案的应用接地技术在建筑电气安全中的应用

所谓接地,就是按一定的要求,用金属导体或导线把电路中的某些“地”电位点连接起来,或是将电子电气设备的某一部位(如外壳)和大地连接起来。狭义上的接地即与地球保持同一电位;而广义上的接地则是连接电路系统中作为基准电位的某一等电位点或等电位面,不一定为大地电位。

接地是提高电子设备电磁兼容性的有效手段之一,正确的接地既能抑制外部电磁干扰的影响,又能防止电子设备向外部发射电磁波;而错误的接地常常会引入非常严重的干扰,甚至会使电子设备无法正常工作。电子设备接地的目的:一是出于安全的考虑,二是为了抑制外部的干扰。

1.安全接地

安全接地又称为保护接地,是以确保人员和设备的安全为目的的。安全接地是指将电子设备的金属外壳、底盘、机座都用良好导体可靠连接到大地电位上。安全接地对电子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。电子设备的某些部位与大地相连也可以起到抑制外部干扰的作用(例如,静电屏蔽层接地可以抑制变化的电场的干扰);电磁屏蔽用的导线原则上可以不接地,但不接地的屏蔽导线时常会带来静电耦合而产生所谓的“静电屏蔽”效应,所以仍需要接地。电子设备的安全接地有两种方式。

(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

除零线以外,另外配备一根保护接地线,它与电子设备的金属外壳、底盘、机座等金属部件相连。一般情况下,保护接地线是没有电流流动的,即使有电流流动也是非常小量的漏电流,所以说,一般情况下保护接地线上是没有电压降的,与之相连的电子设备的金属外壳都呈现地电位,保证了人身和设备的安全。

根据相关规范,建筑物在建造时应用角钢等良导体埋入地下作为接地装置,并在回填土中掺入碳粉或电解质等导电物质使其接地电阻接近于零,以达到建筑物防雷电的目的。该接地装置应和建筑物中电气设备接地装置共用。因此建筑物中的三孔插座中间的一个插孔是与建筑物附近的大地实际相连的,而另外两个插孔分别是50 Hz市电的相线(火线)和中线(零线)。在使用电子设备时,要避免因设备漏电引起安全事故,所以应采用三孔插头,三孔插头中间一根较粗的插头与仪器设备的外机壳相连。这样插头接入插座后,相线(火线)和中线(零线)为仪器设备供电,而地线则将仪器设备的外壳可靠地与大地相连,使仪器设备的外壳始终保持大地电位,避免了由于偶然漏电引起的触电事故。

2.系统接地

“系统接地”又称“技术接地”或“工作接地”。为了保证电子系统稳定和可靠地运行,必须处理好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称为“系统接地”。在电子系统中经常遇到的大量的接地问题是系统接地问题。

系统接地线既是各电路中的静态动态电流通道,又是各级电路通过共同的接地阻抗而相互耦合的途径,从而形成电路间相互干扰的薄弱环节。可以说电子设备中的一切抗干扰措施,几乎都与接地有关。因此,正确接地是抑制噪声和防止干扰的主要途径,它不仅能保证电子设备稳定和可靠地工作,而且能提高电路的工作精度。而不正确的接地,会使电路的工作不稳定,甚至导致电子电路无法正常工作。

(1)电子电路的接地

电子电路正确可靠接地是电子电路正常工作的基础。根据电路工作频率的不同,接地应遵循不同的原则和方式。

低频电路应坚持一点接地的原则,一点接地有串联一点接地和并联一点接地两种形式,如图3.3.4所示。串联一点接地方式从防止干扰角度来说是不合理的,因串联时地线呈现的电阻容易形成公共地线干扰。但由于串联一点接地方式比较简单,当各电路的电平相差不大,电路工作频率低于1 MHz时可以使用。并联一点接地同样适用于低于1 MHz的低频电路,它没有公共阻抗支路,不容易形成公共地线干扰,但因为各个电路的地线需要并联至一点,因此需要连很多导线,且导线较长,地线阻抗较大,所以不适用于高频电路。

图3.3.4　一点接地

对于工作频率高于10 MHz的高频电路或数字电路,由于各元器件的引线和电路的布局本身的电感效应,若使用一点接地的方法,则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。因此高频电路应采用就近接地,即多点接地的方法,把设备(或系统)中各个接地点都直接接到距它最近的接地线上,使接地引线的长度最短。

多点接地系统的优点是电路构成比单点接地简单。而且由于采用了多点接地,接地线出现高频驻波现象的可能性显著减少。但采用多点接地后电路系统会增加许多地线回路,它们会对系统内较低电平的信号单元产生不良影响。

在复杂电路中既有低频部分,又有高频部分时,应采用混合接地措施。即低频电路采用单点接地方式,而高频电路需采用多点接地。对于单元电路一般采用单点接地方式,但多级电路地线设计,应根据信号通过频率的高低灵活采用各种不同的接地方式。

特别要注意的是,交流电源的地线不能用作信号地线,因为在一段电源地线的两点间会有数百毫伏、甚至几伏的电压,这对低电平电路来说是一个非常严重的干扰。

简单地说,工作频率在1 MHz以下时,可以用单点接地;10 MHz以上时,可以用多点接地。而在1 MHz和10 MHz之间时,可以考察接地线的具体长度,如果最长的接地线不超过波长的1/20,可以用单点接地,否则用多点接地。

(2)电子电气设备的系统接地

①悬浮地

悬浮地简称浮地,是使电路的某一部分与“大地电位”完全隔离,从而抑制来自接地线的干扰。图3.3.5是两种悬浮地方式,这种情况下电路与大地电位没有电气上的联系,因而不可能形成地环路电流而产生地阻抗的耦合干扰。但是,此时电子系统也可能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,如图3.3.6所示。在电子电气设备工作速度提高、感应增大、输入输出增多的情况下,其对地分布电容就会增大,继而加大位移干扰电流。另外,由于分布电容的存在,容易产生静电积累和静电放电,在雷电情况下,还会在机箱和单元之间产生飞弧,甚至使操作人员遭到电击。所以对于比较复杂的电磁环境,“浮地方式”是不适宜的。

图3.3.5　悬浮地(www.xing528.com)

②直接接地

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,宜采用直接与大地相连的方式。合理选择接地点的位置及其接地点的多少,把干扰降到最低。

③通过电容接地

将“系统地”通过电容与“大地”相连,电容多为高频电容,它提供对“系统地”至“大地”高频干扰分量的通路,相当于一个高通滤波器,从而抑制了由对地分布电容所造成的影响。这种接地方式只适合于低频系统,所用电容应具有良好的高频特性和足够的耐压值,电容量一般2～10μF。

图3.3.6　浮地电位波动产生干扰

3.电子系统中的各种“地”

电子系统中的“地”由于其性质和用途不同,有多种不同的类型,以下列出几种不同的“地”,在特殊的电路中还可能有其他类型。

•交流地:交流电的零线,这种地通常是产生噪声的地,应与真正的大地区别开。

•直流地:直流电路“地”,零电位参考点。

•模拟地:各种模拟量信号的零电位。

•数字地:也叫逻辑“地”,是数字电路各种开关量(数字量)信号的零电位。

•热地:电源电路中变压器的初级地,与电网不隔离。

•冷地:电源电路中变压器次级地,跟电网隔离,不带电。

•功率地:大电流网络器件、功率电子与磁性器件的零电位参考点。

•安全地:真正的大地电位。

•屏蔽地:也叫机壳“地”,为防止静电感应和磁场感应而设。

在电路图中用不同的符号表示不同类型的地,如图3.3.7所示。图中(a)一般表示弱电地,即电路的参考地,在电路原理图中经常用到;(b)通常表示数字接地,即逻辑地;(c)一般表示强电地,如交流供电电路的地;(d)表示真正的大地,如机壳的保护接地。

图3.3.7　常用接地符号

一个复杂的电路系统可能存在各种各样的地,应根据实际应用分清楚地线的种类,然后选择不同的接地方式。其中最基本的有两点:

(1)强电地与信号地不能共用

由于在一段交流电源地线(零线)的两点间会有数m V甚至几V电压,对低电平信号电路来说,这是一个非常重要的干扰,因此必须加以隔离。

(2)模拟地和数字地要分开

因为数字信号变化速度快,从而在数字地上引起的噪声就会很大,如果模拟地和数字地混在一起,数字信号产生的噪声就会影响到模拟信号。一般将二者地线分开,采用模拟地线和数字地线,使模拟电路和数字电路自成回路,或将模拟地和数字地分开处理,然后通过细的走线连在一起,或者单点接在一起,尽量阻隔数字地上的噪声窜到模拟地而影响模拟电路的正常工作。

总之,对于电子系统的接地要按其要求和目的进行分类处理,不能将不同的“地”简单任意连接在一起。要根据功能将电子系统分成若干独立的接地子系统,每个子系统有其共同的接地点或接地干线,最后才连接在一起,实行总接地。