等電位連接和共用接地系統

在防雷裝置的設置上人們往往比較注意外部防雷裝置和內部的電涌保護，容易忽視等電位連接在雷電防護的重要作用。有時還特意設置單獨的接地裝置，單獨的引下線，還錯誤的提出“共網不共線，分類接地網，不串不共用，一點接地法”的口號，一方面給設計施工增加了難度和增大了開支，另一方面違背了等電位的基本原理，會給被保護設備以及人身安全造成潛在的威脅。

1、基本概念

防雷等電位連接——是將分開的導電裝置各部分用等電位連接導體或電涌保護器(SPD)做等電位連接。它包括在內部防雷裝置中，其目的是減小建筑物金屬構件與設備之間或設備與設備之間由雷電流產生的電位差。防雷等電位連接區別于電氣安全的等電位連接，最主要是將不能直接連接的帶電體通過電涌保護器做等電位連接。

等電位連接網絡——是對一個系統的外露各導電部分做等電位連接的各導體所組成的網絡。

共用接地系統——是一建筑物接至接地裝置的所有互相連接的金屬裝置(包括外部防雷裝置)，并且是一個低電感的網形接地系統。

接地基準點——是一系統的等電位連接網絡與共用接地系統之間唯一的一點連接點。

信息系統的等電位連接：

各種形式的電子系統的應用在不斷增加，這些系統包括計算機、通信設備、控制系統等，在國際電工委員會的標準中將它們統稱為信息系統。對信息系統的外露導電部分應建立等電位連接網絡，原則上一個等電位連接網絡不需要連到大地，但通常所考慮的所有等電位連接網絡都會有通大地的連接。

信息系統的各金屬組件(如各種箱體、殼體、機架)與建筑物共用接地系統的等電位連接有兩種原則方法，見圖13中的h和g。

圖13中的h為S型等電位連接網絡，即星形結構或通稱為單點接地；g為M型等電位連接網絡，即網形結構或通稱為多點接地。

當采用S型等電位連接網絡時，該信息系統的所有金屬組件，除等電位連接點外，應與共用接地系統的各組件有足夠的絕緣（＞10kV 1.2/50μs）。通常，S型等電位連接網絡用于相對較小、限定于局部的系統，所有服務性設施和電纜僅在一點進入該信息系統．本網絡應僅通過唯一的一點(即接地基準點 ERP)組合到共用接地系統中去。在此情況下，在各設備之間的所有線路和電纜應按照星形結構與各等電位連接線平行敷設，以避免產生感應環路。由于采用唯一的一點進行等電位連接，故不會有與雷電有關聯的低頻電流進入信息系統，而信息系統內的低頻干擾源也不會產生大地電流。做等電位連接的這唯一的點也是接電涌保護器以限制傳導來的過電壓的理想連接點。

如果采用M型等電位連接網絡，則該信息系統的各金屬組件不應與共用接地系統各組件絕緣。M型等電位連接網絡應通過多點組合到共用接地系統中去。通常，本網絡用于延伸較大和開環的系統，而且在設備之間敷設許多線路和電纜，服務性設施和電纜在幾個點進入該信息系統。本網絡用于各種高頻也能得到一個低阻抗網絡。這種網絡所具有的多重短路環路對磁場將起到衰減環路的作用，從而在信息系統的鄰近區使初始磁場減弱。

在復雜系統中，兩種型式(M型和 S型)的優點可組合在一起。

a—防雷裝置的接閃器以及可能是建筑物空間屏蔽的一部分（如金屬屋頂）；

b—防雷裝置的引下線以及可能是建筑物空間屏蔽的一部分（如金屬立面、墻內鋼筋）；

c—防雷裝置的接地裝置（接地體網絡、共用接地體網絡）以及可能是建筑物空間屏蔽的一部分（基礎內鋼筋和基礎接地體）；

d—內部導電物體，在建筑物內及其上的金屬裝置（不包括電氣裝置），如電梯軌道，吊車，金屬地面，金屬門框架，各種服務性設施的金屬管道，金屬電纜橋架，地面、墻和天花板的鋼筋；

e—（局部）信息系統的金屬組件，如箱體、殼體、機架；

f—代表局部等電位連接帶（單點連接）的接地基準點（ERP）；

g—（局部）信息系統的網形等電位連接結構；

h—（局部）信息系統的星形等電位連接結構；

i—固定安裝的Ⅰ級設備（引入PE線）和Ⅱ級設備（不引入PE線）；等電位連接帶：

k—主要供電力線路的、供電力設備等電位連接用的總接地端（總接地帶、總接地母線、總等電位連接帶）。也可用作共用等電位連接帶；

l—主要供信息線路和電纜用的、供信息設備等電位連接用的等電位連接帶（環形等電位連接帶、水平等電位連接導體，在特定情況下：采用金屬板）。也可用作共用等電位連接帶。用接地線多次接到接地系統上做等電位連接（典型值為每隔5m連一次）；

m—局部等電位連接帶：1-等電位連接導體，2-接地導體，3-服務性設施的金屬管道，4-信息線路或電纜，5-電力線路或電纜；

Q—進入LPZ 1區處，用于外來服務性設施的等電位連接（管道、電力和通信線路或電纜）。

2、等電位連接的設置位置

圖11在標明LPZ劃分的同時說明了做等電位連接的位置。在《低壓配電設計規范》GB50054-95中從電氣安全的角度提出總等電位連接，局部等電位連接和輔助等電位連接的概念和方法。鑒于GB50054-95系強制性國標，是建筑電氣設計必須遵循的，因此，將防雷等電位連接與之結合是有益的。

1．總等電位連接（MEB）：GB50054-95第4.4.4條規定總等電位連接的導電體有：PE、PEN干線；電氣裝置接地極的接地干線；建筑物內的水管，采暖和空調管道等金屬管道（原文中含煤氣管，國際標準中有規定煤氣管道不應直接連接），條件許可的建筑物金屬構件等導電體。上述導電體宜在進入建筑物處接向總等電位連接端子。等電位連接中金屬管道連接處應可靠地連通導電。

內部防雷要求將外部防雷裝置的外敷引下線（利用建筑物內垂直鋼筋為引下線的已含在建筑物的金屬構件中，無需再做連接）在地下室或靠近地平線處與總等電位連接端子連接。這樣可以消除在建筑物上落雷時，雷電流I在接地電阻上產生大幅值的電壓降IR，避免因引下線與建筑物內金屬部分或人體之間可能出現的危險的電位差而引起跳擊。

電源線路和信號線路上因雷電感應產生瞬態過電壓，為保護信息設備，也要在入戶處做總等電位連接。由于電源線路上的帶電導體和信號線路的芯線不能用導線直接連接，此時應用電涌保護器做等電位連接。

原則上等電位連接的位置應在雷電防護區的交界處，即進入建筑物入口處，但有時被保護設備不一定會恰好設在交界處而是在其附近，這時當線路能承受發生的電涌電壓時，SPD可安在被保護設備處，而線路應在交界處做一次連接。

在大建筑物內可能有多個電源進線和多個接地母排（等電位連接帶），這些接地母排應互相連通，以實現全建筑范圍內的等電位連接。在防雷等電位連接中指LPZO與LPZ1區交界處的連接。

2．局部等電位連接（LEB）：在高層建筑物內裝設電子設備，使用“共網不共線”，即使用一根設備專用引下線接至共用接地裝置（網），會產生什么效果呢？由表2可以得知一根專用接地線在高頻下其阻抗為：

表2 25mm2銅導體在自由大氣中的電阻和電抗

將信息系統的工作頻率1MHz，專用引下線18m的R、ωL代入上式，阻抗高達近200Ω，因此當這個接地裝置的阻抗既便很低（如小于1Ω）也是毫無意義的。

當在信息系統上安裝電涌保護器時，在電涌保護器承受雷電流沖擊而對地泄放時，被保護的信息系統設備絕緣承受的電涌電壓為電涌保護器上的殘壓和其連接線上的電壓降之和，即：

U=Ures+L(di/dt)

其中殘壓Ures與電涌保護器的性能有關，di/dt為雷電流的陡度，L與專用引下線的長度成正比，專用引下線過長，整個U值將偏大，而使設備損壞。因此在IEC60364-5-534中規定，電涌保護器連接線的全長不宜超過0.5m。而為了達到這個要求，則必須在設備所在樓層按S型或M型設接地基準點（ERP）或環型接地母排，并將其與建筑物主鋼筋連接，達到局部等電位連接。在防雷等電位連接中指LPZ1和LPZ2區交界處的連接。

3．輔助等電位連接（SEB）：GB50054-95第4.4.5條規定：當電氣裝置或電氣裝置某一部分的接地故障保護不能滿足切斷故障回路的時間要求時，尚應在局部范圍內作輔助等電位連接。當難以確定輔助等電位連接的有效性時，可采用下式進行校驗：

R= 50/Ia

式中：R---可同時觸及的外露可導電部分和裝置外可導電部分之間，故障電流產生的電壓降引起接觸電壓的一段線段的電阻（Ω）。

Ia---切斷故障回路時間不超過5秒的保護電器動作電流（A）。

輔助等電位連接在防雷等電位連接中主要指LPZ2和LPZ3交界處以及后續雷電防護區的交界處的連接。

3、共用接地系統和電子設備的獨立接地

電子設備接地技術是一探討多年的問題。在工程中經常遇到的有防雷接地、交流工作接地、屏蔽接地、防靜電接地、安全保護接地、直流工作接地（信號地、邏輯地）等。其作用可分為保護性接地和功能性接地二大類。目前人們最關心的是對功能地的保護。在電子信息設備的電路中，輸入信息、傳輸信息、轉換能量、放大信號、邏輯運算、輸出信號等一系列過程都是通過微電位或微電流快速進行的，且設備之間常通過互聯網絡進行工作，除需穩定的電源外，尚需一穩定的基準接地點，又稱為信號參考電位。如使用懸浮地不易消除靜電，易受電磁場的干擾而使參考電位變動。以往在實際工作中大量采用TN-C系統供電（俗稱零地合一），50Hz的工頻干擾經由設備外殼，元件底板串入信息系統，使功能性（直流）地要與保護性地隔離，對防雷接地更是談虎色變要避而遠之。然而隨著建筑物面積和高度的增大，隨著城市建筑的發展，功能性地與保護性地的分離已越來越困難，同時使用多個接地系統必然在建筑物內引進不同的電位導致設備出現功能故障或損壞。因此采用等電位連接和共用接地系統后，使訊號接地不形成閉合回路，共模型態的雜訊不易產生，同時可消除靜電和電場的干擾，不易受磁場干擾。共用接地系統已為國際標準采用，并逐步在我國國家標準中推廣。

1．供電系統的說明：在低壓配電系統中常用的型式有

TN型：系統中，電源有一點與地直接連接，又可分為：

TN-C：在此系統中，整個中性線（N）與保護線（PE）是合一的。

TN-C-S：在此系統中N線與PE線只有在變壓器電力系統接地點連接（即PEN線），進入建筑物后N與PE不可連接。

TN-S：在整個系統中N線與PE線是分開的，N線不接地。

IT型：在此系統中，電源與地絕緣或一點經阻抗接地，電氣裝置外露可導電部分則接地。

TT型：在此系統中，電源有一點與地直接連接，負荷側電氣裝置外露可導電部分連接的接地極和電源的接地極無電氣聯系。

在《電子計算機機房設計規范》GB50174-93第6.1.9條規定“電子計算機低壓配電系統應采用頻率50Hz，電壓220/380V，TN-S或TN-C-S系統”。在GB50057-94局部修訂條文（征求意見稿）中也提出“當電源采用TN系統時，從建筑物內總配電盤開始引出的配電線路和分支線路必須采用TN-S系統”。這是由于在一建筑物內采用共用接地系統之后，若采用TN-C供電系統，會產生連續的工頻電流及其諧波電流對設備的干擾。干擾來源于TN-C系統中“中性導體電流”（在三相系統中由于不平衡電荷在PEN線上產生的電流）分流于PEN線、信號交換用的電纜的屏蔽層，基準導體和室外引來的導電物體之間。而采用TN-C-S或TN-S系統，這種“中性導體電流”僅在專用的中性導體（N）中流動，不會通過共用接地系統對設備產生干擾。當然，在實際工程中常由于接地方法有問題可能導致中性線（N）與地（PE）接觸，使系統全部或部分又轉回為TN-C系統，再度產生干擾，這一點只能依靠檢測才能找出故障的起因。

2．獨立接地不利于過電壓保護

以往采用電子設備的獨立接地在實踐中確已消除了連續的低平噪聲，但也有突然發生的大災害事件。分析這些事件得出，由于采用獨立接地所以在雷雨天氣條件下會有很高的電壓加在計算機等信息設備上，而產生高電壓的原因包含了直接雷擊、雷電波沿線路侵入和雷電感應。

當雷電直擊建筑物時，建筑物接地裝置和與之連接的金屬構件電位迅速抬高，相對而言，由于電子設備采用了獨立接地，其電位未明顯抬高，這樣存在一電位差和設備與建筑物金屬框架之間所存在的電容，使設備元件上所感應的電壓高于其擊穿電壓。在雷云電荷的感應下，有時并不發生雷擊也會由于建筑物的感應電壓通過上述形式影響到設備的元件。如果采用共用接地系統，電位差的問題便得到了解決。

3．瞬態共地的危害

為了避免雷害和干擾，我國一些電氣安裝圖提出在防雷地、保護地和交流地與電子信息設備的獨立接地之間串連一FS-0.22型避雷器，國外產品中也有類似用途的放電間隙。（國外產品的主要用途是用于煤氣管道與共用接地的連接）。采用在兩種地之間串接能在瞬態導通的器件其目的是：在正常工作狀態下兩種地是分開的，不會有泄漏電流對電子信息設備工作時必需的高頻信號接地點零伏參考電位產生干擾；而當雷擊發生時，將使用FS-0.22避雷器將兩種地瞬態導通以達到等電位。這種瞬態共地的作法不能保證電子信息設備的安全，相反卻能招致雷擊損壞危險。原因是在電源線上（含相線與中性線）可感應雷電瞬態過電壓并傳導到電子信息設備內，當這種瞬態過電壓沖擊發生后，即便FS-0.22工作導通，其殘壓也在上千伏以上，加上長長的連接導線上的電壓降，仍會對電子信息設備造成危害。這種瞬態共地在一些規程或圖冊中稱為聯合接地，有些標準出于在實際中無法實現獨立接地而不得不采用聯合接地的考慮，還不恰當的將聯合接地的接地電阻值規定為不大于1Ω。

4、等電位連接的材料和方法

IEC60536-2對等電位連接導體提出如下基本要求：

1、  耐受由于設備內部故障電流可能引起的最高熱效應及最大動應力；

2、  具有足夠低的阻抗，以避免各部分間顯著的電位差；

3、  能耐受可預見的機械應力，熱效應及環境效應（含腐蝕效應）；

4、  可移動的導體連接件（鉸鏈和滑片等）不應是兩部分間唯一的保護連接件，能滿足（1）、（2）、（3）條者除外；

5、  在預計移開設備某一部件時，不應切斷其余部件的保護聯結，這些部件的電源事先已切斷者除外；

6、  當耦合器或插頭插座能控制保護聯結和向設備組件供電的所有導體的開斷，保護聯結應在供電導體斷路（或接通）之后（或之前）切斷（或接通）；

7、  保護聯結導體應宜于識別；

等電位連接可以使用焊接、螺栓連接和熔接三種方法。當使用螺栓連接時要考慮螺栓松動的問題，一般應用銅鼻將連接線焊牢后栓緊。

連接材料一般推薦使用銅材，是因其導電性能和強度都比較好，使用多股銅線的彎曲也比較方便。但使用銅材與建筑物內結構鋼筋連接時，可能會因銅的電位（＋0.35V）與鐵的電位（－0.44V）不同而形成原電池，產生電化學腐蝕。因此在土壤中（基礎鋼筋處）連接，要避免使用裸銅線，最好使用同一金屬（鋼材）為宜。

等電位連接導體的尺寸與其所在位置，與估算流過的雷電流的量相關。為了滿足等電位連接基本要求，IEC標準規定了各種材料的最小截面為：

直擊雷引下線（mm2）：銅16、鋁25、鐵50 ；

LPZ0與LPZ1區（mm2）：銅16、鋁25、鐵50；

LPZ1與LPZ2區（mm2）：銅6、鋁10、鐵16 ；

等電位連接端子板（母排）的最小截面不小于50mm2（銅或鍍鋅鋼板）。

在實際工程中，為了醒目和便于檢測維修，等電位連接線應使用外皮為黃綠相間的線纜，并在工程完成后使用專用儀器對等電位連接的有效程度進行測試。《等電位聯結安裝》（97SD567）標準圖參考德國標準提出3Ω的阻值要求，實際上所測的阻值主要為接觸電阻。

在實施等電位連接的平面（如計算機房防靜電地極下），在敷設接地母排后，應將母排（銅帶或扁鋼）就近與建筑物內鋼筋焊接，母排與主鋼筋焊接的間距一般不應大于5m。

六、其它防護技術

1．在中國工程建設標準化協會”建筑與建筑群綜合布線系統工程設計規范“CECS72：97中對布線與干擾源的最小間距做出了隔離的規定。

2．濾波技術，使用濾波器是由電感、電容、電阻或鐵氧體器件構成的頻率選擇性二端口網絡，可以插入傳輸線中抑制不需要的頻率進行傳播。

3．電涌保護器（SPD）：在培訓班教材之四中專門介紹。

4．電氣隔離技術：利用磁隔離（隔離變壓器、電源變壓器、各種電源電流互感器、調制解調式隔離放大器）的方法和光隔離（光電開關、光電隔離器、光纜、光觸發可控硅、模擬信號光電隔離裝置等）方法，使信息傳輸的路經在電氣上隔離，使隔離前后的兩部分線路之間無電氣上的連接，從而依靠非電的方式，即用磁或光在信號傳輸中起作用。