概述

通常信号和设备的防护特性常以电磁兼容性（EMC）来表述，其重点在于设备自身的接地系统。自动化控制系统的电磁兼容安装改进大大降低了设备故障带来

的风险和成本。有的故障产生的后果是灾难性的，由于想要通过选择一些经验法则来解决所有问题并不是很有效，因此判定接地系统常用方法的合理性将是一种常见方案。

1 接地系统的角色和目的

自动化控制系统依赖于电子产品以满足各种过程中的需求。当电磁干扰使这些设备及过程损坏或发生故障时，就会产生安全风险和经济损失。

因此自动化控制系统的正确运行与设备和信号的完整性直接相关，这种完整性通常以电磁兼容性来表征（EMC），它可以定义为一种设备，设备单元或系统在电磁环境中的功能可靠性，而不会受到该环境中的电磁干扰的影响。

要实现这种电磁兼容的正确设置，最节省成本的方法需要使设备的每个单元及连接满足特定的电磁兼容标准，然而在实际安装中并不能满足所有的需求，因此需要采用附加的防护措施。实际上，所有避免电磁干扰的防护措施与接地系统都直接相关。诚然，工业界的所有不同的电气电子技术必然汇聚到接地系统，因此接地系统会产生噪声耦合问题，这是必须要解决的问题。

自动化控制系统的电磁兼容本质就在于其自身的接地系统，该接地系统可视为一个从地电极子系统到印刷电路板元件的电气回路，包括所有的安装防护措施，这些防护措施的目的在于完成不同的任务：即保证电源系统的安全，雷电防护，以及电磁干扰控制。

为了实现这个目标（安全，雷电防护和干扰控制），零阻抗接地系统是一种理想的设计，在这个接地系统中各种信号电平混合在一起而没有任何干扰。但是这种理想情况并不现实，可以实现的是对于某种特定安装，通过正确设计接地系统模拟这种理想行为，以实现两个互补的目标。

第一 安全接地——这是为了保证由于电源故障或雷电放电产生的危险电压不会引起人身危险或影响自身安装，它的设计主要基于工频并依赖于电极系统。

第二 电磁兼容接地——为了避免电磁干扰，无论是系统外的干扰（来自其它系统或对其它系统的干扰）还是系统内的干扰，它的设计与电极系统关系不大，但是与所有系统连接的高频性能直接相关，其目的在于：

a. 防止电磁干扰耦合到需考虑的回路中；

b. 防止电磁干扰耦合到回路中引起故障或运行错误。接地系统作为保证提供安全的自动化控制系统电磁兼容的一种方式，确保了干扰问题或设备损害引起的风

险和成本的大大减少，这些成本都是直接成本，包括更换损坏设备的成本，但是由于关机或误操作引起的主要非直接成本，其后果可能是灾难性的，因此需要在这个领域验证系统方法的合理性。

 2 接地系统及其与电力系统的关系

与地导体表面相关的电源导体电极的电位通常采用接地系统定义，实际上就是中性接地框架，一般用XYZ三个字符表示：第一个字符x 表示到地中性点的连接（T-直接连接到地；I- 隔离或通过高阻连接）；第二个字符Y表示供电的电气设备和地之间的连接（T- 直接连接到地；N- 通过安装原点连接到中性点，安装原点连接到地）；第三个字符Z 表示与防护地（PE）相连的中性点，即连接到用户电气安装暴露在外的金属部分的导体（S- 中性点和分离的防护地；C- 中性点以及单独/ 组合导体的防护地-PEN）。

这产生了用于各种类型主要电力传输系统的缩写，如TT, IT, TN-S, TN-C，每个缩写都满足特定的功率要求。

从电磁兼容的观点出发，特别是雷电水平很高时，最佳的设置是采用TN-C-S 接地系统，该系统中在最近的变电站和服务中断点（仪表前的保险丝）之间使用了组合中性点和接地，然后在所有的内部线圈里将地和中性点分开。在TN-C 分布段，中性点采用多点接地，但是在客户安装段，中性点仅在设备入口处连接到地（仅仅是中性点单点接地），该处的电力电缆应该形成紧凑的一组，并包含防护性接地导体。采用了TN-C-S 电力传输系统后，能够在用户入口处消除在电力传输系统和本地接地系统出现的共模电压中性点——即PE。

对于一些关键情况，建议采用电力变压器以产生新的独立接地系统(TN-S)，以便克服由于共模电压产生的

问题。在工业厂房的面板上使用新型的独立接地电源系统也能避免此类问题，该系统中采用了屏蔽的变压器以便对此类共模电压提供更好的隔离（地回路）。

电极子系统的接地电阻定义为电极电位和注入土壤的电流之间的关系，这个电阻值对于电磁兼容并不是很关键。尽管如果可能的话，低电阻是设计的基本目标（出于安全和雷电防护等原因），但它并不是保证电子系统电磁兼容性能的必要条件。

   防护地在安装里的分布方式是保证自动控制系统正确运行的主要因素，这能够通过单点接地或多点接地实现。

   单点接地即为单地连接，它以“树状或星状”遍布设备，例如，总是开路状态而从未闭环。这种设置适合用于低频，这意味着线缆长度不超过信号波长的十分之一，并经常用于工业厂房的面板，甚至用于安装在有限空间内的高频电子系统，如通信基站（机房）。然而在考虑此类低频接地系统时，我们必须非常仔细——需要考虑的是即使我们系统想要的传输/ 处理系统处于低频范围，同样的确定性并不适用于周围噪声，或者是源于电子设备部件的传导噪声，因为信号处理和通信设备的高频分量遍布周围，并且用于语音和数据的射频通信（无线）应用越来越广泛。

高频时采用多点接地（网格型）更可取，多点接地通过信号参考网格实现，网格尺寸小于最高频率对应波长的十分之一，这要求利用接地结构进行控（采用这些频率对应的虚构等效接地平面性能更好），这种方法可以在设备间实现更低的噪声通信（沿着网格运行的信号电缆）。

一直推荐在设备室采用此类信号参考网格，尤其是在辐射电磁干扰水平很高的环境里，虽然根据其自身的电路并不总是需要采用信号参考网格，因为新技术提供了更高的噪声敏感度水平（例如以太网或光纤），从而消除了对于本地接地结构采用更多补偿的需求，最初是需要对RS-232 数据连接较差的敏感性进行补偿的。

当环境中的电场强度很高，或者有意电磁干扰达到了安全威胁的范围，在工业厂房内除了采用信号参考网格，还需要安装屏蔽室（建筑上的）。

3 接地系统及其与雷电防护的关系

工业厂房经常处于偏远的位置并遍布很大的区域，这使它们的设备回路完全暴露于发生在该区域内的雷击中。

因此必须对自动化控制系统进行雷电及其效应的防护，可以采用以下两种互补的方法：

● 对于雷电的结构防护

● 对于雷电的电子器件防护

对于直接放电的结构防护，需要采用雷电防护系统（LPS），该系统由拦截雷击的拦截器组成：下导体用于将产生的雷电电流导引到接地系统，地电极系统将雷电电流传播到土壤中。雷电防护系统应满足IEC 62305 标准- 雷电防护，2010 年第二版，该标准包括确定水平的防护风险评估，考虑了需要防护的不同结构（建筑物，天线塔，坦克

等）处于特定位置（接地电阻，雷电水平/ 雷电强度，地形等）和可能存在的相关问题，如爆炸性气体环境（ATEX）。基于风险评估提出手段的技术报告，安装及其初始观察，以及进一步的周期性观察形成了对于雷的结构防护。

此时接地电阻再次成为不重要的因素- 接地系统合适的拓扑结构比采用小的接地电阻更为重要，接地系统需要通过地电极系统将雷电电流传播到土壤中，同时不能产生电压差，虽然经常强调接地电阻要小，并且如果可能实现较小的接地电阻是基本的目标。

对于电子器件和服务的雷电防护（国际标准IEC62305- 雷电防护也覆盖了这个问题），通过考虑电磁兼容范围的雷电防护，认识到雷电及其效应也是一种电磁干扰，可以更好理解接地系统的问题本质和重要性。

在电磁兼容内容里，将消除电磁干扰的防护措施与电磁干扰源的初始识别（什么产生了电磁干扰，什么是系统内干扰，什么是系统外干扰），耦合机制（这些产生的电磁干扰怎样耦合到电路）以及接收机（受到影响的电路）定义在一起。然后通过致力于一个或多个以上方面解决问题，从而减少耦合噪声及产生的电磁干扰。

至于自动化控制系统的雷电防护，在接收机端（因为设备已经由制造商设计好了）或电磁干扰源端（雷电）采取措施既不方便又不可行。我们只能在耦合机制上想办法。

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用于减小这些耦合机制的大多数技术与接地系统的设计直接相关。例如：

● 滤波器性能取决于它的安装方式，即它的接地方式。

● 可采用非磁性屏蔽体以减小耦合到电缆的磁场强度，它的作用在于减小用噪声电流定义的环面积，即屏蔽体的接地方式。

● 相同的接地情况对于许多其他的电磁兼容技术也很重要。

在电磁兼容环境下，接地系统实际上是衰减噪声耦合机制的主要因素。同样的，接地系统在自动化控制系统的雷电及其效应防护方面也占据主导地位，由此产生了一些规范。

对雷电电流（直击雷）产生的电磁场进行设备防护时，一定区域内（LPZ- 雷电防护区）的所有信号电缆都应该接近网格接地系统的独立单元，以避免产生大面积的电流回路。金属盘形成了网格接地结构的一部分，接地电缆（PEC- 平行地导体）与其他电缆一起运行，完成了以上要求，接地电缆应该遍布整个防护区域，高频时金属盘比线状平行接地导体的性能更好。

雷击点在一个建筑物或区域，而离它较远的建筑物或区域内的设备电缆连接的高电压/ 电流浪涌防护是另一个需要介绍的重要场景。尽管每个建筑物或区域有它自己的接地地极系统，但是如果它们通过长电缆连接（它们本来就应该连接在一起），那么在高频时就不可能运用它们以避免此类浪涌。使用非金属媒质进行电隔离可以避免这种情况，此时可能使用了光纤或用于信号传输的无线电，相反地，如果没用采用电隔离，则必须要使用浪涌防护设备（SPDs）。

采用SPDs 对非直接（电磁场耦合）或直接雷击进行浪涌防护，除了研究SPDs 自身的特性，还需要对接地系统进行特定的研究。SPDs 转移的放电电流总是流入回路中的某处- 它却从来没有显现出来！接地系统就是这些电流的终点。存在这样一个误区，即认为大多数此类设备（SPD）的名字叫做TGD 更好—- 瞬态接地设备，因为TGD 描述了它的功能，然而SPD – 浪涌防护设备，描述的是它的使用目的，这留下了使用SPD 就已经足够的想象空间，但事实上并非如此。SPD 转移的电流应流向与需防护电路（对地极系统不是必要的）相同的参考点（地），并且放电路径应尽量短而直接以减小其串联电感，这样有助于确保回路中的瞬态电压或在临近电路中感应的瞬态噪声不会太高。

4 接地系统及其与信号传输之间的关系

对于通过工厂的信号分布，寻求的是不同电磁干扰源之间的折中，以便耦合到回路的总噪声不会引起干扰，也就是说，尽管信号可能失真但是信息还是保留下来了。为了实现这种正确的设置，应用了相关技术以控制耦合到每个信号路径上的辐射或传导噪声，但总是保留了对于配电系统和雷电防护的安全要求。

共模电流的控制，通常称为地回路，是遍布厂房的设备的接地系统里最为重要的方面。当考虑回路中的双导体时（源，负载，和双导体），我们必须区分两种形式的电流分布：差模，一般是想要的信号，就是电流沿着一个导体从源流向负载，并从另一个导体返回，而共模通常是意料外或不想要的信号（噪声），意味着噪声电流从回路中的两个导体流向相同的方向，并从第三根导体返回，即参考地（从而产生地回路这个术语）。

共模电流回路可能存在一定的材料，如信号源和负载通过多点直接连接到参考（地）点（注意频率高于数KHz 时，等效电位的概念不能应用于实际目的，因为在这些频率感抗是接地结构阻抗的主要分量，而不只是电阻）。此时，共模电流源即为这两个参考点（地）之间的电位差，这迫使双导体中的电流流向同一方向。

这种情况下很方便在单点接地系统中修改信号回路，单点接地就是只有信号源或负载在回路的一端进行接地，因此避免了产生共模回路电流。从传感器传输信号的设备回路，大多数都是低频悬浮设备，多年来都采用的是单点拓扑结构。工厂内的的工频电压和电流是主要的噪声威胁，因此大量使用了屏蔽（为了避免电场耦合，屏蔽体只在一端接地，通常在设备室对电路进行接地）双绞线（可以通过减小回路面积从而避免磁场耦合）。

然而，由于工业厂房里越来越多的使用高频设备,如微处理器，数字/ 无线数据传输，开关模式电源转换等，这种传统方法的效率越来越低下。当考虑高频情况时，共模电流的电路可能没有媒质将其连接到环路中，这个环路通常是一种参考（如地）。在高频时，未接地电路端的寄生电容阻抗很低，从而消除了电流回路。通过在空气中沿着其路线的一点或多点，高频共模电流产生了共模回路，这破坏了单点接地拓扑结构的设计目的。

产生的后果是，传感器总是受高频共模噪声的影响，这些共模噪声来自数字处理器，数字/ 射频通信，开关模式电源转换器（与直流/ 直流一样处于离线状态），模/ 数转换器的抽样电路，由于这些设备并不满足适当的电磁兼容规范要求，产生的高频噪声很强，需要采用抑制技术（与接地相关的）对其进行控制。抑制技术包括破坏高频共模回路（如采用高频隔离变压器，光纤，共模扼流圈等），采用屏蔽电缆（射频时在两端进行正确的接地），或者采用更能容忍共模电流的电路（如平衡电路），以及一些其他方法，这些方法通常要求接地系统在高频时同样有效，本文最后列举了这篇文章参考的电磁兼容接地和IEC 61000-5-2 考虑的接地技术以及其他一些参考文献。

有时将悬浮电源供给的仪器系统用于信号传输，因为通过向共模电流环路添加串联的高阻抗，有助于解决共模电流问题，注意这适用于低频。然而，有人公开辩论说采用这个技术会引起维护问题（很难识别对地故障短路，因为在系统维修期间可能增加其电磁干扰问题），并且在信号导体中感应的电压很高，这可能会引起不安全。

由于温度测试系统的噪声敏感度，需要对其特别关注。对于热电偶电路，建议对从传感器到控制室的信号传输使用信号调整（例如，4 到20 毫安或者0 到10 伏的直流电压），将信号调整电路（通常称为温度传感器）放到离传感器尽可能近的地方。将传感器连接到调节器的电缆应是屏蔽双绞线，并且长度应尽可能的短，屏蔽体只在发射机（未接地的传感器）或传感器（接地的传感器）端接地，或者在两端都接地。接地连接到电缆屏蔽层的传感器比未接地的传感器对于噪声更为敏感。如果环境中电磁干扰水平很高，相比于热电偶，使用电阻温度探测器（RTD）或性能更好的红外线温度探测器可以提供更好的噪声敏感度。

然而，应该在衡量不同部分的情况下仔细考虑电磁兼容问题，而不局限于单一的特定元件- 如果将内嵌有电子器件的传感器连接到数字总线系统（如现场总线），那么采用T/C 还是 RTD 传感器元件差别可能很小。这就是接地，即整个系统相互连接成为电磁兼容关键因素的原因。

5 接地系统及其与工程程序的关系

接地系统的主要目的在于确保电气安全，从而减少干扰问题的发生。在设计和安装阶段应该充分考虑这两个问题，这在维护阶段有助于确保自动化控制系统的正确和可靠运行。

5.1 设计和安装：干扰控制计划

每个设备有其自己的特点，考虑到特定的电磁环境和自动化控制设备的特性，因此很难采用以上关于接地系统简单的低成本标准设计或经验法则来应对所有可能的电磁干扰问题。

对于此类系统内在的复杂性和电磁干扰问题及其解决方案的复杂性，制定电磁兼容计划是节省成本最为有效的方法。

干扰控制计划致力于解决干扰问题发生的所有场景：

a. 通过要求设备的每项都满足电磁兼容标准，这涵盖了发射（包含电磁干扰源的设备）和敏感度（设备不会受到环境中不可接受的电磁干扰的影响）两个方面。

电磁兼容标准IEC 61326-1 版本2.0 ：2012-“测试，控制和实验室使用的电气设备- 电磁兼容要求”确定了为保证设备单元适于在安装的宽范围内正确运行，提出电磁兼容限制的必要性。

b. 通过正确设计接地系统，可以满足特定安装的电磁兼容要求。这项工作通过电磁兼容分析得以开展，其中考虑各种电磁干扰源的电磁干扰风险情况的模型，以及开发的敏感电路和缓减所有电磁干扰情况，这些内容参见IEEE 和IEC 及其他组织颁布的电磁兼容推荐实践和指南。

5.2 防护：电磁兼容程序

对于每个具有一定年限的工业厂房，其初始的设计安装都发生了一定变化：更改了数据采集系统，新设备及其控制发生了变化，采用了新技术，故障和连接损坏及连接松动时有发生，这些都是常见的情况。

因此必须细化电磁兼容维护程序，以保证自动化控制系统在不断变化的电磁环境中的性能，极为重要的是在运行期间维护人员能够完成和适应这些根据使用的新技术提出的电磁干扰控制程序。

电磁兼容维护程序应包括：

a. 电磁兼容记录- 描述一年中测试的设置，如电源质量，电磁场强度，电气连续性，浪涌等，还详细描述了由于雷电厂房内发生的事件，设备故障等。

b. 电磁兼容指南- 描述厂房内应用的电磁兼容方法，要求和技术。