一、接地的概念
接地的概念图如图1所示。
图1 接地的概念图
进行接地的设备，其目的有的是为了安全，也有的是为了通信清晰。把大地作为回路的一部分也是接地。
图2 机电设备接地区别示意图
如图2所示，设备外壳接地就是为了将外壳对地的电位降低。当设备壳内的杂散电阻为Z1，壳外的杂散电阻为Z2，其对地电位的计算表达式为，
明显地看出机电设备外壳接地后，对地电位大大小于外壳不接地。根据《GB 4793.1—2007，测量、控制和实验用电气设备的安全要求第1部分：通用要求（IEC 61010-1：2001，IDT）》的规定：设备在正常条件下，在可触及零部件与地之间，任意两个可触及的零部件之间，如交流电压的有效值有可能超过33V（或峰值超过46.7V），直流电压值有可能超过70V时，都必须设置保护地。
为了实现接地的目的，做接地时，必须装设大地的电气端子，而这个端子起作用的是接地电极。通常接地电极是埋入地下并直接与大地接触的金属导体，称为接地电极或接地体。兼作接地体用的直接与大地接触的各种金属构件、金属井管、钢筋混凝土建筑物的基础、金属管道和设备，称为自然接地体。
从被接地设备经接地线、接地电极流向大地的电流，叫做接地电流。在接地时，与大地连接是否良好的标志是接地电阻，接地电阻低，说明与大地实现了良好的连接。
1.什么叫接地电极
所谓电极就是电的源端或汇端。如常见的干电池，其电极为电源两端的正负极。
接地电极是电子流入大地的通路，接地极就是埋入地下并直接与大地接触的金属导体。接地极可比作一个树根，根系是机电设备的电气装置分布系统。树根吸收水分和营养以维系树的生长，就像接地电极在电气保护系统中起的重要作用一样。
接地电极种类很多，美国全国电气规程将名词“接地电极（Grounding Electrode）”改为“接地电极系统（Grounding Electrode System）”。其实接地电极系统一般是由多个接地电极组成，但仍然有采用单个接地电极的。接地电极除专门的接地极之外，主要还包括金属水管电极、辅助电极、作为电极的建筑钢构物、水泥封装的电极、地环电机、棒和管电极、板电极、居民楼单元电极、电解质接地棒等。
2.接地电极的作用
接地电极对所有的接地都是至关重要的。在大地安装接地电极，就是为了帮助电子流入大地，以保持与大地的良好接触，使得与接地系统相连接的机电设备电气部分的非载流金属部分保持在零电位。还可以为浪涌引起的强电流提供多通路，因雷电或线路上的浪涌引起的强电流，通过接地电极提供通路，使大量电子电荷尽快消散到大地中。当设备外壳上产生或聚集泄漏电荷时，利用接地电极引导到大地中。在故障状态下，供电系统的接地线连接到配电柜上时，其作用就是把故障电流引导到过流保护装置上。但是，接地电极的作用不是传输故障电流，使过流保护装置受触发而工作。原因是从接地电极到供电电路过流保护装置之间的阻抗很高，电流很小，几乎不能触发过流保护装置。
如果在同一个建筑物内部有几个有效的接地电极，那么任何两个电极之间都有可能有电位差，要让接地电极系统对地电位为零，必须把所有电极搭接在一起。接地电极和大地必须有良好接触，否则接触点处的阻抗就会变得很高，从而产生热量。当大地主要成分是沙而没有黏土时，电子努力穿越高阻抗节点进入大地时产生的热量，足以把包围接地电极的沙熔化、结晶，可见产生的不良结果是不堪设想的。
3.接地电极作用的实现
要想发挥接地电极的作用，首先要确保大地与机电设备的非载流金属部分之间维持零电位。通过有效的接地系统，维持各种设备接地导体的连续性，把所有的接地电极搭接在一起。为确保大量电子、泄漏电荷或静电电荷流入大地中，要尽可能地给流向大地的电子提供多条低阻抗通路。还要确保接地电极周围的大地状况满足接地要求，使得接地电极的作用得以很好发挥。
4.接地线
被接地设备和接地电极连接的电线，称为接地线。实际应用中，机电设备或塔杆的接地螺栓与接地电极或零线（由电力变压器接地中性点引出的线）连接的电线都称为接地线。
5.接地装置
接地电极（或接地体）和接地线的总和，称为接地装置。接地线有接地干线和接地支线两种形式，如图3所示。
图3 接地装置示意图
1—接地体；2—接地干线；3—接地支线；4—设备；5—接地引下线
接地电极按其布置方式可分为外引式接地体和环路式接地体。按其形状划分，有管形、带形和环形几种基本形式。按其结构划分，有自然接地体和人工接地体。自然接地体如上下水金属管道、与大地有可靠连接的建筑物和构筑物的金属结构（敷设于地下其数量不少于两根电缆金属包皮）及敷设于地下的各种金属管道。注意，可燃液体以及可燃或爆炸的气体管道除外。人工接地体如钢管、角钢、扁钢和圆钢等钢材。注意，在有化学腐蚀性的土壤中，应采用镀锌的钢材或铜质的接地体。
6.设备接地系统
对设备的接地而言，若按系统考虑，可分成两大部分。
①接地连接部分 从仪表、控制设备的接地端子到总接地板之间导体及连接点电阻的总和，称为连接电阻。
②接地装置部分 接地极对地电阻和总接地板、接地总干线及接地总干线两端的连接点电阻之和，称为接地电阻。
第二部分对连接电阻和接地电阻分别提出了不同的要求。总连接电阻一般要求小于1Ω，机柜内部的连接电阻应小于0.1Ω。
二、接地系统的基本结构
从工业应用的角度来看，目前设备接地系统通常有三种接地结构方式。
1.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，这对设备的低电平信号电路来说，是一个非常严重的干扰，因此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。
2.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4所示。
图4 机电设备S型接地系统
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5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5 机电设备中的仪表及控制系统S型接地连接
图6所示为某一机电设备机房S型等电位连接网络示意图。
图6 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7所示。
图7 等电位M型接地系统
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8所示为M型接地系统（网格式）接地连接的实例。
图8 M型接地系统实例
图9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。
图9 设备机房采用M型等电位接地系统的实例
在实际应用中最好用梳状连接网络的接地结构方式，如图10所示。
图10 梳状连接网络的接地结构
3.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11所示。
图11串联接地的耦合
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12所示。汇总点和地的接入点越近越好。
图12 关联接地及分类汇总
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。
4.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13所示（x为距离或长度）；
图13 换算系数A
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。
5.接地系统产生的电磁干扰
①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。
6.接地电流引起大地电位上升
一旦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14所示，它可由dR积分求得：
图14 大地电位上升的计算
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15所示。
图15由接地电流引起大地电位上升
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15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。
长按二维码识别关注我们
