Периодичность проверки заземления: Страница не найдена — ЭНЕРГОСВЯЗЬ-ОКА

Потребитель электроэнергии определяет сроки проверки и испытания электрооборудования самостоятельно, но не реже чем раз в три года (ПТЭЭП).

2.12.17  ПТЭЭП

            Проверка состояния стационарного оборудования и электропроводки аварийного и рабочего освещения, испытание и измерение сопротивления изоляции проводов, кабелей и заземляющих устройств должны проводиться при вводе сети электрического освещения в эксплуатацию, а в дальнейшем по графику, утвержденному ответственным за электрохозяйство Потребителя, но не реже одного раза в три года. Результаты замеров оформляются актом (протоколом) в соответствии с нормами испытания электрооборудования (Приложение 3).

3.4.12  ПТЭЭП

            В электроустановках напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью (системы TN) при капитальном, текущем ремонтах и межремонтных испытаниях, но не реже 1 раза в 2 года, должно измеряться полное сопротивление петли фаза-нуль электроприемников, относящихся к данной электроустановке и присоединенных к каждой сборке, шкафу и т.д., и проверяться кратность тока КЗ, обеспечивающая надежность срабатывания защитных устройств.

            Внеплановые измерения должны выполняться при отказе устройств защиты электроустановок.

3.6.2  ПТЭЭП

            Конкретные сроки испытаний и измерений параметров электрооборудования электроустановок при капитальном ремонте (далее — К), при текущем ремонте (далее — Т) и при межремонтных испытаниях и измерениях, т.е. при профилактических испытаниях, выполняемых для оценки состояния электрооборудования и не связанных с выводом электрооборудования в ремонт (далее — М), определяет технический руководитель Потребителя на основе Приложения 3 настоящих Правил с учетом рекомендаций заводских инструкций, состояния электроустановок и местных условий.

            Указанная для отдельных видов электрооборудования периодичность испытаний в разделах 1-28 является рекомендуемой и может быть изменена решением технического руководителя Потребителя.

3.6.3  ПТЭЭП

            Для видов электрооборудования, не включенных в настоящие нормы, конкретные нормы и сроки испытаний и измерений параметров должен устанавливать технический руководитель Потребителя с учетом инструкций (рекомендаций) заводов-изготовителей.

3.6.4  ПТЭЭП

            Нормы испытаний электрооборудования иностранных фирм должны устанавливаться с учетом указаний фирмы-изготовителя.

______________________________

ПОТ РМ-021-2002 «МЕЖОТРАСЛЕВЫЕ ПРАВИЛА ПО ОХРАНЕ ТРУДА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НЕФТЕБАЗ, СКЛАДОВ ГСМ, СТАЦИОНАРНЫХ И ПЕРЕДВИЖНЫХ АВТОЗАПРАВОЧНЫХ СТАНЦИЙ»

(утв. постановлением Минтруда РФ от 6 мая 2002 г. № 33)

5.3.14. Проверка заземляющих устройств, включая измерения сопротивлений растеканию тока, должна производиться не реже одного раза в год — летом, при сухой почве для зданий и сооружений I — II категории молниезащиты, для зданий и сооружений III категории молниезащиты — 1 раз в 3 года.

_____________________________

ПОТ РМ-011-2000 «МЕЖОТРАСЛЕВЫЕ ПРАВИЛА ПО ОХРАНЕ ТРУДА В ОБЩЕСТВЕННОМ ПИТАНИИ»

(утв. Постановлением Минтруда РФ от 24 декабря 1999 гoда № 52)

5.6. Сопротивление изоляции электросети в помещениях без повышенной электроопасности следует измерять не реже 1 раза в 12 месяцев, в особо опасных помещениях (или с повышенной опасностью) — не реже 1 раза в 6 месяцев. Кроме того, проводятся испытания защитного заземления (зануления) не реже 1 раза в 12 месяцев.

____________________________

ПОТ Р М 014-2000  «МЕЖОТРАСЛЕВЫЕ ПРАВИЛА ПО ОХРАНЕ ТРУДА В РОЗНИЧНОЙ ТОРГОВЛЕ»

(утв. Постановлением Минтруда РФ от 16 октября 2000 гoда № 74)

 5.1.17. Нельзя эксплуатировать оборудование, не имеющее защитного заземления, при снятой крышке корпуса, закрывающей токонесущие части, а также после истечения срока очередного ежегодного испытания и проверки состояния защитного заземления. Замер сопротивления заземления и изоляции проводов производится периодически, не реже одного раза в год.

8.5.18. Сопротивление изоляции электросети в помещениях без повышенной опасности измеряется не реже одного раза в 12 месяцев, в особо опасных помещениях (или с повышенной опасностью) — не реже одного раза в 6 месяцев. Испытания защитного заземления (зануления) проводятся не реже одного раза в 12 месяцев. Испытания изоляции переносных трансформаторов и светильников 12 — 42 В проводятся два раза в год.

_____________________________

ПОТ РМ-013-2000  «МЕЖОТРАСЛЕВЫЕ ПРАВИЛА ПО ОХРАНЕ ТРУДА ПРИ ХИМИЧЕСКОЙ ЧИСТКЕ, СТИРКЕ»

(утв. Постановлением Минтруда РФ от 16 октября 2000 года № 75)

3.7.6. Сопротивление изоляции электросети в помещениях без повышенной опасности следует измерять не реже одного раза в двенадцать месяцев, в особо опасных помещениях (с повышенной опасностью) — не реже одного раза в шесть месяцев. Кроме того, проводятся испытания защитного заземления (зануления) не реже одного раза в двенадцать месяцев.

4.1.18. Не допускается эксплуатировать производственное оборудование, не имеющее защитного заземления, при снятой крышке корпуса, закрывающей токонесущие части, а также после истечения срока очередного ежегодного испытания и проверки состояния защитного заземления. Замер сопротивления заземления и изоляции проводов производится периодически, не реже одного раза в год.

_____________________________

ГОСТ Р 50571.28-2006  (МЭК 60364-7-710:2002)  Электроустановки медицинских помещений

Проведение  замеров  сопротивления изоляции  и защитного заземления оборудования  должны  производится  в соответствии  с требованием  ГОСТ Р 50571.28-2006 «Электроустановки зданий. Часть 7-710. «Требования к специальным электроустановкам». «Электроустановки медицинских помещений» и приказа №46 от 27.01.2015 департамента здравоохранения г. Москвы (ДЗМ)/

710.61. Приемосдаточные испытания

Ниже приведены проверки, измерения и испытания, дополняющие требования ГОСТ Р 50571.16 при проведении визуальных осмотров и испытаний электроустановок медицинских помещений перед сдачей объектов в эксплуатацию и при проведении периодических осмотров и испытаний:

a) проверка устройств контроля сопротивления изоляции в медицинских системах IT, включая систему визуальной и акустической сигнализации;

b) измерения, подтверждающие соответствие системы дополнительного уравнивания потенциалов требованиям 710.413.1.6.1 и 710.413.1.6.2;

c) контроль соответствия системы уравнивания потенциалов по 710.413.1.6.3;

d) проверка соответствия требованиям в отношении обеспечения безопасности по 710.556;

e) измерение токов утечки в цепях питания конечных потребителей и защитных оболочках трансформаторов медицинских систем IT на холостом ходу.

710.62. Периодичность проведения испытаний электроустановок, находящихся в эксплуатации

Периодичность проведения проверок, измерений и испытаний параметров в соответствии с перечислениями a) — e) по 710.61 устанавливается «в ведомственных нормативных документах Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации».

В случае отсутствия соответствующих нормативов рекомендуется следующая периодичность:

a) проверка систем переключения на аварийное электроснабжение — один раз в 12 мес;

b) проверка устройств контроля сопротивления изоляции — один раз в 12 мес;

c) визуальная проверка уставок устройств защиты — один раз в 12 мес;

d) измерения в системе дополнительного уравнивания потенциалов — один раз в 36 мес;

e) проверка целостности системы уравнивания потенциалов — один раз в 36 мес;

g) измерение тока утечки трансформаторов медицинской системы IT — один раз в 36 мес;

h) проверка отключения УЗО по дифференциальному току — не реже одного раза в 12 мес.

_________________________________________________________________

ПОТ РМ-027-2003  Межотраслевых правил по охране труда

на автомобильном транспорте

8.8. Проверка состояния элементов заземляющего устройства электроустановок и определение сопротивления заземляющего устройства должны проводиться не реже 1 раза в 3 года и не реже 1 раза в 12 лет должна быть проведена выборочная проверка осмотром со вскрытием грунта элементов заземлителя, находящихся в земле.

Измерения напряжения прикосновения должны проводиться после монтажа, переустройства и капитального ремонта заземляющего устройства, но не реже 1 раза в 6 лет.

8.9. Силовые и осветительные установки должны подвергаться внешнему осмотру не реже 1 раза в год. Измерение сопротивления изоляции электропроводок производится не реже 1 раза в 3 года, а в особо сырых и жарких помещениях, в наружных установках, а также в помещениях с химически активной средой не реже 1 раза в год.

8.10. Измерение сопротивления изоляции электросварочных установок должно проводится после длительного перерыва в их работе, перестановки оборудования, но не реже 1 раза в 6 мес.

8.11. Во взрывоопасных зонах в электроустановках напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью при капитальном, текущем ремонтах и межремонтных испытаниях, но не реже 1 раза в 2 года, должно измеряться полное сопротивление петли фаза-нуль.

_________________________________________________________________

Учреждения образования

Приказ Департамента образования города Москвы №156 от 29.03.2013 *

Приложение 3 План организационно-технических мероприятий, направленных на усиление противопожарной защиты учреждений образования

2.17. Проведение замеров сопротивления изоляции эксплуатируемой электропроводки <…> в закрытых сооружениях и помещениях с нормальной средой 1 раз в год; в открытых сооружениях, а также в сырых, пожароопасных и взрывоопасных помещениях 1 раз в 6 месяцев.

Проверка заземления

Проверку заземления реализует компания «ИНТЕХ» (Москва). Чтобы получить КП на проверку заземления, позвоните по телефону: +7(495) 146-67-66. Отправить письменную заявку Вы можете на email [email protected] или через форму заказа.

Согласно Правил устройства электроустановок, любые электрические сети и оборудование, работающее с напряжением свыше 50 вольт переменного и 120 вольт постоянного тока, должны иметь защитное заземление. Это касается помещений без признаков условий повышенной опасности. В опасных помещениях (повышенная влажность, токопроводящая пыль и прочее), требования еще жестче. Но мы в данном материале будем рассматривать в основном жилые дома. По умолчанию принимаем, что заземление должно быть.

Наши преимущества:

10

10 лет стабильной и успешной работы

500

Выполнено более 500 000 м²

₽

Почему у нас лучшая цена?

24

Минимальные сроки

100

100% контроль качества

5

5 лет гарантии на выполненные работы

1500

1500 м2 площадь собственных складских помещений

При монтаже новых линий энергоснабжения, заземление будет установлено, и владелец помещения может за этим проследить (или подключить его самостоятельно). В случае, когда вы проживаете (работаете) в уже готовом помещении, возникает вопрос: как проверить заземление? В первую очередь, надо убедиться в том, что оно у вас есть. Вне зависимости от формального соблюдения ПУЭ, это касается жизни и здоровья людей.

Общий порядок технического обследования

В основу главных подходов к проверке качества заземления заложены известные методики измерения его сопротивления растеканию тока на землю. При оценке этой величины контролю подлежат как отдельные элементы, так и контактные зоны контура заземления, который начинается от защищаемого участка и кончается точкой соприкосновения заземлителя с грунтом. В процессе проведения работ особое внимание уделяют частям конструкции заземления, имеющим непосредственный контакт с грунтом и подвергающихся повышенному коррозийному воздействию.

​

Дело в том, что в результате разрушения металла в зоне контакта снижается его электропроводность и повышается сопротивление растеканию тока. В результате этого показатели надёжности ЗУ, а также эффективность его действия заметно ухудшаются. Для проверки и оценки состояния металлических переходов отдельных элементов заземлителя используются специальные измерительные приборы (омметры). Они обеспечивают снятие показаний с допустимой погрешностью.

Обратите внимание, что указанная процедура проверки проводится, как правило, в рамках рабочих операций, предполагающих комплексное испытание заземляющих устройств на их соответствие требования ПУЭ.

Проведение проверки тесно связано с измерением протекающего в контуре тока, в соответствии с которым и рассчитывается величина нормируемого ПТЭЭП сопротивления. При необходимости это значение может снижаться путём увеличения площади контакта с землёй или изменения электрической проводимости грунта. С этой целью в конструкцию контура заземления добавляются дополнительные металлические стержни, либо повышается концентрация соли в районе его непосредственного соприкосновения с почвой.

Обследуемая заземляющая цепь считается соответствующей требованиям ПУЭ и нормам безопасности лишь в тех случаях, когда величина суммарного сопротивления всех её элементов не превышает определённого значения. На основании полученных в процессе проверки результатов представителями специальных измерительных лабораторий составляется акт о состоянии обследуемой системы и выдаётся разрешение на её дальнейшую эксплуатацию.

Проверка наличия и правильности подключения защитного заземления

Как минимум, необходимо заглянуть в распределительный щит вашей квартиры (дома, мастерской).

По умолчанию принимаем условие: электропитание однофазное. Так будет проще разобраться в материале.

В щитке должно быть три независимых входных линии:

• Фаза (как правило, обозначается проводом с коричневой изоляцией). Идентифицируется индикаторной отверткой.
• Рабочий ноль (цветовая маркировка — синяя или голубая).
• Защитное заземление (желто-зеленая изоляция).

Если электропитающий вход выполнен именно так, скорее всего, заземление у вас есть. Далее проверяем независимость рабочего ноля и защитного заземления между собой. К сожалению, некоторые электрики (даже в профессиональных бригадах), вместо заземления используют так называемое зануление. В качестве защиты используется рабочий ноль: к нему просто подсоединяется заземляющая шина. Это является нарушением Правил устройства электроустановок, использование такой схемы опасно.

Как проверить, заземление или зануление подключено в качестве защиты?

Если соединение проводов очевидно — защитное заземление отсутствует: у вас организовано зануление. Однако видимое правильное подключение еще не означает, что «земля» есть и она работает. Проверка заземления включает в себя несколько этапов. Начинаем с измерения напряжения между защитным заземлением и рабочим нулем. 

​

Фиксируем значение между нулем и фазой, и тут же проводим измерение между фазой и защитным заземлением. Если значения одинаковые — «земляная» шина имеет контакт с рабочим нулем после физического заземления. То есть, она соединена с нулевой шиной. Это запрещено ПУЭ, потребуется переделка системы подключения. Если показания отличаются друг от друга — у вас правильная «земля».

Для чего измеряется сопротивление

Проведение замеров позволяет определить величину сопротивления контура, которая не должны быть выше установленных норм. В случае необходимости, сопротивление снижается за счет увеличения площади контакта или общей проводимости среды. С этой целью увеличивается количество стержней, повышается содержание соли в земле.

Необходимо помнить, что с помощью простого заземления возможно только снижение напряжения фазы, попадающей на корпус прибора. Чтобы повысить надежность защиты, заземление нередко устанавливается вместе с устройством защитного отключения. Проектирование и подбор заземляющего устройства осуществляется в индивидуальном порядке в каждом конкретном случае. На его конструкцию оказывает влияние влажность, тип и состав почвы, а также другие факторы.

Как измерить сопротивление контура заземления

Сопротивление контура измеряется сразу же, как только жилой объект введен в эксплуатацию. В дальнейшем, подобные замеры выполняются 1 раз в год. Для измерений применяются специальные приборы, быстро и точно определяющие удельное сопротивление стержней и других металлических элементов, грунтов, в которых они установлены.

Замеры проводятся в несколько этапов:

• Вначале заземление замыкается с искусственной цепью электрического тока, в которой замеряется падение напряжения.
• Возле испытуемого стержня размещается электрод вспомогательного назначения, соединяемый с тем же источником электрического напряжения.
• Затем, с помощью измерительного зонда, в зоне нулевого потенциала, выполняются замеры падения напряжения на первом стержне. Этот метод получил наибольшее распространение.

Проведение замеров лучше всего выполнять в зимнее или летнее время. В заземляющих устройствах сопротивление может отличаться в каждом отдельном случае. Например, в частных домах его значение доходит до 30 Ом. Сами замеры выполняются с помощью 2-х, 3-х или четырехполюсной методики.

Правила замера сопротивления контура заземления:

• Для размещения потенциального зонда, замеряющего сопротивление, используется контрольный участок, расположенный между токовым вспомогательным зондом и заземлителем.
• Длина контрольного участка должна быть выше размеров полосового электрода или глубины заземляющего стержня примерно в 5 раз.
• Если сопротивление измеряется в целом комплексе заземляющей системы, то расстояние контрольного участка можно вычислить по максимальной длине диагонали, проходящей между отдельными заземляющими устройствами.

Иногда проводятся дополнительные замеры, особенно в многочисленных подземных коммуникациях. В этих случаях выполняется несколько измерительных операций, во время которых изменяются направления и расстояния лучей между зондами. Реальное значение принимается по самому худшему результату.

Существуют допустимые нормы сопротивления заземляющих устройств, которые не должны превышаться, независимо от времени года. Все максимально допустимые значения отражены в таблицах или приложениях ПУЭ.

Замер сопротивление изоляции

Для измерения изоляции применяется мегомметр. Он включает в себя несколько составных частей: генератор непрерывного тока с ручным приводом, добавочные сопротивления и магнитоэлектрический логометр.

Перед началом измерительных работ необходимо убедиться, что объект замеров обесточен и не находится под напряжением. С изоляции удаляется пыль и грязь, после чего выполняется заземление объекта примерно на 2-3 минуты. Таким образом, снимаются остаточные заряды. К оборудованию или электрической цепи подключение мегомметра осуществляется раздельными проводами. Их изоляция обладает большим сопротивлением, как правило, не меньше чем 100 мегаом.

Сопротивление изоляции замеряется, когда приборная стрелка принимает устойчивое положение. Окончательные результаты замеров сопротивления определяются по показаниям стрелки измерительного прибора. На этом проверка контура заземления считается завершенной. После этого, объект испытаний необходимо разрядить.

​

Периодичность проверки

Действующими нормативами (ПТЭЭП, в частности) устанавливается периодичность проведения обследований заземления на предмет его соответствия заданным параметрам. Указанная цикличность отражается в специально подготовленном графике планово-предупредительных работ (ППР), который утверждает ответственный за объект.

​

Помимо этого, согласно п. 2.7.9. уже рассмотренных Правил обязательны визуальные осмотры открытых частей заземления, организуемые с периодичностью не реже 1 раза в полгода. Этим же документом предусматривается и обследование устройства с выборочным вскрытием почвы в районе размещения элементов заземлителя (в этом случае испытания проводятся не реже раза за 12 лет).

Периодические измерения сопротивления устройств заземления организуются согласно приложению №3, п. 26 ПТЭЭП и различаются по типам питающих линий.

При этом возможны следующие варианты:

• в линиях с питающим напряжением до 1000 Вольт проверка заземления проводится не реже чем 1 раз за 6 лет;
• для ВЛ питания с рабочим напряжением выше 1000 Вольт такая проверка должна проводиться не реже 1 раза за 12 лет.

Важно! Оговоренные в нормативной документации сроки проверки учитываются при составлении графиков и согласуются со всеми службами, имеющими непосредственное отношение к проводимым работам.

Оформление результатов

По результатам всего комплекса проведённых испытаний составляется протокол проверки заземляющего устройства, в котором обязательно указываются измеренные параметры заземления и даются рекомендации по дальнейшей эксплуатации системы.

Необходимость в организации и проведении полного комплекса измерительных мероприятий чаще всего возникает по окончании реконструкции или ремонта всей системы заземления. В отдельных случаях проверочные испытания проводятся после обнаружения серьёзных нарушений правил эксплуатации.

Значения нормируемых показателей работоспособности таких систем (удельная проводимость грунта и сопротивление установки току растекания) при различных типах заземления нейтрали приведены в табл.36 ПТЭЭП (Приложение 3.1).

​

Систематические проверки работоспособности заземления гарантируют эффективную защиту потребителя от поражения током и обеспечивают полную безопасность эксплуатации любых видов электрооборудования.

«ИНТЕХ» — инжиниринговая компания. На нашем ресурсе air-ventilation.ru Вы можете узнать необходимую информацию и получить коммерческое предложение.

Проверку заземления реализует компания «ИНТЕХ» (Москва). Чтобы получить КП на проверку заземления, позвоните по телефону: +7(495) 146-67-66. Отправить письменную заявку Вы можете на email [email protected] или через форму заказа.

Получите коммерческое предложение на email:

Нужна консультация? Звоните:

Отзывы о компании ООО «ИНТЕХ»:

Информация, размещенная на сайте, носит ознакомительный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой.

Переодичность проверки заземления, электрофизические измерения

Электрофизические измерения – обязательный вид работ, проводимых периодически специализированными организациями в электроустановках или электрооборудовании Потребителей с целью обнаружения неисправностей или несоответствий действующим нормам и правилам, которые могут привести к несчастным случаям или возгораниям по причине неисправной электропроводки.

Заказывая услуги по монтажу систем молниезащиты и заземления в нашей компании, вы получаете профессиональное обслуживание и гарантию качественно выполненой работы. Мы проведем все необходимые испытания и измерения высококвалифицированными специалистами с использованием самого современного и точного электроизмерительного оборудования.

Виды проводимых измерений

• Измерение сопротивления заземляющего устройства и удельного сопротивления грунта;
• Измерение сопротивления заземляющего устройства;
• Измерение удельного сопротивления грунта;
• Проверка соединений заземлителей с заземляемыми элементами с измерением переходного сопротивления контактного соединения.

На основании измерений выдается технический отчет, в котором собраны протоколы по каждому проведенному измерению (установленной формы и содержания).

Периодичность проверки заземления

Наиболее подробно ознакомиться с данной информацией вы можете в самом нормативном акте: «ТКП 181-2009 (02230) Правила технической эксплуатации электроустановок потребилетей»

Периодичность электролабораторных испытаний медицинских учреждений

Принципы и методы проверки сопротивления заземления

12 августа 2014 г., Опубликовано в статьях: Вектор

Информация из Comtest

Плохое заземление способствует простоям, но отсутствие хорошего заземления также опасно и увеличивает риск отказа оборудования.

Со временем коррозионные почвы с высоким содержанием влаги и солей и высокими температурами могут разрушить заземляющие стержни и их соединения.Таким образом, хотя система заземления имела низкие значения сопротивления заземления при первоначальной установке, сопротивление системы заземления может увеличиваться, если стержни заземления корродируют.

— незаменимые инструменты для поиска и устранения неисправностей, помогающие поддерживать время безотказной работы. Рекомендуется проверять все заземления и заземляющие соединения не реже одного раза в год в рамках вашего обычного плана профилактического обслуживания. Если во время этих периодических проверок будет измерено увеличение сопротивления более чем на 20%, техник должен исследовать источник проблемы и внести коррекцию, чтобы снизить сопротивление, заменив или добавив заземляющие стержни в систему заземления.

Что такое земля?

Статья 100 Национального электротехнического кодекса США (NEC) определяет заземление как «проводящее соединение, намеренное или случайное, между электрической цепью или оборудованием и землей или с некоторым проводящим телом, которое служит вместо земли».

Заземление фактически включает в себя два разных предмета: заземление и заземление оборудования. Заземление — это намеренное соединение проводника цепи, обычно нейтрального, с заземляющим электродом, помещенным в землю.Заземление оборудования обеспечивает правильное заземление работающего оборудования внутри конструкции.

Эти две системы заземления должны быть разделены, за исключением соединений между двумя системами. Это предотвращает разность потенциалов напряжения из-за возможного пробоя при ударах молнии. Цель заземления — обеспечить безопасный путь для рассеивания токов короткого замыкания, ударов молний, ​​статических разрядов, сигналов EMI и RFI и помех.

Национальное агентство противопожарной защиты США (NFPA) и Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) рекомендуют значение сопротивления заземления 5 или меньше.Целью сопротивления заземления является достижение минимально возможного значения сопротивления заземления, которое имеет смысл с экономической и физической точек зрения.

Что влияет на сопротивление заземления?

На сопротивление заземления системы заземления влияют четыре переменных: длина или глубина заземляющего электрода; диаметр заземляющего электрода; количество заземляющих электродов и конструкция системы заземления.

Длина / глубина заземляющего электрода

Установка заземляющих электродов глубже — очень эффективный способ снизить сопротивление заземления.Почва непостоянна по своему удельному сопротивлению и может быть непредсказуемой. Уровень сопротивления обычно можно снизить еще на 40%, удвоив длину заземляющего электрода. Иногда невозможно загнать заземляющие стержни глубже — например, в области, состоящие из горных пород. В этих случаях жизнеспособны альтернативные методы, включая цементное заземление.

Диаметр заземляющего электрода

Увеличение диаметра заземляющего электрода очень мало влияет на снижение сопротивления.Например, вы можете удвоить диаметр заземляющего электрода, и ваше сопротивление уменьшится только на 10%.

Количество заземляющих электродов

Использование нескольких заземляющих электродов — еще один способ снизить сопротивление заземления. Более одного электрода вбивают в землю и подключают параллельно, чтобы снизить сопротивление. Чтобы дополнительные электроды были эффективными, расстояние между дополнительными стержнями должно быть как минимум равным глубине ведомого стержня.

Сферы влияния заземляющих электродов будут пересекаться, и сопротивление не будет уменьшено без надлежащего расстояния.В таблице 1 представлены различные сопротивления заземления, которые можно использовать в качестве практического правила.

Проектирование наземной системы

Простые системы заземления состоят из одного заземляющего электрода, вбитого в землю.Использование одного заземляющего электрода является наиболее распространенной формой заземления. Сложные системы заземления состоят из нескольких заземляющих стержней, связанных, ячеистых или сетевых сетей, пластин заземления и контуров заземления.

Эти системы обычно устанавливаются на электростанциях, в центральных офисах и на вышках сотовой связи. Сложные сети значительно увеличивают контакт с окружающей землей и снижают сопротивление земли.

Измерение удельного сопротивления грунта

Удельное сопротивление почвы необходимо при определении конструкции системы заземления для новых установок (применение с нуля) для удовлетворения ваших требований к сопротивлению заземления.В идеале вы должны найти место с минимально возможным сопротивлением. Плохие почвенные условия можно преодолеть с помощью более сложных систем заземления. Состав почвы, влажность и температура — все это влияет на удельное сопротивление почвы. Почва редко бывает однородной, и ее удельное сопротивление будет варьироваться географически и на разных глубинах. Влагосодержание меняется в зависимости от сезона, в зависимости от характера подслоев земли и глубины постоянного уровня грунтовых вод. Рекомендуется размещать заземляющие стержни как можно глубже в земле, поскольку почва и вода обычно более устойчивы на более глубоких пластах.

Расчет удельного сопротивления грунта

В описанной здесь процедуре измерения используется метод Веннера и формула:

ρ = 2 π A R

где:

ρ = среднее удельное сопротивление грунта на глубине A в: Ом-см.

π = 3,1416.

A = расстояние между электродами в см.

R = измеренное значение сопротивления в Ом на измерительном приборе.

Измерение сопротивления почвы

Для проверки удельного сопротивления грунта подключите тестер заземления, как показано на рис. 1. Четыре стержня заземления расположены в грунте по прямой линии на равном расстоянии друг от друга. Расстояние между земляными кольями должно быть не менее чем в три раза больше глубины столба. Тестер заземления Fluke1625 генерирует известный ток через два внешних стержня заземления, а падение потенциала измеряется между двумя внутренними стержнями заземления.Тестер автоматически рассчитывает сопротивление почвы по закону Ома ( В = IR ).

Рис. 1: Пути тока испытания в бесстоечном методе.

Дополнительные измерения, когда оси кола повернуты на 90 °, всегда рекомендуются, потому что результаты измерений часто искажаются и недействительны из-за подземного металла, подземных водоносных горизонтов и т. Д.

Производится профиль, который может определять подходящую систему сопротивления заземления, изменяя глубину и расстояние несколько раз.Измерения удельного сопротивления почвы часто искажаются наличием токов заземления и их гармоник.

Измерение падения потенциала

Метод испытания падения потенциала используется для измерения способности системы заземления или отдельного электрода рассеивать энергию от объекта. Требуемый заземляющий электрод должен быть отключен. Затем тестер подключается к заземляющему электроду. Затем два заземляющих стержня помещаются в почву на прямой линии — вдали от заземляющего электрода для проверки 3-полюсного падения потенциала.Обычно достаточно расстояния 20 м.

Размещение ставок

Важно, чтобы зонд был размещен вне сферы влияния тестируемого заземляющего электрода и вспомогательного заземления для достижения наивысшей степени точности при выполнении 3-полюсного испытания сопротивления заземления, в противном случае эффективные области сопротивления будут перекрываться и недействительны. любые замеры.

Таблица 2 представляет собой руководство по настройке датчика (внутренний стержень) и вспомогательного заземления (внешний стержень).Переместите внутренний стержень (зонд) на 1 м в любом направлении и проведите новое измерение, чтобы проверить точность результатов и убедиться, что стержни земли находятся вне сфер воздействия. Если есть значительное изменение показаний (30%), вам следует увеличить расстояние между тестируемым стержнем заземления, внутренним стержнем (датчиком) и внешним стержнем (вспомогательным заземлением) до тех пор, пока измеренные значения не останутся достаточно постоянными при изменении положения внутренний кол (зонд).

Измерение без ставок

Тестер заземления Fluke 1625 может измерять сопротивление контура заземления для многозаземленных систем, используя только токовые клещи.Этот метод тестирования исключает опасный этап отключения параллельных заземлений, а также процесс поиска подходящих мест для дополнительных заземляющих стержней.

Вы также можете выполнять наземные испытания в местах, о которых вы раньше не думали: внутри зданий, на опорах электропередач или в любом месте, где нет доступа к грунту.

В этом методе тестирования два зажима помещаются вокруг стержня заземления или соединительного кабеля, и каждый из них подключается к тестеру (см. Рис. 2).Земляные колья вообще не используются. Известное напряжение индуцируется одним зажимом, а ток измеряется вторым зажимом. Тестер автоматически определяет сопротивление контура заземления на этом стержне заземления. Если есть только один путь к заземлению, метод бесстойки не даст приемлемого значения, и необходимо использовать метод проверки падения потенциала. Тестер заземления работает по принципу, что в параллельных / многозаземленных системах сеть сопротивление всех путей заземления будет чрезвычайно низким по сравнению с любым одиночным трактом (тестируемым).Таким образом, полное сопротивление всех сопротивлений параллельного обратного пути фактически равно нулю. Бесстоечное измерение измеряет только сопротивление отдельных заземляющих стержней параллельно системам заземления. Если система заземления не параллельна земле, вы либо будете иметь разомкнутую цепь, либо будете измерять сопротивление контура заземления.

Рис. 2: Настройка для бесстержневого метода.

Измерения сопротивления заземления

При попытке рассчитать возможные токи короткого замыкания на электростанциях и в других ситуациях, связанных с высоким напряжением / током, важно определить комплексное полное сопротивление заземления, поскольку полное сопротивление будет состоять из индуктивных и емкостных элементов.Поскольку в большинстве случаев индуктивность и удельное сопротивление известны, фактическое сопротивление можно определить с помощью сложных вычислений.

Поскольку импеданс зависит от частоты, Fluke 1625 использует сигнал 55 Гц для этого расчета, чтобы максимально приблизить его к рабочей частоте напряжения. Это гарантирует, что измерение будет близко к значению на истинной рабочей частоте. Специалистов по электроснабжению, тестирующих высоковольтные линии электропередачи, интересуют две вещи: сопротивление земли в случае удара молнии и полное сопротивление всей системы в случае короткого замыкания в определенной точке линии.Короткое замыкание в данном случае означает, что активный провод вырывается и касается металлической сетки башни.

В центральных офисах

При проведении аудита заземления центрального офиса требуются три различных измерения.

Перед тестированием найдите главную шину заземления (MGB) в центральном офисе, чтобы определить тип системы заземления. MGB будет иметь заземляющие провода, подключенные к многозаземленной нейтрали (MGN) или входящей сети, полю заземления, водопроводной трубе и конструкционной или строительной стали (см.Рис.3).

Рис. 3: План типичного центрального офиса.

Во-первых, проведите бесстоечный тест на всех отдельных основаниях, исходящих от MGB (см. Рис. 4). Цель состоит в том, чтобы убедиться, что все заземления подключены, особенно MGN. Важно отметить, что вы измеряете не индивидуальное сопротивление, а сопротивление контура того, что вы зажимаете. Подключите тестер заземления, а также индукционные и чувствительные зажимы, которые размещены вокруг каждого соединения для измерения сопротивления контура MGN, поля заземления, водопровода и строительной стали.Во-вторых, выполните 3-полюсное испытание падения потенциала всей системы заземления, подключенной к MGB (см. Рис. 5). Чтобы добраться до удаленной земли, многие телефонные компании используют неиспользуемые кабельные пары, выходящие на расстояние до мили. Запишите измерение и повторяйте этот тест не реже одного раза в год.

Рис. 4: Безэкранное тестирование центрального офиса.

В-третьих, измерьте отдельные сопротивления системы заземления с помощью выборочного теста тестера заземления (см. Рис. 6). Подключаем тестер.Измерьте сопротивление МГН; значение — это сопротивление этой конкретной ветви МГБ. Затем измерьте поле земли. Это показание представляет собой фактическое значение сопротивления заземляющего поля центрального офиса.

Рис. 5: Выполните 3-полюсное испытание падения потенциала всей системы заземления.

Теперь перейдите к водопроводной трубе и повторите процедуру для сопротивления строительной стали. Вы можете легко проверить точность этих измерений с помощью закона Ома. Сопротивление отдельных ветвей при расчете должно равняться сопротивлению всей данной системы (допускать разумную ошибку, поскольку все элементы заземления не могут быть измерены).

Рис. 6: Измерьте отдельные сопротивления системы заземления с помощью выборочного теста.

Эти методы испытаний обеспечивают наиболее точное измерение центральных офисов, поскольку они дают вам индивидуальные сопротивления и их фактическое поведение в системе заземления. Несмотря на то, что измерения точны, измерения не покажут, как система ведет себя как сеть, потому что в случае удара молнии или тока короткого замыкания все подключено.

Дополнительные испытания

Сначала выполните 3-полюсный тест на падение потенциала на каждой ножке MGB и запишите каждое измерение.Снова используя закон Ома, эти измерения должны быть равны сопротивлению всей системы. Из расчетов вы увидите, что ваша общая стоимость составляет от 20 до 30% от общей стоимости R _E .

Наконец, измерьте сопротивление различных ветвей MGB с помощью селективного бесштыревого метода.Он работает как метод без стоек, но отличается тем, как мы используем два отдельных зажима. Мы размещаем зажим индуцирующего напряжения вокруг кабеля, идущего к MGB, и, поскольку MGB подключен к входящей мощности, которая параллельна системе заземления, мы выполнили это требование.

Поместите измерительный зажим вокруг кабеля заземления, ведущего к полю заземления. Когда мы измеряем сопротивление, это фактическое сопротивление поля земли плюс параллельный путь MGB.Поскольку сопротивление должно быть очень низким, оно не должно реально влиять на измеряемые показания. Этот процесс можно повторить для других опор заземляющего стержня, таких как водопроводная труба или конструкционная сталь. Чтобы измерить MGB бесстержневым селективным методом, поместите зажим индуцирующего напряжения вокруг линии к водопроводу (так как медная водопроводная труба должна иметь очень низкое сопротивление), и ваши показания будут сопротивлением только для MGN.

Свяжитесь с Герритом Барнардом, Comtest, тел. 011 608-8520, gbarnard @ comtest.co.za

Статьи по теме

Проверка импеданса заземляющего электрода для зданий

предлагает тестеры заземления Fluke Geo. Большинство предприятий имеют заземленные электрические системы, так что в случае удара молнии или перенапряжения в электросети ток найдет безопасный путь к земле.Заземляющий электрод обеспечивает контакт между электрической системой и землей. Чтобы обеспечить надежное соединение с землей, в электротехнических правилах, технических стандартах и ​​местных стандартах часто указывается минимальное сопротивление заземляющего электрода. Международная ассоциация электрических испытаний предписывает проводить испытания заземляющего электрода каждые три года для системы в хорошем состоянии со средними требованиями к безотказной работе.

В этой инструкции по применению более подробно объясняются принципы заземления и безопасности, а затем описываются основные методы тестирования: 3- и 4-полюсное испытание на падение потенциала, выборочное испытание, испытание без стоек и 2-полюсное испытание.

Почему заземление?

Национальный электротехнический кодекс США (NEC) указывает две основные причины для заземления объекта.

• Стабилизируйте напряжение относительно земли во время нормальной работы.
• Ограничьте рост напряжения, вызванный молнией, скачками напряжения в сети или непреднамеренным контактом с линиями высокого напряжения.

Ток всегда найдет путь с наименьшим сопротивлением и вернется к своему источнику, будь то сетевой трансформатор, трансформатор внутри объекта или генератор.Между тем молния всегда найдет способ добраться до земли.

В случае удара молнии на линиях электроснабжения или в любом месте в непосредственной близости от здания заземляющий электрод с низким сопротивлением поможет передать энергию в землю. Системы заземления и соединения соединяют землю возле здания с электрической системой и строительной сталью. При ударе молнии объект будет иметь примерно такой же потенциал. Сохраняя низкий градиент потенциала, ущерб сводится к минимуму.

Если линия среднего напряжения (более 1000 В) вступает в контакт с линией низкого напряжения, на близлежащих объектах может возникнуть резкое перенапряжение. Электрод с низким импедансом поможет ограничить рост напряжения на объекте. Заземление с низким импедансом также может обеспечить обратный путь для переходных процессов, генерируемых электросетью.

Сопротивление заземляющего электрода

Импеданс заземляющего электрода на землю зависит от двух факторов: удельного сопротивления окружающей земли и структуры электрода.

Удельное сопротивление — это свойство любого материала, которое определяет способность материала проводить ток. Удельное сопротивление земли сложно, потому что оно:

• Зависит от состава почвы (например, глина, гравий и песок)
• Может меняться даже на небольших расстояниях из-за смеси различных материалов
• Зависит от минерала (например, содержание соли)
• Зависит от сжатия и может меняться со временем из-за оседания
• Изменяется в зависимости от температуры, замерзания (и, следовательно, от времени года).Удельное сопротивление увеличивается с понижением температуры.
• Может быть вызвано заглубленными металлическими резервуарами, трубами, арматурой и т. Д.
• Зависит от глубины, обычно уменьшается с глубиной

Поскольку удельное сопротивление имеет тенденцию уменьшаться с глубиной, один из способов уменьшить сопротивление заземления — это запустить электрод Глубже. Использование массива стержней, токопроводящего кольца или сетки — другие распространенные способы увеличения эффективной площади электрода. Чтобы быть наиболее эффективными, несколько стержней должны находиться вне «зон влияния» друг друга.Практическое правило — разделять элементы больше, чем их длина. Например: 8-футовые стержни должны быть расположены на расстоянии более 8 футов друг от друга, чтобы быть наиболее эффективными. NEC определяет 25 Ом в качестве допустимого предела для импеданса электрода. Стандарт IEEE Standard 142 «Рекомендуемая практика заземления промышленных и коммерческих систем питания» («Зеленая книга») предлагает сопротивление между основным заземляющим электродом и землей от 1 до 5 Ом для крупных коммерческих или промышленных систем.

Местные органы власти, включая уполномоченный орган (AHJ), и руководители предприятий несут ответственность за определение допустимых пределов импеданса заземляющего электрода.

Примечание. Системы распределения питания выдают переменный ток, а тестеры заземления используют переменный ток для тестирования. Можно подумать, мы будем говорить об импедансе, а не об сопротивлении. Однако на частотах линий электропередачи резистивная составляющая полного сопротивления земли обычно намного больше, чем реактивная составляющая, поэтому вы увидите, что термины импеданс и сопротивление используются почти как взаимозаменяемые.

Для получения подробных описаний: 3- и 4-полюсного испытания на падение потенциала, выборочного испытания, бесстоечного испытания и 2-полюсного испытания см. Как использовать тестеры кабеля и заземления на полюсах (.pdf).

Ответы на часто задаваемые вопросы

Набор для проверки сопротивления заземления с проводами и аксессуарами. Фотография: AEMC

В системах распределения электроэнергии провод защитного заземления является важной частью системы защитного заземления. Для целей измерения Земля служит в некоторой степени постоянным эталоном потенциала, относительно которого могут быть измерены другие потенциалы.

Знание того, как правильно проверить систему электрического заземления, необходимо для обеспечения того, чтобы она имела соответствующую пропускную способность по току, чтобы служить адекватным опорным уровнем нулевого напряжения.

В этой статье мы рассмотрим часто задаваемые вопросы техников-испытателей и стажеров, связанные с методами проверки сопротивления заземления.

1. В чем разница между двухточечным, трехточечным и четырехточечным тестом сопротивления заземления?

Наземные испытания названы по количеству точек, контактирующих с почвой. Обычно используемые термины относятся к мертвой земле, падению потенциала и испытаниям по методу Веннера.

1. Мертвая земля (двухточечная): В методе мертвой земли контакт осуществляется только в двух точках: тестируемый заземляющий электрод и удобное опорное заземление, такое как система водопровода или металлический столбик ограждения.
2. Падение потенциала (трехточечное): В методе падения потенциала контакт устанавливается на тестируемом заземляющем электроде, в то время как датчики тока и потенциала контактируют с почвой на заданных расстояниях в процедуре испытания.
3. Метод Веннера (четырехточечный): При использовании метода Веннера заземляющий электрод не используется, а вместо этого можно измерить независимые электрические свойства почвы с помощью четырехзондового устройства и общепризнанной стандартной процедуры.Этот тест также известен как сопротивление почвы.

Связанный: 4 Важные методы проверки сопротивления заземления

2. Как часто следует проверять системы заземления?

Погодные условия и времена года имеют наибольшее влияние на наземные системы. Большинство стандартов рекомендуют проводить тестирование с нечетными интервалами в 5, 7 или 9 месяцев. Использование нечетных интервалов обеспечивает выявление худших сезонов.

3. Какое значение сопротивления заземления считается приемлемым?

Целью тестирования сопротивления заземления является достижение минимально возможного значения сопротивления заземления.Наиболее широко применяемая спецификация заземления содержится в Национальном электротехническом кодексе, который определяет, что жилые заземления должны иметь сопротивление 25 Ом или меньше.

В некоторых спецификациях может требоваться более низкое сопротивление, например, указанное инженером, клиентом или производителем оборудования. NFPA и IEEE рекомендуют значение сопротивления заземления не более 5 Ом. Для компьютеров, генерирующих станций и оборудования управления технологическим процессом может потребоваться всего 1 или 2 Ом.

4. Как дождь влияет на испытание сопротивления заземления?

Повышенная влажность от дождя растворяет соли в почве и способствует дополнительной проводимости, что приводит к снижению сопротивления.Если перед тестом прошел сильный дождь и электрод едва соответствует требованиям, велика вероятность, что он не пройдет, когда почва высохнет.

5. Насколько глубоко мне следует загнать тестовые датчики?

Распространено заблуждение, что установка пробников на большую глубину улучшит показания сопротивления заземления. Тестовые зонды должны иметь минимальный контакт с почвой, что можно получить, наблюдая за дисплеем тестового набора.

При использовании наборов сопротивления заземлению с высоким допуском сопротивления может даже не потребоваться проникновение в поверхность, чтобы соответствовать пороговому допуску.Часто бывает достаточно просто положить зонды на плоскую поверхность и полить поверхность.

6. Влияет ли полив зонда заземления для улучшения контакта на результат моего теста?

Полив щупа для проверки сопротивления заземления — это специальное средство улучшения контакта, подобное шлифованию электрода перед его подключением к цепи. Этот метод не должен повлиять на ваше окончательное чтение, если между электродами будет достаточно расстояния при поливе.

7.Можно ли выполнить испытание на сопротивление заземления на бетоне или щебне?

Поскольку бетон достаточно хорошо проводит ток, есть вероятность, что вам нужно только положить зонды на поверхность и намочить область, чтобы установить контакт. Макадам, с другой стороны, ведет себя не так хорошо, как бетон из-за содержания смолы, но может быть достигнут достаточный контакт.

Если у вас возникли проблемы с получением показаний сопротивления заземления с помощью датчиков, поставляемых с вашим испытательным набором, попробуйте использовать коврик для заземления, сделанный из гибкой металлизированной токопроводящей площадки, такой как кусок листового металла.

8. Что я могу сделать, если у меня недостаточно места для выхода моих тестовых проводов?

Если недостаточно места, чтобы растянуть ваши выводы для падения потенциального тестирования, вам придется попробовать другой метод, обратитесь к процедурам тестирования, описанным в стандарте IEEE № 81. Наиболее часто используемой процедурой, используемой в этой ситуации, будет звездочка -Дельта метод.

Метод звезда-треугольник представляет собой адаптацию метода двух точек. Измерительные щупы располагаются в виде довольно близкого треугольника вокруг испытуемой земли, и между двумя различными точками (например, от щупа к земле и от щупа к щупу) проводится серия измерений.Затем значения обрабатываются по серии специально разработанных уравнений, чтобы получить показание сопротивления заземления.

9. Могу ли я проверить заземленные стержни в песчаной или каменистой почве?

Можно проверить заземляющие стержни, вбитые в песчаный или каменистый грунт, хотя его сложнее проверить, потому что влага, которая способствует электрической проводимости, быстро уходит. Каменистые почвы особенно имеют плохую общую консистенцию и меньший контакт с поверхностью электродов из-за больших пространств между каждым элементом.Во многих случаях могут потребоваться более длинные и более прочные зонды, чтобы обеспечить хороший контакт с почвой.

10. Можно ли использовать тестер изоляции (мегомметр) или мультиметр для проверки сопротивления заземления?

№ Тестеры сопротивления изоляции предназначены для измерения высоких уровней сопротивления и могут выдавать высокое напряжение. Тестеры заземления предназначены для измерения низкого сопротивления и ограничены низким напряжением для безопасности оператора.

Связано: Испытательное оборудование 101: Основы электрических испытаний

С помощью мультиметра можно измерить сопротивление почвы между заземляющим электродом и произвольной контрольной точкой (напр.система водопровода), но в реальной ситуации токи замыкания на землю могут иметь более высокое сопротивление.

Измерения, выполненные с помощью мультиметра постоянного тока или тестера изоляции, подвержены искажениям из-за электрических шумов в почве. Наборы для испытания сопротивления заземления специально разработаны для обеспечения недостаточных условий испытаний.

Список литературы

Комментарии

Проверка сопротивления заземления может улучшить время безотказной работы

Автор: Джит Патель

Электрические системы должны быть заземлены, чтобы в случае удара молнии или перенапряжения в сети ток нашел безопасный путь к земле. Заземляющий электрод обеспечивает контакт между электрической системой и землей. Чтобы обеспечить надежное соединение с землей, в электротехнических правилах, технических стандартах и ​​местных стандартах часто указывается минимальное сопротивление заземляющего электрода.

Плохое заземление может привести к простоям в электрических, кабельных и телекоммуникационных сетях. Кроме того, отсутствие хорошего заземления опасно и увеличивает риск выхода оборудования из строя. Без эффективной системы заземления мы могли бы подвергнуться риску поражения электрическим током, не говоря уже о приборных ошибках, проблемах гармонических искажений, проблемах с коэффициентом мощности и множестве возможных прерывистых дилемм. Если токи короткого замыкания не имеют пути к земле через правильно спроектированную и обслуживаемую систему заземления, они обнаружат непредусмотренные пути, которые могут затронуть людей.

Из-за важности заземления Международная ассоциация электротехнических испытаний предписывает проводить испытания заземляющих электродов каждые три года для системы в хорошем состоянии со средним временем безотказной работы. Кроме того, у этих организаций есть рекомендации и / или стандарты по заземлению для обеспечения безопасности:

• OSHA (Управление по охране труда)
• NFPA (Национальная ассоциация противопожарной защиты)
• ANSI / ISA (Американский национальный институт стандартов и приборное общество Америка)
• TIA (Ассоциация телекоммуникационной индустрии)
• IEC (Intl.Электротехническая комиссия)
• CENELEC (Европейский комитет по электротехнической стандартизации)
• IEEE (Институт инженеров по электротехнике и электронике)

Зачем тестировать системы заземления?

Со временем коррозионные почвы с высоким содержанием влаги, высоким содержанием соли и высокими температурами могут разрушить заземляющие стержни и их соединения. Таким образом, хотя система заземления при первоначальной установке имела низкие значения сопротивления заземления, сопротивление системы заземления может увеличиться, если заземляющие стержни проржавели.

Тестеры заземления — незаменимые инструменты для поиска и устранения неисправностей, помогающие поддерживать время безотказной работы. С неприятными, периодически возникающими электрическими проблемами проблема может быть связана с плохим заземлением или плохим качеством электроэнергии.

Вот почему настоятельно рекомендуется проверять все заземления и заземляющие соединения не реже одного раза в год в рамках обычного плана профилактического обслуживания. Если во время этих периодических проверок измеряется увеличение сопротивления более чем на 20 процентов, техник должен исследовать источник проблемы и внести коррекцию, чтобы снизить сопротивление, заменив или добавив заземляющие стержни в систему заземления.

Почему заземление?

Национальный электротехнический кодекс США (NEC) указывает две основные причины для заземления объекта:

• Стабилизируйте напряжение относительно земли во время нормальной работы.
• Ограничьте рост напряжения, вызванный молнией, скачками напряжения в сети или непреднамеренным контактом с линиями высокого напряжения.

Ток всегда найдет путь с наименьшим сопротивлением и вернется к своему источнику, будь то сетевой трансформатор, трансформатор на объекте или генератор.Между тем молния всегда найдет способ добраться до земли.

В случае удара молнии в линии электропередач или в любом месте рядом со зданием заземляющий электрод с низким сопротивлением поможет передать энергию в землю. Системы заземления и соединения соединяют землю возле здания с электрической системой и строительной сталью. При ударе молнии объект будет иметь примерно такой же потенциал. Сохраняя низкий градиент потенциала, ущерб сводится к минимуму.

Если линия среднего напряжения (более 1000 В) вступает в контакт с линией низкого напряжения, на близлежащих объектах может возникнуть резкое перенапряжение.Электрод с низким импедансом поможет ограничить рост напряжения на объекте.

Заземление с низким импедансом также может обеспечить обратный путь для переходных процессов, генерируемых электросетью.

Тестеры заземления и принцип их работы

Существует два типа тестеров сопротивления заземления: трех- и четырехточечные тестеры заземления и зажимные тестеры заземления. Оба типа подают напряжение на электрод и измеряют результирующий ток.

Трехполюсный или четырехполюсный тестер заземления сочетает в себе источник тока и измерение напряжения в «коробке для завтрака» или в упаковке в стиле мультиметра.Они используют несколько кольев и / или зажимов. Тестеры заземления имеют следующие характеристики:

• Испытательный ток переменного тока. Земля плохо проводит постоянный ток.
• Испытательная частота, близкая к промышленной частоте и ее гармоникам, но отличимая от нее. Это предотвращает влияние паразитных токов на измерения импеданса заземления.
• Отдельные источник и измерительные выводы для компенсации длинных проводов, используемых при этом измерении.
• Входная фильтрация, предназначенная для улавливания собственного сигнала и подавления всех остальных.

Бесстоечные измерения

Зажимные тестеры заземления отличаются тем, что они имеют как истоковый трансформатор, так и измерительный трансформатор. Исходный трансформатор подает напряжение на тестируемый контур, а измерительный трансформатор измеряет результирующий ток. Тестер заземления использует расширенную фильтрацию для распознавания собственного сигнала и отсеивания всех остальных.

В качестве примера, клещи заземления Fluke 1630-2 FC могут измерять сопротивление контура заземления для многозаземленных систем с использованием метода измерения без опор.Этот метод тестирования исключает опасные и трудоемкие операции по отключению параллельных заземлений, а также процесс поиска подходящих мест для дополнительных заземляющих стержней. Земные наземные испытания также можно проводить в местах, которые не рассматривались: внутри зданий, на опорах электропередач или в любом месте, где нет доступа к почве.

В этом методе испытаний зажим заземления помещается вокруг стержня заземления или соединительного кабеля. Столбы заземления не используются. Известное напряжение индуцируется одной стороной зажимной губки, а ток измеряется другой стороной зажимной губки.Зажим автоматически определяет сопротивление контура заземления на этом стержне заземления. Этот метод особенно полезен для многозаземленных систем, обычно используемых на коммунальных предприятиях, коммерческих объектах или промышленных предприятиях.

Fluke 1630-2 FC работает по принципу, согласно которому в параллельных / многозаземленных системах общее сопротивление всех путей заземления будет чрезвычайно низким по сравнению с любым одиночным трактом (тестируемым). Таким образом, полное сопротивление всех сопротивлений параллельного обратного пути фактически равно нулю.Бесстоечное измерение измеряет только сопротивление отдельных заземляющих стержней параллельно системам заземления. Если система заземления не параллельна земле, то вы либо имеете разомкнутую цепь, либо измеряете сопротивление контура заземления.

Безопасность при наземных испытаниях

При подключении всегда используйте изолированные перчатки, защиту для глаз и другие соответствующие средства индивидуальной защиты. Небезопасно предполагать, что заземляющий электрод имеет нулевое напряжение или нулевой ток.Чтобы выполнить базовое испытание заземления (называемое падением потенциала) на электроде, электрод необходимо отсоединить от здания. Новые методы, такие как заземляющие зажимы, позволяют проводить точные испытания с подключенным электродом.

Что такое хорошее значение сопротивления заземления?

Существует неясность в отношении того, что является хорошим заземлением и каким должно быть значение сопротивления заземления. В идеале заземление должно иметь нулевое сопротивление.

Не существует единого стандартного порога сопротивления заземления, признанного всеми агентствами.Однако NFPA и IEEE рекомендуют значение сопротивления заземления 5,0 Ом или меньше.

NEC заявила: «Убедитесь, что полное сопротивление системы относительно земли меньше 25 Ом, указанного в NEC 250.56. В помещениях с чувствительным оборудованием оно должно быть 5,0 Ом или меньше ».

В телекоммуникационной отрасли часто используется номинальное сопротивление 5,0 Ом или меньше для заземления и соединения.

Целью сопротивления заземления является достижение минимально возможного значения сопротивления заземления, которое имеет смысл с экономической и физической точек зрения.

Об авторе: Джит Патель — менеджер по продукции для электротехнической продукции в Fluke Corp. Он имеет степень бакалавра наук в Университете Вулверхэмптона и проработал в компании Fluke последние 20 лет, начиная с должности инженера технической поддержки из г. Соединенное Королевство.

Еще Вспомогательные продукты Статьи в текущем выпуске
Еще Вспомогательные продукты Архивные статьи

Использование заземления для управления электромагнитными помехами

Медицинское оборудование и диагностическая промышленность Журнал | Указатель статей MDDI

Первоначально опубликовано в августе 1996 г.

Уильям Д.Киммел и Дэрил Д. Герке

Электромагнитная совместимость является важным фактором при проектировании и эксплуатации современного сложного медицинского электронного оборудования, особенно по мере распространения портативных систем. Электронные устройства могут как излучать, так и быть поврежденными электромагнитными помехами (EMI), поэтому их необходимо защищать от вредного воздействия. Также необходимо решить вопросы безопасности пациента и оператора. В предыдущих статьях рассматривались такие средства обеспечения контроля электромагнитных помех, как фильтрация, экранирование кабелей и экранирование корпуса (MD&DI, февраль, июль и ноябрь 1995 г., соответственно).Эта статья посвящена заземлению.

Возможно, ни одна тема в электронике не понимается так неправильно, как заземление, которое обычно вызывает образ длинной косы, змеящейся к столбу заземления, вставленному в бетонный пол. Как ясно из следующего обсуждения, заземление не является существенным для контроля электромагнитных помех и почти никогда не требуется. В подавляющем большинстве приложений медицинской электроники хорошее заземление включает в себя получение обратного пути с достаточно низким импедансом для наивысшей интересующей частоты помех.Если бы можно было достичь нулевого импеданса, все остальные проблемы с заземлением потеряли бы смысл. Поскольку это не так, разработчикам устройств необходимо искать способы максимизировать эффективность оснований, которые могут быть реализованы.

ЧТО ТАКОЕ ЗЕМЛЯ?

Короче говоря, земля — ​​это обратный путь для тока. Его цель — замкнуть токовую петлю, а не увести ее в землю. Если ток помехи успешно отведен на землю, он просто выйдет в другом месте, чтобы вернуться к своему источнику.Единственный раз, когда необходимо заземление, это для молнии.

Путаница возникает из-за того, что термин «земля» используется для множества приложений и означает разные вещи для разных людей. Например, инженеры-производственники рассматривают землю как отражение ударов молнии. В этом случае заземление должно выдерживать токи до 100 000 А в течение нескольких миллисекунд. Поскольку время нарастания примерно в 1 микросекунду создает значительные частотные составляющие Фурье вплоть до примерно 300 кГц, индуктивность может стать серьезной проблемой.Напротив, электрики рассматривают землю как обратный путь для токов короткого замыкания, которые могут составлять десятки или сотни ампер при 50 или 60 Гц. На этом уровне частоты индуктивность не важна, поэтому длина провода 4/0, подключенного к ближайшему строительному сталелитейному заводу, очень хороша — заземление может присутствовать, но не требуется для электробезопасности.

Эти два случая являются наиболее распространенными применениями заземления, но требования к заземлению для контроля электромагнитных помех в приложениях для медицинских устройств сильно различаются.EMI может охватывать очень широкий диапазон: токи от микроампер до ампер и частоты от постоянного тока до дневного света. Продолжительность события может варьироваться от наносекунд в случае переходного процесса до лет в случае непрерывной волны. Для конкретного случая электростатического разряда (ESD) переходные процессы измеряются в наносекундах (что дает частотные составляющие Фурье до 300 МГц), а токи находятся в диапазоне до 10 А или даже выше. Частота фронтов и величины тока таковы, что значительный скачок напряжения будет происходить даже на самой маленькой длине провода или дорожки на печатной плате.Однако в любом случае разработчики устройств должны обеспечивать возможность возврата мешающего тока к своему источнику, и это редко связано с заземлением.

ЗАЗЕМЛЕНИЯ И ОДНОТОЧЕЧНЫЕ ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Когда возникает проблема с заземлением, инженеры-проектировщики неизбежно обращаются к контурам заземления и одноточечным заземлениям. Что означают эти термины и когда используются подходящие методы?

Контур заземления существует всякий раз, когда между двумя точками существует более одного токопроводящего пути.Это условие позволяет токам помех смешиваться с токами сигналов, что может привести к помехам заземления. На рисунке 1 (а) показаны эффекты контура заземления, когда токи паразитных помех делятся и протекают через заземление сигнала. Эта проблема может быть устранена за счет заземления с нулевым сопротивлением. При отсутствии такого заземления можно предусмотреть отдельные заземляющие пути. Как показано на рисунке 1 (b), разорвав контур заземления, разработчик устройства создал одноточечное заземление. Потребность в одноточечном заземлении возникла в телефонии, где было практически невозможно получить достаточно низкие импедансы, чтобы предотвратить появление гула от частот линий электропередач, и этот метод все еще полезен в ряде низкоуровневых низкочастотных аналоговые приложения.

Однако одноточечное заземление не подходит для работы с более высокими частотами, которые встречаются в современных вычислительных устройствах. На рис. 2 показано влияние стоячей волны на экран кабеля, который был заземлен на корпус в одной точке. Если на экран воздействуют падающие помехи с частотой 150 МГц (популярная частота наземной мобильной радиосвязи) с длиной волны 2 м, кабель, который здесь представлен как имеющий 1/4 длины волны частоты помехи, или 0.5 м, будет действовать как эффективная антенна с напряжением стоячей волны на экране, как показано на рисунке. В непосредственной близости от заземляющего соединения напряжение экрана близко к нулю, но на незаземленном конце напряжение максимальное, а паразитная емкость обеспечивает достаточную связь с сигнальными линиями.

Фундаментальное предположение, лежащее в основе принципа одноточечного заземления, заключается в том, что скорость света бесконечна. Каждый раз, когда дизайнерам нужно учитывать скорость света, особенно при компьютерных скоростях, метод одноточечного заземления не работает.Полезное эмпирическое правило состоит в том, что одноточечное заземление подходит, если наиболее длинное интересующее измерение меньше 1/20 длины волны самой высокочастотной угрозы. Таким образом, одноточечные заземления подходят для обработки электромагнитных помех со звуковыми частотами в большинстве случаев, но не подходят и недостижимы для радиочастот, используемых в цифровой электронике.

Рассмотрим, например, случай дизайнера, который хотел использовать одноточечное заземление для двух отдельно стоящих шкафов, расположенных на расстоянии около 10 футов друг от друга.Исходя из общепринятого предположения, что индуктивность провода составляет 20 нГн / дюйм, минимальная индуктивность для одноточечного заземляющего тракта будет около 2,5 мкГн. Используя формулу для импеданса

Z = 2¼fL

где f — частота в мегагерцах, L — индуктивность в микрогенри, а Z — в омах, полное сопротивление на 100 МГц будет 1600 ‡, что вряд ли является коротким замыканием. Используя эмпирическое правило, емкость между отдельно стоящим оборудованием и землей составляет ~ 100 пФ и формулу

где C — емкость в микрофарадах, полное сопротивление между двумя конденсаторами емкостью 100 пФ, соединенными последовательно с заземляющей пластиной, составляет 30 ‡.Это тоже не короткое замыкание, но оно, безусловно, намного ниже, чем у предполагаемого одноточечного заземления.

ДОСТИЖЕНИЕ ХОРОШИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Заземление с низким сопротивлением для медицинского электронного устройства легко реализовать — используйте заземляющий провод. При 50/60 Гц сопротивление заземляющего провода будет в основном резистивным, но выше звуковых частот начинает преобладать индуктивность, а на радиочастотах индуктивного сопротивления даже короткого провода или дорожки на печатной плате достаточно, чтобы вызвать проблемы.Чтобы определить требования конкретного приложения, разработчику необходимо знать, какое напряжение может выдерживать устройство, величину и частоту ожидаемого тока помех, а также полное сопротивление тракта. Учитывая эти данные, можно применить закон Ома, чтобы узнать, когда возникнут проблемы.

Например, при ударе молнии по двутавровому пучку может протекать ток 10000 А с переходными процессами 10 В даже на короткие отрезки. Два соединенных между собой устройства, заземленных на двутавровую балку в разных точках, могут легко выйти из строя.Или предположим, что 1 дюйм. длина провода или дорожки на печатной плате подвергалась воздействию электростатического разряда 10 А. Предполагая, что индуктивность составляет около 20 нГн, падение напряжения на проводе или дорожке можно рассчитать с помощью уравнения

где E — падение напряжения на проводе, L — индуктивность в наногенри, di — величина переходного тока (предполагается, что она равна 10 А), а dt — время нарастания (предполагается, что составляет 1 наносекунду). Для этих типичных условий E = 200 В. Таким образом, можно видеть, что длина провода всего 1 дюйм.является плохой почвой для целей ESD.

Поскольку во многих случаях обычный провод не является подходящим заземлением, принято использовать вместо него плоский ремешок. Этот подход действительно уместен, но его обоснование широко неправильно понимается. Для достижения низкой индуктивности ключевым фактором является не плоскостность ремешка, а его отношение длины к ширине. Чтобы обеспечить достаточно низкую индуктивность заземляющего шнура, его ширина должна составлять не менее одной пятой, а еще лучше — одной трети ее длины.Если разработчик не может достичь этого отношения, не будет удовлетворительного пути возврата высокочастотного тока.

Заземление монтажной платы. Получить хорошие низкоомные заземления на двухсторонних платах практически невозможно, поэтому это критично. для защиты таких плат от электростатических разрядов и высокоуровневых радиопомех. С другой стороны, на многослойных платах легко добиться низкого импеданса, если заземляющий слой находится под дорожками. Цепи, построенные непосредственно над землей, хорошо защищены, независимо от угрозы.По нашим наблюдениям, контроль электромагнитных помех всегда проблематичен для двусторонних плат, в то время как электронные устройства с многослойными платами редко повреждаются. Если производитель непреклонен в использовании двусторонних плат, бюджет разработки продукта должен включать дополнительные средства, а в график тестирования и модернизации следует добавить три месяца. Даже в этом случае высока вероятность того, что контроль электромагнитных помех не будет достигнут.

Наверное, нигде в электронике конструкторы не сталкиваются с такой сложной задачей, как проблема чувствительных аналоговых входных цепей.Цепи могут быть достаточно хорошо защищены изолированной заземляющей пластиной; проблема связана с подключением к неизолированной земле или к проводам и кабелям, соединяющим датчик с другим оборудованием. Для изолированного заземления важно минимизировать количество внешних токов электромагнитных помех, которые достигают плоскости заземления. Как только чувствительный входной сигнал будет захвачен и усилен, или, возможно, оцифрованный, переход границы к неизолированным цепям — это остающаяся проблема проектирования. Любые токи помех, которые отводятся на изолированную землю, становятся синфазными помехами и должны обрабатываться изолирующим компонентом любого типа.Хотя доступны некоторые довольно эффективные изоляторы, они имеют свои пределы, поэтому в первую очередь стоит минимизировать синфазные токи.

Межблочное заземление. После того, как разработчик справился с заземлением печатной платы, следующим шагом будет рассмотрение межсоединений внутри оборудования, таких как соединения между материнской и дочерней платами и ленточные кабели между модулями. Проблемы EMI часто являются результатом межсоединений с высоким импедансом.Опять же, разработчикам необходимо поддерживать низкий импеданс заземления, либо путем подключения печатных плат или модулей к общей заземляющей пластине, либо путем обеспечения межсоединения заземления с очень низким импедансом через кабель, обычно путем выделения как можно большего количества контактов разъема для заземления. . Несмотря на то, что пространство разъема является важной проблемой, функциональность тоже. Для высокоскоростных (100 МГц) межкомпонентных соединений должна быть одна линия заземления для каждой сигнальной линии. Для более низких скоростей (~ 10 МГц) может быть достаточно одной линии заземления на каждые пять сигнальных линий.Все, что меньше, навлекает неприятности.

Внешнее заземление. Наконец, проектировщикам необходимо учитывать взаимосвязи между различными частями оборудования. Если между корпусами может быть реализована заземляющая пластина с низким сопротивлением, а для экранов кабелей используется многоточечное заземление, проблемы должны быть минимальными. Однако, если кабели проложены на большие расстояния или передаются чувствительные низкочастотные аналоговые сигналы, могут возникнуть помехи на звуковых частотах. В таких случаях может потребоваться одноточечное заземление, а также многоточечное заземление, необходимое для управления высокочастотными помехами.Гибридное заземление с конденсаторной нагрузкой на одном конце, обычно 0,010,1 мкФ, и жесткой нагрузкой на другом конце может обеспечить разрыв цепи на звуковых частотах и ​​короткое замыкание на радиочастотах, объединяя, таким образом, лучшее из обоих миров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработчики медицинской электроники могут основывать свои решения о том, как реализовать заземление для контроля электромагнитных помех, на трех принципах:

* Заземление не требуется для контроля электромагнитных помех (хотя оно может быть необходимо для безопасности).Что необходимо, так это обратный путь с низким импедансом, обычно это токопроводящая плоскость или экран.

* Одноточечное заземление обычно подходит только для обработки звуковых помех и недостижимо на радиочастотах. Критерий длины волны 1/20 может применяться для определения приемлемости одноточечного заземления.

* Сопротивление заземления должно поддерживаться на приемлемо низком уровне при текущей частоте ожидаемого события помех.На высоких частотах индуктивность приводит к высокому импедансу, поэтому использование заземляющих проводов обычно неприемлемо. Для уменьшения импеданса можно использовать широкую перемычку или плоскость заземления.

Уильям Д. Киммел и Дэрил Д. Герке — руководители консалтинговой фирмы EMI Kimmel Gerke Associates, Ltd., расположенной в Сент-Поле, Миннесота.

Рисунок 1. Схема, показывающая токи контура заземления: (а) непрерывный и (б) разомкнутый (тем самым обеспечивая одноточечное заземление).

Рис. 2. Воздействие стоячей волны на экран кабеля с одноточечным заземлением.

Проектирование электронных систем для электромагнитной совместимости: заземление для контроля электромагнитных помех

Есть две основные причины для заземления устройств, кабелей, оборудования и систем. Первая причина состоит в том, чтобы предотвратить опасность поражения электрическим током и возгорания в случае, если в раме или корпусе оборудования возникает высокое напряжение из-за удара молнии или случайного выхода из строя проводки или компонентов.Вторая причина состоит в том, чтобы уменьшить эффекты электромагнитных помех, возникающие из-за электромагнитных полей, общего импеданса или других форм интерференционной связи.

Исторически требования к заземлению возникли из-за необходимости обеспечить защиту от электрических повреждений, молний и статического электричества, генерируемого промышленными предприятиями. Поскольку в большинстве случаев управление авариями и грозами основано на пути к земле с низким импедансом, все основные компоненты системы генерации и передачи электроэнергии были заземлены, чтобы обеспечить требуемый путь с низким импедансом.В результате сильный упор был сделан на заземление электрического оборудования, и общая философия была «заземление, заземление, заземление» без учета других проблем, таких как электромагнитные помехи, которые могут возникнуть при таком подходе.

С появлением электронного оборудования проблемы с заземлением стали более очевидными. Эти проблемы возникли из-за того, что заземление схемы и оборудования часто являлось механизмом для нежелательной связи электромагнитных помех. Кроме того, в электронных системах земля может одновременно выполнять две или более функций, и эти многочисленные функции могут конфликтовать либо с точки зрения эксплуатационных требований, либо с точки зрения методов реализации.Например, как показано на рисунке 1, наземная сеть для электронного оборудования может использоваться как возврат сигнала, обеспечивать безопасность, обеспечивать контроль электромагнитных помех, а также работать как часть антенной системы.

Следовательно, во избежание возникновения проблем с электромагнитными помехами важно понимать, что эффективная система заземления, как и любая другая часть оборудования или системы, должна быть тщательно спроектирована и внедрена. Заземление — это системная проблема, и для того, чтобы устройство заземления работало хорошо, оно должно быть хорошо продумано, точно спроектировано и реализовано.Конфигурации заземления должны быть взвешены с учетом размеров и частоты, как и любая функциональная цепь.

Цель этой главы — помочь инженерам, проектировщикам и техническим специалистам оптимизировать функциональность и надежность своего оборудования, обеспечивая упорядоченный системный подход к заземлению. Такой подход предпочтительнее эмпирических, а иногда и противоречивых подходов, которые часто используются.

Характеристики систем заземления

В идеале система заземления должна обеспечивать путь с нулевым импедансом для всех сигналов, для которых она служит эталоном.В такой ситуации сигнальные токи от различных цепей или оборудования, подключенного к земле, могли бы вернуться к своим источникам, не создавая нежелательной связи между цепями или оборудованием. Многие проблемы с помехами возникают из-за того, что проектировщики рассматривают землю как идеальную и не уделяют должного внимания фактическим характеристикам системы заземления. Одна из основных причин, по которой разработчики рассматривают систему заземления как идеальную, заключается в том, что это предположение часто справедливо с точки зрения конструктивных параметров схемы или оборудования (т.е., полное сопротивление на частотах мощности или сигнала невелико и практически не влияет на характеристики цепи или оборудования). Однако необходимо учитывать неидеальные свойства грунта, чтобы избежать проблем с электромагнитными помехами.

Характеристики импеданса

Каждый элемент (проводник) системы заземления, будь то заземление питания, заземление сигналов или молниезащита, имеет свойства сопротивления, емкости и индуктивности.Экраны и заземляющие провода сигнальных кабелей, защитное заземление питания зеленого провода, молниеотводы, шины трансформаторных хранилищ, конструкционные стальные элементы — все проводники обладают этими свойствами. Свойство сопротивления проявляют все металлы. Сопротивление заземляющего проводника зависит от материала, его длины и площади поперечного сечения. Емкость заземляющего проводника определяется его геометрической формой, близостью к другим проводникам и природой промежуточного диэлектрика.Индуктивность зависит от его размера, геометрии, длины и, в ограниченной степени, относительной проницаемости металла. Импеданс системы заземления зависит от сопротивления, индуктивности, емкости и частоты.

Поскольку индуктивные свойства проводника уменьшаются с увеличением ширины и увеличиваются с увеличением длины, для заземляющих лент часто рекомендуется использовать отношение длины к ширине 5: 1. Это соотношение длины к ширине 5: 1 обеспечивает реактивное сопротивление, которое составляет примерно 45 процентов от реактивного сопротивления прямого круглого провода.

Импеданс прямых круглых проводов в зависимости от частоты представлен в таблице 5.1 для нескольких размеров и длин проводов. Типичные импедансы заземляющей поверхности для сравнения приведены в таблице 5.2. Обратите внимание, что для проводов типичной длины импедансы заземляющей поверхности на несколько порядков меньше, чем у круглого провода.Также обратите внимание, что импеданс как круглых проводов, так и заземляющих пластин увеличивается с увеличением частоты и становится весьма значительным на более высоких частотах.

Часто встречающаяся ситуация — это когда кабель заземления (силовой или сигнальный) проходит рядом с пластиной заземления. Эта ситуация проиллюстрирована на рисунке 3 для заземления оборудования. На рисунке 4 показана типичная схема этого простого пути заземления. Влияние резистивных элементов схемы будет преобладать на очень низких частотах.

Относительное влияние реактивных элементов будет увеличиваться с увеличением частоты. На некоторой частоте величина индуктивного реактивного сопротивления (jωL) равна величине емкостного реактивного сопротивления (1 / jωC), и цепь становится резонансной. Частоту первичного (или первого) резонанса можно определить по следующей формуле:

(1)

, где L — общая индуктивность кабеля, а C — полезная емкость между кабелем и заземляющим слоем. При резонансе полное сопротивление заземляющего контура будет либо высоким, либо низким, в зависимости от того, является ли он параллельным или последовательным резонансом соответственно.При параллельном резонансе импеданс, видимый на одном конце кабеля, будет намного выше, чем ожидалось от R + jωL. (Для хороших проводников, например, из меди и алюминия, R «ωL; таким образом, jωL обычно обеспечивает точную оценку импеданса заземляющего проводника на частотах выше нескольких сотен герц). При параллельном резонансе:

(2)

где Q, добротность, определяется как:

(3)

где R _(ac) — сопротивление кабеля на частоте резонанс.Тогда:

(4)

Выше основного резонанса будут возникать последующие резонансы (как параллельные, так и последовательные) между различными возможными комбинациями индуктивностей и емкостей (включая паразитные) в тракте. цепь также будет возникать между индуктивностями сегментов провода и одной или несколькими шунтирующими емкостями. Полное сопротивление (Z _с ) последовательного резонансного пути составляет:

(5)

Следовательно,

(6)

Таким образом, последовательное резонансное сопротивление определяется следующим образом: и равно последовательному сопротивлению переменному току конкретной индуктивности и емкости в резонансе.(В резонансах более высокого порядка, где резонансная частота определяется сегментами провода, а не всей длиной пути, последовательное сопротивление пути к земле может быть меньше, чем прогнозируется с учетом всей длины заземляющего проводника).

Понимание высокочастотного поведения заземляющего проводника упрощается, если рассматривать его как линию передачи. Если тракт заземления считается однородным на всем протяжении, напряжения и токи вдоль линии можно описать как функцию времени и расстояния.Если элементы сопротивления на рисунке 4 малы по сравнению с индуктивностями и емкостями, путь заземления имеет характеристический импеданс Z ₀ , равный √L / C, где L и C — значения индуктивности и емкости на единицу длины. .

Ситуация, показанная на Рисунке 3, представляет особый интерес при заземлении оборудования. Входное сопротивление заземляющего тракта, т. Е. Полное сопротивление относительно земли, видимое корпусом оборудования, составляет:

(7)

, где ß = ω√LC = фазовая постоянная линии передачи
x = длина пути от коробки до короткого

, где ßx меньше π / 2 радиан, т.е.е., когда длина электрического пути меньше четверти длины волны (λ / 4), входное сопротивление короткозамкнутой линии является индуктивным со значением в диапазоне от 0 (ßx = 0) до ∞ (ßx = p / 2). радианы). Когда значение ßx = превышает значение π / 2 радиан, сопротивление заземляющего контура попеременно меняется между значениями холостого хода и короткого замыкания.

Таким образом, с точки зрения заземленного устройства или компонента импеданс аналогичен сопротивлению короткозамкнутой линии передачи.Когда ßx = π / 2, сопротивление заземляющего проводника ведет себя как параллельный LC-резонансный контур без потерь. Чуть ниже резонанса импеданс является индуктивным; чуть выше резонанса — емкостный; в то время как в резонансе импеданс реальный и довольно высокий (бесконечный в случае без потерь). Резонанс возникает при значениях x, равных целым числам, кратным четверти длины волны, например, половина длины волны, три четверти длины волны и т. Д.

Типичные сети заземления представляют собой сложные цепи из R, L и C с частотно-зависимыми свойствами, включая параллельные и последовательные резонансы. Эти резонансы важны для работы наземной сети. Эффекты резонанса в заземляющем тракте проиллюстрированы на рисунке 5. Относительная эффективность заземляющего проводника как функция частоты напрямую связана с его характеристикой импеданса (рисунок 6).

Из рисунков 5 и 6 очевидно, что для максимальной эффективности длина заземляющего проводника должна составлять небольшую часть длины волны на частоте рассматриваемого сигнала. Наиболее эффективная работа достигается на частотах значительно ниже первого резонанса.

Характеристики антенны

Эффекты антенны также связаны с резонансным поведением контура. Заземляющие проводники будут действовать как антенны, чтобы излучать или принимать потенциальную энергию помех, в зависимости от их длины относительно длины волны, т.е.е., их эффективность. Этот факт позволяет определить отношение длины волны к физической длине для заземляющих проводов.

Эффективность проводника как антенны зависит от его радиационной стойкости. Радиационная стойкость — это прямая мера энергии, излучаемой антенной. Хорошим показателем характеристик провода является четвертьволновой монополь, который имеет сопротивление излучения 36,5 Вт. Антенна, которая передает или принимает на 10 процентов или меньше, чем монополь, может считаться неэффективной.Чтобы быть эффективным, заземляющий провод должен быть неэффективной антенной. Удобным критерием плохой антенны, т. Е. Хорошего заземляющего провода, является длина его 1/10 или меньше. Таким образом, рекомендуемая цель при разработке эффективной системы заземления — поддерживать заземляющие провода, подверженные воздействию потенциально мешающих сигналов на длине менее 1/10 длины волны мешающего сигнала.

ЗАЗЕМЛЯЮЩИЕ ПОМЕХИ

Помехи — это любые внешние электрические или электромагнитные помехи, которые имеют тенденцию нарушать прием полезных сигналов или вызывают нежелательные реакции в цепи или системе.Помехи могут создаваться как естественными, так и искусственными источниками, как внешними, так и внутренними по отношению к цепи. Правильная работа сложного электронного оборудования и средств по своей сути зависит от частот и амплитуд как сигналов, используемых в системе, так и возможных присутствующих помех. Если частота нежелательного сигнала находится в пределах рабочего диапазона частот схемы, схема может реагировать на нежелательный сигнал (это может даже происходить вне диапазона).Сила помех зависит от амплитуды и частоты нежелательного сигнала по сравнению с частотой полезного сигнала в точке обнаружения.

Помехи, связанные с землей, часто связаны с одним из двух основных механизмов связи. Первый механизм является результатом того факта, что сигнальные цепи электронного оборудования делят землю с другими цепями или оборудованием.Этот механизм называется импедансной связью с общей землей. Любой общий импеданс может обеспечить механизм интерференционной связи. На рисунке 7 показан механизм, с помощью которого помехи возникают между цепями виновника и жертвы через полное сопротивление заземления. В этом случае ток помехи I, протекающий через полное сопротивление заземления Z, будет создавать в цепи помехи напряжение сигнала помехи V _c . Следует подчеркнуть, что ток помех, протекающий в общем импедансе, может быть либо током, который связан с нормальной работой цепи-виновника, либо прерывистым током, который возникает из-за аномальных событий (молнии, сбоев питания, изменения нагрузки, линии электропередач. переходные процессы и т. д.).

Даже если пары оборудования не используют сигнальную землю в качестве возврата сигнала, сигнальная земля все равно может быть причиной связи между ними. На рисунке 8 показано влияние паразитного тока I _R , протекающего в сигнальной земле. Ток I _R может быть результатом прямого подключения другой пары оборудования к сигнальной земле. Это может быть результатом внешней связи с сигнальной землей или индуцированным в земле падающим полем. В любом случае I _R создает напряжение V _N в сопротивлении заземления Z _R .Это напряжение создает ток в соединительном контуре, который, в свою очередь, развивает напряжение на Z _L в оборудовании B. Таким образом, очевидно, что помехи могут передаваться через сигнальную землю ко всем цепям и оборудованию, подключенным через ненулевое соединение. элементы сопротивления этой земли.

Второй механизм связи электромагнитных помех, включающий землю, представляет собой механизм излучения, посредством которого контур заземления, как показано на рисунке 9, действует как приемная или передающая антенна. Для этого механизма связи EMI характеристики земли (сопротивление или импеданс) не играют важной роли, потому что индуцированное напряжение EMI ​​(для случая восприимчивости) или излучаемое поле EMI ​​(для случая излучения) в основном являются функцией функция возбуждения электромагнитных помех (напряженность поля, напряжение или ток), геометрия и размеры контура заземления и частота сигнала электромагнитных помех.Следует отметить, что указанные выше механизмы связи проводимых и излучаемых электромагнитных помех включают в себя «контур заземления». Однако следует понимать, что проблемы электромагнитных помех контура заземления могут существовать без физического подключения к земле. В частности, на радиочастотах распределенная емкость относительно земли может создать состояние контура заземления, даже если цепи или оборудование плавают относительно земли.

Также следует отметить, что для обоих механизмов связи электромагнитных помех, включающих контур заземления, токи электромагнитных помех в сигнальном проводе и обратном канале протекают в одном направлении.Это состояние электромагнитных помех (когда токи в сигнальном выводе и обратном канале совпадают по фазе) называется синфазным электромагнитным излучением . Методы управления электромагнитными помехами, которые будут эффективны при проблемах контура заземления, — это те, которые либо уменьшают влияние электромагнитных помех на контур заземления, либо обеспечивают подавление синфазных электромагнитных помех, связанных с контуром заземления.

Заземление цепи, оборудования и системы

В предыдущем разделе были определены и обсуждены механизмы связи электромагнитных помех, возникающие в результате заземления цепи, оборудования и системы.На этом этапе должно быть очевидно, что заземление очень важно с точки зрения минимизации и контроля электромагнитных помех. Однако заземление является одним из наименее понятных и наиболее серьезных виновников многих проблем EMI на системном уровне. Схема заземления системы должна выполнять следующие функции:

• Аналоговые, низкоуровневые и низкочастотные цепи должны иметь бесшумные выделенные возвратные линии. Из-за задействованных низких частот обычно используются провода (более или менее требующие одноточечной или звездообразной системы заземления).
• Аналоговые высокочастотные цепи {радио, видео и т. Д.} Должны иметь бесшумные обратные цепи с низким импедансом, как правило, в виде плоских или коаксиальных кабелей.
• Возвраты логических схем, особенно высокоскоростной логики, должны иметь низкие импедансы по всей полосе пропускания (обусловленные самым быстрым временем нарастания), поскольку пути питания и возврата сигнала используются по одним и тем же путям.
• Возвраты мощных нагрузок (соленоидов, двигателей, ламп и т. Д.) Должны отличаться от любых из вышеперечисленных, даже если они могут оказаться на одном и том же выводе регулятора источника питания.
• Обратные пути к корпусу экранов кабелей, экранов трансформаторов, фильтров и т. Д. Не должны мешать функциональному возврату.
• Когда электрическое опорное соединение отличается от заземления шасси, должны существовать средства доступа и возможность подключения и отключения одного от другого.
• В более общем смысле, для сигналов, которые передаются внутри оборудования или между частями системы, схема заземления должна обеспечивать общий опорный сигнал с минимальным сдвигом земли (если эти линии не сбалансированы, оптически изолированы и т. Д.)). Минимальный сдвиг заземления означает, что синфазное напряжение должно оставаться ниже порога чувствительности наиболее восприимчивого устройства в линии.

Все вышеупомянутые ограничения могут быть устранены, если их функциональная отдача и защитное заземление интегрированы в иерархию системы заземления, как показано на рисунке 10.Применение этой концепции является предметом следующего обсуждения.

Современные электронные системы редко имеют только одно заземление. Для уменьшения помех, например, из-за связи по синфазному сопротивлению, используется как можно больше отдельных заземлений. Отдельные заземления в каждой подсистеме для структурных заземлений, сигнальных заземлений, защитных заземлений, а также основного и дополнительного заземления питания желательны, если это экономически и логистически целесообразно. Эти отдельные заземления от каждой подсистемы, наконец, соединяются кратчайшим путем обратно к точке заземления системы, где они образуют общий потенциал системы отсчета.Этот метод известен как одноточечное заземление и показан на рисунке 11.

Схема одноточечного заземления

Схема одноточечного или звездообразного заземления, показанная на рисунке, позволяет избежать проблем, связанных с синфазным импедансом. обсуждалось в предыдущем разделе. Единственный общий путь лежит в земле (для наземных конструкций), но обычно он состоит из прочного проводника с очень низким импедансом. Таким образом, до тех пор, пока в любых общих трактах с низким импедансом не протекают токи заземления или протекают они с низким импедансом, все подсистемы или оборудование поддерживаются, по существу, при одном и том же опорном потенциале.

Проблема реализации вышеупомянутой схемы одноточечного заземления возникает, когда (1) используются соединительные кабели, особенно те, которые имеют экраны кабелей, длина которых составляет порядка 1/20 длины волны или больше, и (2) паразитные емкость существует между подсистемой или корпусами оборудования или между подсистемами и землей других подсистем. Эта ситуация проиллюстрирована на рисунке 12.

Здесь экраны кабелей соединяют некоторые подсистемы вместе, так что существует более одного пути заземления от конкретной подсистемы к точке заземления. Если не будут приняты меры предосторожности, могут протекать заземляющие токи с общим сопротивлением. На высоких частотах паразитное емкостное реактивное сопротивление представляет собой пути с низким импедансом, а индуктивность связи между точкой подсистемы и землей приводит к более высоким импедансам. Таким образом, опять же, могут течь токи синфазного режима или между подсистемами могут возникать неравные потенциалы.

Схема многоточечного заземления

Вместо неконтролируемой ситуации, как показано на Рисунке 12, другой альтернативой заземления является многоточечное заземление, как показано на Рисунке 13. В примере, показанном на Рисунке 13, каждое оборудование или подсистема подключается напрямую. по возможности к общей заземляющей пластине с низким сопротивлением, чтобы сформировать однородный тракт с низким сопротивлением. Таким образом, синфазные токи и другие проблемы EMI будут сведены к минимуму. Затем заземляющая пластина заземляется в целях безопасности.

Выбор схемы заземления

Факты таковы, что схема одноточечного заземления лучше работает на низких частотах, а многоточечное заземление лучше всего ведет себя на высоких частотах. Если вся система, например, представляет собой сеть звукового оборудования со многими датчиками низкого уровня и схемами управления, которые ведут себя как источники широкополосного переходного шума, то высокочастотные характеристики не имеют значения, поскольку ни один приемник не реагирует выше звуковой частоты.

В этой ситуации подойдет одноточечное заземление. И наоборот, если бы вся система представляла собой приемный комплекс, состоящий из тюнеров, усилителей и дисплеев от 30 до 1000 МГц, то низкоуровневые низкочастотные характеристики не имеют значения. Здесь применяется многоточечное заземление и следует использовать соединительные коаксиальные кабели.

Приведенное выше сравнение звуковых систем с системами VHF / UHF ясно показывает выбор правильного подхода. Затем проблема сводится к определению того, где существует кроссовер низких и высоких частот для любой данной подсистемы или оборудования.Частично ответ здесь включает в себя наивысшую значимую рабочую частоту низкоуровневых цепей по сравнению с физическим расстоянием между наиболее удаленными устройствами. Определение области частот кроссовера включает рассмотрение (1) проблем связи между магнитным и электрическим полями и (2) Проблемы с сопротивлением заземляющей поверхности из-за разделения. Гибридные одно- и многоточечные системы заземления часто являются лучшим подходом для применения в кроссоверных регионах.

Когда используются печатные схемы и ИС, сетевая близость значительно ближе.Таким образом, многоточечное заземление более экономично и практично для каждой карты, пластины или кристалла. Для соединения этих компонентов через переходные платы, материнские платы и т. Д. Следует использовать схему заземления, как показано на рисунках в предыдущих параграфах.

Это, вероятно, будет по-прежнему представлять собой подход к многоточечному или гибридному заземлению, в котором любое одноточечное заземление (для гибридных заземлений), если оно используется, позволит избежать низкочастотных контуров тока заземления и / или синфазной связи полного сопротивления.Таким образом, многих проблем с электромагнитными помехами на системном уровне можно избежать, если уделить особое внимание используемой схеме заземления. Проблемы с синфазным сопротивлением и общим сопротивлением заземления могут быть уменьшены путем применения одного или нескольких из следующих методов.

• По возможности устраните общий импеданс, используя одноточечное заземление (Рисунок 11). Эта конфигурация обычно оптимальна для частот мощности и частот сигналов ниже 300 кГц.
• Разделите и изолируйте заземления в зависимости от типа, уровня и частоты сигнала, как показано на рисунке 10.
• Минимизируйте полное сопротивление заземления, как показано на Рисунке 14, используя шину заземления, пластину заземления или сетку заземления.

• Плавающие цепи или оборудование, если это целесообразно с точки зрения безопасности, как показано на рисунке 15. Эффективность плавающих цепей или оборудования зависит от их физической изоляции от других проводников.На крупных объектах сложно добиться плавающей системы.

• Используйте катушку индуктивности или конденсатор в заземлении, чтобы обеспечить изоляцию высоких или низких частот соответственно, как показано на рисунках 16 и 17.

• Используйте фильтры или ферриты в контурах заземления для ограничения синфазных токов или обеспечения синфазного падения напряжения.
• Используйте дроссель синфазного режима, как показано на рисунке 18, или трансформатор изоляции синфазного режима, как показано на рисунке 19, для подавления электромагнитных помех контура заземления.Эти устройства могут обеспечивать подавление синфазного сигнала порядка 60 дБ на частотах до нескольких сотен килогерц.

• Используйте оптические изоляторы и / или волоконную оптику для блокировки эффектов синфазных электромагнитных помех, как показано на рисунке 20. Оптические изоляторы обеспечивают высокую степень подавления синфазных помех на частотах вплоть до диапазона ВЧ (т. Е. От 3 до 30 МГц). ). Оптические изоляторы обычно ограничиваются цифровыми приложениями (они не применимы к аналоговым схемам низкого уровня).

• Используйте симметричные схемы, чтобы минимизировать влияние синфазных электромагнитных помех в контуре заземления, как показано на рисунке 21. В идеально сбалансированной схеме токи, протекающие в двух частях схемы, будут создавать равные и противоположные напряжения на нагрузке, поэтому результирующее напряжение на нагрузке равно нулю. Симметричные схемы могут обеспечить значительное (более 20 дБ) снижение синфазного сигнала в условиях низких частот.Однако на более высоких частотах (выше 30 МГц) начинают преобладать другие эффекты, и эффективность балансных схем снижается.

Синфазные излучаемые электромагнитные помехи, возникающие в результате излучений, которые излучаются или улавливаются контуром заземления, могут быть уменьшены путем применения одного или нескольких из следующих методов:

• Минимизировать площадь синфазного контура заземления путем прокладки соединительных проводов или кабель близко к земле.
• Уменьшите синфазные токи контура заземления с помощью цепей с плавающей запятой или оборудования; с использованием оптических изоляторов; или установка синфазных фильтров, дросселей или изолирующих трансформаторов.
• Используйте симметричные схемы или симметричные драйверы и приемники.

Конфигурации системы заземления

Система заземления для набора цепей внутри системы или объекта может принимать любую из нескольких различных конфигураций. Каждая из этих конфигураций имеет тенденцию быть оптимальной при определенных условиях и может способствовать возникновению проблем электромагнитных помех при других условиях.Как правило, наземные конфигурации включают в себя либо плавающее заземление, либо одноточечное заземление, либо многоточечное заземление, либо некоторую их гибридную комбинацию.

Конфигурация плавающего заземления показана на рисунке 22. Этот тип сигнальной системы заземления электрически изолирован от земли и других проводящих объектов. Следовательно, шумовые токи, присутствующие в системе заземления, не будут иметь проводящей связи с сигнальными цепями. Концепция системы плавающего заземления также используется в конструкции оборудования для изоляции возвратных сигналов от аппаратных шкафов и, таким образом, предотвращения нежелательных токов в шкафах от непосредственного соединения с сигнальными цепями.

Эффективность систем плавающего заземления зависит от их истинной изоляции от других близлежащих проводников; системы плавающего грунта должны действительно плавать. На крупных объектах часто бывает трудно создать и поддерживать эффективную плавучую систему. Такая плавающая система наиболее практична, если задействовано несколько цепей или несколько единиц оборудования и питание подается либо от батарей, либо от преобразователей постоянного тока в постоянный.

Одноточечное заземление для комплекса оборудования показано на рисунке 23.В этой конфигурации сигнальные цепи привязаны к одной точке, и эта единственная точка затем подключается к заземлению объекта. Идеальная одноточечная сигнальная сеть заземления — это сеть, в которой отдельные заземляющие проводники проходят от одной точки заземления объекта до обратной стороны каждой из многочисленных цепей, расположенных по всему объекту. Этот тип сети заземления требует чрезвычайно большого количества проводников и, как правило, экономически нецелесообразен. Вместо идеального используются различные степени приближения к одноточечному заземлению.

Конфигурация, показанная на рисунке 24, представляет собой схему заземляющей шины, которая часто используется для обеспечения приближения к концепции одноточечного заземления. Система шины заземления, показанная на рисунке 24, принимает форму дерева. Внутри каждой системы отдельные подсистемы имеют одноточечное заземление. Затем каждая из точек заземления системы подключается к шине заземления дерева одним изолированным проводом.

Одноточечное заземление выполняет каждую из трех функций заземления сигнальной цепи. То есть ссылка сигнала устанавливается в каждом блоке или элементе оборудования, и эти отдельные ссылки соединяются вместе. Они, в свою очередь, подключаются к заземлению объекта по крайней мере в одной точке, что обеспечивает защиту цепей от короткого замыкания и контроль над накоплением статического заряда.

Важным преимуществом одноточечной конфигурации является то, что она помогает контролировать проводящие помехи.Как показано на рисунке 23, избегаются замкнутые пути для шумовых токов в сети сигнального заземления, а токи помех или напряжения в системе заземления объекта не передаются токопроводящим способом в сигнальные цепи через сигнальную сеть заземления. Следовательно, одноточечная сигнальная сеть заземления сводит к минимуму влияние любых шумовых токов, которые могут протекать в заземлении объекта.

В большой установке основным недостатком одноточечного заземления является необходимость использования длинных проводов.Помимо того, что длинные проводники являются дорогостоящими, они не позволяют получить удовлетворительный эталон для более высоких частот из-за большого собственного сопротивления. Кроме того, из-за паразитной емкости между проводниками одноточечное заземление по существу перестает существовать при увеличении частоты сигнала. В общем, для типичного оборудования, систем или средств одноточечное заземление обычно является оптимальным для частот ниже примерно 300 кГц.

Многоточечное заземление, показанное на рисунке 25, является третьей конфигурацией, часто используемой для сетей сигнального заземления.Эта конфигурация устанавливает множество токопроводящих путей к различным электронным системам или подсистемам внутри объекта. Внутри каждой подсистемы цепи и сети имеют несколько подключений к этой наземной сети. Таким образом, на объекте существует множество параллельных путей между любыми двумя точками в многоточечной наземной сети.

Многоточечное заземление часто упрощает построение цепей внутри сложного оборудования. Это позволяет упростить сопряжение оборудования, использующего коаксиальные кабели, поскольку внешний проводник коаксиального кабеля не должен плавно перемещаться относительно шкафа или корпуса оборудования.

Однако многоточечное заземление страдает важным недостатком. Силовые токи и другие низкочастотные токи большой амплитуды, протекающие через систему заземления объекта, могут передаваться в сигнальные цепи, создавая недопустимые помехи в восприимчивых низкочастотных цепях. Кроме того, создаются несколько контуров заземления, что затрудняет управление излучаемым излучением или восприимчивостью в результате эффектов синфазного контура заземления. Кроме того, для эффективного многоточечного заземления все заземляющие проводники между отдельными точками должны быть меньше нуля.1 длина волны интерференционного сигнала. В противном случае влияние общего сопротивления заземления и излучения земли станет значительным. Как правило, конфигурации с многоточечным заземлением имеют тенденцию быть оптимальными на более высоких частотах (то есть выше 30 МГц).

Чтобы проиллюстрировать одну из форм гибридной системы заземления, на рис. 26 показана 19-дюймовая стойка для шкафа, содержащая пять отдельных выдвижных ящиков. Каждый ящик содержит часть системы (сверху вниз): (1) схемы предусилителя ВЧ и ПЧ для приема микроволновых сигналов, (2) усилители сигналов ПЧ и видеосигнала, (3) драйверы дисплея, дисплеи и схемы управления, ( 4) низкоуровневые аудиосхемы и записывающие устройства для документирования чувствительных многоканальных выходов жестких телеметрических датчиков и (5) вторичные и регулируемые источники питания.Гибридный аспект получается из:

• Выдвижные блоки видео RF и IF похожи. Здесь блоки или ступени на уровне блока (соединительные коаксиальные кабели заземлены с обоих концов) имеют многоточечное заземление на пластину заземления ящика и шасси. Затем шасси заземляют на штифт кинжала, шину заземления шасси, как показано на рисунке 27. С другой стороны, для заземления этих ящиков используется одноточечное заземление от его шины, аналогично звуковому ящику.

• Шины шасси или сигнального заземления и силового заземления каждая составляют схему многоточечного заземления на уровне ящиков. Отдельные шины заземления одноточечно заземлены на нижнем распределительном блоке заземления. Это позволяет избежать циркуляции синфазного тока между шасси или сигнальной землей и заземлением питания, поскольку ток заземления питания может изменяться из-за переходных скачков в определенных режимах работы оборудования.
• Соединительные кабели между разными уровнями ящиков прокладываются отдельно, а их экраны, если они используются, заземляются так же, как и на уровне ящиков.
• Ящики для аудио и дисплея, показанные на Рис. 27, используют одноточечное заземление как для своих блоков уровня блока (соединительный скрученный кабель заземлен на одном конце с его блоком), так и для силовых проводов. Экраны кабеля и устройства заземлены вместе на общей шине штифтов. Точно так же выводящие силовые выводы и скрученные возвратные провода отдельно подключаются к своим шинам ножевых штифтов.

Чтобы просмотреть приведенную выше схему, обратите внимание на следующее:

• Ящики аудио и дисплея имеют пробег на землю около 0.6 м и верхней рабочей частотой около 1 МГц (схемы драйвера и развертки). Таким образом, указывается одноточечное заземление на ударные штифты.
• Выдвижные блоки ВЧ и ПЧ обрабатывают сигналы УВЧ и 30 МГц на расстоянии одного метра, так что отображается многоточечное заземление.
• Регулируемые источники питания поставляют оборудование, требующее импульсных перенапряжений. Самая большая длина составляет около 1,5 м, и значительные переходные частотные составляющие могут распространяться вверх в области ВЧ. Здесь указано гибридное заземление: одноточечное внутри ящика и многоточечное от шины питания ко всем ящикам.

Устройства и методы управления электромагнитными помехами

Заземление может существенно повлиять на эффективность некоторых методов или устройств управления электромагнитными помехами. В частности, кабельные экраны; разделительные трансформаторы; Фильтры EMI; Методы защиты от электростатических разрядов, молний и ЭМП; и экраны Фарадея должны быть правильно заземлены, чтобы обеспечить максимальную защиту от электромагнитных помех. Подробное обсуждение конкретных аспектов заземления, связанных с этими методами или устройствами контроля электромагнитных помех, выходит за рамки этой книги.Тем не менее, важно подчеркнуть важность базирования на характеристиках этих методов или устройств, и подробности можно найти в справочных материалах.

Рекомендуемая литература

[1] Моррисон, Ральф и У.Х. Льюис, Заземление и экранирование на объектах , Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, 1990.
[2] Моррисон, Ральф, Заземление и защита Методы приборостроения , 3-е изд., Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, 1990.
[3] Денни, Хью У., Заземление для контроля электромагнитных помех , Гейнсвилл, Вирджиния, Interference Control Technologies, Inc.
[4] Заземление, соединение и экранирование электронного оборудования и устройств, MIL-HDBK-419.

Обзор требований к соединению и заземлению

Вопрос

Каковы требуемые требования к соединению и заземлению для достижения соответствия различным стандартам электромагнитной совместимости (ЭМС), связанным с электронным оборудованием?

Я получил этот вопрос несколько дней назад и быстро понял, что быстрый и простой ответ невозможен, поскольку я практически не знал, какие типы оборудования были задействованы, и не имел информации о приложении.Чем больше я думал об этом вопросе, тем сложнее было соображение, и я понимал, что подход зависит от ситуации.

Большинство из нас в сообществе EMC были воспитаны с общей концепцией 2,5 миллиом, которая была внедрена в нас без остальной части утверждения о том, где применяется это магическое число. Многие считают, что для достижения соответствия мы должны получить сопротивление менее 2,5 миллиом от любой точки до подключения к установке. Нас подтолкнули к этой цели для тестовой конфигурации без учета реальности соединения оборудования при установке, поэтому тестовая конфигурация не соответствует ожидаемым.Еще хуже то, что когда возникают проблемы с выставленными предметами, решение состоит в том, чтобы исправить установку.

Мы должны понимать, что тестирование на соответствие должно приближаться к реальной установке, чтобы определить, нужно ли что-то изменить. Стандарт MIL-STD-461G сделал большой шаг в этом направлении, указав, что различные измерения склеивания должны быть выполнены для тестовой конфигурации, чтобы подтвердить, что соединение является репрезентативным для установки. Значения НЕ были установлены (за исключением плоскости заземления к корпусу и LISN к плоскости заземления) для подтверждения того, что атрибуты установки были смоделированы.Даже с этим изменением, давняя цель в 2,5 миллиом на несколько подключений часто выдвигается опытными властями из-за того, как их учили.

The Goal

Цель заземления — обеспечить электрическое соединение с общей опорной точкой (обычно считающейся землей), чтобы уменьшить разность потенциалов, которая способствует возникновению опасности поражения электрическим током и шумового напряжения. Заземление должно:

1. Создавать токопроводящий путь для молнии для защиты объекта, людей и оборудования.
2. Снизьте уровни напряжения в доступных точках до безопасного уровня, включая условия неисправности и события разряда молнии.
3. Поддержка управления шумом за счет уменьшения разницы напряжений между источником и местом назначения сигнальных цепей.

Многие руководства предоставляют информацию о заземлении на основе земли в качестве ориентира, и я полагаю, что это правильно при рассмотрении объектов. Но как насчет самолетов, транспортных средств, кораблей, космических кораблей и портативных устройств? В этих случаях земля становится простой точкой отсчета, которая, как нам нравится, равна 0 вольт по отношению к нашему телу.

T для достижения этого нулевого напряжения заземления сопротивление между точками не должно иметь сопротивления (или импеданса), что нереально. Проводники имеют сопротивление, распределенное по проводнику, и для увеличения сопротивления каждый переход проводников имеет сопротивление, поэтому сопротивление соединения должно быть минимальным, чтобы достичь разности потенциалов 0 вольт. Как мы можем ясно видеть, заземление и соединение напрямую связаны, однако соединение также применяется к соединениям цепей под напряжением, чтобы предотвратить падение напряжения на пути.Поддержание минимального импеданса соединения предотвращает развитие напряжения, когда и если ток течет по пути проводника.

Этот обзор не предназначен для использования в качестве руководства по проектированию, в котором подробно описывается, какой размер, длина, размер, плотность и многие другие элементы должны быть определены для создания эффективной работоспособной наземной системы. Поскольку наземная система служит многим целям, я просто хочу посмотреть на вещи, которые следует учитывать, и на то, как они влияют на другие цели наземной системы. Эффективная система заземления, отвечающая определенным целям, должна быть спроектирована так, чтобы не оставлять ее на волю случая или просто прикреплять проводник для заземления.

Электробезопасность

Заземление часто используется для защиты от поражения электрическим током, которое может возникнуть при различных неисправностях. Многие нормативы по электрическому оборудованию включают требование о предоставлении этих средств защиты, хотя во многих ситуациях используются другие средства защиты, если заземление нецелесообразно.

В ситуации, когда присутствует опасное напряжение, заземление имеет настолько низкий импеданс, что точка заземления не может иметь потенциал, который может вызвать поражение тела человека.

Что нужно заземлить? Доступные проводники, которые могут оказаться под напряжением в случае неисправности. Например, металлический шкаф с оборудованием становится под напряжением, потому что обжимной контактный наконечник позволяет проводу выпасть из-за вибрации, а оголенный свободный провод контактирует со шкафом. Оборудование перестает работать, потому что провод является основным проводом питания, а техник, собирающийся ремонтировать элемент, становится проводником к заземлению при контакте с шасси, если защитное заземление отсутствует. Если защитное заземление подключено правильно, то срабатывает автоматический выключатель, питающий цепь, что приводит к отключению питания оборудования.

Давайте рассмотрим еще немного, чтобы раскрыть конструкцию этого защитного заземления. Обычно имеется точка подключения шасси, которая может быть третьим проводом в шнуре питания переменного тока, который подключается к заземляющему контакту розетки. Это соединение должно быть собрано таким образом, чтобы это соединение было первым соединением с шасси, и оно было закреплено независимо от других заземляющих соединений с помощью оборудования, предотвращающего вращение (см. Рисунок 1, ). Например, третий провод во входном разъеме шнура питания подводится к клемме защитного заземления корпуса на корпусе и закрепляется без других клемм в этой точке соединения.Это не означает, что другие клеммы должны быть исключены, просто они защищены отдельно. Не забывайте, что клемма для обжима, если она используется, имеет двойные точки обжима.

Провод должен выдерживать максимальный ток короткого замыкания. Итак, какая емкость требуется? Если шнур питания прикреплен постоянно, третий провод должен быть равен фазному проводу, исходя из предположения, что фазный провод сгорит к тому времени, когда сгорит провод заземления. Но в более общем плане мы предохраняем фазный вывод (никогда не предохраняем заземление), чтобы быть уверенным.Если шнур съемный, следует предположить, что шнур можно заменить другим, у которого может быть провод другого калибра, который был изначально поставлен. В этом случае мы делаем ставку на автоматический выключатель объекта. Обычно к обычным розеткам подводят цепь на 15 или 20 ампер, поэтому калибр проводов должен соответствовать этой нормальной ситуации. Чтобы удовлетворить эту потребность в заземлении, часто выбирают провод 12 AWG для входа в шпильку заземления, чтобы обеспечить эту допустимую нагрузку. Запомните цвет (зеленый / желтый), соответствующий коду.

Каковы требования к склеиванию? Большинство стандартов требует сопротивления менее 100 мОм для защитного соединения, указывающего сопротивление между клеммой защитного заземления и заземлением объекта (платформы). Давайте исследуем соединение пути и определим, какие точки соединения подходят для съемного шнура питания переменного тока. Клемма, обозначенная на рис. 1 (рис. 1) (шпилька заземления), имеет соединение с металлическим шасси; к закрепленной клеммной проушине; клеммный наконечник имеет двойное гофрированное соединение с проводом; длина провода составляет около 10 см до вилки входа переменного тока устройства, подключенной к быстросъемному наконечнику, установленному на входе; входной контактный штифт подключается к шнуру питания, который составляет примерно 1.Длиной 8 метров; к клемме розетки переменного тока объекта. Дорожка заземляющего провода состоит из шести переходов и 1,9 метра провода. Сопротивление 1,9-метрового провода 14 AWG составляет ~ 63 миллиом, оставляя чуть менее 40 миллиом на шесть переходов или около 6 миллиом на точку соединения. Достичь этого сопротивления соединения (соединения) несложно, если мы не учитываем загрязнение или какие-либо незакрепленные соединения вдоль пути, но это дает представление о необходимости хорошего соединения.

Имейте в виду, что существуют другие точки соединения, связанные с безопасностью, такие как двери, направляющие ящиков и панели шасси, для которых может потребоваться заземление.Обратите внимание, что я использовал «гарантированный» — не просто случайный контакт, который может обеспечить или не обеспечить надежное соединение с землей.

Молния

Заземление обеспечивает определенную степень безопасности, связанную с индуцированными ударами молнии, а также защиту оборудования от повреждений. Описанные выше требования по электробезопасности включают в себя переходную проводимость молнии через систему заземления. Индуцированный молнией переходный процесс может проникать в оборудование через внешние кабели, антенные интерфейсы или линии электропередач, где компоненты защиты от переходных процессов могут шунтировать ток молнии на заземление объекта или на шасси устройства и проводники защитного заземления к заземлению.Меры по борьбе с молнией часто включаются там, где потенциальные ударные токи проникают на объект или платформу, чтобы снизить риск экстремальных опасностей от прямых или близких прямых ударов, но система заземления оборудования должна контролировать наведенные переходные уровни.

Как неотъемлемая часть земли, проводка и соединения подвержены переходным процессам высокого напряжения и тока, связанным с индуцированной молнией, которая может быть наведена в проводку, входящую в объект. Переходный процесс, проводимый линией электропередачи (см. , рис. 2, ), связан с распределительной сетью внутри объекта, где подавители ограничивают напряжение и ток, а система заземления оборудования отводит переходный процесс от оборудования.Изоляция проводки заземления должна выдерживать высокое переходное напряжение, возникающее в системе заземления, вызванное молнией. Эта возможность оценивается путем проведения требуемого испытания Hi-Pot между внешними соединениями и системой заземления, где приложено высокое напряжение, и требуется, чтобы дуга не попадала в систему заземления (обратите внимание, что во время тестирования Hi-Pot ограничители переходных процессов отключены). В зависимости от параметров схемы уровни пробивного напряжения могут достигать 10 кВ.

Прямой удар по системе молниезащиты объекта обеспечивает токоотвод для тока с большим током для короткого переходного процесса.Переходный ток, протекающий в токоотводе, может индуцировать ток в проводке объекта, аналогичный проводимости линии электропередачи. Условно говоря, эти переходные процессы обычно ограничиваются уровнями от нескольких вольт до низких киловольт, но ток может быть значительным, если произойдет пробой. Если полное сопротивление токоотвода велико, индукция значительно возрастает, когда в точке присоединения появляются уровни напряжения 100-200 кВ, допускающие переходный ток 40 кА или более через токоотвод.Кроме того, события происходят как события с несколькими ударами, при этом до 20 ударов происходят в течение нескольких миллисекунд. Время нарастания переходного процесса обычно составляет около 2 мс, поэтому индуктивность токоотвода становится существенным фактором в общем импедансе, связанном с частотами в несколько сотен кГц.

Обеспечение заземления системы молниезащиты требует от нас учета многих аспектов, влияющих на производительность. Проводники должны иметь возможность обработки тока, чтобы справиться с почти мгновенным тепловым повышением, связанным с омическим (I ² R) рассеиванием мощности, связанным с событием, включая продолжающийся ток и события с множественными ударами без времени восстановления.Склеивание должно предотвращать соединения с высоким сопротивлением, которые выдерживают воздействие окружающей среды, а также тепловое расширение и сжатие, которые ухудшают соединения. Времена перехода указывают на то, что необходимо учитывать вопросы глубины скин-слоя, чтобы управлять общим реактивным сопротивлением проводника.

Помните, что события молнии подчеркивают возможности мер контроля, и мы часто не осознаем, что различные элементы были повреждены и больше не действуют.Мы также должны учитывать, что молниеприемники не всегда выбирают самую высокую точку (см. Рисунок 3 ).

Электромагнитная совместимость (ЭМС)

Заземление обычно связано со многими мерами управления ЭМС, где качество заземления связано с экранированием, характеристиками фильтра и обеспечением пути связи для помех для достижения чувствительных цепей. Как правило, мы сталкиваемся с более высокими частотами, чем меры безопасности или защиты от молний.

На уровне оборудования сигналы требуют обратного пути для токовой петли, поэтому, когда схема требует тока, она должна поддерживать возврат этого тока к источнику. Нет ничего необычного в том, чтобы предусмотреть несколько типов подключения «заземления» для изоляции таких цепей, как цифровые, от аналоговых. Но мы не можем забыть, что нам нужно добраться до общей точки, чтобы завершить паразитные цепи, которые связаны со всеми цепями. При проектировании возврата и заземления устройство минимизирует площадь контура, чтобы уменьшить излучение контура — планируйте, чтобы ток протекал без прерываний или разрывов.

Фильтры часто требуют, чтобы был установлен путь заземления для шунтирования шумового тока, входящего в оборудование или выходящего из него (см. Рисунок 4 ). Если сопротивление соединения (Z _B ) велико, шум будет проходить через емкость между линией и землей в зависимости от частотных характеристик схемы. Обычно для этого требуется, чтобы каждый переход имел очень низкое сопротивление, а общий импеданс был намного меньше, чем полное сопротивление сквозного соединения. Обратите внимание, что требуется низкий импеданс, поэтому для достижения цели необходимо учитывать индуктивное реактивное сопротивление и паразитную емкость всего пути.

Заземление ЭМС часто требует хороших характеристик на высоких частотах, поэтому учет глубины оболочки проводника становится важным фактором в схеме заземления. Скин-эффект позволяет отделить возврат сигнала от экранирования в коаксиальном кабеле, где обратный ток сигнала находится на внутренней поверхности, а шумовой ток течет по внешней поверхности к заделке коаксиальной оболочки, как показано на рис. 5 . Эффект глубины скин-слоя может сказаться на выборе заземляющего браслета, где мы часто выбираем ремни с низким отношением длины к ширине, чтобы уменьшить индуктивность.Эффект кожи позволяет нам использовать полые трубки вместо стержней, чтобы добавить гибкости при протягивании ремня. Уплощенная трубка может выполнять эту функцию, а обычное закругление углов помогает уменьшить излучение от проводника. Ремешок должен иметь достаточную допустимую нагрузку, чтобы выдерживать ток на более низких частотах в целях безопасности конструкции.

Экраны необходимо заземлить, чтобы повысить эффективность экранирования за счет рассогласования импеданса излучаемого поля. Незаземленный экран часто действует как антенна, излучающая сигналы с поверхности.Например, дверца шасси, которая не прикреплена к шасси, может действовать таким образом. Проволочное соединение между дверью и шасси может обеспечить низкое сопротивление и соответствовать требованиям безопасности, но высокие частоты могут излучать, если импеданс слишком велик. Полностью приклеивание дверной коробки может снизить этот риск.

Думаю, здесь следует упомянуть миф о 2,5 миллиомах. В течение многих лет требовалось, чтобы система заземления имела сопротивление менее 2,5 миллиом.Это широко интерпретировалось как означающее, что любая точка на шасси должна иметь сопротивление менее 2,5 миллиом до плоскости объекта / заземления. MIL-STD-461G попытался устранить это заблуждение, но это остается проблемой. MIL-STD-461G включает требование измерять сопротивление заземления и предоставлять результаты измерений в отчете без указания конкретного числа. MIL-STD-464C предусматривает некоторые особые требования к измерению сопротивления, но единственное требование в 2,5 миллиОм — для отдельного подключения к сети.Мы должны убедиться, что сообщество EMC понимает, что испытания с искусственными измерениями сопротивления заземления способствуют необходимости в установках для достижения такого же сопротивления. Настоящая цель — обеспечить сопротивление / импеданс заземления, соответствующее установке. Тогда, если требуется дополнительное заземление, установка должна быть согласована для обеспечения требуемых клемм.

Резюме

Заземление и соединение должны соответствовать всем требуемым целям — схема заземления ЭМС должна включать требования безопасности и молниезащиту по мере необходимости.Достижение всех целей выходит за рамки простого подключения к электросети. При проектировании необходимо учитывать размер, соединения, частотную характеристику, полное сопротивление, физические ограничения и среду установки.

Я вспоминаю продукт, соответствие которому было получено с некоторыми модификациями исходного элемента во время испытаний. Для поддержки производства у меня была возможность разметить объединительную плату для автоматического размещения разъемов. Поскольку я все равно занимался компоновкой, я переделал компоновку заземления печатной платы, чтобы лучше поддерживать контроль ЭМС.Никаких изменений компонентов не произошло, но только после обновления схемы заземления излучаемые электромагнитные помехи были уменьшены более чем на 17 дБ, а чувствительность приемника устройства была улучшена на 10 дБ, что является серьезным изменением в эксплуатационных характеристиках.

Заземление и соединение нельзя оставлять на волю случая — эти факторы существенно влияют на производительность и соответствие требованиям. Если рассматривать это на ранней стадии проектирования, элементы управления могут быть включены с незначительным влиянием на стоимость, особенно по сравнению со стоимостью модификации зрелой конструкции.

Этот обзор — всего лишь обзор соединения и заземления, подробности заполнят большой текст, чтобы рассмотреть множество примеров способов достижения целей. Многие правила указывают на определенные элементы, такие как размер провода, глубину и диаметр заземляющего стержня и другие факторы. Но можно использовать альтернативные подходы для поддержки других потребностей, если также соблюдаются нормативные требования.

Не забывайте, что ток направлен, если установка правильная. Подключение экранированного корпуса к заземлению объекта должно выполняться на стене, где ток направлен в сторону от чувствительных панелей.Эта философия применима к конструкции оборудования, направьте ток туда, куда вы хотите.