智能建筑弱电系统工程接地干扰抑制方法

何环球

【摘 要】在智能建筑弱电系统工程中，接地干扰是十分常见的，其危害性也较大。本文通过分析智能建筑弱电系统的干扰机理及不同接地方式下干扰的差异，提出了有针对性的接地干扰抑制方法，能有效提高智能建筑弱电设备的接地抗干扰能力。

【关键词】接地干扰；地环路干扰；叠加原理；抑制方法

近年来，以电子和微机为基础的保护、监控、信号、通信等设备在智能建筑的应用日益普及。在这些新型弱电系统应用的同时，因过电压和电磁耦合作用等引起的电磁干扰问题也日益突出。由于电力系统中干扰源众多，加之弱电系统设备耐压水平低、抗干扰能力弱，若不采取措施消除和抑制电磁干扰，将影响电力系统的安全可靠运行。在抑制与消除干扰的措施中，接地技术得到广泛应用。然而接地既可以消除和抑制电磁干扰，也可能因接地引入或放大电磁干扰，对弱电设备的运行造成了很大的干扰，因此，本文就智能建筑弱电系统非常接地干扰抑制方法进行探讨。

1.单点接地公共地阻抗耦合

单点接地分为串联单点接地和并联单点接地，最大好处是没有地环路，相对简单。但地线往往过长，导致地线阻抗过大。公共阻抗产生的电压通过地回路耦合，一个电路的地电位受另一个电路的地电流的调制，另一个电路的信号耦合进了前一个电路。

2.多点接地的地环路干扰

如图1所示，图1中两设备用一对电缆传输线连接，图中设备一（发送部分）、设备二（接收部分）分别接各自的地，这是一个不平衡的传输电路。在理想情况下，两设备的地电位相等，传输线对中仅存在有用信号Us、差模电流Is，途径为信号源Us经信号源阻抗Zs，经传输进线阻抗，再经负载ZL以及传输回线阻抗流回Us，但是，由于两设备分别接入不同的接地点，两点接地阻抗不同，两设备的接地点A、D 自然会存在着电位差，此时信号源产生的电流将在地回路上分流，特别是在外来因素的影响下，如电缆传输线处在较强的电磁场中，如图1中的设备四产生的强磁场，此时地环路中产生一感应电动势，地回路中相当于迭加一受控源，除此，由于地线是公用接地线，当附近有大功率设备，如设备三起动时会产生较大的地电流流经两设备系统地环路，在异常情况下，如雷击时，地环电流会更大。以上各种状态，由于地环电流分流为I1和I2，将同时通过信号线与回流线，方向是相同的，因此是共模电流。

3.接地干扰抑制方法

3.1公共阻抗接地干扰的抑制

（1）多点等电位联结法

多点等电位联结法就是统一选择一个基准电位，将多点进行等电位联结，它们各自对地的电位相等。接地可以统一各设备的基本电位，为外部进入系统的信号提供一个参考，从而避免了由于各设备间电位不统一而引起的相互干扰。实施方法是将建筑物及附近的所有金属物如钢筋、水管、铝合金窗、设备外壳和PE线均用电气连接的方法连接起来，使之成为一个良好的电位体，在高层建筑中一般每隔三层就设一个均压环，将本层所有的金属物可靠连接。等电位联结通常采用两种基本形式：S型星形结构和M型网形结构，接地网的电阻应小于1Ω。S型等电位联结网络应仅通过唯一的一点，即接地基准点ERP 组合到共用接地系统中去，适用于低频，M型等电位联结网络应通过多点连接组合到共用接地系统中去，对于高频，分布电容的耦合效应将会产生耦合干扰，应采用MG型网形结构，此接法对1～10MHz频率范围，接地线长度在L>λ/20的弱电设备适用效果也很好。

（2）减小公共阻抗

对于许多设备，停运时，测试其接地电阻，符合相关标准，但在设备运行时，测试系统阻抗，却远超过其标准值。其主要原因是公共阻抗中电感引起的分量往往占主要成分，对于较高的频率，其往往成为造成干扰的主要原因。因而必须减少电感值，如地线选择尽可能粗的导线，有条件的可采用电感量很小的铜板条，大电流地线通常采用铜汇流排等，除能达到降低电感值的目的，还能起到降低接地电阻的作用。接地电阻由接地线电阻、接触电阻和地电阻组成，将接地线与接地螺栓和接地极做紧密牢靠的连接，增加接地极和土壤之间的面积与接触的紧密度以降低接触电阻，增加接地极的表面积和增加土壤的电导率以降低地电阻，一般要求接地电阻小于4Ω。

除此，采用多点接地法也是减小公共阻抗干扰的一项措施，所有设备的地线就近各自接地，所有导线连接成网，各设备单元，尽量以最短的连线接地，以降低接地阻抗。

3.2环路电流干扰的抑制

（1）采用平衡电路

如果用平衡电路来代替图1的不平衡电路，即令回线阻抗值与信号线、信号传输线及负载阻抗值相等，则共模电流在进回两条线中是平衡的，因而负载两端仅有信号电流流过，消除了差模压降，此时地环路电流在负载上没有造成影响。所以用平衡电路可以避免从共模到差模的转换，从而提高传输线的抗干扰能力。但是，在高频条件下，平衡是很难实现的，实际的电路会有很多寄生因素，如寄生电容、电感等。这些参数在频率较高时对电路阻抗发挥着较大作用。且这些寄生参数的不确定性，电路的阻抗也是不确定的，因此很难保证两个导体的阻抗完全相同，此时，电路平衡性往往较差，因而平衡电路对频率较高的地环路电流干扰抑制效果较差。

（2）切断地环路

由于地环路电流产生的根本原因是因为地电位差的存在，所以切断地环路是抑制地环路干扰最直接的方法，通常有如下几种措施。

①如果将一端电路浮地，如在图1中将B端断开，就切断了地环路，可以消除地环路电流。其实质就是两设备经公共阻抗接地，ZA成为两设备的公共阻抗，此时的干扰是设备一对设备二的干扰，设备二是后级，工作信号强度远大于设备一公共阻抗的干扰，不会造成不良的后果，但考虑设备及其部件的静电防护及其安全，往往不允许电路浮地，可以将设备通过一个电感接地，这样对于50Hz的交流电流设备接地阻抗很小，而对于频率较高的干扰信号，设备接地阻抗较大，减小了地环路电流。另一方面，尽管设备浮地，但设备与地之间还是有寄生电容，这个电容在频率较高时会呈现较低的阻抗，因此不能有效地减小高频的环路电流。

②在设备一和设备二之间插入隔离变压器，设备一的传输信号通过变压器的磁场耦合到设备二中，而地环路电流在变压器的一次侧绕组中方向相反而互相抵消，难以传输至二次侧，消除了环路电流的影响，但由于一般变压器难以消除一次侧与二次侧间的分布电容的影响，为了消除环路电流通过这些分布电容流到二次侧，增强隔离的效果，应在变压器的一次侧、二次侧间加一金属屏蔽层，方法是用一层铜箔绕一匝，但在交接处必须垫上绝缘层，以免其变成短路环，否则，信号电流也被隔离了，该铜箔起到了一次侧与二次侧间的电场屏蔽作用，即减小了两者之间的分布电容。该铜箔要在二次侧接地，否则，如在信号端接地，则地环路电流可通过C2耦合到负载上去，所以在负载端接地。隔离变压器的缺点是不能直接传输直流信号与低频信号。

（3）共模扼流圈

在设备一与设备二之间插入共模扼流圈，共模扼流圈可以传输差模信号，直流与低频信号均可以通过，而对于高频地环电流则呈现很大的阻抗，所以可以用来抑制地环电流的干扰，此外，用铁氧体磁环套在两根导线上也同样起到共模扼流圈的作用。但要注意控制共模扼流圈的寄生电容，否则对高频干扰的隔离效果很差。共模扼流圈的匝数越多，则寄生电容越大，高频隔离的效果越差。

（4）光耦合器

在设备一与设备二之间采用光耦合连接，有两种方法，一种是光耦器件，另一种是用光纤连接。由于光耦合器只能传输差模信号，不能传输共模信号，所以切断了设备一与设备二之间地环路的传输，光耦合器可以传输直流与低频信号，响应速度快，输入输出端的分布参数小，而且体积小，重量轻，便于安装。

（5）屏蔽

屏蔽也是抑制各种干扰的重要措施，用屏蔽材料将设备屏蔽起来，即降低其他设备作为电磁辐射源对其进行的电磁辐射干扰，也屏蔽了本设备对其他设备的干扰。在地环回路中，能有效降低电磁辐射产生的接地电动势，屏蔽体作为一保护层必须接地，屏蔽体内的电路地线只能一点接屏蔽体，而不得利用屏蔽体作返回导体。对于多层屏蔽电缆，每个屏蔽层应在一接地，各屏蔽层应相互绝缘。当电缆长度大于工作信号波长的0.5倍时，采用间隔工作信号波长的0.5倍的多点接地式。如果不能实现，则至少应将屏蔽层两端接地。

4.结束语

综上所述，引起智能建筑弱电系统工程接地干扰的原因较为复杂，为了解决好这一问题，就必须综合考虑各原因，从频率范围、布线空间、设备性质、接地功能、设备工作要求、电磁幅射、暂态过程及雷电与静电等方面进行研究，对不同的系统、不同的设备采取不同的抑制方法，这样才能最大限度地消除接地干扰。

参考文献

[1] 王晨荣.接地中的地环路干扰及其抑制措施[J].舰船电子工程，2008年07期

[2] 贺正杰；郭丽梅.发变电站弱电系统接地干扰及其抑制[J].小水电，2004年第02期