正确理解和测试信息技术设备的接地

美国理想工业中国有限公司北京代表处    任长宁

 

【摘  要】为了有效提高信息技术设备的电磁兼容性（EMC），系统中的设备、机柜、线缆桥架、金属管路、供电系统等都要求可靠接地。但实际工作中，对接地的认识和测试存在误解，直接影响设备运行甚至人身安全。本文根据国内外相关标准与规范中的规定，对电气设备的接地与等电位联结概念进行讨论，澄清一些模糊概念，并对信息技术工程中的接地测试提出解决方案。
【关键词】信息技术设备  综合布线  接地  等电位联结  测试

    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”？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（如图1所示），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（1）”（如图2所示）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

1.1  接地
    GB 50169-2006（1）2.0.5定义：将电力系统或建筑物电气装置、设施过电压保护装置用接地线与接地体连接，称为接地。

1.2  接地体（极）（如图2中标注9）
    GB 50169-2006（2）2.0.1定义：埋入地中并直接与大地接触的金属导体，称为接地体（极）。
    GB 16895.3（3）541.3.3定义：接地极――埋入特定的导电介质（如混凝土或焦炭）中，与地有电气接触的导电部分。

1.3  总接地端子（如图2中标注文字）
    GB 16895.3（3）541.3.2定义：总接地端子（总接地母线）――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。

1.4  接地导体（线）（如图2中标注8）
    GB 50169-2006（2）2.0.3定义：电气设备、杆塔的接地端子与接地体或零线连接用的在正常情况下不载流的金属导体，称为接地线。
    GB 16895.3（3）541.3.6定义：接地导体――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。

1.5  等电位联结（如图2中标注2、4、7，PE线及金属托架等）
    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。

2.正确理解接地和等电位联结的作用
   GB 16895.17（5）附录B：《电磁兼容（EMC）措施》中提出的“避免电磁干扰入侵的基本技术举例”有：
    ◆ 采用电的或纠错的技术在信息技术装置或设备中提供内在抗干扰性能；
    ◆ 在干扰源与信息技术装置或设备间在电气上实行隔离；
    ◆ 在相关频率范围的设备之间实行等电位联结；
    ◆ 提供一个低阻抗的基准电位平面，使电位差减小，并提供屏蔽。
    上述措施中强调的是“等电位联结”或“近似等电位联结”，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1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。其他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8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：
    GB 16895.3（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。”
    GB 16895.17（5）548.3.1：“信息技术设备的功能接地可利用供电回路的保护导体。”
    GB 16895.17（5）548.7：“电信电缆或电信设备的可导电屏蔽层、护套或铠装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8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。

图3  三电极/两电极法测试接地电阻

图4  数字式辅助电极地阻测试仪（IDEAL 61-796型）

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（如图5所示），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（如图6所示），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”。

图5 电磁感应式地阻仪工作原理

图6钳形地阻仪（IDEAL 61-920型）

    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与其他电阻并联后的等效电阻――Rs构成的闭合回路。

图7 多接地极（输电）系统及其等效电路的简化、

    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”（如图8所示）。

图8  钳形地阻仪测试等电位联结导体回路电阻

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（如图9所示）。

图9  综合布线系统的组成部分与接地环节

    GB 50311-2007（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地线（PE线）实现接地（满足GB16895.17（5）548.3.1要求）。因此，GB50311-2007（6）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10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。

图10  工作区接地电阻的测试方法

5  结束语
    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  GB16895.16-2002建筑物电气装置第444节：建筑物电气装置电磁干扰（EMI）防护
2  GB 50169-2006电气装置安装工程.接地装置施工及验收规范
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  GB16895.17-2002《建筑物电气装置 第5部分》：电气设备的选择和安装 第548节：信息技术装置的接地配置和等电位联结
6《综合布线系统工程设计规范》（GB 50311-2007）