电路中接地分析

电路中接地分析

1 绪论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

接地技术的引入最初是为了防止电力或电子等设备遭雷击而采取的保护性措施，目的是把雷电产生的雷击电流通过避雷针引入到大地，从而起到保护建筑物的作用。同时，接地也是保护人身安全的一种有效手段，当某种原因引起的相线（如电线绝缘不良，线路老化等）和设备外壳碰触时，设备的外壳就会有危险电压产生，由此生成的故障电流就会流经PE线到大地，从而起到保护作用。随着电子通信和其它数字领域的发展，在接地系统中只考虑防雷和安全已远远不能满足要求了。比如在通信系统中，大量设备之间信号的互连要求各设备都要有一个基准‘地’作为信号的参考地。而且随着电子设备的复杂化，信号频率越来越高，因此，在接地设计中，信号之间的互扰等电磁兼容问题必须给予特别关注，否则，接地不当就会严重影响系统运行的可靠性和稳定性。最近，高速信号的信号回流技术中也引入了“地”的概念。

随着人们对安全用电的越来越重视，家庭电路接地就成了必不可少的环节，接地后，即将所有电气设备的外壳接地，当电气设备绝缘损坏或老化而使外壳带电时，能够保证接触设备外壳的人员的人身安全。另外发变电站接地装置通过降低接地电阻和采取均压措施来保证接触电压和跨步电压满足人身安全要求。接触电压是指故障时人体接触与接地装置相连的设备外壳或金属构件时人体所承受的手和脚之间的电位差，而跨步电压则是故障时人体两脚之间所承受的电位差。

1.2国内外技术现状及发展趋势

接地就是将电器设备的某些部位、电力系统的某点与大地相连，提供故障电流及雷电流的泄流通道，稳定电位，提供零电位参考点，以保证电子、电器设备的正常运行和人员的人身安全。接地从类别来看分为防雷接地、交流工作接地、安全保护接地、直流接地、屏蔽接地与防静电接地。防雷接地和其他接地(电气安全、防静电、工作

地)可能共地，也可能分地。从应用来说，接地具有更广泛的需求。常规接地技术主要是利用接地体几何尺寸，实现接地泄流、降低接地电阻的目的，大量使用角钢、扁钢等构筑地网。现在由于各行业新技术、新设备的广泛运用，对接地提出了更多新的要求，接地工程需求增大。接地技术厂家也为在该行业取得先期市场而积极提高自己的技术优势，多种优化接地技术、新型接地专利产品在市场上逐步兴起。在接地技术行业，地网材料从钢质—铜质的演变引发了行业对电化学腐蚀的关注，并推动了新型接地材料的问世。工程技术人员在全面综合接地网的泄流耗散能力、地网结构、寿命和稳定性的基础上构建科学、安全、稳定、持久的整体等电位接地系统。新型接地材料的适用性更加广泛，为接地工程的设计和实施提供了更多的选择，比如：考虑低电阻的铜包钢接地极、离子接地极;考虑地网结构和稳定的放热焊接技术及产品;考虑综合性价比的复合接地模块;考虑使用寿命的带阴极保护的锌包钢接地极、锌包钢离子接地极等。由于大量新型接地材料和新技术方案的采用，我国高土壤电阻率条件下的接地技术得到迅速发展。

目前，国内各行业针对自身情况已制订或正在制定比较细致的接地行业标准，国内接地技术规范逐步趋向于与国际技术规范接轨，部分等同采用国际规范。

1.3主要研究内容、研究方法及思路

1) 接地线-----电气装置、设施的接地端子与接地极连接用的金属导电部分。但凡用电，就得有电位差（譬如，没有220v的电位差，就不可能有我们的日常用电），可若电位差因故障出现在不该出现的地方，则会导致危险甚至致命的事故（譬如电热水器漏电导致电位差转移至人体上，则会造成致命的后果，事实上这样的事故年年都有报道）。然而，故障却是无法避免的，无论电气工程师作多大的努力，都无法绝对避免，为此，必须有合理的接地系统以最快的方式消除这些可能产生的故障电流，为此，就得实现最低的接地电阻值。

(2) 保护接地-----电气装置的金属外壳、配电装置的构架和线路杆塔等，由于绝缘损坏有可能带电，为防止其危及人身和设备的安全而设的接地。

（3）接地的作用主要是防止人身遭受电击、设备和线路遭受损坏、预防火灾和

防止雷击、防止静电损害和保障电力系统正常运行。接地保护是在确保人身和设备最大安全的情况下，使故障电流流回电源，只要条件允许，任何系统均应有保护接地，接地电阻值越低越好。

2 电路设计中的接地分析

2.1 地的分类

工程师在设计电路时，为防止各种电路在电路正常工作中产生互相干扰，使之能相互兼容地有效工作。根据电路的性质，将电路中“零电位”———“地”分为不同的种类，比如按交直流分为直流地、交流地，按参考信号分为数字地（逻辑地）、模拟地，按功率分为信号地、功率地、电源地等，按与大地的连接方式分为系统地、机壳地（屏蔽地）、浮地。不同的接地方式在电路中应用、设计和考虑也不相同，应根据具体电路分别进行设置。

1、信号地

信号地（SG）是各种物理量的传感器和信号源零电位以及电路中信号的公共基准地线（相对零电位）。此处信号一般指模拟信号或者能量较弱的数字信号，易受电源波动或者外界因素的干扰，导致信号的信噪比（SNR）下降。特别是模拟信号，信号地的漂移，会导致信噪比下降；信号的测量值产生误差或者错误，可能导致系统设计的失败。因此对信号地的要求较高，也需要在系统中特殊处理，避免和大功率的电源地、数字地以及易产生干扰地线直接连接。尤其是微小信号的测量，信号地通常需要采取隔离技术。

2、模拟地

模拟地（AG）是系统中模拟电路零电位的公共基准地线。由于模拟电路既承担小信号的处理，又承担大信号的功率处理；既有低频的处理，又有高频处理；模拟量从能量、频率、时间等都很大的差别，因此模拟电路既易接受干扰，又可能产生干扰。所以对模拟地的接地点选择和接地线的敷设更要充分考虑。减小地线的导线电阻，将电路中的模拟和数字部分开，在PCB布线的时候，模拟地和数字地应尽量分开，最后通过电感滤波和隔离，汇接到一起。如图1所示。

模拟地和数字地

3、数字地

数字地（DG）是系统中数字电路零电位的公共基准地线。由于数字电路工作在脉冲状态，特别是脉冲的前后沿较陡或频率较高时，会在电源系统中产生比较大的毛刺，易对模拟电路产生干扰。所以对数字地的接地点选择和接地线的敷设也要充分考虑。尽量将电路中的模拟和数字部分分开，在PCB布线的时候，模拟地和数字地应尽量分开，最后通过电感，汇接到一起。

4、悬浮地

悬浮地（FG）是系统中部分电路的地与整个系统的地不直接连接，而是通过变压器耦合或者直接不连接，处于悬浮状态。该部分电路的电平是相对于自己“地”的电位。常用在小信号的提取系统或者强电和弱点混合系统中。

其优点是该电路不受系统中电气和干扰的影响；缺点是该电路易受寄生电容的影响，而使该电路的地电位变动和增加对模拟电路的感应干扰。由于该电路的地与系统地没有连接，易产生静电积累而导致静电放电，可能造成静电击穿或强烈的干扰c 因此，悬浮地的效果不仅取决于悬浮地绝缘电阻的大小，而且取决于悬浮地寄生电容的大小和信号的频率。