《电子设备的接地》

通天雷神

电子设备的接地

--　作者：埃德·纳考奇　（Ed Nakauchi）

　　大整本《美国国家电气法规》（NEC）中，关于接地的第250节是最难理解的一节，也是最容易错误执行的一节。电子设备对接地不当和电气噪音十分敏感。由于电子设备前所未有的普遍应用，有必要对下面一些问题作出回答。
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美国国家防火协会（NFPA）的规定
　　NEC第100节对“接地”一词定义如下：电气回路或设备与大地，或与代替大地的导体之间的导电的连接，它可以是有意的连接，也可以是无意的连接。

　　我们都应该熟悉这个定义。在配电回路或分支回路里，所有的回路和设备都通过导电连接来互相连通，从而减少它们之间的电位差，或将电位差限制到最小值。

　　在上述定义里，术语“地”是个关键。 NEC当然是针对安全编制的。接地的主要目的就是保证电气安全。在电击防护和为接地故障电流提供返回电源通路方面接地是很重要的。这两个问题都可将回路和地之间加以连接来解决。

　　通常将一接地棒打入地内就算与大地相连接了。对于一个建筑物配电系统，可在靠近电源进线处打一接地棒来接地。

　　将回路导线与地连接（Ground）或将设备接地（Grounding）可起如下作用：

·提供设备与近旁金属物体间的低阻抗连接，以减少人身电击危险。

·给接地故障电流提供返回电源的低阻抗通路，使熔断器或断路器得以动作。

·给雷电感应电流提供低阻抗的对地泄放通路。

·给静电电荷提供对地泄放通路，以防产生电火花或电弧。

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防雷接地

　　防雷装置也需要接大地。当电气装置附近发生雷击时，以千安计的雷电流在电气装置内感应出很大的电位差。将建筑物和设备的金属部分进行低阻抗的相互连接可减少此电位引起的各种问题。这种低阻抗的连接可将直接雷击产生的大雷电流经一安全通道泄放入地。

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与大地连接的接地

　　我们将大地看作一个无穷大容量低阻抗（零电位）的“海洋”。这当然是个简括的说法。电流的流动是遵循克希霍夫电流定律的。实际上大地的容量仍是有限的，所以雷电流在某些点上仍要流出大地。这一电流可产生电位差，从而给电子设备的设计者和使用者带来麻烦。电子设备频率高时此电位差更成为一个大问题。

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静电防护

　　前已述及，为了人身安全、设备安全和雷电防护需要作接地。关于设备安全，接地的作用并不仅限于对电路故障的防护，它还可为静电电荷的泄放提供通路。静电电荷的泄放电路意指能安全释放积蓄阶电荷的电路。因此其接地系统需有非常低的接地阻抗。接地线的长度和尺寸是最影响接地阻抗的因素。因长度增加后阻抗随之增加。尺寸加大阻抗就减小。我们谈到导线尺寸时，那只是指导线的截面。在讨论接地时，长度是指从连接点到接大地点的那一段距离。

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直流电阻

　　我们有必要讨论一下低阻抗值的接地。在许多接地情况下这是一个重要问题。在多数应用中，被接地点（译注：例如接地的电源中性点）至接地点（译注：指接地极处）能保证一低直流电阻通路就足够了。如果仍然存在噪音干扰的问题，那就需应用更先进的技术和设备来解决问题。

　　但由于不良的接地装置设计、施工和维护，我们许多人经常发现工程中存在过高的接地阻抗。噪音过滤器在一个工作不正常的信息系统中可以起到奇妙的作用，但对于一个接地阻抗偏高的系统却无能为力。

　　美国国家电气法规第9章表8列示了铜导线的直流电阻值。计算接地系统时可查阅此表。

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瞬态电涌

　　即使你不使用高速运算的数据处理设备，瞬态电涌仍然要给你找麻烦。瞬态电涌脉冲出现在交流电路中日益成为常见现象了。当投切电动机（或其他设备）时，在电路上产生短促的电压脉冲，这些脉冲在线路上能传输很长一段距离，它含有基波和大量谐波。这些谐波可高达几百兆赫。在如此高的频率下，设备接地线变成了噪音传输线。

　　为什么会如此呢？你可将984被频率的兆赫数除即可求得波长的ft 数。为使传输效率最高（也为了避免谐）接地线的长度不应大于波长的四分之一。这一波长通常为有关频率中最高频率的波长。最高频率约为数据处理设备最高时钟频率的10倍，或是?值(3．14）的倒数与瞬态信号上升时间的乘积。

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谐振效应

　　接地线与大地以及邻近金属物体间存在电容。我们有必要回顾一下电容器的基本定义，电客器是被一电介质分隔的两个导体。在许多情况下，此电介质即是空气。当频率低时，电容的客抗很高，对电路没有什么效应。当频率高时，同一电容（与所接设备接地线的电感相结合）却能构成一谐振回路。并联谐振回路谐振时看起来象一个高阻抗。因此，当谐振回路的Q值（译注：指回路的品质因数）能增大阻抗值时将出现许多电压尖峰。

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共有阻抗

　　有一种耦合形式，一个回路内的电压或电流可在另一回路内产生出电压或电流。这种耦合不是有意识的，它常造成不必要的干扰。我们称它为共有阻抗，因为它通常是接地系统的阻抗，而上述耦合则正是因跨接于其上而发生的。此接地系统为一回路的一部分，同时也为其他回路所共有。要记住，接地线或信号参考面的电位并非是零电位。接地系统阻抗越低，干扰电位就越低。

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干扰耦合

　　干扰耦合包括刚才讨论的公共阻抗耦合和由于电容效应和电感效应而引起的噪音耦合。因噪音电流通过地而产生电压差，从而产生大量的干扰。此电压可通过电容效应或电感效应与其他的接地线或信号线耦合。减少设备接地线的阻抗就可减少这种耦合效应。

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如何防止噪音环流

　　获得无干扰等电位参考面的第一步是将交流电源线路中的返回通道（中性线）只在一点与安全接地系统相连接。必须做到的二点是交流电源线路的返回电流不得流入信号参考地系统。由于消除了电流环路，这种与交流返回电流隔开的信号参考地系统可最大限度地减少公共阻抗耦合。

　　第二步是将电子设备尽可能通过多点与信号参考地相连接。这可为高频干扰提供多个并联的对地通路从而减少了电感效应。根据欧姆定律，电阻并联后其阻值减少。故并联通路越多，对地阻抗越小。这样做也有助于将接地之间的物理距离减少到我们所需要的1／10波长的距离或更小。和上述第一步相同。这样做也消除接地电流环路，因为设备多点所接的地都是实在的地。

　　既然不能将电源线、控制线和信号线合成一回线进入设备；在敷线和连接导线时同样也不要将设备接地线和各类被接地的线（其电位设计为零伏）合成一回线。应使进入接地系统的电流尽量小（此电流可经接地线流入其他设备）。也应使此电流进入接地系统后尽快流入大地（此电流不再流入其他设备）。为此一300 hp电动机接向大地的接地线应短于给可编程序控制器供电的15 kV A变压器接大地的接地线。应记住接地线的长度和宽度在接地中是至关重要的。

　　良好的接地平面可减少接地阻抗。可以想象用多根并联带形导体组成的接地平面能降低电感。对于射电频率信号的接地而言，导体面积大时效率高，因其电感小。阻抗随之也小。接地平面大到极限时为多块搭接的或对接的整块金属板（需要时可覆盖整个平面）。当然这常是不可能的。通常的做法是采用网格，它实质上是具有许多网孔的接地平面。当网孔尺寸小于所需频卒波长的1／10时，网格的效果接近一实体平板。为使此接地平面更为适用，应满足两个条件：

·所有接至网格的设备接地线的长度必须小于最高频率的1／10的波长；

·设备与接地平面的连接必须具有足够的并联通路，以降低设备与接地平面间的电位差。

王厚余译　　黄妙庆校