电子电气设备的接地

电子电气设备的接地

1概述

接地是提高电子电气设备电磁兼容性有效的重要手段之一。正确的接地既能抑制外部电磁干扰的影响，又能防止电子电气设备向外部发射电磁波；而错误的接地常常会引入非常严重的干扰，甚至会使电子电气设备无法正常工作。尤其是成套控制设备和自动化控制系统，因为有多种控制装置分散布置在许多地方，所以它们各自的接地往往会形成十分复杂的接地网络，不仅需要在系统设计时周密考虑，而且在安装调试时也要仔细检查和做适当的调整。

“地线”是对接地的实施，即按一定的要求，用必要的金属导体或导线把电路中的某些“地”电位点连接起来，或是将电子电气设备的某一部位（如：外壳）和大地连接起来。狭义上讲，“接地”——即与地球保持“同电位”；广义上讲，“接地”——是电路系统中的“等电位点或等电位面”，它是电路系统的基准电位，但不一定为大地电位。

2电气设备接地的作用及分类

2?1电子电气设备接地的作用

电子电气设备接地的目的有二，一是处于安全的考虑，二是为了抑制外部的干扰。

（1）安全的考虑

以确保人员和设备的安全为目的的接地称为“保护接地”，它们必须可靠地接在大地电位上。一般地说，电子电气设备的金属外壳、底盘、机座都要可靠接地。

（2）抑制外部干扰的考虑

电子电气设备的某些部位与大地相连可以起到抑制外部干扰的作用，例如静电屏蔽层接地可以抑制变化的电场的干扰，电磁屏蔽用的导线原则上可以不接地，但不接地的屏蔽导线时常会带来静电耦合而产生所谓的“静电屏蔽”效应，所以仍需要接地为宜。

2?2电子电气设备接地的分类

一般地说，电子电气设备有许多需要接地的部位，由于电路的性质和接地的目的不同，必须加以严格区分，需要分成若干独立的子系统，然后连接在一起进行总接地。从接地的性质看，把接地分为三大类：

（1）保护接地

电子电气设备的金属外壳、底盘、机座用良好的导体与大地连接成等电位，称为保护接地，它对电子电气设备的安全运行和维护人员的生命安全起到十分重要的作用。

（2）屏蔽接地

为了抑制变化的电磁场的干扰而采用的多种屏蔽层、屏蔽体，都必须良好地接地，才能起到良好的屏蔽作用。

（3）系统接地

图1单相三线制接线图

图2三相四线制接线图

要使电子电气设备能正常地运行和稳定可靠地工作，也必须处理好等电位点的接地问题，这类接地称之为系统接地。对于系统接地来说，由于其工作性质和用途的不同，又可分为：信号地、模拟地、数字地、电源地、计算机地、负荷地、外设地等。

3接地的方式

地线设计是一项重要的设计，也是难度较大的一项设计。在EMC设计的初期就进行地线设计是解决EMC问题的最有效、最廉价的方法。下面对三大类接地方式分别进行详尽讨论。

3?1保护接地

接地作为一种措施，起源于强电技术，由于强电电压高、容量大，容易危及人身和设备的安全。因此，从安全的角度考虑，电气设备的金属外壳、底盘、机座都应与大地良好地连接成等电位，从而在故障状态下保证人身和设备的安全。电气设备的保护接地有两种方式：

（1）保护接零

三相四线制供电系统中的中性线即为保护接零线，它是电路环路的重要组成部分。

（2）保护接地

除零线以外，另外配备一根保护接地线，它与电子电气设备的金属外壳、底盘、机座等金属部件相连，一般情况下，保护接地线是没有电流流动的，即使有有电流流动也是非常小量的漏电流，所以说，在一般情况下，保护接地线上是没有电压降的，与之相连的电子电气设备的金属外壳都呈现地电位，保证了人身和设备的安全。

出于上述目的，各国都对保护接地作了必要的规定。例如美国国家电气委员会在电气法中规定了交流电源的输配电标准，该标准规定了室内115V交流配线为三线制，如图1所示。火线上串有熔丝，负载电流经火线至负载，再由中线返回。另备有一根保护接地线，该线与设备的金属外壳、底盘等金属部件相连，当发生故障时，例如负载的绝缘被击穿损坏，保护接地线上瞬间将有大电流流过，电路中的熔丝或断路器由于大电流流过将很快把电路切断，从而保证了人身和设备的安全。我国的三相四线制配电系统与美国的类似，如图2所示，只是电压不同而已。

3?2系统接地

除了上面介绍的从安全角度出发而考虑的保护接地外，为了保证电子电气设备正常、稳定和可靠的运行，还必须处理好设备内部系统中各个电路工作的参考电位，这类基准参考电位的连接线称为“系统接地”。在电子电气设备控制系统中遇到的大量和经常需要解决的主要接地问题是系统接地。

系统接地线既是各电路中的静态动态电流通道，又是各级电路通过共同的接地阻抗而相互耦合的途径，从而形成电路间相互干扰的薄弱环节。可以肯定地讲，电子电气设备中的一切抗干扰措施，几乎都无一例外的与接地有关。因此，正确的接地是抑制噪声和防止干扰的主要途径，它不仅能保证电子电气设备正常、稳定和可靠地工作，而且能提高电路的工作精度。反之，不正确的接地，会降低电路的工作精度，严重时还会导致电子电路无法正常工作，陷入系统瘫痪的境地。

电子电气设备中的系统接地是否要接大地和如何接大地，与系统的工作稳定性有着极其密切的关系，这是电子电气设备接地系统技术中的重要议题。电子电气设备的系统接地方式有三种：

（1）浮空地

“浮空”就是不接大地，任其悬浮的一种方式，它的实质是使电路的某一部分与“大地线”完全隔离，从而抑制来自接地线的干扰。由于没有电气上的联系，因而也就不可能形成地环路电流而产生地阻抗的耦合干扰。图3及图4是两种浮空地。浮空地方式具有这一主要优点，但也有其不足之处：

图3设备悬浮地

图4单元悬浮地

图5浮地电位波动产生干扰

研究成果表明，一个较大的电子电气控制设备，由于存在较大的对地分布电容，它的基准电位将会受电磁场的干扰（通过分布电容），使得电路产生位移电流，而难以正常工作。在电子电气控制设备的工作速度提高、感应增大、输入输出增多或加长的情况下，其对地分布电容就会增大，继而加大位移干扰电流。另外，由于分布电容的存在，容易产生静电积累和静电放电，在雷电情况下，还会在机箱和单元之间产生飞弧，甚至使操作人员遭到电击。所以对于比较复杂的电磁环境，“浮地方式”是不太适宜的。图5所示电路中分布电容C，在外界干扰的作用下会产生干扰电势e。

（2）系统地直接接大地

这种接地方式的优缺点恰好与“浮空地”方式相反，当电子电气控制设备的分布电容较大时，宜采用直接接大地方式，但要注意选择接地点的位置及其接地点的多少，只要合理选择，便能把干扰降低到最低程度。

（3）电容接地方式

经电容把系统地与大地连接起来，接地电容多为高频电容，它提供对“系统地”至“大地”高频干扰分量的通路，相当于一个高通滤波器，从而抑制了由对地分布电容所造成的影响。这种接地方式只适合于低频系统，所用电容应具有良好的高频特性和足够的耐压值，电容量一般2μF～10μF。

4系统地接地的原则

4?1低频电路的接地原则

低频电路的接地，应坚持一点接地的原则，而在一点接地的原则中，又有串联和并联之区别。如图6所示。

单点接地是为许多接在一起的电路提供共同参考点的方法，并联单点接地最为简单而实用，它没有公共阻抗耦合和低频地环路的问题。每一个电路模块都接到一个单点地上，每一个子单元在同一点与参考点相连。地线上其它部分的电流不会耦合进电路。这种接地方式在1MHz以下的工作频率下能工作得很好。但是，虽着频率的升高，接地阻抗随之增大，电路上会产生较大的共模电压。所以，单点接地不适合于高频电路。

4?2高频电路的接地原则

对于工作频率较高的电路和数字电路，由于各元器件的引线和电路的布局本身的电感都将增加接地线的阻抗，因而在低频电路中广泛采用的一点接地的方法，若用在高频电路容易增加接地线的阻抗，而且地线间的杂散电感和分布电容也会造成电路间的相互耦合，从而使电路工作不稳定。

为了降低接地线阻抗及其减少地线间的杂散电感和分布电容造成电路间的相互耦合，高频电路采用就近接地——即“多点接地”的原则，把各电路的系统地线就近接至低阻抗地线上，如图7所示。

一般来说，当电路的工作频率高于10MHZ时，应采用多点接地的方式。由于高频电路的接地关键是尽量减少接地线的杂散电感和分布电容，所以在接地的实施方法上与低频电路有很大的区别。

图6一点接地

(a)串联接地(b)并联接地

图7多点接地系统

(a)设备多点接地(b)单元多点接地

图8电子电气设备的混合接地

4?3整机系统的混合接地原则

混合接地既包含了单点接地的特性，又包含了多点接地的特性。例如，系统内的低频部分需要单点接地，而高频部分需要多点接地。图8是某一电子电气设备的混合接地，把设备的地线分成三大类：电源地、信号地、屏蔽地。所有的电源地线都接到电源总地线上，所有的信号地线都接到信号总地线上，所有的屏蔽地线都接到屏蔽总地线上，三根总地线最后汇总到公共的参考地。

5结语

接地问题是一个貌似简单，实质上却是一个十分复杂的系统工程。良好的接地系统设计，不仅可以有效地抑制外来电磁干扰的侵袭，使电子电气设备安全稳定和可靠的运行，而且保证较少地向外界大自然环境施放噪声和电磁污染；反之，不仅不能有效地抑制来自外界空间的电磁干扰，使电子电气设备的系统工作紊乱，同时还会向外界大自然环境施放噪声和电磁污染，危害大自然环境。所以，对于接地系统的问题必须给予足够的重视，从系统工程的角度出发，去研究解决电子电气设备的接地问题，一定会收到良好的经济效果和社会效果。