信号楼内接地及等电位连接研究应用.pdf

2023 年 9 月第 59 卷 第 9 期铁 道 通 信 信 号Railway Signalling&CommunicationSeptember 2023Vol.59 No.9信号楼内接地及等电位连接研究应用谢宝军，杨岗，刘立峰，符生摘 要：根据信号楼内电子信息设备功能性和保护性接地基准点研究成果，并结合最新接地技术标准规范，重点分析研究保护性等电位连接，以及保护连接导体连接到BRC、星形等电位连接网络、多网状连接星形网络和共用网状连接星形网络等4种不同类型的功能性等电位连接网络，提出典型结构形式的信号楼内电子信息设备保护性接地、功能性接地，以及等电位连接的技术方案。关键词：保护性接地；功能性接地；等电位连接网络；信号楼；基准点中图分类号：U284.93 文献标识码：A Research and Application of Grounding and Equipotential Connection in Signaling BuildingXIE Baojun,YANG Gang,LIU Lifeng,FU ShengAbstract：According to the research results of the functional and protective grounding reference points of electronic information equipment in the signaling building,combined with the latest grounding technical standards and specifications,this paper focuses on the analysis and research of protective equipotential connection,as well as four different types of functional equipotential connection networks,including protective connection conductors connected to BRC,star network protective conductors,multi grid connected star networks,and shared mesh connected star networks.The technical schemes of protective grounding,functional grounding and equipotential connection of electronic information equipment in the signaling building with typical structural forms are proposed.Key words：Protective grounding；Functional grounding；Equipotential connection network；Signaling building；Reference pointDOI：10.13879/j.issn.1000-7458.2023-09.23001扫码浏览下载谢宝军：中铁二院工程集团有限责任公司 高级工程师 610031 成都杨 岗：中铁二院工程集团有限责任公司 正高级工程师 610031 成都刘立峰：中铁二院工程集团有限责任公司 正高级工程师 610031 成都符 生：中国铁路南宁局集团有限公司 工程师 530000 南宁基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题（J2020Z505）收稿日期：2023-01-03引用格式：谢宝军,杨岗,刘立峰,等.信号楼内接地及等电位连接研究应用J.铁道通信信号,2023,59(9):26-33.Citation：XIE Baojun,YANG Gang,LIU Lifeng,et al.Research and Application of Grounding and Equipotential Connection in Signaling BuildingJ.Railway Signalling&Communication,2023,59(9):26-33.26Railway Signalling&Communication Vol.59 No.9 2023随着我国铁路基础设施建设现代化水平的不断提高，信号楼内安装了大量重要的、高灵敏度的各类电子信息设备，如列控中心、计算机联锁、无线闭塞中心等。由于这些电子信息设备的耐压水平普遍较低，甚至远距离产生的雷电电磁脉冲都可能导致设备损坏，因此研究其抗电磁干扰性能十分必要且重要。经前期广泛调研分析发现，接地和等电位连接设计或安装不合理是造成电子信息设备间电位不等，从而受到干扰的重要因素1。本文基于信号楼内电子信息设备功能性和保护性接地基准点的研究成果2，按照设备的重要程度和抗电磁干扰性能，提出信号楼内接地和等电位连接技术的具体应用方案。1保护性接地及等电位连接低压电气装置 第5-54部分：电气 设备的选择和安装 接地配置和保护导体（GB 16895.32017/IEC 60364-5-54：2011）3附录 B 给出了保护性接地和等电位连接的示例做法，见图1。信号楼内电子信息机房采用TN-S供电制式，在电源进线 的 总 配 电 箱 MDB 处 设 置 总 等 电 位 端 子 板（MET）在电源室设置分配电箱（DB），保护性接地是通过TN-C-S的PE线实现等电位连接的。在总等电位连接方面，雷电防护 第 3部分：建筑物的物理损坏和生命危险（GB/T 21714.32015）4和等电位联结安装5也给出了示例做法。电源从地面进线实现等电位连接的情况分为2种：采用外部环形导体；采用内部环形导体。考虑到不是每个工程都具备外部环形导体的空间条件，并且外部环形导体易受土壤环境影响和人为因素干预，故推荐采用内部环形导体，见图2。图 2 中，在电源进线、信息传输线路进线和金属管道等位置均设置等电位端子板，就近与结构钢筋焊接。通过内部环形导体实现等电位端子板与总等电位端子板的连接6。由于长距离的连接会产生较大的感应电流和电压，因此需使内部环形导体形成闭合环路，确保导体上任意两点间的电位基本相等。内部环形导体就是总等电位连接的干线或延伸线，兼有接地导体的功能，具体做法见图3。2功能性接地及等电位连接低压电气装置 第4-44部分：安全防护 电压骚扰和电磁骚扰防护（GB/T 16895.102021）7给出了功能性接地的技术要求和具体的等电位连接网络类型：建筑物总接地端子可通过一根接地干线加以延伸，以使电子信息设备接地能从建筑物中任何一点，以尽可能短的距离与其连接或接地。机柜外壳保护接地导体PE分配电箱DB保护接地导体PE/PEN总配电箱MDB保护接地导体总接地端子地面埋入混凝土基础内的接地体图1 保护性接地和等电位连接示意电源和通信线路SPD等电位端子板混凝土基础内钢筋内部环形导体与结构钢筋连接室外接地体如有外界可导电部分图2 总等电位连接示意（采用内部环形导体）27铁道通信信号 2023年第59卷第9期为便于连接，接地干线宜在建筑物边界线内侧四周敷设成一个等电位连接环，功能性和保护性接地在共用接地系统的情况下均可整合，且相互兼容8-9。按设备的重要性和抗干扰性能，宜采用如下4种基本类型。2.1保护导体连接到联结环形导体对于现有建筑物内抗干扰能力较强、工作频率较低的模拟线路，当分布于较大区域的内部系统零散电子信息设备接地时，应采用联结环形导体（Bonding Ring Conductor，BRC）进行等电位连接，方便就近连接，所有保护性和功能性接地导体均可连接到BRC，见图4。2.2星形等电位连接网络星形网络也称为放射式（S式）接地方式，见图5，适用于有限量、在小型建筑内相互之间没有信号电缆、抗干扰能力较强的电子信息设备。电子信息设备的所有金属导体，如机柜、机箱和机架等与共用接地系统独立且绝缘，仅通过作为接地参考点的唯一等电位连接母排与共用接地系统连接，形成 S型的星形等电位连接结构，即通过唯一的基准点，将功能性接地整合到整个建筑物的等电位连接网络中。接地端子板直接与机房结构主筋相连。由图5可知，设备的保护性接地导体PE线通过配电箱 PE 母排连接，当相线接地故障后，短路大电流经低阻抗的 PE 线回到变压器原点，同时设备的保护 PE 线也兼做电子信息设备的功能性接地。对于抗干扰能力较强的设备，这种接地方式只需将一个等电位端子板作为基准点，同时可以实现保护接地和信号接地，且最为简单易行。但对于机房面积较大、高频运行的电子信息设备，过长的 PE 线可能会产生较大的环路感应危险过电压，同时当接地线长度为/4 奇数倍时会产生谐振。因此，高频电子信息设备接地类型必须采用多点接地，并且应提供一个低阻抗的基准电位平面，减小电位差，从而形成网状结构的接地形式。2.3多网状连接星形网络多网状连接星形网络也称为混合式接地方式，适用于装有不同小型电子信息设备的机房群，或设备较为分散的大型电子信息系统机房电子信息设备接地，见图 6。电子信息设备在同一楼层内，除用 PE 线作保护接地外，还应将电子信息设备的外壳尽量短直地连接到设备下方的局部水平等电位铜质网格上，以实现高频低阻抗的信号接地10。电子信息设备功能性接地做法是从局部水平等电位铜质网格上，引2根一长一短的接地（等电位连接）导体，接于设备底座的对角处。铜网格的作用是为电子信息设备间的高频连接通路提供高频、低阻抗的参考电位平面，使各电子信息设备的信号地电位相等或接近，从而减少系统间电位差带来的危害。网孔尺寸取决于雷电的防护水平、设备的抗干扰能力和数据传输使用的频率。网孔尺寸应与被防护装置的尺寸相适应，在电磁干扰敏感的场所不应接地端子板配电箱PEPEPE母排接地导体用电设备图5 星形等电位连接网络与结构钢筋焊接至配线箱PE母排等电位端子板与结构钢筋焊接信息传输进线内部环形导体等电位端子板金属管道与结构钢筋焊接与结构钢筋焊接电源线路传输进线图3 总等电位连接示例等电位联结环形导体(BRC)图4 保护导体连接到BRC28Railway Signalling&Communication Vol.59 No.9 2023大于2 m2 m。结合防静电地板的尺寸，以及铜箔带作为接地网络，网格尺寸可取 600 mm600 mm11。2.4共用的网状连接星形网络随着电子信息设备工作频率的日益提高，即使采用了多网状连接星形网络接地方式，并将PE 线绝缘隔离，但由于高频条件下导体与导体间存在电容耦合，互相靠近的导体间电感耦合仍难以消除，因此在高频条件下导体间的绝缘已无意义，为此又推出一种共用的网状连接星形网络接地方式。共用的网状连接星形网络适用于装有重要用途的高密度电子信息设备的大型电子信息系统机房，见图 7。各楼层间通过金属结构、管道或专设的垂直干线等做立体的连接。对于电子信息设备分布于多楼层的情况，需要从总等电位连接接地母排引伸出接地母干线，以便与各种金属结构、管道等作水平和垂直的连接。从图 7 可以看出，等电位连接网就是机房电子信息设备的“参考地”。由于这种接地方式具有众多的连接点和分流并联通路，可大大降低高频阻抗，对于只具有一般抗干扰水平的电子信息设备，可以消除大部分的干扰。其网格尺寸要求、功能性接地具体做法等与多网状连接星形网络一致，特别适用于新建的大量电子信息设备集中设置的建筑物，能较好适应严酷的电磁环境，以及设计时对各种干扰因素尚不清楚的场所。3等电位连接网络特点及适用范围综上所述，4种等电位连接网络特点及适用范围见表1。其中，第1、2种等电位连接网络类型最易实施，尤其在既有建筑物中；第3、4种等电位连接网络类型实施虽然会增加困难和费用，但更能为尚未确定的电子信息设备提供一个可接受的环境。4信号楼接地及等电位连接技术方案4.1保护性接地及等电位连接信号楼一般为2层建筑物的钢筋混凝土结构：一层设置电力远动间、电缆引入间和办公生产等用房；二层集中设置通信信息、信号专业的设备用房，为主要的生产设备用电区域。保护性接地和等电位连接主要是针对房屋内的电气设备13。一层保护性接地和等电位连接见图8。在电力总接地端子PE保护性接地导体配电箱功能性等电位导体尽可能短(0.5 m)用电设备金属网格图7 共用的网状连接星形网总接地端子PE母排PE保护性接地导体配电箱功能性接地导体(2根)尽可能短(0.5 m)金属网格图6 多网状连接星形网络表1等电位连接网络特点及适用范围网络类型保护导体连接到BRC星形等电位连接网络多网状连接星形网络共用的网状连接星形网络特点抗干扰能力较强;功能性接地和保护性接地都可连接抗干扰能力较强;所有线路仅在一点进入区域,单点连接到等电位接地网络;功能性接地利用供电回路的PE线设备之间有许多线路,多点连接到等电位接地网络,可局部分散由电磁干扰引起的电流;功能性接地利用机柜下面的等电位接地网络设备之间有许多线路,具有众多连接点和分流并联道路,大大降低高频阻抗;功能性接地利用机柜下面的等电位接地网络适用范围小型建筑,分布较为分散的电子信息设备小型建筑内,电子信息设备相互之间没有信号电缆连接;工作频率在300 kHz以下的模拟线路9装有不同小型电子信息设备的机房群,且需相互连接通信,或设备较为分散的大型电子信息系统机房;工作频率在MHz级的数字线路10大型电子信息系统机房,装有重要用途的高密度、集中设置的电子信息设备,适应严酷的电磁环境及对各种干扰因素尚不清楚的场所;工作频率在MHz级的数字线路1229铁道通信信号 2023年第59卷第9期远动间电源进线处设置总等电位端子板、在电源进线所供范围的电气设备金属外壳和邻近的可导电部分之间实施总等电位连接。在通信信息、信号传输线进线处（电缆引入间）设置等电位端子板，金属电缆护套、电缆屏蔽层、电缆铠装等与等电位端子板连接。总等电位端子板和其他若干等电位端子板之间，通过内部环形导体连接。如果供电设备离电源较远，信号楼内保护线PE过长，可能出现保护电器不能动作，接触电压超过安全限值的风险，则需在信号楼二层机房设置等电位端子板，它可视为局部范围的“总等电位连接”。二层保护性接地和等电位连接见图9。在通信信息、信号的分配电箱处和传输线路进线处设置等电位端子板，同时分别与配电系统的 PE 线、结构垂直主钢筋、地面水平钢筋网作等电位连接。机房内设备外壳通过接地线与沿线明敷的内部环形导体或 BRC 连接。电源传输线路的浪涌抑制保护器（Surge Protectiye Device，SPD）接地、传输线路的SPD接地、机柜外壳及电缆屏蔽层接地等，均可就近与此处的等电位端子板连接。需再次说明的是，用电设备的机柜外壳必须通过等电位端子板与楼层结构钢筋网实现等电位连接，使得房屋内整个可导电部分均处于一个地电位水平，消除危险电位差。4.2功能性接地及等电位连接信号楼内设备种类较多，除了有重要用途的高密度、高灵敏度的计算机设备外，还有以继电器、晶体管为主的耐压能力较强的设备。按照经济合理、投资节约的原则，结合4种不同类型的等电位连接导体网络适用范围和特点，提出信号楼内功能性接地差异化设计的方案，见图9。信号楼内的电子信息设备房屋有信号电源室、信号计算机室和通信信息机房，其工作频率较高，一般都能达到MHz级，要求为多点接地。同时作为保证列车安全运行的重要设备，对周围的电磁环境要求苛刻，设计前期也无法完全掌握抗干扰水平，因此，建议采用网状结构。设备的保护接地和功能性接地均接至防静电地板下方的等电位接地网络，并与信号楼内专设的垂直接地干线（多楼层）或钢筋混凝土中预埋的等电位端子板连接。每台电子信息设备采用2根一长一短铜导线与网状等电位接地网连接，长度不大于 0.5 m14-15，见图 10。所有进入信号楼的金属构件、电缆金属护套均就近与该网状等电位接地网络直接连接，以减少连接阻抗。综上所述，根据设备房屋布置情况，当设备房屋分布较为零散时，选择多网状连接星形网络；紧邻集中设置时，选择共用的网状连接星形网络；运转室和防雷分线室内设备少且零散，占地面积较小，且要求为单独设备房屋，可采用星形等电位连接网络；信号继电器室面积较大，继电器、二极管、硅整流等器材的抗干扰能力较强，可采用连接BRC。对于设备分布于不同楼层的情况，每层的等电位接地网络应通过设置垂直接地干线的形式，实现垂直立体的连接，该垂直接地干线应直接从一层总等电位端子板引出16-17，见图11。(a)电力远动间接地与等电位连接总等电位端子板预埋件与结构钢筋焊接接地体内部环形导体总配电柜MDB引至信号配电箱PE母排引至通信配电箱PE母排引至信息配电箱PE母排电力远动间配电柜PE母排与结构钢筋焊接预埋件信号电缆引入间信号传输线电缆外护套等电位端子板通信材料室通信电缆引入间通信传输线电缆外护套(b)电缆引入间接地与等电位连接 预埋件与结构钢筋焊接等电位端子板图8 信号楼一层接地和等电位连接30Railway Signalling&Communication Vol.59 No.9 20235结论根据功能性和保护性接地基准点的研究成果，结合信号楼内设备实际情况，对传统的“共地不共线”方式进行优化，提出信号楼内差异化接地网络及等电位连接技术方案，研究结论如下。1）通信信息机房和信号电源室、计算机室电子信息设备的保护性、功能性接地及等电位连接网络宜采用网状连接形式，具体根据设备布置情况，采取差异化的等电位连接网络；信号继电器室宜采用BRC；防雷分线室和运转室设备保护性接地可采用星形等电位连接网络。2）对于电子信息设备设于不同楼层的信号楼（如多车场信号楼），每一层宜设置等电位连接接地网络，电子信息设备的功能性接地宜通过设置专用的垂直接地干线，将不同楼层的等电位连接网络实现垂直的等电位连接18，该垂直接地干线直接从一层总等电位端子板引出。3）每台电子信息设备宜采用2根一长一短的铜导线与防静电地板下方的网状等电位接地网络连接，长度不大于0.5 m。联结环形导体(BRC)等电位端子板预埋件与结构钢筋焊接内部环形导体信号继电器室(c)信号继电器室接地与等电位连接(d)其他信号设备房屋接地与等电位连接内部环形导体运转室防雷分线间等电位端子板等电位端子板预埋件预埋件与结构钢筋焊接与结构钢筋焊接SPD信号传输线电缆外护套 (a)信号电源和机房接地与等电位连接预埋件与结构钢筋焊接等电位端子板内部环形导体与等电位端子板连接信号配电箱SPDPE母排总配电箱PE母排信号电源室信号计算机室通信机房室内部环形导体总配电箱PE母排PE母排SPD通信配电箱等电位端子板预埋件与结构钢筋焊接(b)通信机房接地与等电位连接图9 信号楼二层接地和等电位连接注：铜箔带；铜箔带之间焊接；铜箔带与防静电地板支柱焊接；铜箔带与等电位连接带之间焊接；设备的等电位连接带；铜箔带与设备等电位连接带之间焊接；电源配电系统；电源配电系统的接地等电位连接线；防静电地板下方等电位接地网络与周围钢筋混凝土柱子上等电位端子板的焊接，即与共用接地系统的连接。图10 电子信息设备功能性接地及等电位连接示意31铁道通信信号 2023年第59卷第9期参考文献1 刘立峰,涂慧敏,尹福康.铁路防雷及接地工程技术规范 TB 101802016解读 第一篇 共性部分J.铁道通信信号,2017,53(8):17-19.LIU Lifeng,TU Huimin,YIN Fukang.Analysis of Technical Specifications of Railway Lightning Protection and Grounding(Chapter 1:Common parts)J.Railway Signalling&Communication,2017,53(8):17-19.2 谢宝军,吴歆彦,王学林,等.信号楼内功能性接地与保护性接地基准点研究J.铁道通信信号,2023(7):35-39.XIE Baojun,WU Xinyan,WANG Xuelin,et al.Research on Functional Earthing and Protective Earthing Datum Points in Signaling BuildingJ.Railway Signalling&Communication,2023(7):35-39.3 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T 16895.32017 建筑物电气装置 第5-54部分:电气设备的选择和安装接地装置、保护导体和保护连接导体S.北京:中国标准出版社,2017.4 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T 217142015 雷电防护S.北京:中国标准出版社,2015.5 中国航空规划建设发展有限公司,中国建筑标准设计研究院有限公司.建质函2015185号 等电位联结安装S.2015.6 丁杰,陈谦,韩帅.也谈等电位联结J.建筑电气,2018,37(8):10-12.DING Jie,CHEN Qian,HAN Shuai.Further Discussion about Equipotential BondingJ.Building Electricity,2018,37(8):10-12.7 国家市场监督管理总局,国家标准化管理委员会.GB/T 16895.102021低压电气装置 第 4-44部分:安全防护 电压骚扰和电磁骚扰防护S.北京:中国标准出版社,2021.8 霍海波.电子电气设备的接地方式、原则及适用场合J.设备管理与维修,2020(4):126-127.9 邢泽峰.共用接地系统在雷电防护中的作用J.现代建筑电气,2011(9):44-46.联结环形导体(BRC)配电盘1层PE楼板本层结构钢筋共用的网状连接星形网络等电位连接网络层PEPEPEPE配电盘配电盘配电盘楼板楼板楼板本层结构钢筋本层结构钢筋本层结构钢筋多网状连接星形网络等电位连接网络3层星形等电位连接网络2层垂直接地干线PEN1层PE导体N中性线电源通向接地体总等电位端子板N NN图11 电子信息设备分布与不同楼层的接地及等电位连接32Railway Signalling&Communication Vol.59 No.9 2023XING Zefeng.Common Grounding Systems Role in Lightning ProtectionJ.Modern Architecture Electric,2011(9):44-46.10王厚余.低压电气装置的设计安装和检验M.3版.北京:中国电力出版社,2012.11王厚余.建筑物电器装置600问M.北京:中国电力出版社,2013.12中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 500572010 建筑物防雷设计规范S.北京:中国计划出版社,2011.13卢国勇.电气系统中等电位连接的重要性J.工程建设与设计,2022(10):39-41.LU Guoyong.Importance of Medium Potential Connections in Electrical SystemJ.Constraction&Design for Engineering,2022(10):39-41.14中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 503112016 综合布线系统工程设计规范S.北京:中国计划出版社,2016.15林维勇.电子系统中功能性接地和等电位连接的几个问题J.电气应用,2005,24(5):1-5.16国家铁路局.TB 101802016 铁路防雷及接地工程技术规范S.北京:中国铁道出版社,2016.17谢宝军,刘立峰,吴歆彦.铁路防雷及接地工程技术规范 TB 101802016解读 第二篇 防雷及接地设计J.铁道通信信号,2017,53(9):60-63.XIE Baojun,LIU Lifeng,WU Xinyan.Interpretation of Technical Specifications of Railway Lightning Protection and Grounding TB 101802016(Chapter 2:Design of Lightning Protection and Grounding)J.Railway Signalling&Communication,2017,53(9):60-63.18赵艳.高层建筑中各类接地形式的探讨J.安徽建筑,2002(3):105.（责任编辑：温志红）（上接第25页）6 刘鹏,梁志国,徐德龙.高速铁路计算机联锁软件应用数据安全防护方法研究J.铁道通信信号,2020,56(7):22-26.LIU Peng,LIANG Zhiguo,XU Delong.Study on Data Security Protection Methods of Computer Interlocking SoftwareJ.Railway Signalling&Communication,2020,56(7):22-26.7 中国铁路总公司.铁路技术管理规程(高速铁路部分)M.北京:中国铁道出版社,2014.8 章慧.安全关键软件数据防护措施研究J.铁道通信信号,2022,58(6):21-24.ZHANG Hui.Research on Data Protection Measures for Safety-Critical SoftwareJ.Railway Signalling&Communication,2022,58(6):21-24.9 宋春红,王佳斌,郑力新.采用多叉树模型数据迁移算法的设计与实现J.华侨大学学报(自然科学版),2018,39(6):932-936.SONG Chunhong,WANG Jiabin,ZHENG Lixin.Design and Implementation of Data Migration Algorithm Using Multi Fork TreeJ.Journal of Huaqiao University(Natural Science),2018,39(6):932-936.10姚思帆.非对称加密技术分析J.电子技术,2020,49(7):50-51.YAO Sifan.Analysis of Asymmetric Encryption TechnologyJ.Electronic Technology,2020,49(7):50-51.11李文清,高平,李光松.基于数据分析的DEFLATE算法特征研究J.信息工程大学学报,2021,22(1):74-80.LI Wenqing,GAO Ping,LI Guangsong.Research on Features of DEFLATE Algorithm Based on Data AnalysisJ.Journal of Information Engineering University,2021,22(1):74-80.12倪文龙,钱宏文,刘继祥.Zlib压缩自动重构升级平台设计J.自动化技术与应用,2022,41(9):55-57.NI Wenlong,QIAN Hongwen,LIU Jixiang.Design of Automatic Reconfigurable Platform Based on Zlib CompressionJ.Techniques of Automation&Applications,2022,41(9):55-57.13黄广顺.基于改进MD5算法的网络通信数据混合加密方法J.宁夏师范学院学报,2022,43(10):52-58.HUANG Guangshun.A Hybrid Encryption Method of Network Communication Data Based on Improved MD5 AlgorithmJ.Journal of Ningxia Teachers College,2022,43(10):52-58.（责任编辑：王菲）33