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计算机控制系统接地技术探讨

现代建筑有防雷、电气安全、交流电源、通信和计算机控制系统等多种接地。其中,计算机控制系统的接地类型最为复杂。在计算机控制系统中,为了防止电容耦合、静电和冲击电流的影响,确保计算机控制系统的稳定可靠运行,确保操作人员的安全,建立良好的接地系统是非常必要的。在计算机系统接地中,有六种各种功能的接地,它们既相互关联,又相互排斥。因此,在设计中是否正确处理将直接影响系统的正常运行和施工进度。为了避免这种情况,应注意以下两个方面:(1)接地是否正确,正确的接地方法可以防止控制系统各部分的串扰;(2)接地是否牢固,使接地处于零阻抗,以减少接地线上的电压降。

11计算机控制系统的接地类型和功能

根据《电子计算机房设计规范》(GB50174-93),电子计算机房接地一般有四种,交流

工作接地、安全保护接地、直流工作接地、防雷保护接地等四种接地应共用一组接地装置,其接地电阻按最小值确定。计算机接地系统的类型可分为工作接地和保护接地两类。

1.1工作接地:

(1)直流工作接地:

①悬浮接地;

②直接接地:串联接地、并联接地、网络接地;

③数字地和模拟地。

(2)沟通工作接地。

1.2保护接地:

(1)安全保护接地:

①屏蔽接地;

②静电接地。

(2)防雷接地。

以下是对上述各种接地方法的依次分析:

1.2.直流工作接地

这里的直流地是指计算机控制系统中DC电源的地线,是计算机本身的逻辑参考地,即计算机控制系统中数字电路的等电位地;放大器1采样/保持器和a/d转换器输入信号的零电位(称为模拟地);传感器地(称为信号地)的目的是确保控制系统电路工作时具有统一的基准电位,不会因零电位浮动而引起信号误差,还可以防止外部电磁场干扰,具有统一的基准电位。这个基准电位点(面)是整个系统的参考面,不一定是地面的零电位,可能是带电的,也叫工作场所。这个工作场所只是用来描述有零伏电位的相关系统接收到基准点、线路或平面。由于零电流接地故障和短路电流的短时间出现,零伏电位的基准点、线路或平面可能对远处的土地有很高的电位,但对于相关系统,它仍然是零伏电位。

(1)悬浮接地:当工作场所不直接接地时,称为悬浮接地,当工作场所与地球之间的绝缘电阻值大于1m时ω当时,可以认为直流工作接地是悬浮的。其优点是可以避免电路之间的导电性电磁干扰,从而产生地环和电气噪声。适用于:杂散分布电容耦合通路可忽略不计,频率低,见图1;

(2)直接接地:当工作场所通过低阻抗通道连接到地面时,称为直接接地。当悬浮接地不满足上述条件时,必须采用其他接地形式。直流直接接地通常采用。原则上,直流接地电阻越小越好。就目前国内外生产的计算机而言,一般小于1ω,对此处理主要有三种方法:

①串联接地:将计算机控制系统中各设备的直流工作接地串联到直流地母线。方法见图2;

②并联接地:将计算机控制系统中各设备的直流地并联到直流地母线上,作法见图3;

③网络接地:利用一定面积的铜排,在活动地板下形成铜排网络。为保证绝缘,铜排网下应垫2~3mm厚的绝缘橡胶或其它绝缘物体。各设备的直流工作接地到网络,网络与接地体相连。当网络边长等于30mhz波长和0.5m时,接地网上任何两点之间几乎没有电位差,从直流到30mhz的所有频率。

根据机房面积、计算机工作性质、干扰源、计算机厂家安装要求等实际情况,综合确定上述三种接地方式;

(3)数字地面和模拟地面:在计算机控制系统中,数字地面和模拟地面是直流工作地点,但必须在系统内部单独接地。即使同一芯片上有两个地面,它们也应该单独接地,然后只连接到一个点。否则,数字电路通过模拟电路的地线返回到数字电源,将影响模拟信号,见图5。

1.2.交流工作接地

交流工作接地又称功率地,是控制系统中交流电源及交流大电流电路的接地,其性质和电力系统中的工作是一样的,实际上就是低压电力系统中,交流电力变压器地,它属于大电流系统的地,这样做的目的只有一个:安全。这个地有两个作用:

(1)所有设备通过低阻抗导体连接在一起,系统连接到接地装置,所以所有设备都有相同的电位,这是地电位。这样,即使在故障状态下,任何两个暴露的非带电金属或非带电金属与地面之间也没有不安全的电位差;

(2)设备接地为故障电流提供了一个安全的低阻抗返回路径,可以快速切断故障,尽量减少损坏。同时,确保电路的干扰信号泄漏到地面,不干扰敏感的信号电路或测量电路。对于直流地点,它是一个噪音地点。中国通用电气规定:交流工作场所的接地电阻应小于4ω。

1.2.3保护接地

保护接地的作用是避免电子设备绝缘损坏或下降时触电的危险,保证设备的安全。

(1)安全保护接地:简称安全接地,是指由于进线电源绝缘损坏,电力设备的金属外壳可能会带来危险相电压。为防止危险电压危及人身和设备安全,在正常工作中接地无电金属外壳(如机柜外壳、元件外壳等)。

优点:外壳接地可使高频干扰电压形成低阻抗通路,防止其对电子电路的干扰。根据我国供电结线方式的不同特点,安全接地有五种形式TN-c系统、TN-s系统充电、TN-c-s系统、IT系统和TT系统。目前,国内外计算机安全接地多采用第一种方式②、第⑤安全保护接地电阻应小于4ω;

(2)静电接地:它是一种接地,旨在消除计算系统运行过程中产生的静电电荷。由于机房湿度一般不低于50%,且机房大多采用抗静电活动地板,因此产生静电的可能性较小,因此一般不再设置接地。接地电阻一般应小于10ω;

(3)屏蔽接地:通常用于更多的通信系统。它是将设备屏蔽体与地球之间的低阻线连接起来,形成电气通道,为高频干扰信号提供通道。它有两个功能:

(1)防止计算机处理的信息被盗;

(2)防止外部电磁场干扰计算机系统的正常运行。接地电阻一般应小于2ω。屏蔽接地已包含在计算机外壳的安全保护接地中,一般设计不另设。

2计算机接地系统的接地方式和功能

这里的接地系统是指计算机控制系统交流工作接地、直流工作接地、安全保护接地、防雷保护接地与地面的关系。接地系统的接地方式可分为独立接地和共用接地两类。

下面分别讨论:

2.1独立接地:

每个接地分别接收独立的接地装置,部分接地通过接地母线连接到独立的接地装置。

特点:计算机的直接接地、功率接地、建筑物的防雷接地分别独立接地,表面看起来完美。

缺点:在实际工程中,除非在特定条件下不可能这样做,否则投资高,施工困难。

(1)当直流工作接地悬浮时,各地之间的关系:当计算机控制系统的直流悬浮时,除防雷接地外,其他地方可以连接到同一母线,然后连接到接地装置;

为防止反击,与防雷接地装置的距离应大于5m。

(2)直流直接接地时,诸地间的关系:

①直流地和防雷地独立,安全地和交流地共用接地装置。

缺点:施工中这三种接地装置很难实现电气独立的要求;

②直流地、交流地、安全地共用接地装置,防雷地为单独接地装置。

优点:施工方便,投资少,在目前的工程实践中应用较多,但必须满足两个接地装置之间距离(大于5m)的要求;

③计算机直流地和安全地共用接地装置,其他电力设备与计算机设备交流地共用一接地装置,防雷地为单独接地装置。

优点:可避免非计算机系统动力设备对计算机交流信号的干扰。

三个独立接地装置之间的距离应大于5m。

2.2共用接地:

从电气安全的角度来看,最经济实用的措施是使用等电位连接,而总等电位连接实际上是共用接地。将建筑物的各种接地装置连接到接地装置上。否则,当防雷装置发生雷击时,其电位上升(最高可达100万伏级),使人身遭受电击或火灾,损坏环设备等事故的可能性远高于使用共用接地。此外,当220/380v系统相线设备外壳接地故障时,保护开关未能及时跳出故障点,必然会在接地电气设备暴露的导电部分与其他独立接地金属体之间产生高风险电压。

施工中应注意共用接地:单点或多点接地时共用接地装置,但不能随意连接。正确的连接方法是:各设备或箱柜中的各种接地分别连接到各自的接地母线,然后将这些母线连接到接地装置上。在此之前,设备的接地分支线和接地母线应严格绝缘。详见图6。

共用接地的连接形式形式。

(1)单点接地:电路中的某一点被定义为零电位基准点,计算机控制系统中的所有零电位接地点都直接连接到其上。当系统有多个箱柜时,每个箱柜及其电子电路的接地可以与其他箱柜分开,每个箱柜的接地仅连接到整个系统的接地基准点,见图7。

优点:消除公共阻抗耦合和低频接地环路,工作频率小于1mhz;

(2)多点接地:每个接地连接到零伏电位接地基准平面,最大限度地减少接地线的应用电阻和驻波效应。该基准面可以是一个设备的外壳,当使用多个设备时,它将覆盖整个系统的接地网(线)。实践见图8。

优点:可应用于频率大于(等于)10mhz的高频电路,施工时接地连接比单点接地更容易实现,高频下驻波效应可降至最低;

(3)混合接地:多点和单点接地同时存在的接地方式。

特点:该接地系统结构简单,施工方便,但系统不安全,国内外很少使用。3.结合实例分析

在实际工作中,并非所有计算站都有上述接地,一般应根据计算机的工作性质和实际情况综合考虑。图9是计算机室的接地方法,系统采用共用接地。多点接地用于直流工作场所。为了使计算机直流系统具有统一的电位参考表面,三台设备应连接到相同的接地装置该设计采用接地网络作为系统的接地装置,三台设备以最短的连接连接到悬挂网络,图9①当接地网格的边长等于30mhz波长的0.5m时,为多点接地零伏电位接地基准平面,于从直流到30mhz的所有频率,在接地网上的任何两点之间几乎没有电位差。当活动地板的单件尺寸为0.6×0.6(m)时,接地网边长则宜采用0.6m。②~⑤点内容见图9中,网络与设备的交流工作地、安全保护地一同接至配电箱端子板上,并由端子板引至系统接地装置。这种使所有设备具有同样接地电位的作法非常安全,同时防止了由不合理接地引起的干扰问题。

4结束语

目前,国内计算机接地有一个混淆不清的问题,即如何正确地选择与计算机接地系统相连接的接地体,许多计算机制造厂常见的一个错误就是要求装设一组与电力系统(包括防雷)接地体分开的独立接地体。这种作法不安全,在一些发达国家的电气法规上是不允许的,因为这种作法不仅不能消除噪声,还可能成为产生计算机噪声的一种根源。许多工程实践表明,电源、逻辑、安全保护和防雷各独立接地系统被雷击损坏的几率远远高于共用接地系统。

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