电子电气设备接地探讨

1 电气设备接地的作用及分类

1.1 电子电气设备接地的作用

1.1.1 安全的因素

对于工程中的供电/配电专业，其“接地”是必不可少的基本内容，它涉及的往往是50 Hz的工频系统，其设计依据的是以功率（电流）为主要概念。对各个设备进行安全“接地”是经常的事情，因此受到工程界的重视，其目就是保证用电的人身、财产的安全，如图1所示。

图1典型接地

1.1.2 抑制外部干扰的考虑

电子设备其工作电源多数是来自交流供电系统，工程界考虑的使用安全和工作安全而把设备进行接地符合“规范”要求。“接地”的种类比较多，其中比较复杂的是电气接地与防雷接地的关系，我们的电子设备工作环境多是在建筑物内，考虑防雷接地也是规范的要求，《民用建筑电气设计规范》（JGJ/T16-92）5.1.2条规定需要保护的电子信息系统必须采取等电位联结与接地保护措施，对所有设备选用一个“共用接地”是很普遍的做法，如图2所示。

图2 防雷/配电接地

1.2 电子电气设备接地的分类

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，必须严格进行区分，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。

1.2.1 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。

1.2.2 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。

1.2.3 系统接地

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。

图3 单相三线制接线图

2 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问题有效、廉价的方法。下面对三大类接地方式分别进行详尽讨论。

2.1保护接地

（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

出于上述目的，各国都对保护接地作了必要的规定。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3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，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，只是电压不同而已。

2.2 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。

2.2.1 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”完全隔离，从而抑制来自地线的干扰。由于没有电气上的联系，因而也就不可能形成地环路电流产生的耦合干扰。图4和图5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4 设备悬浮地

图5 单元悬浮地

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。

图6 浮地电位波动产生干扰

2.2.2 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。

2.2.3 电容接地方式

3 系统地接地的原则

3.1 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7所示。

图7 一点接地

(a)串联接地        (b)并联接地

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到电路。这种接地方式在1MHz以下的工作频率下能工作得很好。但是，随着频率升高，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。

3.2 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。

图8 多点接地系统

(a)设备多点接地       (b)单元多点接地

3.3 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。

4 电子电气设备接地的特殊性分析

常用的电子设备的物理结构如图9所示，通常是逻辑信号地（数字类型）的结构体积偏大一些，内部多为插件板结构。

图9 设备典型结构图

当有一个设备要与远距离设备通讯，这里的“地”与外界的联系还要考虑远端的距离、方式、性质等，再选择对应的方式，例如电缆、光缆等，见图10。

图10 设备典型连接

5 结束语

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。

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