1、龚建强西安电子科技大学2012年4月6号9.1 接地及其分类接地及其分类接地技术接地技术是任何电子、电气设备或系统正常工作时是任何电子、电气设备或系统正常工作时必须采用的重要技术，它不仅是保护设施和人身安必须采用的重要技术，它不仅是保护设施和人身安全的必要手段，也是抑制电磁干扰、保障设备或系全的必要手段，也是抑制电磁干扰、保障设备或系统电磁兼容性、提高设备或系统可靠性的重要技术统电磁兼容性、提高设备或系统可靠性的重要技术措施。措施。地线是用电设备中各电路的公共导线地线是用电设备中各电路的公共导线，但任，但任何导线都具有一定的阻抗，一般包括电阻和电抗，何导线都具有一定的阻抗，一般包括电阻和电抗，
2、该公共阻抗使两个截然不同的接地点很难得到等电该公共阻抗使两个截然不同的接地点很难得到等电位，因此公共阻抗使两接地点间形成一定的电压，位，因此公共阻抗使两接地点间形成一定的电压，产生接地干扰。恰当的接地方式可以为干扰信号提产生接地干扰。恰当的接地方式可以为干扰信号提供低公共阻抗通路，从而抑制干扰信号对其他电子供低公共阻抗通路，从而抑制干扰信号对其他电子设备的干扰。探讨接地干扰成因以及抑制接地干扰设备的干扰。探讨接地干扰成因以及抑制接地干扰的技术是重点内容。的技术是重点内容。接地的概念接地的概念所谓所谓“地地”(Ground)，一般定义为电路或系统的，一般定义为电路或系统的零电位参考零电位参考点点
3、，直流电压的零电位点或者零电位面，它不一定为实际的，直流电压的零电位点或者零电位面，它不一定为实际的大地大地(建筑地面建筑地面)，可以是设备的外壳或其它金属板或金属线。，可以是设备的外壳或其它金属板或金属线。接地接地原意原意指与真正的大地指与真正的大地(Earth)连接以提供雷击放电的通路连接以提供雷击放电的通路(例如，避雷针一端埋入大地例如，避雷针一端埋入大地)，后来成为为用电设备提供漏，后来成为为用电设备提供漏电保护电保护(提供放电通路提供放电通路)的技术措施。的技术措施。现在接地的含义已经延伸，现在接地的含义已经延伸，“接地接地”(Grounding)一般指为一般指为了使电路、设备或系统
4、与了使电路、设备或系统与“地地”之间建立低阻抗通路，而将之间建立低阻抗通路，而将电路、设备或系统连接到一个作为参考电位点或参考电位面电路、设备或系统连接到一个作为参考电位点或参考电位面的良导体的技术行为，其中一点通常是系统的一个电气或电的良导体的技术行为，其中一点通常是系统的一个电气或电子元子元(组组)件，而另一点则是称之为件，而另一点则是称之为“地地”的参考点。例如，的参考点。例如，当所说的系统组件是设备中的一个电路时，则参考点就是设当所说的系统组件是设备中的一个电路时，则参考点就是设备的外壳或接地平面。备的外壳或接地平面。接地及其分类接地及其分类接地的要求接地的要求(1)理想的接地应使流经
5、地线的各个电路、设备的电流理想的接地应使流经地线的各个电路、设备的电流互不影互不影响响，即不使其形成地电流环路，即不使其形成地电流环路,避免使电路、设备受避免使电路、设备受磁场和地磁场和地电位差电位差的影响。的影响。(2)理想的接地导体理想的接地导体(导线或导电平面导线或导电平面)应是零阻抗的实体，流应是零阻抗的实体，流过接地导体的任何电流都不应该产生电压降，即过接地导体的任何电流都不应该产生电压降，即各接地点之各接地点之间没有电位差间没有电位差，或者说各接地点间的电压与电路中任何功能，或者说各接地点间的电压与电路中任何功能部分的电位比较均可忽略不计。部分的电位比较均可忽略不计。(3)接地平面
6、应是零电位，它作为系统中各电路任何位置所有接地平面应是零电位，它作为系统中各电路任何位置所有电信号的公共电位参考点。电信号的公共电位参考点。(4)良好的接地平面与布线间将有大的分布电容，而接地平面良好的接地平面与布线间将有大的分布电容，而接地平面本身的引线电感将很小。理论上，它本身的引线电感将很小。理论上，它必须能吸收所有信号必须能吸收所有信号，使设备稳定地工作。使设备稳定地工作。接地平面应采用低阻抗材料制成，并且接地平面应采用低阻抗材料制成，并且有足够的长度、宽度和厚度有足够的长度、宽度和厚度，以保证在所有频率上它的两边，以保证在所有频率上它的两边之间均呈现低阻抗。用于安装固定式设备的接地平
7、面之间均呈现低阻抗。用于安装固定式设备的接地平面,应由整应由整块铜板或者铜网组成。块铜板或者铜网组成。接地及其分类接地及其分类接地的分类接地的分类 通常，电路、用电设备按其作用可分类为通常，电路、用电设备按其作用可分类为安全接地安全接地(Safety Grounds)和信号接地和信号接地(Signal Grounds)。其中安全接地又有。其中安全接地又有设备安全接地、接零保护接地和防雷接地，信号接地又分类设备安全接地、接零保护接地和防雷接地，信号接地又分类为单点接地、多点接地、混合接地和悬浮接地，见表为单点接地、多点接地、混合接地和悬浮接地，见表1。接地及其分类接地及其分类表表1 接地的分类接
8、地的分类9.2安全接地安全接地设备安全接地设备安全接地 设备安全接地是安全接地的一种。为了人、机安全，任何高设备安全接地是安全接地的一种。为了人、机安全，任何高压电气设备、电子设备的机壳、底座均需要安全接地，以避压电气设备、电子设备的机壳、底座均需要安全接地，以避免高电压直接接触设备外壳，或者避免由于设备内部绝缘损免高电压直接接触设备外壳，或者避免由于设备内部绝缘损坏造成漏电打火使机壳带电坏造成漏电打火使机壳带电,否则，人体触及机壳就会触电。否则，人体触及机壳就会触电。一般用电设备在使用中，因绝缘老化、受潮等原因导致带电一般用电设备在使用中，因绝缘老化、受潮等原因导致带电导线或者导电部件与机壳
9、之间漏电，或者因设备超负荷引起导线或者导电部件与机壳之间漏电，或者因设备超负荷引起严重发热，导致烧损绝缘材料造成漏电，或者因环境气体污严重发热，导致烧损绝缘材料造成漏电，或者因环境气体污染、灰尘沉积导致漏电和电弧击穿打火。染、灰尘沉积导致漏电和电弧击穿打火。机壳通过杂散阻抗而带电，或者因绝缘击穿而带电，如图机壳通过杂散阻抗而带电，或者因绝缘击穿而带电，如图1所示。设所示。设U1为用电设备中电路的电压，为用电设备中电路的电压，Z1为电路与机壳为电路与机壳(Chassis)之间的杂散阻抗之间的杂散阻抗(Stray Impedances)，Z2为机壳与地为机壳与地之间的杂散阻抗，之间的杂散阻抗，U2
10、为机壳与地之间的电压。机壳对地的电为机壳与地之间的电压。机壳对地的电压压U2是由机壳对地的阻抗是由机壳对地的阻抗Z2分压造成的。分压造成的。设备安全接地设备安全接地 当机壳与地绝缘当机壳与地绝缘(Z2)，即，即Z2Z1时，则时，则U2U1。如果。如果U2足够大足够大(例如超过例如超过36 V)时，人体触及机壳就可能发生危险。时，人体触及机壳就可能发生危险。为了人身安全，机壳应该接地，使为了人身安全，机壳应该接地，使Z20，从而使，从而使U20。安全接地安全接地图图1 设备机壳接地的作用设备机壳接地的作用设备安全接地设备安全接地 如果人体触及机壳，相当于机壳与大地之间连接了一个人体如果人体触及机
11、壳，相当于机壳与大地之间连接了一个人体电阻电阻Zb。人体电阻变化范围很大，一般地，人体的皮肤处于。人体电阻变化范围很大，一般地，人体的皮肤处于干燥洁净和无破损情况时，人体电阻可高达干燥洁净和无破损情况时，人体电阻可高达40100 k；人；人体处于出汗、潮湿状态时，人体电阻降至体处于出汗、潮湿状态时，人体电阻降至1000左右。但是，左右。但是，流经人体的安全电流值，对于交流电流为流经人体的安全电流值，对于交流电流为1520 mA，对于，对于直流电流为直流电流为50 mA。当流经人体的电流高达。当流经人体的电流高达100 mA时，就可时，就可能导致死亡发生。因此，我们国家规定的人体安全电压为能导致
12、死亡发生。因此，我们国家规定的人体安全电压为36 V和和12 V。一般家用电器的安全电压为。一般家用电器的安全电压为36 V，以保证触电时，以保证触电时流经人体的电流值小于流经人体的电流值小于40mA。为了保证人体安全，。为了保证人体安全，应该将应该将机壳接地机壳接地。这样，当人体触及带电机壳时，人体电阻与接地。这样，当人体触及带电机壳时，人体电阻与接地导线的阻抗并联，人体电阻远大于接地导线的阻抗，大部分导线的阻抗并联，人体电阻远大于接地导线的阻抗，大部分漏电电流经接地导线旁路流入大地。通常规定接地电阻值为漏电电流经接地导线旁路流入大地。通常规定接地电阻值为510，所以，流经人体的电流值将减小
13、为原先的，所以，流经人体的电流值将减小为原先的1/200 1/100。安全接地安全接地接零保护接地接零保护接地 用电设备通常采用用电设备通常采用220V(单相三线制单相三线制)或者或者380 V(二相四线制二相四线制)电源提供电力，如图电源提供电力，如图2所示。所示。设备的金属外壳除了正常接地设备的金属外壳除了正常接地之外，还应与电网零线相连接，称之为接零保护之外，还应与电网零线相连接，称之为接零保护。安全接地安全接地图图2 接零保护接零保护接零保护接地接零保护接地 当用电设备外壳接地后，人体与机壳接触时，人体与接地电当用电设备外壳接地后，人体与机壳接触时，人体与接地电阻并联，因接地电阻远小于
14、人体电阻，使漏电电流绝大部分阻并联，因接地电阻远小于人体电阻，使漏电电流绝大部分从接地线中流过。但接地电阻与电网中性点接地的接触电阻从接地线中流过。但接地电阻与电网中性点接地的接触电阻相比，在数量上相当，故接地线上的电压降几乎为相电压相比，在数量上相当，故接地线上的电压降几乎为相电压220V的一半，这一电压超过了人体能够承受的安全电压，使的一半，这一电压超过了人体能够承受的安全电压，使接触设备金属外壳的人体上流过的电流超过安全限度，从而接触设备金属外壳的人体上流过的电流超过安全限度，从而导致触电危险。导致触电危险。接零保护接零保护：室内交流配线采用如图：室内交流配线采用如图2(a)接法。图中接
15、法。图中“火线火线”上接有保险丝，负载电流经上接有保险丝，负载电流经“火线火线”至负载再经至负载再经“零线零线”返返回，还有一根线是安全回，还有一根线是安全“地线地线”。该地线与设备机壳相连并。该地线与设备机壳相连并与与“零线零线”连接于一点。因而，地线上平时没有电流，所以连接于一点。因而，地线上平时没有电流，所以没有电压降，与之相连的机壳都是地电位。只有发生故障，没有电压降，与之相连的机壳都是地电位。只有发生故障，即绝缘被击穿时，安全地线上才会有电流。但该电流是即绝缘被击穿时，安全地线上才会有电流。但该电流是瞬时瞬时的的，因为保险丝或电流断路器在发生故障时会立即将电路切，因为保险丝或电流断路
16、器在发生故障时会立即将电路切断。断。安全接地安全接地防雷接地防雷接地防雷接地是将建筑物等设施和用电设备的外壳与大地连接，防雷接地是将建筑物等设施和用电设备的外壳与大地连接，将雷电电流引入大地，从而保护设施、设备和人身的安全，将雷电电流引入大地，从而保护设施、设备和人身的安全，使之避免雷击，同时消除雷击电流窜入信号接地系统，以避使之避免雷击，同时消除雷击电流窜入信号接地系统，以避免影响用电设备的正常工作。免影响用电设备的正常工作。l安全接地的有效性安全接地的有效性 安全接地的质量好坏，关系到安全接地的质量好坏，关系到人身安全和设施安全人身安全和设施安全，因此，因此，必须检验安全接地的有效性。接地
17、的目的是为了使设备与大必须检验安全接地的有效性。接地的目的是为了使设备与大地有一条地有一条低阻抗的电流通路低阻抗的电流通路，因此，因此，接地电阻的阻值越小越接地电阻的阻值越小越好好。接地电阻与接地装置、接地土壤状况以及环境条件等因。接地电阻与接地装置、接地土壤状况以及环境条件等因素有关。一般地，接地电阻素有关。一般地，接地电阻应小于应小于10。针对不同的接地目。针对不同的接地目的，对接地电阻有不同的选择。设备安全接地的接地电阻一的，对接地电阻有不同的选择。设备安全接地的接地电阻一般应小于般应小于10；1000 V以上的电力线路要求小于以上的电力线路要求小于0.5的接地的接地电阻；防雷接地一般要
18、求接地电阻为电阻；防雷接地一般要求接地电阻为1025；建筑物单独；建筑物单独装设的避雷针的接地电阻要求小于装设的避雷针的接地电阻要求小于25。接地电阻属于分布。接地电阻属于分布电阻。电阻。安全接地安全接地安全接地的有效性安全接地的有效性 通常，接地电阻由通常，接地电阻由接地导线的电阻接地导线的电阻、接地体的电阻接地体的电阻和和大地的大地的杂散电阻杂散电阻三部分组成三部分组成,其中其中大地杂散电阻起主要作用大地杂散电阻起主要作用。因此，。因此，接地电阻的大小不仅与接地体的大小、形状、材料等特性有接地电阻的大小不仅与接地体的大小、形状、材料等特性有关，而且与接地体附近的土壤特性有很大关系。土壤的成
19、分、关，而且与接地体附近的土壤特性有很大关系。土壤的成分、土壤颗粒的大小和密度、地下水中是否含有被溶解的盐类等土壤颗粒的大小和密度、地下水中是否含有被溶解的盐类等因素也影响接地电阻的阻值。除此之外，接地电阻还受环境因素也影响接地电阻的阻值。除此之外，接地电阻还受环境条件的影响，天气的潮湿程度、季节变化和温度高低变化都条件的影响，天气的潮湿程度、季节变化和温度高低变化都影响接地电阻的阻值。因此，接地电阻的阻值并不是固定不影响接地电阻的阻值。因此，接地电阻的阻值并不是固定不变的，需要定期测定监视。当出现接地电阻阻值不符合接地变的，需要定期测定监视。当出现接地电阻阻值不符合接地要求时，可以采用要求时
20、，可以采用保持水分、化学盐化和化学凝胶保持水分、化学盐化和化学凝胶三种方法三种方法来有效地来有效地降低土壤的电阻率降低土壤的电阻率，以减小接地电阻。，以减小接地电阻。安全接地安全接地安全接地的有效性安全接地的有效性 接地装置也称为接地体，常见有接地装置也称为接地体，常见有接地桩接地桩、接地网接地网和和地下水管地下水管等。通常把接地体分类为等。通常把接地体分类为自然接地体自然接地体和和人工接地体人工接地体两大类型。两大类型。埋设在地下的水管、输送非燃性气体和液体的金属管道、建埋设在地下的水管、输送非燃性气体和液体的金属管道、建筑物埋设在地下或水泥中的金属构件、电缆的金属外皮等属筑物埋设在地下或水
21、泥中的金属构件、电缆的金属外皮等属于自然接地体。一般说来，自然接地体与大地的接触面积比于自然接地体。一般说来，自然接地体与大地的接触面积比较大，长度也较大，因此其杂散电阻较小，往往比专门设计较大，长度也较大，因此其杂散电阻较小，往往比专门设计的接地体的性能更好。同时，自然接地体与用电设备在大多的接地体的性能更好。同时，自然接地体与用电设备在大多数情况下已经连接成整体，大部分故障漏电电流能在接地体数情况下已经连接成整体，大部分故障漏电电流能在接地体的开始端向大地扩散，所以很安全。自然接地体还在地下纵的开始端向大地扩散，所以很安全。自然接地体还在地下纵横交叉，从而降低接触电压及跨步电压，所以横交叉
22、，从而降低接触电压及跨步电压，所以1000 V以下的以下的系统，一般都采用自然接地体。系统，一般都采用自然接地体。安全接地安全接地安全接地的有效性安全接地的有效性 对于对于大电流接地系统大电流接地系统，要求接地电阻阻值较低。埋设于地下，要求接地电阻阻值较低。埋设于地下的自然接地体因其表面腐蚀等使其接地电阻难以降低，因此的自然接地体因其表面腐蚀等使其接地电阻难以降低，因此需要采用人工接地体。必须指出，在弱信号、敏感度高的测需要采用人工接地体。必须指出，在弱信号、敏感度高的测控系统、计算机系统、贵重精密仪器系统中不能滥用自然接控系统、计算机系统、贵重精密仪器系统中不能滥用自然接地体。例如水管，一般
23、地水管与建筑物的金属构件及大地并地体。例如水管，一般地水管与建筑物的金属构件及大地并没有良好的接触，其接地电阻阻值比较大，因此不宜作为接没有良好的接触，其接地电阻阻值比较大，因此不宜作为接地体。人工接地体是人工埋入地下的金属导体，常见的形式地体。人工接地体是人工埋入地下的金属导体，常见的形式有垂直埋入地下的钢管、角钢和水平放置的圆钢、扁钢，还有垂直埋入地下的钢管、角钢和水平放置的圆钢、扁钢，还有环形、圆板形和方板形的金属导体。有环形、圆板形和方板形的金属导体。安全接地安全接地9.3导体阻抗的频率特性导体阻抗的频率特性电磁兼容工程中，接地、搭接是抑制电磁干扰的有效措施。电磁兼容工程中，接地、搭接
24、是抑制电磁干扰的有效措施。不论地线还是搭接条，它们的直流电阻、交流电阻和感抗的不论地线还是搭接条，它们的直流电阻、交流电阻和感抗的不同，反映了导体阻抗的频率特性。在用电设备、系统数字不同，反映了导体阻抗的频率特性。在用电设备、系统数字化的信息时代，导线传输高频电流产生电磁骚扰，可能形成化的信息时代，导线传输高频电流产生电磁骚扰，可能形成电磁干扰，影响设备、系统的电磁兼容性。因此，分析导线电磁干扰，影响设备、系统的电磁兼容性。因此，分析导线阻抗的频率特性，有益于设计、实施接地或搭接。阻抗的频率特性，有益于设计、实施接地或搭接。l直流电阻与交流电阻关系的广义描述直流电阻与交流电阻关系的广义描述 导
25、线的直流电阻为导线的直流电阻为式中：式中：为导体的电阻率为导体的电阻率(/m)；l为导体的长度为导体的长度(m)；S为导为导体横截面面积体横截面面积(m2)。圆导线和扁平导体条的直流电阻分别为圆导线和扁平导体条的直流电阻分别为DClRS(9-1)直流电阻与交流电阻关系的广义描述直流电阻与交流电阻关系的广义描述 由于集肤效应由于集肤效应(Skin Effect)的影响，导体的高频交流电阻将的影响，导体的高频交流电阻将远大于直流电阻。圆导线的高频远大于直流电阻。圆导线的高频(a)交流电阻为交流电阻为导体阻抗的频率特性导体阻抗的频率特性DClRa(9-2)DClRwt(9-3)图图3 接零保护接零保
26、护ACDCDC()222alRRRffa(9-4)直流电阻与交流电阻关系的广义描述直流电阻与交流电阻关系的广义描述 式中，式中，为集肤深度为集肤深度(Skin Depth)。扁平导体条的高频交流电阻为扁平导体条的高频交流电阻为式中，式中，K是宽度与厚度之比的函数。仔细分析式是宽度与厚度之比的函数。仔细分析式(9-5)和式和式(9-6)，不难发现，实心单导体的直流电阻与交流电阻的关系可，不难发现，实心单导体的直流电阻与交流电阻的关系可以广义描述为以广义描述为上式表明，高频交流电阻与工作频率的平方根成正比。图上式表明，高频交流电阻与工作频率的平方根成正比。图4表示半径为表示半径为0.6 mm、长为
27、、长为1 m的铜导线的高频交流电阻与直的铜导线的高频交流电阻与直流电阻比对频率的依赖关系。经计算知，其直流电阻为流电阻比对频率的依赖关系。经计算知，其直流电阻为15.25 m；频率为；频率为1 MHz时，高频交流电阻为时，高频交流电阻为115.34。导体阻抗的频率特性导体阻抗的频率特性(9-5)1/f-10AC-10DC66310()66310KlfR2 wtwtKRfwtACDCRK Rf(9-6)直流电阻与交流电阻关系的广义描述直流电阻与交流电阻关系的广义描述 导体阻抗的频率特性导体阻抗的频率特性图图4 相对电阻与频率的关系相对电阻与频率的关系导体电感导体电感 圆导线的直流内电感和高频交流
28、内电感分别为圆导线的直流内电感和高频交流内电感分别为和和圆导线的外电感圆导线的外电感(la,a)为为仍然以半径为仍然以半径为0.6 mm，长为，长为1 m，工作频率为，工作频率为1 MHz的铜导的铜导线为例，计算获得其直流内电感为线为例，计算获得其直流内电感为50 nH；高频交流内电感；高频交流内电感为为11 nH，对应感抗为，对应感抗为69.2 m；外电感为；外电感为1.4 mH,对应感抗对应感抗为为8.94。可见高频外电感远大于内电感，工程计算时可以。可见高频外电感远大于内电感，工程计算时可以忽略内电感。通常，外电感与导线的长度成正比。忽略内电感。通常，外电感与导线的长度成正比。导体阻抗的
29、频率特性导体阻抗的频率特性,DCAC,DC8214iiiLllLLaaf，(9-7)(9-8)22ln12 10ln12ext70llLllaa(9-9)导体电感导体电感 扁平导体条的外电感可以表示为扁平导体条的外电感可以表示为仍然以半径为依据式仍然以半径为依据式(9-10)绘制的曲线如图绘制的曲线如图5所示，可见，扁所示，可见，扁平导体条宽度增加，电感减少；厚度增加，电感也减少，宽平导体条宽度增加，电感减少；厚度增加，电感也减少，宽度增加比厚度增加产生的电感减少量要大得多。度增加比厚度增加产生的电感减少量要大得多。导体阻抗的频率特性导体阻抗的频率特性(9-10)02ln0.50.22352e
30、xtllwtLwtl图图5 扁平导体条的宽度、厚度与电感扁平导体条的宽度、厚度与电感导体电感导体电感 计算表明，工作频率为计算表明，工作频率为1 MHz的导体条的直流电阻为的导体条的直流电阻为0.575，电感为电感为5.74，而感抗达，而感抗达36.1，远大于其直流电阻。，远大于其直流电阻。导体条横截面的几何形状也是影响其电感量大小的重要因素。导体条横截面的几何形状也是影响其电感量大小的重要因素。图图6表明，横截面相同的长方形的电感比正方形的电感小，表明，横截面相同的长方形的电感比正方形的电感小，宽度与厚度的比值越大，电感越小。宽度与厚度的比值越大，电感越小。导体阻抗的频率特性导体阻抗的频率特
31、性图图6 横截面的几何形状与电感的关系横截面的几何形状与电感的关系搭接条的选择搭接条的选择 搭接条尺寸的选择，依据经验法则，其长度与宽度比应等于搭接条尺寸的选择，依据经验法则，其长度与宽度比应等于或小于或小于5 1。从基本概念考虑，应尽可能降低搭接条的射频。从基本概念考虑，应尽可能降低搭接条的射频阻抗，因此，阻抗，因此，必须尽量降低搭接条的电感必须尽量降低搭接条的电感。选择搭接条的不。选择搭接条的不同几何尺寸，采用表达式同几何尺寸，采用表达式(6-11)计算不同几何尺寸搭接条的计算不同几何尺寸搭接条的电感如图电感如图7所示，可见要降低搭接条的电感，长度与宽度比所示，可见要降低搭接条的电感，长度与宽度比越小越好。越小越好。导体阻抗的频率特性导体阻抗的频率特性图图7 搭接条长度与宽度比对电感量的影响搭接条长度与宽度比对电感量的影响
