電磁兼容中的接地技術??

摘要：討論了電磁兼容中的接地技術，包括接地的種類和目的、接地方式、接地電阻的計算以及設備和系統的接地等。其主要目的在于提高電力電子設備的電磁兼容能力。

關鍵詞：接地技術；電磁兼容；干擾

Grounding Technologies in Electromagnetic Compatibility

GUO Yun-song, ZHANG Zi-dong, YAO Chun, GUO Xiang-yu

Abstract:This paper discusses grounding technologies in the electromagnetic compatibility,that includes the kind and purpose of grounding, the way of grounding,the calculation of grounding resistance as well as the grounding for equipment and system etc.. The principal purpose is to raise ability of electromagnetic compatibility for power electronic equipments.

Keywords:Grounding technologies;Electromagnetic compatibility; Interference???

1?? 引言

??? 接地技術最早是應用在強電系統（電力系統、輸變電設備、電氣設備）中，為了設備和人身的安全，將接地線直接接在大地上。由于大地的電容非常大，一般情況下可以將大地的電位視為零電位。后來，接地技術延伸應用到弱電系統中。對于電力電子設備將接地線直接接在大地上或者接在一個作為參考電位的導體上，當電流通過該參考電位時，不應產生電壓降。然而由于不合理的接地，反而會引入了電磁干擾，比如共地線干擾、地環路干擾等，從而導致電力電子設備工作不正常。可見，接地技術是電力電子設備電磁兼容技術的重要內容之一，有必要對接地技術進行詳細探討。

2?? 接地的種類和目的

??? 電力電子設備一般是為以下幾種目的而接地：

2.1?? 安全接地

??? 安全接地即將機殼接大地。一是防止機殼上積累電荷，產生靜電放電而危及設備和人身安全；二是當設備的絕緣損壞而使機殼帶電時，促使電源的保護動作而切斷電源，以便保護工作人員的安全。

2.2?? 防雷接地

??? 當電力電子設備遇雷擊時，不論是直接雷擊還是感應雷擊，電力電子設備都將受到極大傷害。為防止雷擊而設置避雷針，以防雷擊時危及設備和人身安全。

??? 上述兩種接地主要為安全考慮，均要直接接在大地上。

2.3?? 工作接地

??? 工作接地是為電路正常工作而提供的一個基準電位。該基準電位可以設為電路系統中的某一點、某一段或某一塊等。當該基準電位不與大地連接時，視為相對的零電位。這種相對的零電位會隨著外界電磁場的變化而變化，從而導致電路系統工作的不穩定。當該基準電位與大地連接時，基準電位視為大地的零電位，而不會隨著外界電磁場的變化而變化。但是不正確的工作接地反而會增加干擾。比如共地線干擾、地環路干擾等。

??? 為防止各種電路在工作中產生互相干擾，使之能相互兼容地工作。根據電路的性質，將工作接地分為不同的種類，比如直流地、交流地、數字地、模擬地、信號地、功率地、電源地等。上述不同的接地應當分別設置。

2.3.1?? 信號地

??? 信號地是各種物理量的傳感器和信號源零電位的公共基準地線。由于信號一般都較弱，易受干擾，因此對信號地的要求較高。

2.3.2?? 模擬地

??? 模擬地是模擬電路零電位的公共基準地線。由于模擬電路既承擔小信號的放大，又承擔大信號的功率放大；既有低頻的放大，又有高頻放大；因此模擬電路既易接受干擾，又可能產生干擾。所以對模擬地的接地點選擇和接地線的敷設更要充分考慮。

2.3.3?? 數字地

數字地是數字電路零電位的公共基準地線。由于數字電路工作在脈沖狀態，特別是脈沖的前后沿較陡或頻率較高時，易對模擬電路產生干擾。所以對數字地的接地點選擇和接地線的敷設也要充分考慮。

2.3.4?? 電源地

??? 電源地是電源零電位的公共基準地線。由于電源往往同時供電給系統中的各個單元，而各個單元要求的供電性質和參數可能有很大差別，因此既要保證電源穩定可靠的工作，又要保證其它單元穩定可靠的工作。

2.3.5?? 功率地

??? 功率地是負載電路或功率驅動電路的零電位的公共基準地線。由于負載電路或功率驅動電路的電流較強、電壓較高，所以功率地線上的干擾較大。因此功率地必須與其它弱電地分別設置，以保證整個系統穩定可靠的工作。

2.4?? 屏蔽接地

??? 屏蔽與接地應當配合使用，才能起到屏蔽的效果。

??? 比如靜電屏蔽。當用完整的金屬屏蔽體將帶正電導體包圍起來，在屏蔽體的內側將感應出與帶電導體等量的負電荷，外側出現與帶電導體等量的正電荷，因此外側仍有電場存在。如果將金屬屏蔽體接地，外側的正電荷將流入大地，外側將不會有電場存在，即帶正電導體的電場被屏蔽在金屬屏蔽體內。

??? 再比如交變電場屏蔽。為降低交變電場對敏感電路的耦合干擾電壓，可以在干擾源和敏感電路之間設置導電性好的金屬屏蔽體，并將金屬屏蔽體接地。只要設法使金屬屏蔽體良好接地，就能使交變電場對敏感電路的耦合干擾電壓變得很小。

??? 上述兩種接地主要為電磁兼容性考慮。

3?? 接地方式

工作接地按工作頻率而采用以下幾種接地方式：

3.1?? 單點接地

??? 工作頻率低（<1MHz）的采用單點接地式（即把整個電路系統中的一個結構點看作接地參考點，所有對地連接都接到這一點上，并設置一個安全接地螺栓），以防兩點接地產生共地阻抗的電路性耦合。多個電路的單點接地方式又分為串聯和并聯兩種，由于串聯接地產生共地阻抗的電路性耦合，所以低頻電路最好采用并聯的單點接地式。

??? 為防止工頻和其它雜散電流在信號地線上產生干擾，信號地線應與功率地線和機殼地線相絕緣。且只在功率地、機殼地和接往大地的接地線的安全接地螺栓上相連（浮地式除外）。

??? 地線的長度與截面的關系為：

????? S>0.83L??? （1）

式中：L——地線的長度，m；

????? S——地線的截面,mm2。

3.2?? 多點接地

??? 工作頻率高（>30MHz）的采用多點接地式（即在該電路系統中，用一塊接地平板代替電路中每部分各自的地回路）。因為接地引線的感抗與頻率和長度成正比，工作頻率高時將增加共地阻抗，從而將增大共地阻抗產生的電磁干擾，所以要求地線的長度盡量短。采用多點接地時，盡量找最接近的低阻值接地面接地。

3.3?? 混合接地

??? 工作頻率介于1～30MHz的電路采用混合接地式。當接地線的長度小于工作信號波長的1/20時，采用單點接地式，否則采用多點接地式。

3.4?? 浮地

??? 浮地式即該電路的地與大地無導體連接。其優點是該電路不受大地電性能的影響；其缺點是該電路易受寄生電容的影響，而使該電路的地電位變動和增加了對模擬電路的感應干擾；由于該電路的地與大地無導體連接，易產生靜電積累而導致靜電放電，可能造成靜電擊穿或強烈的干擾。因此，浮地的效果不僅取決于浮地的絕緣電阻的大小，而且取決于浮地的寄生電容的大小和信號的頻率。

4?? 接地電阻

4.1?? 對接地電阻的要求

??? 接地電阻越小越好，因為當有電流流過接地電阻時，其上將產生電壓。該電壓除產生共地阻抗的電磁干擾外，還會使設備受到反擊過電壓的影響，并使人員受到電擊傷害的威脅。因此一般要求接地電阻小于4Ω；對于移動設備，接地電阻可小于10Ω。

4.2?? 降低接地電阻的方法

??? 接地電阻由接地線電阻、接觸電阻和地電阻組成。為此降低接地電阻的方法有以下三種：

??? ——降低接地線電阻，為此要選用總截面大和長度短的多股細導線。

??? ——降低接觸電阻，為此要將接地線與接地螺栓、接地極緊密又牢靠地連接并要增加接地極和土壤之間的接觸面積與緊密度。

??? ——降低地電阻，為此要增加接地極的表面積和增加土壤的導電率（如在土壤中注入鹽水）。

4.3?? 接地電阻的計算

??? 垂直接地極接地電阻R為：

??? R=0.366(ρ/L)lg(4L/d)Ω?? （2）

式中：ρ——土壤電阻率,Ω·m；

????? L——接地極在地中的深度,m；

????? d——接地極的直徑,m。

??? 例如，黃土ρ取200Ω·m，L為2cm，d為0.05m，則垂直接地極接地電阻R為80.67Ω。如在土壤中注入鹽水，使ρ降為20Ω·m時，則接地極接地電阻R為8.067Ω。

5?? 屏蔽地

5.1?? 電路的屏蔽罩接地

??? 各種信號源和放大器等易受電磁輻射干擾的電路應設置屏蔽罩。由于信號電路與屏蔽罩之間存在寄生電容，因此要將信號電路地線末端與屏蔽罩相連，以消除寄生電容的影響，并將屏蔽罩接地，以消除共模干擾。

5.2?? 電纜的屏蔽層接地

5.2.1?? 低頻電路電纜的屏蔽層接地

??? 低頻電路電纜的屏蔽層接地應采用一點接地的方式，而且屏蔽層接地點應當與電路的接地點一致。對于多層屏蔽電纜，每個屏蔽層應在一點接地，各屏蔽層應相互絕緣。

5.2.2?? 高頻電路電纜的屏蔽層接地

??? 高頻電路電纜的屏蔽層接地應采用多點接地的方式。當電纜長度大于工作信號波長的0.15倍時，采用工作信號波長的0.15倍的間隔多點接地式。如果不能實現，則至少將屏蔽層兩端接地。

5.3?? 系統的屏蔽體接地

??? 當整個系統需要抵抗外界電磁干擾，或需要防止系統對外界產生電磁干擾時，應將整個系統屏蔽起來，并將屏蔽體接到系統地上。

6?? 設備地

??? 一臺設備要實現設計要求，往往含有多種電路，比如低電平的信號電路（如高頻電路、數字電路、模擬電路等）、高電平的功率電路（如供電電路、繼電器電路等）。為了安裝電路板和其它元器件、為了抵抗外界電磁干擾而需要設備具有一定機械強度和屏蔽效能的外殼。典型設備的接地如圖1所示。

圖1? 設 備 的 接 地

??? 設備的接地應當注意以下幾點：

??? ——50Hz電源零線應接到安全接地螺栓處，對于獨立的設備，安全接地螺栓設在設備金屬外殼上，并有良好電連接；

??? ——為防止機殼帶電，危及人身安全，不許用電源零線作地線代替機殼地線；

??? ——為防止高電壓、大電流和強功率電路（如供電電路、繼電器電路）對低電平電路（如高頻電路、數字電路、模擬電路等）的干擾，將它們的接地分開。前者為功率地（強電地），后者為信號地（弱電地），而信號地又分為數字地和模擬地，信號地線應與功率地線和機殼地線相絕緣；

??? ——對于信號地線可另設一信號地螺栓（和設備外殼相絕緣），該信號地螺栓與安全接地螺栓的連接有三種方法（取決于接地的效果）：一是不連接，而成為浮地式；二是直接連接，而成為單點接地式；三是通過一3μF電容器連接，而成為直流浮地式，交流接地式。其它的接地最后匯聚在安全接地螺栓上（該點應位于交流電源的進線處），然后通過接地線將接地極埋在土壤中。

7?? 系統地

??? 當多個設備組成一個系統時，系統的接地如圖2所示。

圖2??? 系 統 的 接 地

??? 系統的接地應當注意以下幾點：

??? ——參照設備的接地注意事項；

??? ——設備外殼用設備外殼地線和機柜外殼相連；

??? ——機柜外殼用機柜外殼地線和系統外殼相連；

??? ——對于系統，安全接地螺栓設在系統金屬外殼上，并有良好電連接；

??? ——當系統內機柜、設備過多時，將導致數字地線、模擬地線、功率地線和機柜外殼地線過多。對此，可以考慮鋪設兩條互相并行并和系統外殼絕緣的半環形接地母線，一條為信號地母線，一條為屏蔽地及機柜外殼地母線；系統內各信號地就近接到信號地母線上，系統內各屏蔽地及機柜外殼地就近接到屏蔽地及機柜外殼地母線上；兩條半環形接地母線的中部靠近安全接地螺栓，屏蔽地及機柜外殼地母線接到安全接地螺栓上；信號地母線接到信號地螺栓上；

??? ——當系統用三相電源供電時，由于各負載用電量和用電的不同時性，必然導致三相不平衡，造成三相電源中心點電位偏移，為此將電源零線接到安全接地螺栓上，迫使三相電源中心點電位保持零電位，從而防止三相電源中心點電位偏移所產生的干擾；

??? ——接地極用鍍鋅鋼管，其外直徑不小于50mm，長度不小于2.0m；埋設時，將接地極打入地表層一定深度、并倒入鹽水，一般要求接地電阻小于4Ω，對于移動設備，接地電阻可小于10Ω。

8?? 結語

??? 為了設備和人身的安全以及電力電子設備正常可靠的工作必須研究接地技術。接地可直接接在大地上或者接在一個作為參考電位的導體上。不合理的接地反而會引入電磁干擾，導致電力電子設備工作不正常。因此，接地技術是電磁兼容中的重要技術之一，應當充分重視對接地技術的研究。

參考文獻

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