几种接地保护模式与等电位体

摘要：通信机房（站）防雷。其重要性不言而喻。造成通信系统受害的方式主要有雷击后的雷电高电位、大电流侵入、雷电感应。采用电磁屏蔽以解决雷电感应过电压问题。配备三级浪涌保护器阻止大电流侵入机房。而雷击后的高电位却需要有一个完好的等电位系统，一释放高压，二地电位整体上升。等电位体是一个理想的、动态的阻抗块。暂态高电压与大电流能量对通信设备的损坏主要取决于极短的“瞬间”。怎样做好真正的地电位"整体上升"，笔者认为建立合理，恰当的等电位保护地线网连接模式，保证保护地连接线的截面积，作为一个完整的等电位系统甚为必要。
关健词：等电位体系统　雷电压降　连线截面

在通信系统中，雷电造成的危害已越来越严重。随着通信器件，设备，控制模式进一步采用新工艺、新材料、新技术，使之体积趋于缩小，电路功能单元相互距离越来越短，从分立元件的毫米级到大规模集成电路的纳米级。功能更近似逻辑推理、智能化。但是防止电磁感应、大电流、高电位的能力却越来越差，作为现代数字化通信设备的控制网络，对雷电极为敏感，即使几公里以外的高空雷闪或对地雷闪，都有可能导致这些通信设备的薄弱环节计算机CPU控制中心的误动或损坏。本文就通信机房内为防止雷电侵入引起的危害而采用的"等电位体连接"法进行分析。对等电位体有一个新的认识，充分应用等电位体，以达到保护设备，保障通信畅通的目地。

一）等电位体的基本导电原则
    任何雷电的形成，都是由于两极电压差的缘故。而雷电又以各种形式通过电源线、信号线、接地线、建筑钢筋侵入机房，在接入媒介上形成高压状，在0.1μs –1ms时间内产生数千、数万安培雷电流，在入地的过程中，一方面会提高地电位，另一方面会产生浪涌电压进入机房，即便入地的雷电流还会产生反击涌入机房，因此，在机房的接地点往往是首先产生高电位的地方。我们在机房内建立一个等电位系统，当外界的浪涌电压侵入时，达到一级或二级过压极限，过压保护器动作，机房内所有保护接地点都处在同一个电压等级。没有电位差，就不会损坏设备。从而达到保护设备的目的。这是等电位体的基本原理，当然等电位的形成也有一个过程，一个瞬间形成的动态过程。尤其是放电的途径引起动态电位差，往往会产生损坏设备的高电压，这是我们要研究的重要环节。在上述理想状态下，似乎做好一个等电位体，就能够达到保护的目地，实际上，我们对等电位体在理论与实践之间，具体做法还不尽完善。

二）分析几种不恰当的保护接地构成的"等电位体"  
　　机房内的等电位体决不是简单的将接地点连在一起，而是一个等电位系统，它包括引下线、连接线、连接端口、汇接排、所有需要接保护地的设备接线端口以及设备的可导电的金属外壳。正确的、合理的接地保护模式对设备、人员的保护可以达到预期的效果，而许多似是而非的模式往往不被人们所认清，以下对一些不恰当的保护接地模式和等电位进行分析，见图一、二、三、所示：
在图一中是模块局常见的保护接地模式，特点是很多通信设备放在一个机房，从户外引入一个接地端子，然后再连到各个设备的保护接地点．铁塔的防雷引下线与保护地线相连接再一起接入地网。从相应的等效图分析可见：防雷引线在泄放雷电流的同时，由于连线电阻Rx和接触电阻Rl的存在，在线路上产生压降窜入机房引起机房接地体呈动态高电位。

图二是从外引入保护地接室内汇流排，再与直流屏连接，其余设备保护地从汇流排引出或从直流屏引出。更有甚者采取串接式连接，在有些接线架用跳线代替保护接地线。遇强雷电流侵入机架一或机架二，其电位提高、对地释放过程中，由于存在连线截面小，线阻大，放电的途径不合理，容易形成机架间的电位差，尤其是串接保护电路中，只要有一根保护线没接好，往往会造成一串机架无保护地，产生地电位飘移。
　　图三是在联合接地的中心局常常采用的的模式，往往是在联合接地的大楼内从电源机房向各个机房引一个接地汇流排，机房内所有设备的保护地都汇接一起．联合接地可以有效地解决地电位不平衡的问题，但是各个机房没有就近保护接地，过长的接地引线也往往引起线路压降形成电位差。
三）等电位体应成为地线保护系统
　　以上我们讨论的等电位体不仅仅是接地汇流排，而且包括所有被保护的设备在内的连接线及接线端子。事实上：由于种种原因，在任何一个等电位连结系统中电位差的存在是绝对的。而等电位是相对的。连结的目的就是为了消除或减少相互间的电位差。在机房内，没有高电压的时候，等电位系统的电位几乎完全一样，当雷电通过线缆侵入机房时，假设通信设备没受到损坏之前过电压保护器动作，等电位系统电位瞬间升高。随即向地下泄放。这个瞬间过程中，机房内等电位系统各点的电位受制于放电的路径和放电电流的大小，各点对地的电阻，从等效电路图可看到，由于线阻和连接电阻的存在，考虑到连接线的电感，等电位体实际上是一个有多个外接端口的阻抗体．可见电位差的存在与以下因素有直接的关系：
1．引入点及引线的连接阻值；见图一中的Ｌ点所示。
2．雷电流放电途径．如图二中从Ｃ点到Ａ点
3．连接线的线阻产生的压降。见图中的Ｘ线所示
不容置疑，当机房内任何一个系统或者一台设备遭受雷击，都要通过等电位体--"电阻块"对地释放。自然在"阻抗体"的两两端口之间就存在电压。这个＂阻抗体＂的端口电压究竟有多大呢？

四）保护连接线的计算
　　我们不妨作个大致的等量分析，前面已述产生电位差的两个条件：（一）放电所经过的途径（二）放电电流的强度。
　　放电总是从最先感受雷电的部位开始，在电源机房雷电通过电力电缆，信号控制线，附属地线引入线，通信机房则通过信号电缆，电源线，走线架引入线等等。依据分流原则高电位总是经接地电阻最小的途径释放，因此就近接地线往往将雷电形成的高电位尽早释放，对等电位体的总体电位影响不大。
　　放电电流经过任何一段导体，都会产生电压和电磁感应电势。纯阻性压降较好理解，电磁感应的情况比较复杂，有自感、互感、有电磁耦合，有多次谐波电流。雷电的放电时间一般非常短，0.1μs –1ms级。在极短的时间内，雷电流的变化率非常大。不要说直接雷的感应电势，就是远距离的感应雷电的瞬间感应电压也是影响很大的。下面对直接雷或感应雷在"阻抗块"上引起的电位差作一点简单的计算：
    计算一、在放电回路中，存在连线的连接电阻和其本身的线路电阻。在正确连接情况下连接电阻很小，可忽略不计，主要考虑线阻。在采用铜材作连线时，线阻与长度、截面有关；
    R=ρL /S       ρ为电阻率等于0.0175Ωmm2/m
    取S=35mm2、L=1～20m
     R=0.0175×（1～20）/35=0.0005～0.01Ω
经过这段导线分别会产生压降：U=I×R
一类防雷电流峰值：220KA      压降：（110V～2200V）
二类防雷电流峰值：150KA      压降：（75V ～1500V）
三类防雷电流峰值：100KA      压降：（50V ～1000V）

    计算二、与雷电流同时俱生的感应过电压，不仅有电阻，还要考虑线路的电感特性：
当雷击避雷针时，大电流I 流经楼体（或引下线）L和接地体入地，沿雷电流放电释放的途径各点的电位：
    U=L。H·di/dt+iR
    取三类雷电流中幅值I=100KA  t=2.6μs L。=1.67μH/M
    R=10Ω 。若H=40米。则高度为40米点的电位：
    U=L。Hdi/dt+iR=1.67·40·100/2.6+100·10=3570(kv)
地中电位：Ur=iR=100x10=1000(kv)
　　经过量的比较和分析，可看出，无论是直接雷还是感应雷，雷电流在阻抗块上都会产生高电压，形成电位差。尤其是感应电流产生的压降有时间短，电压高的特点。对通信设备的损坏往往让人迅雷不及掩耳。在无法察觉的情况下发生的。
　　再回到图一；由于避雷针（避雷带）引下线与工作保护地相连接，遇大雷电的情况下，反而将雷电引入机房，从计算二中可见，接入点的电位相当高，中间任何一点进入机房都有仟万伏以上的电压，如果将避雷引下线单独入地，且与保护地保持一定距离，则防雷地对保护地不会造成影响。当然，联合接地又另当别论。在农村端局，要做到联合接地比较困难，而且相当部分房屋还是陈旧建筑物。
　　图二中；串连接地只是一般机架没有外接线缆倒也无妨大碍，问题如果是与外接电源、信号等线缆相连，则隐藏极大的危险。由于串接线截面积有限。外线感应雷电侵入：要么在线缆上压降过大，要么电流过大击断线缆。二种情况都会造成电位差过大。串连中只要有一个接触不可靠，容易造成地线中断，无保护状态。建议直接与保护汇接排相连，不要串接，且连接电缆保证一定的截面。
　　图三是针对联合接地。在联合接地不可靠的情况下，此种接地也可以，如果联合接地很可靠的话。就近接地显然要优越的多。长距离输送保护接地线显得没有必要。这对建立等电位系统也不利。
从前面的计算结果，可以看出：保护连线要保证一定的截面富裕度，有人提出截面的计算原则：对环型地线的机房，要有两根引出线，每根铜线的截面积为每平方毫米导线最长为0.5m。且截面积不宜小于35mm2。没有环型地线而从建筑钢筋引出的引下线，则要求每根铜线截面积为每平方毫米导线最长为0.1m。在前文计算中忽略了连接线的接触电阻，事实上，连接线在连接时经常会发生接触不良的状况，尤其是两种不同的材料，很容易产生压降、发热、烧毁接头等。因此，可靠的连接也是建立一个良好“等电位体”的先决条件。