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1、第九讲 接地的概念及导体阻抗的频率特性,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,接地技术是任何电子、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措施。地线是用电设备中各电路的公共导线，但任何导线都具有一定的阻抗，一般包括电阻和电抗，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，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
2、重点内容。,接地的概念 所谓“地”(Ground)，一般定义为电路或系统的零电位参考点，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(建筑地面)，可以是设备的外壳或其它金属板或金属线。 接地原意指与真正的大地(Earth)连接以提供雷击放电的通路(例如，避雷针一端埋入大地)，后来成为为用电设备提供漏电保护(提供放电通路)的技术措施。 现在接地的含义已经延伸，“接地”(Grounding)一般指为了使电路、设备或系统与“地”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(组)件，而另一点则是称之为“地”
3、的参考点。例如，当所说的系统组件是设备中的一个电路时，则参考点就是设备的外壳或接地平面。,接地及其分类,接地的要求 (1)理想的接地应使流经地线的各个电路、设备的电流互不影响，即不使其形成地电流环路,避免使电路、设备受磁场和地电位差的影响。 (2)理想的接地导体(导线或导电平面)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，即各接地点之间没有电位差，或者说各接地点间的电压与电路中任何功能部分的电位比较均可忽略不计。 (3)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。 (4)良好的接地平面与布线间将有大的分布电容，而接地平面本身的引线电感将很小。理论上
4、，它必须能吸收所有信号，使设备稳定地工作。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，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面,应由整块铜板或者铜网组成。,接地及其分类,接地的分类 通常，电路、用电设备按其作用可分类为安全接地(Safety Grounds)和信号接地(Signal Grounds)。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,表1 接地的分类,9.2 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，任何高压电气设备、电
5、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坏造成漏电打火使机壳带电,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1所示。设U1为用电设备中电路的电压，Z1为电路与机壳(Chassis)之间的杂散阻抗(Stray Impedances)，Z2为机壳与地之间的杂散阻抗，U2为机壳与地之间的电压。机壳对地的电压U2是由机壳对地
6、的阻抗Z2分压造成的。,设备安全接地 当机壳与地绝缘(Z2)，即Z2Z1时，则U2U1。如果U2足够大(例如超过36 V)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Z20，从而使U20。,安全接地,图1 设备机壳接地的作用,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电阻Zb。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40100 k；人体处于出汗、潮湿状态时，人体电阻降至1000左右。但是，流经人体的安全电流值，对于交流电流为1520 mA，对于直流电流为50 mA。当流经人体的电流高达100 mA时，就可能导致
7、死亡发生。因此，我们国家规定的人体安全电压为36 V和12 V。一般家用电器的安全电压为36 V，以保证触电时流经人体的电流值小于40mA。为了保证人体安全，应该将机壳接地。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为原先的1/200 1/100。,安全接地,接零保护接地 用电设备通常采用220V(单相三线制)或者380 V(二相四线制)电源提供电力，如图2所示。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。,安全接地,图2 接零保
8、护,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。 接零保护：室内交流配线采用如图2(a)接法。图中“火线”上接有保险丝，负载电流经“火线”至负载再经“零线”返回，还有一根线是安全“地线”。该地线与设备机壳相连并与“零线”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
9、有发生故障，即绝缘被击穿时，安全地线上才会有电流。但该电流是瞬时的，因为保险丝或电流断路器在发生故障时会立即将电路切断。,安全接地,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，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，以避免影响用电设备的正常工作。 安全接地的有效性 安全接地的质量好坏，关系到人身安全和设施安全，因此，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低阻抗的电流通路，因此，接地电阻的阻值越小越好。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，接地电阻应小于10。针对不同的接
10、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般应小于10；1000 V以上的电力线路要求小于0.5的接地电阻；防雷接地一般要求接地电阻为1025；建筑物单独装设的避雷针的接地电阻要求小于25。接地电阻属于分布电阻。,安全接地,安全接地的有效性 通常，接地电阻由接地导线的电阻、接地体的电阻和大地的杂散电阻三部分组成,其中大地杂散电阻起主要作用。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、
11、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，可以采用保持水分、化学盐化和化学凝胶三种方法来有效地降低土壤的电阻率，以减小接地电阻。,安全接地,安全接地的有效性 接地装置也称为接地体，常见有接地桩、接地网和地下水管等。通常把接地体分类为自然接地体和人工接地体两大类型。 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，往往比专门设计的接地体的性能更好。同时，自然接
12、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1000 V以下的系统，一般都采用自然接地体。,安全接地,安全接地的有效性 对于大电流接地系统，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，因此不宜作为接地体。人工接地体是人工埋入地下的金属导体，常见的
13、形式有垂直埋入地下的钢管、角钢和水平放置的圆钢、扁钢，还有环形、圆板形和方板形的金属导体。,安全接地,9.3 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。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，分析导线阻抗的频率特性，有益于设计、实施接地或搭接。 直流电阻与交流电阻关系的广义描述 导线的直流电阻为 式中：为导体的电阻率(/m)；l为导体的长度(m)；S为导体横截面面积(m2)。 圆导线和扁平导体条的直流电阻分
14、别为,(9-1),直流电阻与交流电阻关系的广义描述 由于集肤效应(Skin Effect)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(a)交流电阻为,导体阻抗的频率特性,(9-2),(9-3),图3 接零保护,(9-4),直流电阻与交流电阻关系的广义描述 式中， 为集肤深度(Skin Depth)。 扁平导体条的高频交流电阻为 式中，K是宽度与厚度之比的函数。仔细分析式(9-5)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4表示半径为0.6 mm、长为1 m的铜导线的高频交流电阻与直流电阻比对频率
15、的依赖关系。经计算知，其直流电阻为15.25 m；频率为1 MHz时，高频交流电阻为115.34 。,导体阻抗的频率特性,(9-5),(9-6),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,图4 相对电阻与频率的关系,导体电感 圆导线的直流内电感和高频交流内电感分别为 和 圆导线的外电感(la,a)为 仍然以半径为0.6 mm，长为1 m，工作频率为1 MHz的铜导线为例，计算获得其直流内电感为50 nH；高频交流内电感为11 nH，对应感抗为69.2 m；外电感为1.4 mH,对应感抗为8.94。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。
16、,导体阻抗的频率特性,(9-7),(9-8),(9-9),导体电感 扁平导体条的外电感可以表示为 仍然以半径为依据式(9-10)绘制的曲线如图5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,(9-10),图5 扁平导体条的宽度、厚度与电感,导体电感 计算表明，工作频率为1 MHz的导体条的直流电阻为0.575，电感为5.74，而感抗达36.1，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。图6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。,导体阻抗的频率特性,图6 横截面的几何形状与电感的关系,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或小于51。从基本概念考虑，应尽可能降低搭接条的射频阻抗，因此，必须尽量降低搭接条的电感。选择搭接条的不同几何尺寸，采用表达式(6-11)计算不同几何尺寸搭接条的电感如图7所示，可见要降低搭接条的电感，长度与宽度比越小越好。,导体阻抗的频率特性,图7 搭接条长度与宽度比对电感量的影响,