接地技術的應用
閱讀：2646發布時間：2011-7-8
1：為什么要接地?
Answer：接地技術的引入zui初是為了防止電力或電子等設備遭雷擊而采取的保護性措施，目的是把雷電產生的雷擊電流通過避雷針引入到大地，從而起到保護建筑物的作用。同時，接地也是保護人身安全的一種有效手段，當某種原因引起的相線（如電線絕緣不良，線路老化等）和設備外殼碰觸時，設備的外殼就會有危險電壓產生，由此生成的故障電流就會流經PE線到大地，從而起到保護作用。隨著電子通信和其它數字領域的發展，在接地系統中只考慮防雷和安全已遠遠不能滿足要求了。
2：接地的定義
Answer:在現代接地概念中、對于線路工程師來說，該術語的含義通常是‘線路電壓的參考點’；對于系統設計師來說，它常常是機柜或機架；對電氣工程師來說，它是綠色安全地線或接到大地的意思。一個比較通用的定義是“接地是電流返回其源的低阻抗通道”。注意要求是”低阻抗”和“通路”。
3：常見的接地符號
Answer:PE,PGND,FG－保護地或機殼；BGND或DC-RETURN－直流－48V（+24V）電源（電池）回流；GND－工作地；DGND－數字地；AGND－模擬地；LGND－防雷保護地
4：合適的接地方式
Answer:接地有多種方式，有單點接地，多點接地以及混合類型的接地。而單點接地又分為串聯單點接地和并聯單點接地。一般來說，單點接地用于簡單電路，不同功能模塊之間接地區分，以及低頻（f<1MHz）電子線路。當設計高頻（f>10MHz）電路時就要采用多點接地了或者多層板（完整的地平面層）。
5：信號回流和跨分割的介紹
Answer：對于一個電子信號來說，它需要尋找一條zui低阻抗的電流回流到地的途徑，所以如何處理這個信號回流就變得非常的關鍵。
*，根據公式可以知道，輻射強度是和回路面積成正比的，就是說回流需要走的路徑越長，形成的環越大，它對外輻射的干擾也越大，所以，PCB布板的時候要盡可能減小電源回路和信號回路面積。
第二，對于一個高速信號來說，提供有好的信號回流可以保證它的信號質量，這是因為PCB上傳輸線的特性阻抗一般是以地層（或電源層）為參考來計算的，如果高速線附近有連續的地平面，這樣這條線的阻抗就能保持連續，如果有段線附近沒有了地參考，這樣阻抗就會發生變化，不連續的阻抗從而會影響到信號的完整性。所以，布線的時候要把高速線分配到靠近地平面的層，或者高速線旁邊并行走一兩條地線，起到屏蔽和就近提供回流的功能。
第三，為什么說布線的時候盡量不要跨電源分割，這也是因為信號跨越了不同電源層后，它的回流途徑就會很長了，容易受到干擾。當然，不是嚴格要求不能跨越電源分割，對于低速的信號是可以的，因為產生的干擾相比信號可以不予關心。對于高速信號就要認真檢查，盡量不要跨越，可以通過調整電源部分的走線。（這是針對多層板多個電源供應情況說的）
6：為什么要將模擬地和數字地分開，如何分開?
Answer：模擬信號和數字信號都要回流到地，因為數字信號變化速度快，從而在數字地上引起的噪聲就會很大，而模擬信號是需要一個干凈的地參考工作的。如果模擬地和數字地混在一起，噪聲就會影響到模擬信號。
一般來說，模擬地和數字地要分開處理，然后通過細的走線連在一起，或者單點接在一起。總的思想是盡量阻隔數字地上的噪聲竄到模擬地上。當然這也不是非常嚴格的要求模擬地和數字地必須分開，如果模擬部分附近的數字地還是很干凈的話可以合在一起。
7：單板上的信號如何接地?
Answer：對于一般器件來說，就近接地是的，采用了擁有完整地平面的多層板設計后，對于一般信號的接地就非常容易了，基本原則是保證走線的連續性，減少過孔數量；靠近地平面或者電源平面，等等。
8：單板的接口器件如何接地?
Answer：有些單板會有對外的輸入輸出接口，比如串口連接器，網口RJ45連接器等等，如果對它們的接地設計得不好也會影響到正常工作，例如網口互連有誤碼，丟包等，并且會成為對外的電磁干擾源，把板內的噪聲向外發送。一般來說會單獨分割出一塊獨立的接口地，與信號地的連接采用細的走線連接，可以串上0歐姆或者小阻值的電阻。細的走線可以用來阻隔信號地上噪音過到接口地上來。同樣的，對接口地和接口電源的濾波也要認真考慮。
9：帶屏蔽層的電纜線的屏蔽層如何接地?
Answer：屏蔽電纜的屏蔽層都要接到單板的接口地上而不是信號地上，這是因為信號地上有各種的噪聲，如果屏蔽層接到了信號地上，噪聲電壓會驅動共模電流沿屏蔽層向外干擾，所以設計不好的電纜線一般都是電磁干擾的zui大噪聲輸出源。當然前提是接口地也要非常的干凈。
抗干擾接地處理的主要內容：（1）避開地環電流的干擾；（2）降低公共地線阻抗的耦合干擾。
“一點接地”有效地避開了地環電流；而在“一點接地”前提下，并聯接地則是降低公共地線阻抗的耦合干擾的有效措施；它們是工業控制系統采用的zui基本的接地方法。
工業控制系統接地的含義不一定就是接大地。例如直流接地只是定義電路或系統的基準電位。它可以懸浮，但要求與大地嚴格絕緣。通常，其絕緣電阻要達到50MΩ以上。直流地懸浮隔離了交流地網的干擾，經濟簡便，工程中經常使用。直流地懸浮的缺點是機器容易帶靜電，如果該靜電電位過高，會損壞器件，擊傷操作人員等等；而且，如果這時直流地與大地的絕緣電阻減小，可能會產生很多原先沒有想到的干擾。直流地接大地，按照國家標準，要埋設一個不大于４Ω的獨立接地體。但無論直流地懸浮或者接大地，直流地與大地之間的電位都存在著間接或者直接的關系。工業控制機所操作的各種輸入輸出信號之間接地是否合理，不只是形成相互耦合干擾的問題，有時還危及計算機系統的安全。在實際的工業控制系統中，各種通道的信號頻率大多在１MHz內，屬于低頻范圍。因此，談談低頻范圍的接地。
1.串聯接地
在串聯接地方式中，各電路各有一個電流i1、i2、i3等流向接地點。由于地線存在電阻，因此，每個串聯接點的電位不再是零，于是各個電路間相互發生干擾。尤其是強信號電路將嚴重干擾弱信號電路。如果必須要這樣使用，應當盡力減小公共地線的阻抗，使其能達到系統的抗干擾容限要求。串聯的次序是：zui怕干擾的電路的地應zui接近公共地，而zui不怕干擾的電路的地可以稍遠離公共地。
2.并聯接地
并聯接地方式：在工業控制機中的模擬通道和數字通道采用并聯接地。并聯接地中各個電路的地電位只與其自身的地線阻抗和地電流有關，互相之間不會造成耦合干擾。因此，有效地克服了公共地線阻抗的耦合干擾問題，工業控制機應當盡量采用并聯接地方式。值得注意的是，雖然采用了并聯接地方式，但是地線仍然要粗一些，以使各個電路部件之間的地電位差盡量減小。這樣，當各個部件之間有信號傳送時，地線環流干擾將減小。
工業現場的干擾來源是多渠道的，針對不同的項目和不同的現場，應該有不同的處理方法。屏蔽和接地是由工控系統操作的一項技術內容。能否正確設計和利用它們，不僅關系到系統安全穩定地運行、良好地抑制干擾，而且是工控項目是否成熟的重要標志。
工控系統的屏蔽處理
工業現場動力線路密布，設備啟停運轉繁忙，因此存在嚴重的電場和磁場干擾。而工業控制系統又有幾十乃至幾百個甚至更多的輸入輸出通道分布在其中，導線之間形成相互耦合是通道干擾的主要原因之一。它們主要表現為電容性耦合、電感性耦合、電磁場輻射三種形式。在工業控制系統中，由前兩種耦合造成的干擾是主要的，第三種是次要的。它們對電路主要造成共模形式的干擾。
*，地球是一個靜電容量很大的導體，其電位非常恒定。如果把一個導體與大地緊密連接，那么該導體的電位也是恒定的。我們把它的電位叫作零電位，它是電位的參考點。然而，工程上不可能做到這種緊密連接，總是存在一定的接地電阻。當有電流經該導體入地時，它的電位就有波動。于是，不同的接地點之間會有電位差。當我們用一根導線連接不同的接地點時，在導線中就可能有電流流動，這稱為地環電流。接地抗干擾技術就是解決以地環電流為中心的一系列技術問題。
1.電場耦合的屏蔽和抑制技術
克服電場耦合干擾zui有效的方法是屏蔽。因為放置在空心導體或者金屬網內的物體不受外電場的影響。請注意，屏蔽電場耦合干擾時，導線的屏蔽層不要兩端連接當地線使用。因在有地環電流時，這將在屏蔽層形成磁場，干擾被屏蔽的導線。正確的作法是把屏蔽層單點接地，一般選擇它的任一端頭接地。造成電場耦合干擾的原因是兩根導線之間的分布電容產生的耦合。當兩導線形成電場耦合干擾時，導線１在導線２上產生的對地干擾電壓VN為：V1和ω是干擾源導線1的電壓和角頻率；R和C2G是被干擾導線2的對地負載電阻和總電容；C12是導線1和導線2之間的分布電容。從式（2）可以看出，在干擾源的角頻率ω不變時，要想降低導線2上的被干擾電壓VN，應當減小導線1的電壓V1，減小兩導線之間的分布電容C12，減小導線2對地負載電阻R以及增大導線2對地的總電容C2G。在這些措施中，可操作性的是減小兩導線之間的分布電容C12。即采用遠離技術：弱信號線要遠離強信號線敷設，尤其是遠離動力線路。工程上的“遠離”概念，通常取干擾導線直徑的40倍，即認為足夠了。同時，避免平行走線也可以減小C12。
2.磁場耦合的抑制技術
抑制磁場耦合干擾的好辦法應該是屏蔽干擾源。大電機、電抗器、磁力開關和大電流載流導線等等都是很強的磁場干擾源。但把它們都用導磁材料屏蔽起來，在工程上是很難做到的。通常是采用一些被動的抑制技術。當回路1對回路2造成磁場耦合干擾時，其在回路2上形成的串聯干擾電壓VN為：
VN=jωBAcosθ（3），式中，ω是干擾信號的角頻率；B是干擾源回路1形成的磁場鏈接至回路2處的磁通密度；A為回路2感受磁場感應的閉合面積，θ是和兩個矢量的夾角。可以看出，在干擾源的角頻率ω不變時，要想降低干擾電壓VN，首先應當減小B。對于直線電流磁場來說，B與回路1流過的電流成正比，而與兩導線的距離成反比。因此，要有效抑制磁場耦合干擾，仍然是遠離技術。同時，也要避免平行走線。
3.屏蔽線的使用
屏蔽線的接地有三種情況，即：單端接地方式、兩端接地方式、屏蔽層懸浮。（1）單端接地方式：假設信號電流i1從芯線流入屏蔽線，流過負載電阻RL之后，再通過屏蔽層返回信號源。因為i1與i2大小相等方向相反，所以它們產生的磁場干擾相互抵消。這是一個很好的抑制磁場干擾的措施。同時它也是一個很好的抵制磁場耦合干擾的措施。（2）兩端接地方式：由于屏蔽層上流過的電流是i2與地環電流iG的迭加，所以它不能*抵消信號電流所產生的磁場干擾。因此，它抑制磁場耦合干擾的能力也比單端接地方式差。單端接地方式與兩端接地方式都有屏蔽電場耦合干擾作用。（3）屏蔽層懸浮：只有屏蔽電場耦合*力，而無抑制磁場耦合*力。
4.雙絞線的使用
如果雙絞線的絞扭一致的話，那么這些小回路的面積相等而法方向相反，因此，其磁場干擾可以相互抵消。雙絞線的結構對電場耦合干擾的抑制毫無能力。當給雙絞線加上屏蔽層后，一個價廉物美的傳輸線就誕生了。根據國外專家的實驗測定，屏蔽層接地方法不同對磁場干擾的抑制dB數也不同。（1）單端接地方式，對磁場干擾具有高達55dB的衰減能力。可見，雙絞線確實有很好的效果。（2）兩端接地方式，地線阻抗與信號線阻抗不對稱，地環電流造成了雙絞線電流不平衡，因此降低了雙絞線抗磁場干擾的能力，只有13dB的磁場干擾衰減能力。（3）使用屏蔽雙絞線，其屏蔽層一端接地，另一端懸空，因此屏蔽層上沒有返回信號電流，所以它的屏蔽層只有抗電場*力，而無抑制磁場耦合*力。與單端接地方式一樣衰減55dB。（4）屏蔽層單端接地，而另一端又與負載冷端相連，因此它具有兩端接地方式的效果，但它的屏蔽層上的電流由于被雙絞線中的一根分流，又比兩端接地方式稍差。具有77dB的衰減。（5）屏蔽層雙端接地，具有一定的抑制磁場耦合*力，加上雙絞線本身的作用，因此具有63dB的衰減。（6）屏蔽層和雙絞線都兩端接地，其效果具有28dB衰減。
雙絞線的應用是作平衡式傳輸線路。因為兩條線的阻抗一樣，自身產生的磁場干擾或外部磁場干擾都可以較好的抵消。同時，平衡式傳輸又*很強的抗共模*力，因此成為大多數計算機網絡的傳輸線。例如，物理層采用RS422A或RS485通信接口，就是很好的平衡傳輸模式。
一、接地和接零的類型
電力系統和電氣設備的接地和接零，按其不同的作用分為工作接地、保護接地、重復接地和接零。為防止雷電的危害所作的接地稱為過電壓保護接地；為防止管道腐蝕的接地采用電法保護接地；還有靜電接地和隔離接地等。
1、工作接地
在正常或事故情況下，為保證電氣設備可靠地運行，必須在電力系統中某點（如發電機或變壓器的中性點，防止過電壓的避雷器之某點）直接或經特殊裝置如消弧線圈、電抗、電阻、擊穿熔斷器與地作金屬連接,如圖1所示。
圖1工作接低、重復接地、接零示意圖
2、保護接地
電氣設備的金屬外殼，由于絕緣損壞有可能帶電，為防止這種電壓危及人身安全的接地，稱為保護接地，如圖2所示，這種接地，一般在中性點不接地系統中采用。
圖2保護接地示意圖
3、重復接地
將零線上的一點或多點與地再次作金屬的連接，稱為重復接地，如1所示。
4、接零
與變壓器和發電機中性點連接的中性線，或直流回路中的接地中線相連，稱為接零，如圖1所示。
5、過電壓保護接地
過電壓保護裝置或設備的金屬結構，為消除過電壓危險影響的接地，稱為過電壓保護接地。
6、防靜電接地
防止可能產生或聚集靜電荷，對設備、管道和容器等所進行的接地，稱為防靜電接地。
7、隔離接地
把電器設備用金屬機殼封閉，防止外來信號干擾，或把干擾源屏蔽，使它不影響屏蔽體外的其它設備的金屬屏蔽接地，稱為隔離接地。
8、電法保護接地
為保護管道不受腐蝕，采用陰極保護或犧牲陽極保護等到的接地,稱為電法保護接地。
二、接地和接零的作用
1、工作接地的作用
在工作和事故情況下，保證電氣設備可靠地運行，降低人體的接觸電壓，迅速切斷故障設備，降低電氣設備和電線路的絕緣水平。
2、保護接地的作用
如果電氣設備沒有接地，當電氣設備某處絕緣損壞時，外殼將帶電，同時由于線路與大地間存在電容，人體觸及此絕緣損壞的電氣設備外殼，則電流流經人體形成通路，將遭受觸電危險。設有接地裝置后，接地短路電流將同時沿著接地體的人體兩條通路流過，接地體電阻愈小，流經人體的電流將幾乎等于零，使人體避免觸電的危險。
3、重復接地的作用
當系統中發生碰殼或接地短路時，可以降低零線的對地電壓；當零線發生斷裂時，可以使故障程度減輕。
4、接零的作用
在中性點直接接地的1千伏以下的系統中，必須采用接零保護，將電氣設備的外殼直接接到系統的零線上，如發生碰殼短路時，即形成單相短路，使保護設備能可靠地迅速動作，以斷開故障設備，使人體避免觸電的危險。
5、過電壓保護接地的作用
對于直擊雷，避雷裝置（包括過電壓保護接地裝置在內）促使雷云正電荷和地面感應負電荷中和，以防止雷擊的產生，對于靜感應雷，感應產生的靜電荷，其作用是迅速地把它們導入地中，以避免產生火花放電或局部發熱造成易燃或易爆物品燃燒爆炸的危險。
6、防靜電接地的作用
設備移動或物體在管道中流動，因磨擦產生靜電，它聚集在管道，容器和貯灌或加工設備上，形成很高電位，對人身安全及對設備和建筑物都有危險。作為靜電接低，靜電一旦產生,就導入地中,以消除其聚集的可能。
7、隔離接地的作用
把干擾源產生的電場限制在金屬屏蔽的內部，使外界免受金屬屏蔽內于擾源的影響。也可以把防止于擾的電器設備用金屬屏蔽接地，任何外來干擾源所產生的電場不能穿進機殼內部，使屏蔽內的設備，不受外界干擾源的影響。
8、電法保護接地
輸送介質的長距離管道，為防止各種腐蝕因素的危害，確保管道投產后長期安全運轉,通常全線路采用以外電源陰極保護為主，犧牲陽極保護為輔的電法保護，作為管道防腐的第二道防線。
三、注意事項
（1）保護接地適用于不接地（對地絕緣）電網；保護接零適用于低壓中性點直接接地，電壓為380/220V的三相四線制電網。兩者不能互換。
（2）中性點接地系統中，不允許個別設備接地而不拉零。當接地設備發生漏電時，其它接零設備會出現危險電壓，并且零線不應該裝設開關或熔斷器
