地线的定义和接地的目的

2023-06-19 理论教育版权反馈

【摘要】：90%的电磁兼容问题是由于布线和接地不当造成的，良好的布线和接地既能提高抗干扰度，又能够减小干扰发射。“接地”分为设备内部的信号接地和设备接地，两者概念不同，目的也不同。一个比较通用的定义是“接地是电流返回其源的低阻抗通道”。两台设备与地板之间是绝缘的，信号端子与机柜接地分别在一点接地。

接地属于线路设计的范畴，对系统电磁兼容EMC有着至关重要的意义。可以说，合理接地是最经济有效的电磁兼容设计技术。设计良好的地线系统并不会增加成本，在设计的一开始就考虑地线的布局是解决电磁干扰问题最廉价和有效的方法。90%的电磁兼容问题是由于布线和接地不当造成的，良好的布线和接地既能提高抗干扰度，又能够减小干扰发射。

接地技术最早应用在供电系统中，为了设备和人身的安全，将接地线直接接在大地上。由于大地的电容非常大，一般情况下可以将大地的电位视为零电位。后来，接地技术延伸应用到变频器调速系统中，对于变频调速系统，将接地线直接接在大地上或接在一个作为参考电位的导体上，当电流流过该参考电位时，不应产生电压降。然而由于不合理的接地，反而会引入电磁干扰，比如共地线干扰、地环路干扰等，从而导致变频器调速系统工作不正常。可见，接地技术是变频调速系统电磁兼容技术的重要内容之一。

1.地线的定义

在教科书上地线的定义是：地上是作为电路电位基准点的等电位体。这个定义是不符合实际情况的。实际地上的电位并不是恒定的。如果用仪表测量一下地线上各之间的电位，会发现地线上各点的电位可能相差很大。正是这些电位差才造成了磁通的工作异常。

地线是信号电流回流信号源低阻抗路径，既然地线是电流的一个路径，那么根据欧姆定律，地线上是有电压的；既然地线上是有电压，说明地线不是一个等电位体。这样，在设计系统时，关于地线电位一定的假设就不再成立，因此系统会出现各种错误。这就是地线干扰的实质。

大地是一个电阻非常低、电容量非常大的物体，拥有吸收无限电荷的能力，而且在吸收大量电荷后仍然保持电位不变，因此适合作为电气系统中的参考电位体。这种“地”是“电气地”，并不等于“物理地”，但却包含在“物理地”中。“电气地”的范围随着大地结构的组成和大地与带电体接触的情况而定。

接地可以理解为一个等电位点或等电位面，是电路或系统的基准电位，但不一定为大地电位。“接地”分为设备内部的信号接地和设备接地，两者概念不同，目的也不同。“地”的经典定义是“作为电路或系统基准的等电位点或平面”。设备的信号接地，可能是以设备中的一点或一块金属作为信号的接地参考点，它为设备中的所有信号提供了一个公共参考电位。在工程实践中，除认真考虑设备内部信号的接地外，通常还将设备的信号地、机壳与大地连在一起，以大地作为设备的接地参考点。

在现在接地概念中，对于线路工程师来说，接地通常是线路电压的参考点；对于系统的设计师来说，它常常是机柜或机架；对电气工程师来说，它是绿色安全地线或接到大地的意思。一个比较通用的定义是“接地是电流返回其源的低阻抗通道”。

2.接地的目的

接地是提高变频调速系统中电子电气设备电磁兼容的重要手段之一，正确的接地既能抑制外部电磁干扰的影响，又能防止变频调速系统中电子电气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，甚至会使变频调速系统中电子电气设备无法正常工作，在变频调速系统中，因为有多种控制检测装置分散布置在许多地方，所以它们各自接地往往会形成十分复杂的接地网络，接地不仅需要在系统设计时周密考虑，而且在安装调试时也要仔细检查和做适当的调整。接地目的有以下3个：

1）接地使整个系统中的所有单元电路都有一个公共的参考零电位，保证电路系统能稳定地工作。

2）防止外界电磁场的干扰。机柜接地可以使得由于静电感应而积累在机柜上的大量电荷通过大地泄放，否则这些电荷形成的高压可能引起设备内部的火花放电而造成干扰。另外，对于电路的屏蔽体，若选择合适的接地，也可获得良好的屏蔽效果，可以避免设备在外界电磁环境作用下使设备对大地的电位发生变化，造成设备工作的不稳定。

变频调速系统中电子电气设备的某些部位与大地相连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。

3）保证设备操作人员人身安全。当发生直接雷电的电磁感应时，接地可避免变频调速系统中的电气电子毁坏；当工频交流电源的输入电压因绝缘不良或其他原因直接与机柜相通时，可避免操作人员的触电事故发生。以保证人员与设备是安全为目的的接地称为“保护接地”，它必须可靠地接在大地电位上。一般来说，变频调速系统中电子电气设备的金属外壳、底盘、机座的接地都属于保护接地的范畴。

变频调速系统中各类电路电流的传输、信息转换要求有一个参考电位，这个电位还可以防止外界电磁场信号的侵入，常称这个电位为“逻辑地”。这个“地”不一定是“地理地”，可能是变频调速系统的金属机壳、底座、印制电路板上的地线或建筑物内的总接地端子、接地干线等。逻辑地可与大地接触，也可不接触，而“电气地”必须与大地接触。

虽然从抗雷电和静电放电及安全的角度出发，变频调速系统中的设备需要接大地，但是从电磁干扰的角度看，大地可能形成地环路，对信号造成干扰。变频调速系统中有将内部电路连接到金属机柜上的机柜地端子，也有为内部电路地线电流提供的低阻抗通路的信号地端子。在简单设备的场合，机柜地与信号地在内部连接起来，然后再接大地端。两台变频器机柜的接地如图11-4所示。两台设备与地板之间是绝缘的，信号端子与机柜接地分别在一点接地。这样，流过设备的噪声电流就不会流到信号地线上，因此不会造成电位基准面的变动；并且，由于各个信号端子分别接地，因此不会发生地线电流的相互干扰。

图11-4 变频器机柜接地实例

地线的定义和接地的目的

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