電磁兼容中的接地技術(shù),包括接地的種類和目的、接地方式、接地電阻的計算以及設(shè)備和系統(tǒng)的接地等。其主要目的在于提高電力電子設(shè)備的電磁兼容能力 1. 接地技術(shù)zui早是應(yīng)用在強電系統(tǒng)(電力系統(tǒng)、輸變電設(shè)備、電氣設(shè)備)中,為了設(shè)備和人身的安全,將接地線直接接在大地上。由于大地的電容非常大,一般情況下可以將大地的電位視為零電位。后來,接地技術(shù)延伸應(yīng)用到弱電系統(tǒng)中。對于電力電子設(shè)備將接地線直接接在大地上或者接在一個作為參考電位的導(dǎo)體上,當電流通過該參考電位時,不應(yīng)產(chǎn)生電壓降。然而由于不合理的接地,反而會引入了電磁干擾,比如共地線干擾、地環(huán)路干擾等,從而導(dǎo)致電力電子設(shè)備工作不正常。可見,接地技術(shù)是電力電子設(shè)備電磁兼容技術(shù)的重要內(nèi)容之一, 接地的種類和目的 電力電子設(shè)備一般是為以下幾種目的而接地: 2.1 安全接地 安全接地即將機殼接大地。一是防止機殼上積累電荷,產(chǎn)生靜電放電而危及設(shè)備和人身安全;二是當設(shè)備的絕緣損壞而使機殼帶電時,促使電源的保護動作而切斷電源,以便保護工作人員的安全。 2.2 防雷接地 當電力電子設(shè)備遇雷擊時,不論是直接雷擊還是感應(yīng)雷擊,電力電子設(shè)備都將受到極大傷害。為防止雷擊而設(shè)置避雷針,以防雷擊時危及設(shè)備和人身安全。 上述兩種接地主要為安全考慮,均要直接接在大地上。 2.3 工作接地 工作接地是為電路正常工作而提供的一個基準電位。該基準電位可以設(shè)為電路系統(tǒng)中的某一點、某一段或某一塊等。當該基準電位不與大地連接時,視為相對的零電位。這種相對的零電位會隨著外界電磁場的變化而變化,從而導(dǎo)致電路系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定。當該基準電位與大地連接時,基準電位視為大地的零電位,而不會隨著外界電磁場的變化而變化。但是不正確的工作接地反而會增加干擾。比如共地線干擾、地環(huán)路干擾等。 為防止各種電路在工作中產(chǎn)生互相干擾,使之能相互兼容地工作。根據(jù)電路的性質(zhì),將工作接地分為不同的種類,比如直流地、交流地、數(shù)字地、模擬地、信號地、功率地、電源地等。上述不同的接地應(yīng)當分別設(shè)置。 2.3.1 信號地 信號地是各種物理量的傳感器和信號源零電位的公共基準地線。由于信號一般都較弱,易受干擾,因此對信號地的要求較高。 2.3.2 模擬地 模擬地是模擬電路零電位的公共基準地線。由于模擬電路既承擔小信號的放大,又承擔大信號的功率放大;既有低頻的放大,又有高頻放大;因此模擬電路既易接受干擾,又可能產(chǎn)生干擾。所以對模擬地的接地點選擇和接地線的敷設(shè)更要充分考慮。 2.3.3 數(shù)字地 數(shù)字地是數(shù)字電路零電位的公共基準地線。由于數(shù)字電路工作在脈沖狀態(tài),特別是脈沖的前后沿較陡或頻率較高時,易對模擬電路產(chǎn)生干擾。所以對數(shù)字地的接地點選擇和接地線的敷設(shè)也要充分考慮。 2.3.4 電源地 電源地是電源零電位的公共基準地線。由于電源往往同時供電給系統(tǒng)中的各個單元,而各個單元要求的供電性質(zhì)和參數(shù)可能有很大差別,因此既要保證電源穩(wěn)定可靠的工作,又要保證其它單元穩(wěn)定可靠的工作。 2.3.5 功率地 功率地是負載電路或功率驅(qū)動電路的零電位的公共基準地線。由于負載電路或功率驅(qū)動電路的電流較強、電壓較高,所以功率地線上的干擾較大。因此功率地必須與其它弱電地分別設(shè)置,以保證整個系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作。 2.4 屏蔽接地 屏蔽與接地應(yīng)當配合使用,才能起到屏蔽的效果。 比如靜電屏蔽。當用完整的金屬屏蔽體將帶正電導(dǎo)體包圍起來,在屏蔽體的內(nèi)側(cè)將感應(yīng)出與帶電導(dǎo)體等量的負電荷,外側(cè)出現(xiàn)與帶電導(dǎo)體等量的正電荷,因此外側(cè)仍有電場存在。如果將金屬屏蔽體接地,外側(cè)的正電荷將流入大地,外側(cè)將不會有電場存在,即帶正電導(dǎo)體的電場被屏蔽在金屬屏蔽體內(nèi)。 再比如交變電場屏蔽。為降低交變電場對敏感電路的耦合干擾電壓,可以在干擾源和敏感電路之間設(shè)置導(dǎo)電性好的金屬屏蔽體,并將金屬屏蔽體接。只要設(shè)法使金屬屏蔽體良好接地,就能使交變電場對敏感電路的耦合干擾電壓變得很小。 上述兩種接地主要為電磁兼容性考慮。 3 接地方式 工作接地按工作頻率而采用以下幾種接地方式: 3.1 單點接地 工作頻率低(<1MHz)的采用單點接地式(即把整個電路系統(tǒng)中的一個結(jié)構(gòu)點看作接地參考點,所有對地連接都接到這一點上,并設(shè)置一個安全接地螺栓),以防兩點接地產(chǎn)生共地阻抗的電路性耦合。多個電路的單點接地方式又分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種,由于串聯(lián)接地產(chǎn)生共地阻抗的電路性耦合,所以低頻電路采用并聯(lián)的單點接地式。 為防止工頻和其它雜散電流在信號地線上產(chǎn)生干擾,信號地線應(yīng)與功率地線和機殼地線相絕緣。且只在功率地、機殼地和接往大地的接地線的安全接地螺栓上相連(浮地式除外)。 地線的長度與截面的關(guān)系為: S>0.83L (1) 式中:L——地線的長度,m; S——地線的截面,mm2。 3.2 多點接地 工作頻率高(>30MHz)的采用多點接地式(即在該電路系統(tǒng)中,用一塊接地平板代替電路中每部分各自的地回路)。因為接地引線的感抗與頻率和長度成正比,工作頻率高時將增加共地阻抗,從而將增大共地阻抗產(chǎn)生的電磁干擾,所以要求地線的長度盡量短。采用多點接地時,盡量找zui接近的低阻值接地面接地。 3.3 混合接地 工作頻率介于1~30MHz的電路采用混合接地式。當接地線的長度小于工作信號波長的1/20時,采用單點接地式,否則采用多點接地式。 3.4 浮地 浮地式即該電路的地與大地無導(dǎo)體連接。其優(yōu)點是該電路不受大地電性能的影響;其缺點是該電路易受寄生電容的影響,而使該電路的地電位變動和增加了對模擬電路的感應(yīng)干擾;由于該電路的地與大地無導(dǎo)體連接,易產(chǎn)生靜電積累而導(dǎo)致靜電放電,可能造成靜電擊穿或強烈的干擾。因此,浮地的效果不僅取決于浮地的絕緣電阻的大小,而且取決于浮地的寄生電容的大小和信號的頻率。 4 屏蔽地 4.1 電路的屏蔽罩接地 各種信號源和放大器等易受電磁輻射干擾的電路應(yīng)設(shè)置屏蔽罩。由于信號電路與屏蔽罩之間存在寄生電容,因此要將信號電路地線末端與屏蔽罩相連,以消除寄生電容的影響,并將屏蔽罩接地,以消除共模干擾。 4.2 電纜的屏蔽層接地 4.2.1 低頻電路電纜的屏蔽層接地 低頻電路電纜的屏蔽層接地應(yīng)采用一點接地的方式,而且屏蔽層接地點應(yīng)當與電路的接地點一致。對于多層屏蔽電纜,每個屏蔽層應(yīng)在一點接地,各屏蔽層應(yīng)相互絕緣。 4.2.2 高頻電路電纜的屏蔽層接地 高頻電路電纜的屏蔽層接地應(yīng)采用多點接地的方式。當電纜長度大于工作信號波長的0.15倍時,采用工作信號波長的0.15倍的間隔多點接地式。如果不能實現(xiàn),則至少將屏蔽層兩端接地。 4.3 系統(tǒng)的屏蔽體接地 當整個系統(tǒng)需要抵抗外界電磁干擾,或需要防止系統(tǒng)對外界產(chǎn)生電磁干擾時,應(yīng)將整個系統(tǒng)屏蔽起來,并將屏蔽體接到系統(tǒng)地上。 5 設(shè)備地 一臺設(shè)備要實現(xiàn)設(shè)計要求,往往含有多種電路,比如低電平的信號電路(如高頻電路、數(shù)字電路、模擬電路等)、高電平的功率電路(如供電電路、繼電器電路等)。為了安裝電路板和其它元器件、為了抵抗外界電磁干擾而需要設(shè)備具有一定機械強度和屏蔽效能的外殼。典型設(shè)備的接地 設(shè)備的接地應(yīng)當注意以下幾點: ——50Hz電源零線應(yīng)接到安全接地螺栓處,對于獨立的設(shè)備,安全接地螺栓設(shè)在設(shè)備金屬外殼上,并有良好電連接; ——為防止機殼帶電,危及人身安全,不許用電源零線作地線代替機殼地線; ——為防止高電壓、大電流和強功率電路(如供電電路、繼電器電路)對低電平電路(如高頻電路、數(shù)字電路、模擬電路等)的干擾,將它們的接地分開。前者為功率地(強電地),后者為信號地(弱電地),而信號地又分為數(shù)字地和模擬地,信號地線應(yīng)與功率地線和機殼地線相絕緣; ——對于信號地線可另設(shè)一信號地螺栓(和設(shè)備外殼相絕緣),該信號地螺栓與安全接地螺栓的連接有三種方法(取決于接地的效果):一是不連接,而成為浮地式;二是直接連接,而成為單點接地式;三是通過一3μF電容器連接,而成為直流浮地式,交流接地式。其它的接地zui后匯聚在安全接地螺栓上(該點應(yīng)位于交流電源的進線處),然后通過接地線將接地極埋在土壤中。 6 系統(tǒng) 當多個設(shè)備組成一個系統(tǒng)時,系統(tǒng)的接地 系統(tǒng)的接地應(yīng)當注意以下幾點: ——參照設(shè)備的接地注意事項; ——設(shè)備外殼用設(shè)備外殼地線和機柜外殼相連; ——機柜外殼用機柜外殼地線和系統(tǒng)外殼相連; ——對于系統(tǒng),安全接地螺栓設(shè)在系統(tǒng)金屬外殼上,并有良好電連接; ——當系統(tǒng)內(nèi)機柜、設(shè)備過多時,將導(dǎo)致數(shù)字地線、模擬地線、功率地線和機柜外殼地線過多。對此,可以考慮鋪設(shè)兩條互相并行并和系統(tǒng)外殼絕緣的半環(huán)形接地母線,一條為信號地母線,一條為屏蔽地及機柜外殼地母線;系統(tǒng)內(nèi)各信號地就近接到信號地母線上,系統(tǒng)內(nèi)各屏蔽地及機柜外殼地就近接到屏蔽地及機柜外殼地母線上;兩條半環(huán)形接地母線的中部靠近安全接地螺栓,屏蔽地及機柜外殼地母線接到安全接地螺栓上;信號地母線接到信號地螺栓上; ——當系統(tǒng)用三相電源供電時,由于各負載用電量和用電的不同時性,必然導(dǎo)致三相不平衡,造成三相電源中心點電位偏移,為此將電源零線接到安全接地螺栓上,迫使三相電源中心點電位保持零電位,從而防止三相電源中心點電位偏移所產(chǎn)生的干擾; ——接地極用鍍鋅鋼管,其外直徑不小于50mm,長度不小于2.0m;埋設(shè)時,將接地極打入地表層一定深度、并倒入鹽水,一般要求接地電阻小于4Ω,對于移動設(shè)備,接地電阻可小于10Ω。 7 結(jié)語 為了設(shè)備和人身的安全以及電力電子設(shè)備正常可靠的工作必須研究接地技術(shù)。接地可直接接在大地上或者接在一個作為參考電位的導(dǎo)體上。不合理的接地反而會引入電磁干擾,導(dǎo)致電力電子設(shè)備工作不正常。因此,接地技術(shù)是電磁兼容中的重要技術(shù)之一,應(yīng)當充分重視對接地技術(shù)的研究。 |