電子電氣設備的接地

1概述

接地是提高電子電氣設備電磁兼容性有效的重要手段之一。正確的接地既能抑制外部電磁干擾的影響，又能防止電子電氣設備向外部發射電磁波；而錯誤的接地常常會引入非常嚴重的干擾，甚至會使電子電氣設備無法正常工作。尤其是成套控制設備和自動化控制系統，因為有多種控制裝置分散布置在許多地方，所以它們各自的接地往往會形成十分復雜的接地網絡，不僅需要在系統設計時周密考慮，而且在安裝調試時也要仔細檢查和做適當的調整。

“地線”是對接地的實施，即按一定的要求，用必要的金屬導體或導線把電路中的某些“地”電位點連接起來，或是將電子電氣設備的某一部位（如：外殼）和大地連接起來。狹義上講，“接地”——即與地球保持“同電位”；廣義上講，“接地”——是電路系統中的“等電位點或等電位面”，它是電路系統的基準電位，但不一定為大地電位。

2電氣設備接地的作用及分類

2?1電子電氣設備接地的作用

電子電氣設備接地的目的有二，一是處于安全的考慮，二是為了抑制外部的干擾。

（1）安全的考慮

以確保人員和設備的安全為目的的接地稱為“保護接地”，它們必須可靠地接在大地電位上。一般地說，電子電氣設備的金屬外殼、底盤、機座都要可靠接地。

（2）抑制外部干擾的考慮

電子電氣設備的某些部位與大地相連可以起到抑制外部干擾的作用，例如靜電屏蔽層接地可以抑制變化的電場的干擾，電磁屏蔽用的導線原則上可以不接地，但不接地的屏蔽導線時常會帶來靜電耦合而產生所謂的“靜電屏蔽”效應，所以仍需要接地為宜。

2?2電子電氣設備接地的分類

一般地說，電子電氣設備有許多需要接地的部位，由于電路的性質和接地的目的不同，必須加以嚴格區分，需要分成若干獨立的子系統，然后連接在一起進行總接地。從接地的性質看，把接地分為三大類：

（1）保護接地

電子電氣設備的金屬外殼、底盤、機座用良好的導體與大地連接成等電位，稱為保護接地，它對電子電氣設備的安全運行和維護人員的生命安全起到十分重要的作用。

（2）屏蔽接地

為了抑制變化的電磁場的干擾而采用的多種屏蔽層、屏蔽體，都必須良好地接地，才能起到良好的屏蔽作用。

（3）系統接地

圖1單相三線制接線圖

圖2三相四線制接線圖

要使電子電氣設備能正常地運行和穩定可靠地工作，也必須處理好等電位點的接地問題，這類接地稱之為系統接地。對于系統接地來說，由于其工作性質和用途的不同，又可分為：信號地、模擬地、數字地、電源地、計算機地、負荷地、外設地等。

3接地的方式

地線設計是一項重要的設計，也是難度較大的一項設計。在EMC設計的初期就進行地線設計是解決EMC問題的最有效、最廉價的方法。下面對三大類接地方式分別進行詳盡討論。

3?1保護接地

接地作為一種措施，起源于強電技術，由于強電電壓高、容量大，容易危及人身和設備的安全。因此，從安全的角度考慮，電氣設備的金屬外殼、底盤、機座都應與大地良好地連接成等電位，從而在故障狀態下保證人身和設備的安全。電氣設備的保護接地有兩種方式：

（1）保護接零

三相四線制供電系統中的中性線即為保護接零線，它是電路環路的重要組成部分。

（2）保護接地

除零線以外，另外配備一根保護接地線，它與電子電氣設備的金屬外殼、底盤、機座等金屬部件相連，一般情況下，保護接地線是沒有電流流動的，即使有有電流流動也是非常小量的漏電流，所以說，在一般情況下，保護接地線上是沒有電壓降的，與之相連的電子電氣設備的金屬外殼都呈現地電位，保證了人身和設備的安全。

出于上述目的，各國都對保護接地作了必要的規定。例如美國國家電氣委員會在電氣法中規定了交流電源的輸配電標準，該標準規定了室內115V交流配線為三線制，如圖1所示。火線上串有熔絲，負載電流經火線至負載，再由中線返回。另備有一根保護接地線，該線與設備的金屬外殼、底盤等金屬部件相連，當發生故障時，例如負載的絕緣被擊穿損壞，保護接地線上瞬間將有大電流流過，電路中的熔絲或斷路器由于大電流流過將很快把電路切斷，從而保證了人身和設備的安全。我國的三相四線制配電系統與美國的類似，如圖2所示，只是電壓不同而已。

3?2系統接地

除了上面介紹的從安全角度出發而考慮的保護接地外，為了保證電子電氣設備正常、穩定和可靠的運行，還必須處理好設備內部系統中各個電路工作的參考電位，這類基準參考電位的連接線稱為“系統接地”。在電子電氣設備控制系統中遇到的大量和經常需要解決的主要接地問題是系統接地。

系統接地線既是各電路中的靜態動態電流通道，又是各級電路通過共同的接地阻抗而相互耦合的途徑，從而形成電路間相互干擾的薄弱環節。可以肯定地講，電子電氣設備中的一切抗干擾措施，幾乎都無一例外的與接地有關。因此，正確的接地是抑制噪聲和防止干擾的主要途徑，它不僅能保證電子電氣設備正常、穩定和可靠地工作，而且能提高電路的工作精度。反之，不正確的接地，會降低電路的工作精度，嚴重時還會導致電子電路無法正常工作，陷入系統癱瘓的境地。

電子電氣設備中的系統接地是否要接大地和如何接大地，與系統的工作穩定性有著極其密切的關系，這是電子電氣設備接地系統技術中的重要議題。電子電氣設備的系統接地方式有三種：

（1）浮空地

“浮空”就是不接大地，任其懸浮的一種方式，它的實質是使電路的某一部分與“大地線”完全隔離，從而抑制來自接地線的干擾。由于沒有電氣上的聯系，因而也就不可能形成地環路電流而產生地阻抗的耦合干擾。圖3及圖4是兩種浮空地。浮空地方式具有這一主要優點，但也有其不足之處：

圖3設備懸浮地

圖4單元懸浮地

圖5浮地電位波動產生干擾

研究成果表明，一個較大的電子電氣控制設備，由于存在較大的對地分布電容，它的基準電位將會受電磁場的干擾（通過分布電容），使得電路產生位移電流，而難以正常工作。在電子電氣控制設備的工作速度提高、感應增大、輸入輸出增多或加長的情況下，其對地分布電容就會增大，繼而加大位移干擾電流。另外，由于分布電容的存在，容易產生靜電積累和靜電放電，在雷電情況下，還會在機箱和單元之間產生飛弧，甚至使操作人員遭到電擊。所以對于比較復雜的電磁環境，“浮地方式”是不太適宜的。圖5所示電路中分布電容C，在外界干擾的作用下會產生干擾電勢e。

（2）系統地直接接大地

這種接地方式的優缺點恰好與“浮空地”方式相反，當電子電氣控制設備的分布電容較大時，宜采用直接接大地方式，但要注意選擇接地點的位置及其接地點的多少，只要合理選擇，便能把干擾降低到最低程度。

（3）電容接地方式

經電容把系統地與大地連接起來，接地電容多為高頻電容，它提供對“系統地”至“大地”高頻干擾分量的通路，相當于一個高通濾波器，從而抑制了由對地分布電容所造成的影響。這種接地方式只適合于低頻系統，所用電容應具有良好的高頻特性和足夠的耐壓值，電容量一般2μF～10μF。

4系統地接地的原則

4?1低頻電路的接地原則

低頻電路的接地，應堅持一點接地的原則，而在一點接地的原則中，又有串聯和并聯之區別。如圖6所示。

單點接地是為許多接在一起的電路提供共同參考點的方法，并聯單點接地最為簡單而實用，它沒有公共阻抗耦合和低頻地環路的問題。每一個電路模塊都接到一個單點地上，每一個子單元在同一點與參考點相連。地線上其它部分的電流不會耦合進電路。這種接地方式在1MHz以下的工作頻率下能工作得很好。但是，雖著頻率的升高，接地阻抗隨之增大，電路上會產生較大的共模電壓。所以，單點接地不適合于高頻電路。

4?2高頻電路的接地原則

對于工作頻率較高的電路和數字電路，由于各元器件的引線和電路的布局本身的電感都將增加接地線的阻抗，因而在低頻電路中廣泛采用的一點接地的方法，若用在高頻電路容易增加接地線的阻抗，而且地線間的雜散電感和分布電容也會造成電路間的相互耦合，從而使電路工作不穩定。

為了降低接地線阻抗及其減少地線間的雜散電感和分布電容造成電路間的相互耦合，高頻電路采用就近接地——即“多點接地”的原則，把各電路的系統地線就近接至低阻抗地線上，如圖7所示。

一般來說，當電路的工作頻率高于10MHZ時，應采用多點接地的方式。由于高頻電路的接地關鍵是盡量減少接地線的雜散電感和分布電容，所以在接地的實施方法上與低頻電路有很大的區別。

圖6一點接地

(a)串聯接地(b)并聯接地

圖7多點接地系統

(a)設備多點接地(b)單元多點接地

圖8電子電氣設備的混合接地

4?3整機系統的混合接地原則

混合接地既包含了單點接地的特性，又包含了多點接地的特性。例如，系統內的低頻部分需要單點接地，而高頻部分需要多點接地。圖8是某一電子電氣設備的混合接地，把設備的地線分成三大類：電源地、信號地、屏蔽地。所有的電源地線都接到電源總地線上，所有的信號地線都接到信號總地線上，所有的屏蔽地線都接到屏蔽總地線上，三根總地線最后匯總到公共的參考地。

5結語

接地問題是一個貌似簡單，實質上卻是一個十分復雜的系統工程。良好的接地系統設計，不僅可以有效地抑制外來電磁干擾的侵襲，使電子電氣設備安全穩定和可靠的運行，而且保證較少地向外界大自然環境施放噪聲和電磁污染；反之，不僅不能有效地抑制來自外界空間的電磁干擾，使電子電氣設備的系統工作紊亂，同時還會向外界大自然環境施放噪聲和電磁污染，危害大自然環境。所以，對于接地系統的問題必須給予足夠的重視，從系統工程的角度出發，去研究解決電子電氣設備的接地問題，一定會收到良好的經濟效果和社會效果。