电子设备为什么要接地？ - 全文

　　一、电子设备为什么要接地

　　很多人都知道，贵重仪器设备使用的时候，外壳都要接地，如采用三心电源插头等。但为什么要接地，这个原因就很少人知道了。下面我们以三相发电机输送线路的工作原理，来说明设备接地的重要性。

　　通过对图1的观察，你很快就会明白，地线的作用主要是干什么的，即：地线的作用主要是用来防雷的。

　　在图1中，红线A、B、C表示高压输送线路，高压输送线路一般都用铁塔空架支撑，用以对几十万伏的交流电进行远距离传送，这样，其经常受雷击是不可避免的；为了避免雷击，一般都在高压线路的上方平行架设一条地线，这条地线一般称为避雷地线。所谓的地线就是与大地相连的导线，当打雷的时候，雷电首先会打到避雷地线上，避雷地线可把雷电引入地球，避免高压输送线路被几亿伏，乃至十几亿伏的雷电把发电机或变压器的线圈与外壳击穿，以及把与线路连接的其它电器设备遭受瞬间高压冲击而损坏。因此，图1中的避雷地线与一般电子线路中的地线完全是两回事。

　　地线的作用主要是用来防雷的

　　除了避雷地线之外，发电机和变压器的外壳也要接地，这种接地叫防护接地。防护地线与避雷地线两者是不同的，防护地线与避雷地线的最大区别是，防护地的地线一般没有电流通过，而避雷地的地线在打雷时有非常大的电流通过，电流可大于数十万安培。避雷地的主要作用是把雷电高压引入地球，以降低雷电高压对电子设备的冲击；而防护接地则是让设备外壳的电位与地球相同，避免设备内部电路在强电场之下感应带电产生位移电流，以及人体触摸电子设备外壳时不会触电。因此，两者的作用是完全不同的。

　　三相发电机的中线接地，也属于防护接地，其作用是把发电机中线圈被感应的静电高压引入地球。当负载完全平衡时，三相发电机的中线与地连接的地线是没有电流通过的。但三相变压器的中线接地不属于防护接地，而属于避雷接地，因为三相变压器中线在与火线并排向用户供电的同时，还担当避雷的作用。当打雷时，中线通过接地可以把雷电的大部分能量引入地球，仅有少部分能量最后成为差模信号与输送电压混合在一起被传送到用户终端。

　　目前，人们对雷电的产生以及其所引起的灾害认识并不很深。

　　我们知道，由于地球与电离层之间存在很强的电场，云朵在天空中首先要被极化带电，然后在风力的作用下，极化带电的云朵很容易就会分离成两个（或多个）部分，使之成为带电体，一个带正电（一般是下层），另一个带负电（一般是上层）。所以，同一高度已经带电的云朵（即带电性质相同的云朵），在风力的作用下很容易产生互相组合，使云体带电的能量越来越大，即电位越来越高。当两个带异性电荷的云朵互相靠近的时候，或者带电云体靠近地表面的时候，就会放电，即打雷。因此，只要有云和风的存在，打雷的现象就会经常出现，首先被雷击的多数为高层建筑物。

　　根据统计：

　　地球平均每一秒钟有100多次闪电，每次闪电产生的能量可供一个100瓦的灯泡点亮3个月；在雨季，平均每6分钟就有一个人被雷电击中，每年有成千上万的人因雷电击中而丧伤；上海电视台平均每年要遭受33次大的雷击，最近遭受雷击的时间是2010年4月13日，每次雷击都会使电子设备遭受不同程度的损坏；1992年6月22日，北京国家气象中心多台计算机接口因感应雷击被毁，损失二仟多万元。

　　随着电子技术的不断发展，电子设备的功能越来越强大，电子线路的密度也不断提高，使得电子器件的耐压不断降低，因此，电子设备遭受雷击后更容易损坏，每年全世界有数千万个电器设备因雷电原因被损坏，并造成数千亿元的经济损失。现在，防雷技术已成为一门科学技术并且越来越受人们重视。

　　对电子设备进行避雷防护是降低电子设备遭受雷击损坏的最好方法。在安置电子设备的场所安装避雷针，即避雷地线，把雷电引向地球，与此同时，把设备的外壳接地，使设备的外壳与大地的电位基本相同，以降低设备内部电路在强电场之下感应带电，并产生位移电流，就可以大大降低电子设备遭受雷击损坏的概率。

　　如果不安装避雷针，当一座建筑物被雷击中的时候，整座建筑物就会处于几万伏/米，甚至十几万伏/米的强电场之中，在强电场中的所有物体，无论是导体或绝缘体，全部被感应带电（极化带电），并在导体或电子线路中产生位移电流，如果电子设备的外壳不接地，由于位移电流的存在，就会使那些连接线路较长且导体面积较大（即线路体电容较大）的电子器件击穿，特别是耐压较低的电子器件首先被击穿。因为位移电流的产生就等同于电容被充放电，电容越大，充放电的电流就越大，而电子设备中的线路就相当于分布电容，线路越长或导体的面积越大，分布电容就越大；在电场中感应的时候，产生的位移电流也越大。

　　如果电子设备的外壳接地，由于外壳与大地等电位或电位差非常小，在外壳内部电场强度基本上处处相等，没有电位差或电位差很小，电子设备中的电子线路就不会感应带电，也不会产生位移电流；因此，外壳接地的电子设备，其内部的电子器件不会因打雷放电而被击穿。或者说，电子设备的外壳接地对雷电有屏蔽作用，可以避免仪器设备中的线路或电子器件被雷电击穿损坏。

　　如果设备的外壳不接地，外壳与大地就不可能等电位，并且两者的电位差很大，这样，设备作为一个孤立电容与地球作为另一个孤立电容，两个电容之间就会进行串联充、放电（即静电感应），在其充、放电过程中很容易把电子元器件损坏。

　　任何带电物体对于无限远处，都可以看成是一个孤立电容，当两个孤立电容互相靠近时，就会互相感应，其结果相当于两个电容被串联充、放电，其中一个为充电，另一个就是放电。

　　另外，电子设备外壳接地还可以降低电磁干扰（EMI），提高电子设备的电磁兼容（EMC）指标。不过对于EMI和EMC方面的技术知识，这里我不准备进行详细分析，以后我会向读者陆续介绍这方面的技术知识。

　　二、地线接地不良或接错地方，也会造成电子设备损坏

　　在图1中，由于大地有电阻，所以避雷地和防护地的地线是不能乱接的，它们之间离得越远越好，因为，打雷的时候避雷地也会带电，并且有非常大的电流从避雷地线中流过，如果两者靠得很近，流过避雷地线的大电流会通过防护地线对电子设备进行反击，在正常情况下，防护地线一般是没有电流通过的，因此两者应该离得越远越好。如果把防护地线与避雷地线连接在一起，电子设备不但起不到避雷保护的作用，反而会把雷电引来，使电子设备收到更大的雷电打击。

　　因为，当避雷针遭到雷击时，避雷针与地面的接触处也会产生非常高的电压（因大地有电阻），如果把防护地线与避雷地线连接在一起，在防护地线上产生的几十万伏电压就会突然加到设备的外壳上，就会在电子设备内部电路中瞬间感应产生很高的静电电压，并且会在电路中产生很多的位移电流，致使电子设备内部电路过压，过流损坏。

　　这里特别指出，尽管很多高层建筑物都安装有避雷针，但由于大地有电阻，当避雷针被雷电击中的时候，在建筑物的周围，地表面还会产生非常高的电位梯度（单位长度的电位差）。一般在离打雷中心30米之内，地表面的电位梯度最高达3万伏/米以上。因此，把避雷针做成树根结构，并且埋得很深，对降低地表面的电位梯度是有好处的。

　　目前国内很多大楼的避雷地线都没有按标准严格安装，大多数人也不知道避雷地线的标准是什么东西，不是引线用得很细，就是地线埋入地层的深度不够，甚至还有人把防护地与避雷地公用一根地线，因此，每逢雨季到来，都有非常多的家电设备，特别是电视机、电脑、冰箱以及仪器设备被雷电打坏。因此，每逢雨季都是电器修理门市部最繁忙的季节。

　　三、电源中线与地线接错，会引起电子设备起火

　　我们举一个电视机为例，图2是一个LCD平板电视机与电网正确连接时的工作原理图。正常工作的时候，三相发电机（或三相变压器）中的某一相220伏交流电压通过火线（L）和中线（N）对LCD电视机进行供电。为了防雷，在发电机的一端，中线（N）一般都要与大地连接，由于火线（L）与中线（N）一般都是平行排列，当打雷时，雷电会同时打到火线和中线上，由于中线接地，它会把雷电的大部分能量吸收引入地球，仅有少部分能量最后转成差模信号与输送电压混合在一起被传送到用户端。

　　火线（L）进入家庭后一般都用红色导线来表示，中线（N）一般用蓝线表示。为了用电安全，在用电的一端，即每个家庭中还要自己安装一条地线（G），这条地线属于防护地线，用于与电器设备外壳连接。其作用是让设备外壳的电位与地球相同，避免设备绝缘不良时，机壳带电，人体触摸到机壳时触电。

　　地线（G）一般用绿黄颜色相间导线或黑线表示。在正常情况下，地线与中线的电位相同是相同的，其电位均为0。真正的地线是不允许用来传送功率的，因为大地有电阻，当电流流过电阻时会损耗功率，另外大地也不是一个纯电阻，它同时具有电容、电解、电阻和整流二极管等众多性质，因此它的阻抗一般都是随着电流增大而增大的。

　　另外，图2中，LCD平板电视机外壳接地的另一个主要用途是防止电磁干扰（EMI），这个用途，一般电视用户是不清楚的。

                           LCD平板电视机外壳接地的另一个主要用途是防止电磁干扰

　　目前，中国大部分农村或小城镇家庭基本上都是采用双线供电，他们根本就没有安装避雷地线或防护地线的概念，因此，很多公司的LCD平板电视机采用三芯插头供电，这对于他们来说基本没有用处。

　　在一些小县城，部分居民已慢慢开始知道有地线的概念，但在家庭电源插头座安装的时候，一般人只知道电源线中的火线是带电的，而对中线和地线的性质并不十分清楚；因为，他们用电笔很容易就可以把火线检测出来，而对另外两条电线，他们无法识别。因此，中线和地线互相接错时有发生。

　　中线和地线互相接错对于小电器以及孤立电器来说是不容易觉察的。有些人为了偷电，还故意不接中线让电表不转。但如果中线和地线互相接错，对于使用三芯电源插头的LCD平板电视机将产生非常大的危害或隐患。当中线和地线互相接错时，相当于图2中电视机的三芯插头、座的2号线与3号线互相交换了位置。图3就是电网输电线的中线和地线互相接错时，会引起三芯电源插头的LCD平板电视机发生起火故障的工作原理图。

　　                                LCD平板电视机发生起火故障的工作原理

　　在图3中，当电源开关合上的时候（很多用户长年都不关电视机），220伏交流电（电流I）将通过火线（L）经电源开关的1脚，向开关电源供电。给开关电源供电的另一端相当于电流流出，流出的电流为I1，即电流I1是从电源开关的2脚流出来的。

　　但电流I1没有按图2中的正常路线直接经中线返回发电机，而是经地线 流入大地，然后电流I1在大地中被分成两路I2和I5 ，I5直接通过大地 返回发电机；而I2则通过大地与电视机的其它地线 （比如有线电视信号线或与电视机连接的其它设备连线）流回到电视机的外壳一端，I2电流经过有线电视信号线接口（仅举其中之一）后变为电流I3；I3再经电视机内的地线 以及电视机的三芯插头3号线接头，从三芯插头3号线接头流出，流出电流变成I4，电流I4再经中线 流回发电机。

　　在图3中，由于大地 的距离远远大于大地 的距离，即大地 的回路电阻大于大地 的回路电阻，因此电流I2将大于I5；电流I2将通过有线电视信号线与电视机高频头插口构成电源供电的主要回路。当电流I2通过高频头插口时，因接头处接触电阻比较大将会引起发热，或者当接头处接触不良时将引起打火燃烧。

　　图4就是因中线和地线互相接错，当电视机的高频头插座与有线电视信号线插头接触不良时，产生打火的情况。

                          图4

　　除了有线电视信号线可能会引起打火燃烧外，其它与大地有连接的设备（图3中未画出），如PC电脑的RGB信号线（电脑显示器信号线），只要与电视机有连接，均会引起打火燃烧。

　　实际上很多公司的LCD平板电视机外接信号线接口的地线，都不是直接接到电视外壳的金属板上，如高频头、AV端口、RGB接口等，都是先经过接头与 PCB板的铜皮连接，然后再用引线或螺钉使PCB板的铜皮与电视外壳进行电器接触。因此，所有与PCB板铜皮连接的连线以及接触点都有可能因接触不良或电流密度过大造成起火，图4这种起火情况只是众多起火现象中的之一。

　　另外，因中线和地线互相接错，引起电子设备打火的情况，并不只限于LCD平板电视机，只是LCD平板电视机这种起火情况比较普遍。如果同一栋大楼有多个用户同时把中线和地线互相接错，这种情况最严重，它相当于多台电子设备的机内地线互相串、并联作为交流电源输入端，再通过大地与发电机或变压器的中线连接，谁家电子设备的机内地线接触不良或导线的截面积过小，就首先过载起火。

　　很多大楼起火都是由于中线和地线互相接错引起的，所以这种情况应该特别注意。也有人故意把地线当成中线用的，这种偷电行为应该严惩。