電磁兼容中的接地技術(shù)

1   引言
    接地技術(shù)最早是應(yīng)用在強(qiáng)電系統(tǒng)（電力系統(tǒng)、輸變電設(shè)備、電氣設(shè)備）中，為了設(shè)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(shù)延伸應(yīng)用到弱電系統(tǒng)中。對于電力電子設(shè)備將接地線直接接在大地上或者接在一個(gè)作為參考電位的導(dǎo)體上，當(dāng)電流通過該參考電位時(shí)，不應(yīng)產(chǎn)生電壓降。然而由于不合理的接地，反而會(huì)引入了電磁干擾，比如共地線干擾、地環(huán)路干擾等，從而導(dǎo)致電力電子設(shè)備工作不正常?？梢姡拥丶夹g(shù)是電力電子設(shè)備電磁兼容技術(shù)的重要內(nèi)容之一，有必要對接地技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)探討。
2   接地的種類和目的
    電力電子設(shè)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(jī)殼接大地。一是防止機(jī)殼上積累電荷，產(chǎn)生靜電放電而危及設(shè)備和人身安全；二是當(dāng)設(shè)備的絕緣損壞而使機(jī)殼帶電時(shí)，促使電源的保護(hù)動(dòng)作而切斷電源，以便保護(hù)工作人員的安全。
2.2   防雷接地
    當(dāng)電力電子設(shè)備遇雷擊時(shí)，不論是直接雷擊還是感應(yīng)雷擊，電力電子設(shè)備都將受到極大傷害。為防止雷擊而設(shè)置避雷針，以防雷擊時(shí)危及設(shè)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(gè)基準(zhǔn)電位。該基準(zhǔn)電位可以設(shè)為電路系統(tǒng)中的某一點(diǎn)、某一段或某一塊等。當(dāng)該基準(zhǔn)電位不與大地連接時(shí)，視為相對的零電位。這種相對的零電位會(huì)隨著外界電磁場的變化而變化，從而導(dǎo)致電路系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定。當(dāng)該基準(zhǔn)電位與大地連接時(shí)，基準(zhǔn)電位視為大地的零電位，而不會(huì)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(huì)增加干擾。比如共地線干擾、地環(huán)路干擾等。
    為防止各種電路在工作中產(chǎn)生互相干擾，使之能相互兼容地工作。根據(jù)電路的性質(zhì)，將工作接地分為不同的種類，比如直流地、交流地、數(shù)字地、模擬地、信號(hào)地、功率地、電源地等。上述不同的接地應(yīng)當(dāng)分別設(shè)置。
2.3.1   信號(hào)地
    信號(hào)地是各種物理量的傳感器和信號(hào)源零電位的公共基準(zhǔn)地線。由于信號(hào)一般都較弱，易受干擾，因此對信號(hào)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(zhǔn)地線。由于模擬電路既承擔(dān)小信號(hào)的放大，又承擔(dān)大信號(hào)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(chǎn)生干擾。所以對模擬地的接地點(diǎn)選擇和接地線的敷設(shè)更要充分考慮。
2.3.3   數(shù)字地
數(shù)字地是數(shù)字電路零電位的公共基準(zhǔn)地線。由于數(shù)字電路工作在脈沖狀態(tài)，特別是脈沖的前后沿較陡或頻率較高時(shí)，易對模擬電路產(chǎn)生干擾。所以對數(shù)字地的接地點(diǎn)選擇和接地線的敷設(shè)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(zhǔn)地線。由于電源往往同時(shí)供電給系統(tǒng)中的各個(gè)單元，而各個(gè)單元要求的供電性質(zhì)和參數(shù)可能有很大差別，因此既要保證電源穩(wěn)定可靠的工作，又要保證其它單元穩(wěn)定可靠的工作。
2.3.5   功率地
    功率地是負(fù)載電路或功率驅(qū)動(dòng)電路的零電位的公共基準(zhǔn)地線。由于負(fù)載電路或功率驅(qū)動(dòng)電路的電流較強(qiáng)、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(shè)置，以保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作。
2.4   屏蔽接地
    屏蔽與接地應(yīng)當(dāng)配合使用，才能起到屏蔽的效果。
    比如靜電屏蔽。當(dāng)用完整的金屬屏蔽體將帶正電導(dǎo)體包圍起來，在屏蔽體的內(nèi)側(cè)將感應(yīng)出與帶電導(dǎo)體等量的負(fù)電荷，外側(cè)出現(xiàn)與帶電導(dǎo)體等量的正電荷，因此外側(cè)仍有電場存在。如果將金屬屏蔽體接地，外側(cè)的正電荷將流入大地，外側(cè)將不會(huì)有電場存在，即帶正電導(dǎo)體的電場被屏蔽在金屬屏蔽體內(nèi)。
    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(shè)置導(dǎo)電性好的金屬屏蔽體，并將金屬屏蔽體接地。只要設(shè)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(diǎn)接地
    工作頻率低（<1MHz）的采用單點(diǎn)接地式（即把整個(gè)電路系統(tǒng)中的一個(gè)結(jié)構(gòu)點(diǎn)看作接地參考點(diǎn)，所有對地連接都接到這一點(diǎn)上，并設(shè)置一個(gè)安全接地螺栓），以防兩點(diǎn)接地產(chǎn)生共地阻抗的電路性耦合。多個(gè)電路的單點(diǎn)接地方式又分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種，由于串聯(lián)接地產(chǎn)生共地阻抗的電路性耦合，所以低頻電路最好采用并聯(lián)的單點(diǎn)接地式。
    為防止工頻和其它雜散電流在信號(hào)地線上產(chǎn)生干擾，信號(hào)地線應(yīng)與功率地線和機(jī)殼地線相絕緣。且只在功率地、機(jī)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(guān)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(diǎn)接地
    工作頻率高（>30MHz）的采用多點(diǎn)接地式（即在該電路系統(tǒng)中，用一塊接地平板代替電路中每部分各自的地回路）。因?yàn)榻拥匾€的感抗與頻率和長度成正比，工作頻率高時(shí)將增加共地阻抗，從而將增大共地阻抗產(chǎn)生的電磁干擾，所以要求地線的長度盡量短。采用多點(diǎn)接地時(shí)，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(dāng)接地線的長度小于工作信號(hào)波長的1/20時(shí)，采用單點(diǎn)接地式，否則采用多點(diǎn)接地式。
3.4   浮地
    浮地式即該電路的地與大地?zé)o導(dǎo)體連接。其優(yōu)點(diǎn)是該電路不受大地電性能的影響；其缺點(diǎn)是該電路易受寄生電容的影響，而使該電路的地電位變動(dòng)和增加了對模擬電路的感應(yīng)干擾；由于該電路的地與大地?zé)o導(dǎo)體連接，易產(chǎn)生靜電積累而導(dǎo)致靜電放電，可能造成靜電擊穿或強(qiáng)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(hào)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?yàn)楫?dāng)有電流流過接地電阻時(shí)，其上將產(chǎn)生電壓。該電壓除產(chǎn)生共地阻抗的電磁干擾外，還會(huì)使設(shè)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(dòng)設(shè)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(xì)導(dǎo)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(dǎo)電率（如在土壤中注入鹽水）。
4.3   接地電阻的計(jì)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(shí)，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(hào)源和放大器等易受電磁輻射干擾的電路應(yīng)設(shè)置屏蔽罩。由于信號(hào)電路與屏蔽罩之間存在寄生電容，因此要將信號(hào)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(yīng)采用一點(diǎn)接地的方式，而且屏蔽層接地點(diǎn)應(yīng)當(dāng)與電路的接地點(diǎn)一致。對于多層屏蔽電纜，每個(gè)屏蔽層應(yīng)在一點(diǎn)接地，各屏蔽層應(yīng)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(yīng)采用多點(diǎn)接地的方式。當(dāng)電纜長度大于工作信號(hào)波長的0.15倍時(shí)，采用工作信號(hào)波長的0.15倍的間隔多點(diǎn)接地式。如果不能實(shí)現(xiàn)，則至少將屏蔽層兩端接地。
5.3   系統(tǒng)的屏蔽體接地
    當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)需要抵抗外界電磁干擾，或需要防止系統(tǒng)對外界產(chǎn)生電磁干擾時(shí)，應(yīng)將整個(gè)系統(tǒng)屏蔽起來，并將屏蔽體接到系統(tǒng)地上。
6   設(shè)備地
    一臺(tái)設(shè)備要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，往往含有多種電路，比如低電平的信號(hào)電路（如高頻電路、數(shù)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(shè)備具有一定機(jī)械強(qiáng)度和屏蔽效能的外殼。典型設(shè)備的接地如圖1所示。

    設(shè)備的接地應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)：
    ——50Hz電源零線應(yīng)接到安全接地螺栓處，對于獨(dú)立的設(shè)備，安全接地螺栓設(shè)在設(shè)備金屬外殼上，并有良好電連接；
    ——為防止機(jī)殼帶電，危及人身安全，不許用電源零線作地線代替機(jī)殼地線；
    ——為防止高電壓、大電流和強(qiáng)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(shù)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(qiáng)電地），后者為信號(hào)地（弱電地），而信號(hào)地又分為數(shù)字地和模擬地，信號(hào)地線應(yīng)與功率地線和機(jī)殼地線相絕緣；
    ——對于信號(hào)地線可另設(shè)一信號(hào)地螺栓（和設(shè)備外殼相絕緣），該信號(hào)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(diǎn)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(diǎn)應(yīng)位于交流電源的進(jìn)線處），然后通過接地線將接地極埋在土壤中。
7   系統(tǒng)地
    當(dāng)多個(gè)設(shè)備組成一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的接地如圖2所示。

    系統(tǒng)的接地應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)：
    ——參照設(shè)備的接地注意事項(xiàng)；
    ——設(shè)備外殼用設(shè)備外殼地線和機(jī)柜外殼相連；
    ——機(jī)柜外殼用機(jī)柜外殼地線和系統(tǒng)外殼相連；
    ——對于系統(tǒng)，安全接地螺栓設(shè)在系統(tǒng)金屬外殼上，并有良好電連接；
    ——當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)機(jī)柜、設(shè)備過多時(shí)，將導(dǎo)致數(shù)字地線、模擬地線、功率地線和機(jī)柜外殼地線過多。對此，可以考慮鋪設(shè)兩條互相并行并和系統(tǒng)外殼絕緣的半環(huán)形接地母線，一條為信號(hào)地母線，一條為屏蔽地及機(jī)柜外殼地母線；系統(tǒng)內(nèi)各信號(hào)地就近接到信號(hào)地母線上，系統(tǒng)內(nèi)各屏蔽地及機(jī)柜外殼地就近接到屏蔽地及機(jī)柜外殼地母線上；兩條半環(huán)形接地母線的中部靠近安全接地螺栓，屏蔽地及機(jī)柜外殼地母線接到安全接地螺栓上；信號(hào)地母線接到信號(hào)地螺栓上；
    ——當(dāng)系統(tǒng)用三相電源供電時(shí)，由于各負(fù)載用電量和用電的不同時(shí)性，必然導(dǎo)致三相不平衡，造成三相電源中心點(diǎn)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(diǎn)電位保持零電位，從而防止三相電源中心點(diǎn)電位偏移所產(chǎn)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(shè)時(shí)，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(dòng)設(shè)備，接地電阻可小于10Ω。
8   結(jié)語
    為了設(shè)備和人身的安全以及電力電子設(shè)備正常可靠的工作必須研究接地技術(shù)。接地可直接接在大地上或者接在一個(gè)作為參考電位的導(dǎo)體上。不合理的接地反而會(huì)引入電磁干擾，導(dǎo)致電力電子設(shè)備工作不正常。因此，接地技術(shù)是電磁兼容中的重要技術(shù)之一，應(yīng)當(dāng)充分重視對接地技術(shù)的研究。