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摘要通过ATP - EMTP 电磁暂态程序， 对电子设备采用共网共母线和共网不共母线接地布线方式进行了数值仿真试验比较分析， 得出电子设备采用共网不共母线接地散流方式比采用共网共母线散流方式更安全的结论。
关键词 接地布线方式 物理模型 电磁暂态模型 分析
随着电子设备的大量应用， 电子设备系统因遭雷击造成的损失越来越严重。目前， 电子设备的雷电防护技术已比较成熟， 但对于接地母线的布设方式还存在一定的争议。除一些特殊设备的独立接地外， 主要有共网共母线和共网不共母线两种接地母线布设方式。而对于这两种接地母线布设方式的试验比较， 目前还未见有文献报道。为对这两种接地母线布设方式进行比较研究， 本文选择ATP - EMTP 电磁暂态程序进行对比仿真试验， 以确定有效的接地母线布设方式。
1 共网共母线与共网不共母线接地布设方式简介
1 ． 1 共网共母线布设方式
电子设备系统各种不同性质的接地线沿同一接地母线接至地网的布设方式， 称为共网共母线接地方式， 其接线方式见图1。
1 ． 2 共网不共母线
布设方式电子设备系统各种不同性质的接地线沿不同接地母线接至地网的布设方式， 称为共网不共母线接地方式， 其接线方式见图2。
2 ATP - EMTP仿真试验程序
ATP 程序是目前国际上电磁暂态分析程序（ EMTP， Electromagnetic Transients Program） 使用最广泛的一个版本， 主要用于电磁瞬时现象与电磁特性数值仿真试验。ATP - EMTP 配备有图形输入程序ATPDraw 及通用描述语言MODELS。该程序数学模型较多， 可仿真复杂的电路与控制系统。
ATP - EMTP 主要功能有雷电过电压、操作过电压、系统过电压的研究， 接地等现象的快速暂态分析、设备建模、电机启动过程动态仿真、轴系扭振分析、变压器及并联电抗器/ 电容器的开断、铁磁共振现象的研究、断路器电弧、冲击电流， 以及FACTS （柔流传输） 设备的STATCOM （静止同步补偿器）、SVC （静止无功补偿器）、UPFC （统一潮流控制器） 、TCSC （ 晶闸管可控串联电容补偿器） 模型， 谐波分析与网络共振现象、保护设备的试验。
3 数值仿真试验
3． 1 共网共母线接地方式数值仿真试验
3． 1． 1 物理模型
共网共母线接地散流数值仿真试验的物理模型见图3， 该模型的计算条件如下：
a . 根据图3 所示系统物理模型， 分别用5 A、10 A、20 A、40 A 的8 / 20 μs 波形的雷击感应电流注入A 点， 计算B 点的雷击瞬时电位波形。
b . 仿真计算中， 由于A 线注入电流对B 线影响最大， 因此只考察A 线注入电流对B 线电位的影响， 不考虑对相隔较远的C 线和D 线的影响。
c . 仿真计算中， 需考察对象（B 点电位） 的冲击响应， 由于雷电主要以波的形式传输， 因此仿真模型的建立采用能准确描述冲击波在导体上传播的波阻抗模型。
d . 由于实际系统的情况很复杂， 包括各线之间的夹角、各线与地面的距离、节点M 与母线排端点的距离、节点N 与K 的距离等条件， 在仿真试验中为了得到B 点可能出现的最大传导电位， 故对仿真条件进行了必要的假设： 假定节点M 与母线排端点距离， 以及节点N、K 之间的距离都是1 m， 节点K 到母线排另一端距离10 m。
3． 1． 2 电磁暂态仿真模型
共网共母线接地散流数值仿真试验的电磁暂态仿真模型如图4 所示。
3． 1． 3 试验结果
3． 1． 3． 1 室内接地母线到设备的接地线长度（L1）变化试验在共网共母线接地散流数值仿真试验的物理模型（图3） 中假定d ＝ 1 m， L2 ＝ 50 m 时， 当改变L1长度为0. 5 m、1 m、1. 5 m、2 m、5 m、10 m时， 引起A、B 线间互波阻抗的变化， 继而影响到耦合系数的变化， B 点电位最大值仿真试验结果见表1。
由表1 可知， 室内接地母线距设备的接地线（L1）越短， 注入A 点的电流越小， B 点电位也越小； 反之亦然。
3． 1． 3． 2 接地母线长度（L2） 变化试验
在共网共母线接地散流数值仿真试验的物理模型（图3） 中假定d ＝ 1 m， L1 ＝ 5 m 时， 当改变L2长度为10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、50 m、60 m、70 m、80 m、90 m、100 m， B 点电位最大值仿真试验结果见表2。
由表2 可知， 接地母线（L2） 越短、注入A 点的电流越小， B 点电位也越小； 反之亦然。
3． 1． 3． 3 室内接地母线上设备的接地点间距离（d）变化的实验
在共网共母线接地散流数值仿真试验的物理模型（图3） 中假定L 1 = 5 m， L 2 = 50 m 时， 当改变间距d 分别为0. 02 m、0. 05 m、0. 5 m、1 m、5 m、10 m、15 m、20 m、30 m、40 m 时， B 点电位最大值仿真试验结果见表3。
由表3 可知， 室内接地母线上设备的接地点间距离（d） 越小， B 点电位越大； 注入A 点的电流越小，B 点电位也越小。
3． 2 共网不共母线接地方式数值仿真试验
3． 2． 1 物理模型
共网不共母线接地散流数值仿真试验的物理模型如图5 所示， 该模型的试验条件如下：
a . 根据图5 所示系统物理模型， 分别用5 A、10 A、20 A、40 A 的8 / 20 μs 波形以雷击感应电流注入A 点， 测出B 点的电位。
b . 仿真试验中， 需考察对象（B 点电位） 的冲击响应， 因此仿真模型的建立采用能准确描述冲击波在导体上传播的波阻抗模型。
3 ． 2 ． 2 电磁暂态仿真模型
共网不共母线接地散流数值仿真试验的电磁暂态仿真模型见图6。
用共网共母线接地散流数值仿真试验的电磁暂态仿真模型的分析方法，
同样可以通过波阻抗模型来分析B 点的电位变化。
3． 2． 3 试验结果
3． 2． 3． 1 接地母线长度（L） 变化试验
在共网不共母线接地散流数值仿真试验的物理模型中假定A、B 线在地网中的接地点间距d ＝ 1m 时，当改变L 的长度分别为10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、70 m、80 m、90 m、100m 时， 对应的B点电位最大值仿真试验的结果见表4。由表4 可知， 接地母线A 的长度（L） 越短、注入A 点的电流越小， B 点电位也越小。
3． 2． 3． 2 接地母线在地网接地点间距离（d） 变化试验
在共网不共母线的物理模型中假定L = 50 m 时，当改变A、B 接地母线在地网接地点间距离d 分别为1 m、2 m、5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m 时，将引起A、B 两线之间互波阻抗的变化， 继而影响到耦合系数的变化。当d 取以上各值时， B 点电位最大值仿真试验的结果见表5。
由表5 可知， 在共网不共母线接地散流数值仿真试验中， 接地母线在地网接地点的间距（d） 越小、注入A 点的电流越大， B 点电位越大； 反之亦然。
3． 3 试验结果分析
上述试验结果可看出， 无论是共网共母线还是共网不共母线的接地方式， 均存在以下共性： 随着接地线长度以及接地母线在接地母排或地网的接地点间距的变化， 电子设备上反击产生的电位也发生变化。接地线长度越长， 电子设备上反击产生的电位就越高，反之亦然； 接地线之间的距离或接地母线在地网接地点的间距越小， 电子设备上反击产生的电位就越高，反之亦然。
虽然两种接地方式存在共性， 但通过电磁暂态数值仿真试验， 仍然可看出两者在反击电位数值上存在较大差异。分别对表1 和表4， 表2 和表4，表3 和表5 进行比较， 共网不共母线接地方式产生的反击电位值大大小于共网共母线接地方式， 如表1、表2 和表4 中L 为10 m， I 为40 A 时， 共网共母线接地方式中B 点电位达2 413 . 5 V、1 519 . 4 V，而共网不共母线接地方式仅为857 . 4 V。这说明电子设备采用共网不共母线接地方式遭受雷击的影响小于共网共母线接地方式。
4 结论
ATP - EMTP 电磁暂态数值仿真试验计算程序，能对高层建筑内电子设备的雷电防护进行分析， 可对雷击建筑物时接地泄流系统中各点的瞬时电位分布进行细致的分析， 相对于传统的实验室模拟试验， 具有参数易调整， 计算结果直观、经济实用等特点， 在雷电防护技术分析中被广泛应用。通过ATP - EMTP 电磁暂态仿真计算表明， 高层建筑物内电子设备接地系统采用共网不共母线接地散流方式较采用共网共母线接地散流时反击产生的瞬时传导电位小， 更利于电子设备的保护和雷电能量的泄放， 大大降低了电子设备遭受雷击损坏的概率。
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关键词 接地布线方式 物理模型 电磁暂态模型 分析
随着电子设备的大量应用， 电子设备系统因遭雷击造成的损失越来越严重。目前， 电子设备的雷电防护技术已比较成熟， 但对于接地母线的布设方式还存在一定的争议。除一些特殊设备的独立接地外， 主要有共网共母线和共网不共母线两种接地母线布设方式。而对于这两种接地母线布设方式的试验比较， 目前还未见有文献报道。为对这两种接地母线布设方式进行比较研究， 本文选择ATP - EMTP 电磁暂态程序进行对比仿真试验， 以确定有效的接地母线布设方式。
1 共网共母线与共网不共母线接地布设方式简介
1 ． 1 共网共母线布设方式
电子设备系统各种不同性质的接地线沿同一接地母线接至地网的布设方式， 称为共网共母线接地方式， 其接线方式见图1。
1 ． 2 共网不共母线
布设方式电子设备系统各种不同性质的接地线沿不同接地母线接至地网的布设方式， 称为共网不共母线接地方式， 其接线方式见图2。
2 ATP - EMTP仿真试验程序
ATP 程序是目前国际上电磁暂态分析程序（ EMTP， Electromagnetic Transients Program） 使用最广泛的一个版本， 主要用于电磁瞬时现象与电磁特性数值仿真试验。ATP - EMTP 配备有图形输入程序ATPDraw 及通用描述语言MODELS。该程序数学模型较多， 可仿真复杂的电路与控制系统。
ATP - EMTP 主要功能有雷电过电压、操作过电压、系统过电压的研究， 接地等现象的快速暂态分析、设备建模、电机启动过程动态仿真、轴系扭振分析、变压器及并联电抗器/ 电容器的开断、铁磁共振现象的研究、断路器电弧、冲击电流， 以及FACTS （柔流传输） 设备的STATCOM （静止同步补偿器）、SVC （静止无功补偿器）、UPFC （统一潮流控制器） 、TCSC （ 晶闸管可控串联电容补偿器） 模型， 谐波分析与网络共振现象、保护设备的试验。
3 数值仿真试验
3． 1 共网共母线接地方式数值仿真试验
3． 1． 1 物理模型
共网共母线接地散流数值仿真试验的物理模型见图3， 该模型的计算条件如下：
a . 根据图3 所示系统物理模型， 分别用5 A、10 A、20 A、40 A 的8 / 20 μs 波形的雷击感应电流注入A 点， 计算B 点的雷击瞬时电位波形。
b . 仿真计算中， 由于A 线注入电流对B 线影响最大， 因此只考察A 线注入电流对B 线电位的影响， 不考虑对相隔较远的C 线和D 线的影响。
c . 仿真计算中， 需考察对象（B 点电位） 的冲击响应， 由于雷电主要以波的形式传输， 因此仿真模型的建立采用能准确描述冲击波在导体上传播的波阻抗模型。
d . 由于实际系统的情况很复杂， 包括各线之间的夹角、各线与地面的距离、节点M 与母线排端点的距离、节点N 与K 的距离等条件， 在仿真试验中为了得到B 点可能出现的最大传导电位， 故对仿真条件进行了必要的假设： 假定节点M 与母线排端点距离， 以及节点N、K 之间的距离都是1 m， 节点K 到母线排另一端距离10 m。
3． 1． 2 电磁暂态仿真模型
共网共母线接地散流数值仿真试验的电磁暂态仿真模型如图4 所示。
3． 1． 3 试验结果
3． 1． 3． 1 室内接地母线到设备的接地线长度（L1）变化试验在共网共母线接地散流数值仿真试验的物理模型（图3） 中假定d ＝ 1 m， L2 ＝ 50 m 时， 当改变L1长度为0. 5 m、1 m、1. 5 m、2 m、5 m、10 m时， 引起A、B 线间互波阻抗的变化， 继而影响到耦合系数的变化， B 点电位最大值仿真试验结果见表1。
由表1 可知， 室内接地母线距设备的接地线（L1）越短， 注入A 点的电流越小， B 点电位也越小； 反之亦然。
3． 1． 3． 2 接地母线长度（L2） 变化试验
在共网共母线接地散流数值仿真试验的物理模型（图3） 中假定d ＝ 1 m， L1 ＝ 5 m 时， 当改变L2长度为10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、50 m、60 m、70 m、80 m、90 m、100 m， B 点电位最大值仿真试验结果见表2。
由表2 可知， 接地母线（L2） 越短、注入A 点的电流越小， B 点电位也越小； 反之亦然。
3． 1． 3． 3 室内接地母线上设备的接地点间距离（d）变化的实验
在共网共母线接地散流数值仿真试验的物理模型（图3） 中假定L 1 = 5 m， L 2 = 50 m 时， 当改变间距d 分别为0. 02 m、0. 05 m、0. 5 m、1 m、5 m、10 m、15 m、20 m、30 m、40 m 时， B 点电位最大值仿真试验结果见表3。
由表3 可知， 室内接地母线上设备的接地点间距离（d） 越小， B 点电位越大； 注入A 点的电流越小，B 点电位也越小。
3． 2 共网不共母线接地方式数值仿真试验
3． 2． 1 物理模型
共网不共母线接地散流数值仿真试验的物理模型如图5 所示， 该模型的试验条件如下：
a . 根据图5 所示系统物理模型， 分别用5 A、10 A、20 A、40 A 的8 / 20 μs 波形以雷击感应电流注入A 点， 测出B 点的电位。
b . 仿真试验中， 需考察对象（B 点电位） 的冲击响应， 因此仿真模型的建立采用能准确描述冲击波在导体上传播的波阻抗模型。
3 ． 2 ． 2 电磁暂态仿真模型
共网不共母线接地散流数值仿真试验的电磁暂态仿真模型见图6。
用共网共母线接地散流数值仿真试验的电磁暂态仿真模型的分析方法，
同样可以通过波阻抗模型来分析B 点的电位变化。
3． 2． 3 试验结果
3． 2． 3． 1 接地母线长度（L） 变化试验
在共网不共母线接地散流数值仿真试验的物理模型中假定A、B 线在地网中的接地点间距d ＝ 1m 时，当改变L 的长度分别为10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、70 m、80 m、90 m、100m 时， 对应的B点电位最大值仿真试验的结果见表4。由表4 可知， 接地母线A 的长度（L） 越短、注入A 点的电流越小， B 点电位也越小。
3． 2． 3． 2 接地母线在地网接地点间距离（d） 变化试验
在共网不共母线的物理模型中假定L = 50 m 时，当改变A、B 接地母线在地网接地点间距离d 分别为1 m、2 m、5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m 时，将引起A、B 两线之间互波阻抗的变化， 继而影响到耦合系数的变化。当d 取以上各值时， B 点电位最大值仿真试验的结果见表5。
由表5 可知， 在共网不共母线接地散流数值仿真试验中， 接地母线在地网接地点的间距（d） 越小、注入A 点的电流越大， B 点电位越大； 反之亦然。
3． 3 试验结果分析
上述试验结果可看出， 无论是共网共母线还是共网不共母线的接地方式， 均存在以下共性： 随着接地线长度以及接地母线在接地母排或地网的接地点间距的变化， 电子设备上反击产生的电位也发生变化。接地线长度越长， 电子设备上反击产生的电位就越高，反之亦然； 接地线之间的距离或接地母线在地网接地点的间距越小， 电子设备上反击产生的电位就越高，反之亦然。
虽然两种接地方式存在共性， 但通过电磁暂态数值仿真试验， 仍然可看出两者在反击电位数值上存在较大差异。分别对表1 和表4， 表2 和表4，表3 和表5 进行比较， 共网不共母线接地方式产生的反击电位值大大小于共网共母线接地方式， 如表1、表2 和表4 中L 为10 m， I 为40 A 时， 共网共母线接地方式中B 点电位达2 413 . 5 V、1 519 . 4 V，而共网不共母线接地方式仅为857 . 4 V。这说明电子设备采用共网不共母线接地方式遭受雷击的影响小于共网共母线接地方式。
4 结论
ATP - EMTP 电磁暂态数值仿真试验计算程序，能对高层建筑内电子设备的雷电防护进行分析， 可对雷击建筑物时接地泄流系统中各点的瞬时电位分布进行细致的分析， 相对于传统的实验室模拟试验， 具有参数易调整， 计算结果直观、经济实用等特点， 在雷电防护技术分析中被广泛应用。通过ATP - EMTP 电磁暂态仿真计算表明， 高层建筑物内电子设备接地系统采用共网不共母线接地散流方式较采用共网共母线接地散流时反击产生的瞬时传导电位小， 更利于电子设备的保护和雷电能量的泄放， 大大降低了电子设备遭受雷击损坏的概率。