻的平均值为1900 Ω；接触电压为380 V时，人体电阻降为1200 Ω。经过对大量实验数据的分析研究确定，人体电阻的平均值一般为2000 Ω左右，而在计算和分析时，通常取下限值1700 Ω。

　　假设接地电阻值为100 Ω，极端接地短路电压380V，则对地漏流为3.8 mA，

　　根据数据统计对应于概率50%的摆脱电流成年男子约为11 mA，成年女子约为10.5 mA，对应于概率99.5%的摆脱电流则分别为9 mA和6 mA。接地电阻为100 Ω时对地漏流是安全的。

　　案例1：广东2018年6月突发大雨电死4人的案例，说明在小的接地电阻也不能保证人员安全，最可靠的是安装漏电断路器；

　　案例2：在电工操作中有一种不可缺少的技能便是带电操作，其核心思想是通过穿戴装备来增大电器操作点、人体、接地所构成通路的有效电阻值。同样的思想当机壳、人体、接地的有效电阻值大于机壳、接地线时人体是绝对安全的，见图4：Ra+Rb+Rc>Ra′+Rc′是人体安全的基础。

　　Ra：人体接触机壳的接触电阻实测120 Ω； Rb：人体正常电阻值1000 Ω；Rc：人体以（穿鞋子时）地面接触的接触电阻值实测680 Ω；Ra′：机壳接地线一般采用导线压接，4mm 2 铜质导线压接接触电阻实测0.2 Ω；Rc′：接地电阻，简易接地和建筑基础地，实测24 Ω；

　　综上所述，人体触摸带电金属外壳时的电阻为：

　　(Ra+Rb+Rc)=20 Ω+1000 Ω+688 Ω=1888 Ω；保护接地系统的接地电阻为： (Ra′+Rc′)=24.2 Ω；若金属外壳带电400V的交流电压，则产生的漏电流为400 V/24.2 Ω=16.5 A；若在安全电压36V情况下，高阻抗接地时，漏电流为36 V/100 Ω=36 mA，都大于漏电保护开关启动电流30 mA值。

　　因此：Rc′ 接地电阻值在100 Ω条件下不影响供电系统的保护地功能。

　　2.4.2 地电位反击验证

　　安装了隔离式防雷装置后；雷电波经过隔离抑制器是呈现的是高阻抗（几十千欧以上），远远大于100 Ω的接地；根据电流特性将大部分的电流会通过接地电阻地线泄放。

　　实验如图5所示，SPD1、SPD2最大通流量(8/20 µs)为120 kA的同批次产品，且两组SPD的压敏电压分别为632 V和633 V，其中SPD1的输出端线缆穿过雷电流罗氏线圈1回到电流发生器的负极，SPD2串入接地隔离抑制器后线缆穿过雷电流罗氏线圈2再回到电流发生器负极。

　　在冲击放电电流20 kA，同时测量、记录各个探头流过的电流数据，并计算分流比：

　　反击分流比KE=I 2 /I 1 ×100% （2）

　　实验结果：测得通过CH1通道SPD1接地电阻泄放的雷电流为10.2 kA；通过CH2通道SPD1接地电阻泄放的雷电流为20 A；测试波形采集图鉴图6。

　　通过式（2）计算反击分流比KE为0.2%，如果雷电流入地时为20 kA，则通多接地端图5 地电位反击模拟试验图图6 反击分流比试验采集波形图进入设备电流为：20 kA×0.2%=0.04kA，远小于设备电磁兼容能承受的2 kA要求。

　　现行标准对高阻抗的验证。YD∕T 3007-2016小型无线系统的防雷与接地技术要求标第5.2.2节对小型无线系统的地网要求原文如下：

　　小型无线系统的地网应符合下列要求：

　　a) ～e)省略。

　　不具备直接接地，采用路灯杆、 照明杆等的小型无线系统，可将各种金属杆的埋地部分直接作为其接地系统。

　　路灯杆、照明杆等在实际施工过程中，大部为高阻抗接地。经对10个路灯杆接地电阻测试，在30 Ω～120 Ω不等，因为未对路灯杆、照明杆等接地电阻值有要求，则因为环境的不同存在高阻抗接地的情况。

　　T/CAICI 006-2017中国通信企协团体标准《通信基站隔离式雷电防护系统工程设计与施工验收规范》标准原文如下：

　　6.3.1通信基站应在隔离式分组接地的基础上实现联合接地,隔离式分组接地装置的联合地排与地网引入线相接，且对联合接地的地网阻值不做限制要求。

　　该标准通过隔离式分组接地装置的使用，对高阻抗接地的可行性给予了推荐和肯定。

　　3 结论

　　本文通过现行标准对防雷接地电阻的要求解读、通过试验和计算对高阻抗接地方式的可行性分析，得出以下结论：

　　（1）正常工作频段情况下，高阻抗接地系统不影响正常网络信号和射频信号的传输；

　　（2）正常工作环境条件下，100Ω以内的接地电阻值不影响保护接地的防触电接地作用；

　　（3）可以通过感性元器件的可靠电气连接，降低过电压的维护，可实现防止地电位反击引起隐患。

　　综上所述，在小接地电阻值不是降价地电位反击的唯一途径。可根据受保护系统及设备的接地系统性质及接地条件，选用对应的感性器件保护方案，亦可解决受保护系统及设备的地电位反击问题。

　　参考文献：

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　　本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第5期第61页，欢迎您写论文时引用，并注明出处

关键词： 201905 信息系统 电磁干扰 接地电阻 阻抗特性 研究