電源裝置的接地系統(tǒng)

電源裝置由于自身結(jié)構(gòu)的特點和工作特性所限，在復(fù)雜多樣的電磁環(huán)境中工作，極易受到各種干擾源的影響，以致擾亂信號的傳輸或使信號發(fā)生畸變，造成有電源裝置供電的系統(tǒng)不能正常工作。采用接地技術(shù)，是保證電源裝置可靠工作的一個極為重要的措施，也是保證電源安全、穩(wěn)定運行的重要手段。

    一、電源裝置接地的分類

    目前在我國應(yīng)用的各種電源裝置的接地種類繁多，歸納起來可分為以下幾類
    (1) 給電源裝置供電電源中性點的工作地：指穩(wěn)定的供電系統(tǒng)中性點電位的接地；
    (2) 電源裝置的防雷保護接地：指在雷雨季節(jié)為防止雷電過電壓的保護接地；
    (3) 電源裝置的安全保護地：指為防止接觸電壓及跨步電壓危害人身和設(shè)備安全，而設(shè)置的微電子裝置金屬外殼的接地；
    (4) 電源裝置直流系統(tǒng)地又稱為邏輯地、工作地　，它為微電子裝置各個部分、各個環(huán)節(jié)提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電位（一般是零點位）。這個地可以接大地，也可以僅僅是一個公共點。系統(tǒng)地如果與大地不相連，即系統(tǒng)地處于懸浮工作狀態(tài)，稱之為浮空地；
    (5) 電源裝置的屏蔽地：為抑制各種干擾信號而設(shè)置的，屏蔽的種類很多，但都需要可靠的接地。

    屏蔽地就是屏蔽網(wǎng)絡(luò)的接地。盡管在實際應(yīng)用中的電源裝置是由不同公司生產(chǎn)的，各公司的產(chǎn)品對接地的種類規(guī)定及接地電阻的阻值要求不盡相同，但電源裝置的系統(tǒng)地要求比其它幾種接地要求要嚴(yán)格得多，并有越來越高的趨勢。為了避免諸“地”間相互干擾，上述幾種“地”都應(yīng)設(shè)置各自獨立的接地網(wǎng)絡(luò)。其接地線必須采用絕緣銅導(dǎo)線，連接到統(tǒng)一的接地點，以形成一個共同的電位點。

    二、微電子裝置的接地原則

    在自動化控制系統(tǒng)接地設(shè)計中，必須要遵循一點地的原則。因系統(tǒng)由多臺自動化設(shè)備構(gòu)成，整個系統(tǒng)必須在一處接地。但系統(tǒng)接地線和接地電阻都不可能為零，尤其是在高頻或瞬變狀態(tài)下更是如此；另外，當(dāng)有大電流從接地極注入大地時，接地極及其附近的大地電位升高，如有多點地則會出現(xiàn)接地點間的電位差，形成干擾。即使是同一臺設(shè)備中的系統(tǒng)地線，也應(yīng)遵守一點地原則，否則就會形成接地環(huán)路，各點之間的接地電位差將會形成干擾被引入其它電路。為了研究上述各種接地系統(tǒng)間的關(guān)系，分析接地網(wǎng)體系的諸多因素及降低接地電阻的有效途徑和具體方法，近年來“自動化裝置接地工程學(xué)”作為一門嶄新的學(xué)科，已受到自動化控制領(lǐng)域的重視，也為自動化裝置的接地系統(tǒng)研究和實踐奠定了理論基礎(chǔ)。

   各種電源裝置的接地種類及接地的技術(shù)指標(biāo)要求因生產(chǎn)廠及設(shè)備功能不同而不同。接地對電源裝置的安全可靠的工作起到至關(guān)重要的影響，不同的地有不同的處理技術(shù)，下面介紹電源裝置所應(yīng)遵循的接地處理原則。

    1、一點接地與多點接地原則的應(yīng)用

    就電子技術(shù)常識而言，在低頻電子線路中，布線和元件間的電感顯得并不嚴(yán)重，為了避免地線造成地環(huán)路，因此建議采用一點接地原則。

    對于高頻電子線路來說，電感的影響將更顯得突出，因為增加了地線的阻抗將導(dǎo)致各地線間的電感耦合。一般來說，頻率小于1MHz時可采用一點接地，而高于10MHz時則應(yīng)采用多點接地。當(dāng)頻率處于1MHz~10MHz之間時，如采用一點接地，其地線長度不應(yīng)超過波長的1/20，否則，應(yīng)采用多點接地。

    2、浮動接地與真正接地的比較

    浮動接地是指系統(tǒng)的各個接地端與大地不相連接。這種接地方法簡單，但是對于與地的絕緣電阻要求較高，一般要求大于50MΩ，否則由于絕緣下降，會導(dǎo)致干擾。此外，浮空容易引起靜電干擾。

    真正接地指系統(tǒng)的接地端與大地直接相連。只要接地良好，這種方式的抗干擾能力是比較強的。但接地工藝復(fù)雜，一旦接地不良反會引起不必要的干擾。

    三、接地電阻的構(gòu)成

    任何生產(chǎn)商生產(chǎn)的電源裝置，都對其產(chǎn)品的接地電阻阻值作出了嚴(yán)格的要求。在其接地設(shè)計時，要以電源裝置的接地電阻要達(dá)到的阻值，作為設(shè)計其接地的技術(shù)依據(jù)。因此在此分析接地電阻的構(gòu)成，以使在設(shè)計中可以在主要的環(huán)節(jié)采取相應(yīng)的措施，以降低接地的電阻值。
    (1) 接地引線電阻，是指由接地體至電源裝置接地母線間引線本身的電阻，其阻值與引線的幾何尺寸和材質(zhì)有關(guān)；

    (2) 接地體（水平接地體、垂直接地體）本身的電阻，其阻值與接地體的材質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)；
    (3) 接地體表面與土壤的接觸電阻，其阻值與土壤的性質(zhì)、顆粒、含水量及土壤與接地體的接觸面和接觸的緊密程度有關(guān)；
    (4) 從接地體開始向遠(yuǎn)處（20m）擴散電流所經(jīng)過的路徑土壤電阻，即散流電阻。決定散流電阻的主要因素是土壤的含水量。

    四、降低接地電阻的主要措施

    接地電阻雖由四部分構(gòu)成，但前兩部分所占接地電阻的比例較小，起決定作用的是接觸電阻和散流電阻。故降低接地電阻阻值應(yīng)從這兩部分開展工作，從接地體的最佳埋設(shè)深度、不等長接地體技術(shù)及化學(xué)降阻劑等方面來討論降低接觸電阻和散流電阻的方法。

    1、垂直接地體的最佳埋設(shè)深度

    垂直接地體的最佳埋設(shè)深度，是指能使散流電阻盡可能小，而又易達(dá)到的埋設(shè)深度。決定垂直接地體最佳深度，應(yīng)考慮到三維地網(wǎng)的因素。所謂三維地網(wǎng)是指接地體的埋設(shè)深度與接地網(wǎng)的等值半徑處于同一數(shù)量級的接地網(wǎng)（即埋設(shè)深度與等值半徑之比大于1/10）。在可能的范圍內(nèi)埋設(shè)深度應(yīng)盡可能取最大值，但并不是埋設(shè)深度越深越好，如果把垂直接地體近似為半球接地體，其電阻為：
    Ｒ＝ρ／２πｒ＝ρ／２πＬ
    式中：ρ—土壤電阻率；
    Ｌ—垂直接地體的埋設(shè)深度。
    從式中可見，Ｒ與Ｌ成反比，為使Ｒ減小，Ｌ越大越好，但對上式偏微分：
    ａR／ａL＝－ρ／2πL2
    可以得出，隨著Ｌ的增大，降阻率ａR／ａL與L2成反比下降，當(dāng)增大Ｌ到一定程度后，基本上呈飽和狀態(tài)，降阻率已趨近于零。垂直接地體的最佳埋設(shè)深度不是固定的，在設(shè)計中應(yīng)按接地網(wǎng)的等值半徑、區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)情況來確定，一般取1.5m~2.5m間為宜。

    2、不等長接地體技術(shù)

    由于在接地網(wǎng)中各單一接地體埋設(shè)的間距，一般僅等于各單一接地體長度的兩倍左右，此時電流流入各單一接地體時，受到相互的制約而阻止電流的流散，即等于增加了各單一接地體散流電阻，這種影響電流流散的現(xiàn)象，成為屏蔽作用。如圖所示。由于屏蔽作用，接地體的散流電阻并不等于各單一接地體散流電阻的并聯(lián)值，此時，接地體組的散流電阻為：

    Ｒａ＝ＲＬ／ｎη
    式中：
     ＲＬ—單一接地體的散流電阻；
    ｎ—接地體組并聯(lián)單一接地體的根數(shù)；
    η—接地體的利用系數(shù)，它與接地體的形狀和位置有關(guān)。

    從理論上說，距離接地體20m處為電氣上的“地”，即兩接地體間距大于40m時，可以認(rèn)為接地體的利用系數(shù)η為１。但在接地網(wǎng)的接地體的布置上，是很難作到兩個單一接地體相距40m，為解決在設(shè)計實踐與理論分析中的矛盾，采取不等長接地體技術(shù)，以便取得良好的效果。不等長接地體技術(shù)，即為各垂直接地體的長度各不相等，在接地體的布置上，采取垂直接地體布置為兩長一短或一長兩短，以使接地體組間的屏蔽作用減小到最小程度。不等長接地體技術(shù)，從理論上到實踐中應(yīng)用，都較好地解決了多個單一接地體間的屏蔽作用問題，提高了各單一接地體的利用系數(shù)，降低接地體組的散流電阻。

    3、化學(xué)降阻劑的應(yīng)用

    化學(xué)降阻劑的降阻機理是，在液態(tài)下從接地體向外側(cè)土壤滲出，若干分鐘固化后起著增大散流電極接觸面積的作用。因降阻劑本身是一種良好的導(dǎo)體，將它使用于接地體和土壤之間，一方面能夠與金屬接地體緊密接觸，減小接地體與土壤的接觸電阻，形成足夠大的電流流通截面；另一方面，它能向周圍的土壤滲透，降低土壤的電阻率，在接地體周圍形成一個變化的低電阻區(qū)域。從而顯著擴大接地體的等效直徑和有效長度，對降低接觸電阻及散流電阻有著明顯效果。如JZG-02型長效防腐降阻劑的使用壽命可達(dá)20年以上，在其壽命周期內(nèi)性能穩(wěn)定，不需要維護保養(yǎng)，仍能具有良好的電解質(zhì)性能和吸水性，保持其良好的物理化學(xué)機理。

    五、結(jié)束語

    電源裝置接地的設(shè)計，要根據(jù)電源裝置的技術(shù)要求和所處地區(qū)的地理、地質(zhì)條件，采取不同的措施，以最高的性能價格比，并盡量采用新技術(shù)和新材料來設(shè)計。因“接地工程學(xué)”是一門多學(xué)科的邊緣學(xué)科，它涉及到地質(zhì)、電磁場理論、電氣測量、應(yīng)用化學(xué)、鉆探技術(shù)、施工技術(shù)等多門學(xué)科，故仍需要在今后的工作中去研究，在實踐中不斷的探索，以確保電源裝置的安全可靠運行。