接地电极的瞬态噪声和阻抗

抽象

今天的高速电子设备使我们能够看到遥远的行星，绘制人类基因组图，在数千英里外飞行无人机，部署半自动驾驶汽车，在我们的手掌中移动访问互联网、视频和音频。 超级计算机、数据服务器、路由器和交换机等电子系统都通过电缆、光纤和射频链路网络相互连接。 数据中心、移动和公共电话交换局、卫星地球站、无线电通信、蜂窝基站和控制中心是大型设施，它们是容易受到瞬态噪声影响的整个网络的一部分。 高速电子设备是非常敏感的设备，容易因瞬态噪声而损坏。 在这些装置中使用浪涌保护装置和安装良好的接地系统是减轻瞬态噪声造成的损害的方法。 接地系统始于对地电阻低的接地电极。 低瞬态接地电阻可降低瞬态噪声电压，从而使这些电子系统更加稳健。 经t接地电极的瞬态行为对于最小化瞬态噪声对电子系统的影响至关重要。 本文将介绍和对比两种 (2) 电极类型在受到瞬态噪声时的性能。

介绍

远距离雷击和直接雷击会将瞬态噪声电压施加到电源线、射频电缆、控制电缆和其他导电物体上。 闪电施加的瞬变具有快速的上升时间和缓慢的衰减。 高频 (HF) 分量出现在快速上升时间，而低频 (LF) 分量出现在脉冲的缓慢衰减时间。 闪电瞬态模型的上升时间为 1.2 µS，衰减时间为 50 µS。 1.2 µS 脉冲的基频为 833 KHz。

其他形式的瞬变，主要是环形波瞬变，由电动机、焊机、开关电源和电器产生。 环形波瞬态模型具有 0.5 µS 的快速上升时间或 2 MHz 的基频。 瞬态电压会导致设备故障。 精心设计的低接地电阻接地系统以及浪涌保护装置是减轻因瞬态或浪涌引起的设备故障的方法。

接地电极的接地电阻测量大多在低于 150 Hz 的频率下进行，以密切表征电源线频率下的电极。 因为测量是在低频下进行的，所以高频下的接地电阻是未知的。 理想的接地系统在低频和高频下具有低阻抗。

具有分布式电感和电容元件的接地系统中的瞬态噪声电压会产生复杂的电压响应。 通常，与纯电阻系统相比，感应系统中的瞬变更大。 系统中的电容通常可以降低瞬态电压。 接地系统的分布电感和电容成为 HF 的一个因素。

图 1. 对地阻抗的频率依赖性。

接地电极的行为与土壤电阻率和配置有关，在 [1] 中进行了讨论。 [1] 中的图 1 显示了两个频率范围，其中特性阻抗不改变（LF 范围）和变为电感或电容（HF 范围）。 电容电极在高频下往往具有较低的阻抗。 因此，具有电容电极以最小化瞬态电压是有利的。

图 2. 电极的感应和导电接地行为区域.

测试中使用了两 (2) 种类型的电极。 一根 ½ 英寸 x 3 英尺的杆和一根 2 英寸 x 4 英尺的 XIT 杆。 将 ½ 英寸的杆推入 3 英尺深的地面，与原生土壤接触。 XIT 杆被埋在一个 3 英寸 x 8 英寸的井中 42 英尺深，井中充满了 Lynconite II®。

[2] 中的图 1 显示了电极特征长度与接地电阻率的关系。 测量了测试地点的土壤电阻率，结果在 50 到 100 欧姆-米之间。 使用图 2 中的图表，预计土壤中具有 3 Ohm-m 电阻率的 100 英尺电极具有电容特性。

电极对地电阻

电位下降测试方法使用一个专用仪表和两个以特定距离隔开的辅助探头，一个远程电流探头和一个电位探头，以及与被测接地系统的连接。 仪表在接地系统和远程电流探头之间建立低频电流，并测量接地系统和电位探头之间的电压电位并绘制图形。 该测试使用 IEEE 标准 81 规定的标准进行。

进行两种类型的电位下降测试以确定电极的低频电阻和高频阻抗。 DET 2-2 用于测量 LF 电阻（接地电阻）。 瞬态脉冲法用于测量高频阻抗。 瞬态脉冲包含低频和高频分量。 从单个瞬态脉冲，您可以确定电极的 LF 电阻和 HF 阻抗。 图 3 显示了使用 DET 2-2 的两个电极之间的 LF 电阻比较。 请注意 XIT 杆相对于从动杆的改进。 ½ in. 从动杆的接地电阻是 XIT 杆的 2.4 倍。

图 3. 使用 DET 2-2 的 EUT 电位下降测试

动态行为

电极的动态行为以其低频电阻、瞬态阻抗和脉冲阻抗为特征。 使用 DET 2-2 进行的测量为您提供电极的 LF 电阻。 低频电阻在 [2] 中定义为，其中 是电压馈电点和远程中性点接地， 是注入电流。

瞬态阻抗在 [2] 中定义为馈电点相对于远程中性地和注入电流脉冲的电标量电势。 瞬态阻抗测量数据如图 4 和图 5 所示。

脉冲阻抗在 [2] 中定义为其中 是电位脉冲的峰值电压，是注入电流脉冲的峰值。

图 4. 从动杆瞬态阻抗 (a) 和信号 (b)。

请注意图 4 中的从动杆瞬态迹线。图 4a 显示了峰值（绿色）和平均（黑色）瞬态阻抗。 峰值出现在脉冲的 2 µS 内。 2 到 500 µS 之间的阻抗类似于 LF 电阻。 由于在 200 µS 后测量的低信号电平导致的信噪比差，会扭曲生成的 LF 电阻测量结果。 0 到 200 µS 之间的较高信号电平可实现一致的测量。

XIT 电极的瞬态阻抗也显示在图 5 中。比较图 4 和图 5 中的瞬态阻抗迹线，可以看出 XIT 的 LF 电阻明显低于从动棒。 差异遵循图 3 中所示的结果。

图 5. XIT 棒瞬态阻抗 (a) 和信号 (b)。

进行 <1 µS 的测量以提高迹线的水平分辨率，并使我们能够看到电极在高频下的动态行为（图 6）。 驱动棒的峰值瞬态阻抗（图 6a）是其测量的 LF 电阻的 7.5 倍。 XIT 棒的峰值瞬态阻抗（图 6b）是其测量的 LF 电阻的 2.2 倍。 尽管具有比从动杆更好的接地电阻，但 XIT 杆无法在 HF 下保持相同的接地电阻。 这表明，在 LF 处可能被视为良好的接地电阻并不能保证在 HF 处具有良好的接地电阻。 另外需要注意的是，从动杆的瞬态阻抗是 XIT 杆的 7.8 倍。 XIT 杆始终优于从动杆。

图 6. 被驱动 (a) 和 XIT (b) 杆在 <1µS 跨度下的瞬态阻抗。

如上定义的瞬态阻抗。 瞬态阻抗与电压和电流的比例决定了更大的瞬态阻抗意味着接地电极处的更高瞬态电压。 如果电极的瞬态阻抗很高，则期望在 LF 处具有低接地电阻的电极能够消散高瞬态噪声是错误的。 <1 µS 时的动态行为总结如表 1 所示。

表 1 EUT 的动态特性

总结

与从动杆相比，XIT 杆在低频和高频下都表现出更好的性能。 XIT 的接地电阻比从动杆低 58%。 其瞬态阻抗比从动杆低87%。 XIT 的瞬态噪声净空比从动杆大。 这对于减少系统中的瞬态或高频噪声非常重要。

拉里·拉巴延 高级应用工程师，Lyncole XIT Grounding

参考文献：

1. L. Grcev， 改进了输电线路接地装置的设计，以更好地防止雷电的影响， Roma：国际电磁兼容性研讨会论文集，1998 年 1 月，论文 C7-100，第 103-XNUMX 页。
2. L. Grcev， 接地电极的脉冲效率， 埃因霍温大学：IEEE Transactions on Power Delivery，Vol。 24年1月2009日第XNUMX期
3. S. Sekioka、MI Lorentzu、MP Philippakou 和 JM Prousalidis， 电流相关接地电阻模型， IEEE Transaction On Power Delivery，卷。 21年1月2006日第XNUMX期
4. S. Visacro 和 G. Rosado， 接地电极对脉冲的响应， TEMC-184-2007。