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转 接地技术  

2010-04-01 14:17:00|  分类: 接口技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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1:为什么要接地?

Answer: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。

2:接地的定义

Answer: 在现代接地概念中、对于线路工程师来说,该术语的含义通常是‘线路电压的参考点’;对于系统设计师来说,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”。注意要求是”低阻抗”和“通路”。

3:常见的接地符号

Answer: PE,PGND,FG-保护地或机壳;BGND或DC-RETURN-直流-48V(+24V)电源(电池)回流;GND-工作地;DGND-数字地;AGND-模拟地;LGND-防雷保护地

4:合适的接地方式

Answer: 接地有多种方式,有单点接地,多点接地以及混合类型的接地。而单点接地又分为串联单点接地和并联单点接地。一般来说,单点接地用于简单电路,不同功能模块之间接地区分,以及低频(f<1MHz)电子线路。当设计高频(f>10MHz)电路时就要采用多点接地了或者多层板(完整的地平面层)。

5:信号回流和跨分割的介绍

Answer:对于一个电子信号来说,它需要寻找一条最低阻抗的电流回流到地的途径,所以如何处理这个信号回流就变得非常的关键。

第一,根据公式可以知道,辐射强度是和回路面积成正比的,就是说回流需要走的路径越长,形成的环越大,它对外辐射的干扰也越大,所以,PCB布板的时候要尽可能减小电源回路和信号回路面积。

第二,对于一个高速信号来说,提供有好的信号回流可以保证它的信号质量,这是因为PCB上传输线的特性阻抗一般是以地层(或电源层)为参考来计算的,如果高速线附近有连续的地平面,这样这条线的阻抗就能保持连续,如果有段线附近没有了地参考,这样阻抗就会发生变化,不连续的阻抗从而会影响到信号的完整性。所以,布线的时候要把高速线分配到靠近地平面的层,或者高速线旁边并行走一两条地线,起到屏蔽和就近提供回流的功能。

第三,为什么说布线的时候尽量不要跨电源分割,这也是因为信号跨越了不同电源层后,它的回流途径就会很长了,容易受到干扰。当然,不是严格要求不能跨越电源分割,对于低速的信号是可以的,因为产生的干扰相比信号可以不予关心。对于高速信号就要认真检查,尽量不要跨越,可以通过调整电源部分的走线。(这是针对多层板多个电源供应情况说的)

6:为什么要将模拟地和数字地分开,如何分开?

Answer:模拟信号和数字信号都要回流到地,因为数字信号变化速度快,从而在数字地上引起的噪声就会很大,而模拟信号是需要一个干净的地参考工作的。如果模拟地和数字地混在一起,噪声就会影响到模拟信号。

一般来说,模拟地和数字地要分开处理,然后通过细的走线连在一起,或者单点接在一起。总的思想是尽量阻隔数字地上的噪声窜到模拟地上。当然这也不是非常严格的要求模拟地和数字地必须分开,如果模拟部分附近的数字地还是很干净的话可以合在一起。

7:单板上的信号如何接地?

Answer:对于一般器件来说,就近接地是最好的,采用了拥有完整地平面的多层板设计后,对于一般信号的接地就非常容易了,基本原则是保证走线的连续性,减少过孔数量;靠近地平面或者电源平面,等等。

8:单板的接口器件如何接地?

Answer:有些单板会有对外的输入输出接口,比如串口连接器,网口RJ45连接器等等,如果对它们的接地设计得不好也会影响到正常工作,例如网口互连有误码,丢包等,并且会成为对外的电磁干扰源,把板内的噪声向外发送。一般来说会单独分割出一块独立的接口地,与信号地的连接采用细的走线连接,可以串上0欧姆或者小阻值的电阻。细的走线可以用来阻隔信号地上噪音过到接口地上来。同样的,对接口地和接口电源的滤波也要认真考虑。

9:带屏蔽层的电缆线的屏蔽层如何接地?

Answer:屏蔽电缆的屏蔽层都要接到单板的接口地上而不是信号地上,这是因为信号地上有各种的噪声,如果屏蔽层接到了信号地上,噪声电压会驱动共模电流沿屏蔽层向外干扰,所以设计不好的电缆线一般都是电磁干扰的最大噪声输出源。当然前提是接口地也要非常的干净。 

 

抗干扰接地处理的主要内容:(1)避开地环电流的干扰;(2)降低公共地线阻抗的耦合干扰。

    “一点接地”有效地避开了地环电流;而在“一点接地”前提下,并联接地则是降低公共地线阻抗的耦合干扰的有效措施;它们是工业控制系统采用的最基本的接地方法。

    工业控制系统接地的含义不一定就是接大地。例如直流接地只是定义电路或系统的基准电位。它可以悬浮,但要求与大地严格绝缘。通常,其绝缘电阻要达到50 MΩ以上。直流地悬浮隔离了交流地网的干扰,经济简便,工程中经常使用。直流地悬浮的缺点是机器容易带静电,如果该静电电位过高,会损坏器件,击伤操作人员等等;而且,如果这时直流地与大地的绝缘电阻减小,可能会产生很多原先没有想到的干扰。直流地接大地,按照国家标准,要埋设一个不大于4 Ω的独立接地体。但无论直流地悬浮或者接大地,直流地与大地之间的电位都存在着间接或者直接的关系。工业控制机所操作的各种输入输出信号之间接地是否合理,不只是形成相互耦合干扰的问题,有时还危及计算机系统的安全。在实际的工业控制系统中,各种通道的信号频率大多在1MHz内,属于低频范围。因此,谈谈低频范围的接地。

1. 串联接地

    在串联接地方式中,各电路各有一个电流i1、i2、i3等流向接地点。由于地线存在电阻,因此,每个串联接点的电位不再是零,于是各个电路间相互发生干扰。尤其是强信号电路将严重干扰弱信号电路。如果必须要这样使用,应当尽力减小公共地线的阻抗,使其能达到系统的抗干扰容限要求。串联的次序是:最怕干扰的电路的地应最接近公共地,而最不怕干扰的电路的地可以稍远离公共地。

2. 并联接地 

     并联接地方式:在工业控制机中的模拟通道和数字通道采用并联接地。并联接地中各个电路的地电位只与其自身的地线阻抗和地电流有关,互相之间不会造成耦合干扰。因此,有效地克服了公共地线阻抗的耦合干扰问题,工业控制机应当尽量采用并联接地方式。值得注意的是,虽然采用了并联接地方式,但是地线仍然要粗一些,以使各个电路部件之间的地电位差尽量减小。这样,当各个部件之间有信号传送时,地线环流干扰将减小。

    工业现场的干扰来源是多渠道的,针对不同的项目和不同的现场,应该有不同的处理方法。屏蔽和接地是由工控系统开发者操作的一项技术内容。能否正确设计和利用它们,不仅关系到系统安全稳定地运行、良好地抑制干扰,而且是工控项目开发者是否成熟的重要标志。

工控系统的屏蔽处理

    工业现场动力线路密布,设备启停运转繁忙,因此存在严重的电场和磁场干扰。而工业控制系统又有几十乃至几百个甚至更多的输入输出通道分布在其中,导线之间形成相互耦合是通道干扰的主要原因之一。它们主要表现为电容性耦合、电感性耦合、电磁场辐射三种形式。在工业控制系统中,由前两种耦合造成的干扰是主要的,第三种是次要的。它们对电路主要造成共模形式的干扰。

    众所周知,地球是一个静电容量很大的导体,其电位非常恒定。如果把一个导体与大地紧密连接,那么该导体的电位也是恒定的。我们把它的电位叫作零电位,它是电位的参考点。然而,工程上不可能做到这种紧密连接,总是存在一定的接地电阻。当有电流经该导体入地时,它的电位就有波动。于是,不同的接地点之间会有电位差。当我们用一根导线连接不同的接地点时,在导线中就可能有电流流动,这称为地环电流。接地抗干扰技术就是解决以地环电流为中心的一系列技术问题。

1. 电场耦合的屏蔽和抑制技术

   克服电场耦合干扰最有效的方法是屏蔽。因为放置在空心导体或者金属网内的物体不受外电场的影响。请注意,屏蔽电场耦合干扰时,导线的屏蔽层最好不要两端连接当地线使用。因在有地环电流时,这将在屏蔽层形成磁场,干扰被屏蔽的导线。正确的作法是把屏蔽层单点接地,一般选择它的任一端头接地。造成电场耦合干扰的原因是两根导线之间的分布电容产生的耦合。当两导线形成电场耦合干扰时,导线1在导线2上产生的对地干扰电压VN为:V1和ω是干扰源导线1的电压和角频率;R和C2G是被干扰导线2的对地负载电阻和总电容;C12是导线1和导线2之间的分布电容。从式(2)可以看出,在干扰源的角频率ω不变时,要想降低导线2上的被干扰电压VN ,应当减小导线1的电压V1,减小两导线之间的分布电容C12,减小导线2对地负载电阻R以及增大导线2对地的总电容C2G。在这些措施中,可操作性最好的是减小两导线之间的分布电容C12。即采用远离技术:弱信号线要远离强信号线敷设,尤其是远离动力线路。工程上的“远离”概念,通常取干扰导线直径的40倍,即认为足够了。同时,避免平行走线也可以减小C12。

2.  磁场耦合的抑制技术

    抑制磁场耦合干扰的好办法应该是屏蔽干扰源。大电机、电抗器、磁力开关和大电流载流导线等等都是很强的磁场干扰源。但把它们都用导磁材料屏蔽起来,在工程上是很难做到的。通常是采用一些被动的抑制技术。当回路1对回路2造成磁场耦合干扰时,其在回路2 上形成的串联干扰电压VN为:

VN=jωBAcosθ (3) ,式中,ω是干扰信号的角频率;B是干扰源回路1形成的磁场链接至回路2处的磁通密度;A为回路2感受磁场感应的闭合面积,θ是和两个矢量的夹角。可以看出,在干扰源的角频率ω不变时,要想降低干扰电压VN,首先应当减小B。对于直线电流磁场来说,B与回路1流过的电流成正比,而与两导线的距离成反比。因此,要有效抑制磁场耦合干扰,仍然是远离技术。同时,也要避免平行走线。

3.  屏蔽线的使用

    屏蔽线的接地有三种情况,即:单端接地方式、两端接地方式、屏蔽层悬浮。(1)单端接地方式:假设信号电流i1从芯线流入屏蔽线,流过负载电阻RL之后,再通过屏蔽层返回信号源。因为i1与i2大小相等方向相反,所以它们产生的磁场干扰相互抵消。这是一个很好的抑制磁场干扰的措施。同时它也是一个很好的抵制磁场耦合干扰的措施。(2)两端接地方式:由于屏蔽层上流过的电流是i2与地环电流iG的迭加,所以它不能完全抵消信号电流所产生的磁场干扰。因此,它抑制磁场耦合干扰的能力也比单端接地方式差。单端接地方式与两端接地方式都有屏蔽电场耦合干扰作用。(3)屏蔽层悬浮:只有屏蔽电场耦合干扰能力,而无抑制磁场耦合干扰能力。

4 . 双绞线的使用   

如果双绞线的绞扭一致的话,那么这些小回路的面积相等而法方向相反,因此,其磁场干扰可以相互抵消。双绞线的结构对电场耦合干扰的抑制毫无能力。当给双绞线加上屏蔽层后,一个价廉物美的传输线就诞生了。根据国外专家的实验测定,屏蔽层接地方法不同对磁场干扰的抑制dB数也不同。(1)单端接地方式,对磁场干扰具有高达55dB的衰减能力。可见,双绞线确实有很好的效果。(2)两端接地方式,地线阻抗与信号线阻抗不对称,地环电流造成了双绞线电流不平衡,因此降低了双绞线抗磁场干扰的能力,只有13dB的磁场干扰衰减能力。(3)使用屏蔽双绞线,其屏蔽层一端接地,另一端悬空,因此屏蔽层上没有返回信号电流,所以它的屏蔽层只有抗电场干扰能力,而无抑制磁场耦合干扰能力。与单端接地方式一样衰减55dB。(4)屏蔽层单端接地,而另一端又与负载冷端相连,因此它具有两端接地方式的效果,但它的屏蔽层上的电流由于被双绞线中的一根分流,又比两端接地方式稍差。具有77dB的衰减。(5)屏蔽层双端接地,具有一定的抑制磁场耦合干扰能力,加上双绞线本身的作用,因此具有63dB的衰减。(6)屏蔽层和双绞线都两端接地,其效果具有28dB衰减。

   双绞线最好的应用是作平衡式传输线路。因为两条线的阻抗一样,自身产生的磁场干扰或外部磁场干扰都可以较好的抵消。同时,平衡式传输又独具很强的抗共模干扰能力,因此成为大多数计算机网络的传输线。例如,物理层采用RS422A或RS485通信接口,就是很好的平衡传输模式。

 

一、接地和接零的类型

电力系统和电气设备的接地和接零,按其不同的作用分为工作接地、保护接地、重复接地和接零。为防止雷电的危害所作的接地称为过电压保护接地;为防止管道腐蚀的接地采用电法保护接地;还有静电接地和隔离接地等。

1、工作接地

在正常或事故情况下,为保证电气设备可靠地运行,必须在电力系统中某点(如发电机或变压器的中性点,防止过电压的避雷器之某点)直接或经特殊装置如消弧线圈、电抗、电阻、击穿熔断器与地作金属连接,如图1所示。

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图1 工作接低、重复接地、接零示意图

2、保护接地

电气设备的金属外壳,由于绝缘损坏有可能带电,为防止这种电压危及人身安全的接地,称为保护接地,如图2所示,这种接地,一般在中性点不接地系统中采用。

 

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图2 保护接地示意图

3、重复接地

将零线上的一点或多点与地再次作金属的连接,称为重复接地,如1所示。

4、接零

与变压器和发电机中性点连接的中性线,或直流回路中的接地中线相连,称为接零,如图1所示。

5、过电压保护接地

过电压保护装置或设备的金属结构,为消除过电压危险影响的接地,称为过电压保护接地。

6、防静电接地

防止可能产生或聚集静电荷,对设备、管道和容器等所进行的接地,称为防静电接地。

7、隔离接地

把电器设备用金属机壳封闭,防止外来信号干扰,或把干扰源屏蔽,使它不影响屏蔽体外的其它设备的金属屏蔽接地,称为隔离接地。

8、电法保护接地

为保护管道不受腐蚀,采用阴极保护或牺牲阳极保护等到的接地,称为电法保护接地。

二、接地和接零的作用

1、工作接地的作用

在工作和事故情况下,保证电气设备可靠地运行,降低人体的接触电压,迅速切断故障设备,降低电气设备和电线路的绝缘水平。

2、保护接地的作用

如果电气设备没有接地,当电气设备某处绝缘损坏时,外壳将带电,同时由于线路与大地间存在电容,人体触及此绝缘损坏的电气设备外壳,则电流流经人体形成通路,将遭受触电危险。设有接地装置后,接地短路电流将同时沿着接地体的人体两条通路流过,接地体电阻愈小,流经人体的电流将几乎等于零,使人体避免触电的危险。

3、重复接地的作用

当系统中发生碰壳或接地短路时,可以降低零线的对地电压;当零线发生断裂时,可以使故障程度减轻。

4、接零的作用

在中性点直接接地的1千伏以下的系统中,必须采用接零保护,将电气设备的外壳直接接到系统的零线上,如发生碰壳短路时,即形成单相短路,使保护设备能可靠地迅速动作,以断开故障设备,使人体避免触电的危险。

5、过电压保护接地的作用

对于直击雷,避雷装置(包括过电压保护接地装置在内)促使雷云正电荷和地面感应负电荷中和,以防止雷击的产生,对于静感应雷,感应产生的静电荷,其作用是迅速地把它们导入地中,以避免产生火花放电或局部发热造成易燃或易爆物品燃烧爆炸的危险。

6、防静电接地的作用

设备移动或物体在管道中流动,因磨擦产生静电,它聚集在管道,容器和贮灌或加工设备上,形成很高电位,对人身安全及对设备和建筑物都有危险。作为静电接低,静电一旦产生,就导入地中,以消除其聚集的可能。

7、隔离接地的作用

把干扰源产生的电场限制在金属屏蔽的内部,使外界免受金属屏蔽内于扰源的影响。也可以把防止于扰的电器设备用金属屏蔽接地,任何外来干扰源所产生的电场不能穿进机壳内部,使屏蔽内的设备,不受外界干扰源的影响。

8、电法保护接地

输送介质的长距离管道,为防止各种腐蚀因素的危害,确保管道投产后长期安全运转,通常全线路采用以外电源阴极保护为主,牺牲阳极保护为辅的电法保护,作为管道防腐的第二道防线。

三、注意事项

(1)保护接地适用于不接地(对地绝缘)电网;保护接零适用于低压中性点直接接地,电压为380/220V的三相四线制电网。两者不能互换。

    (2)中性点接地系统中,不允许个别设备接地而不拉零。当接地设备发生漏电时,其它接零设备会出现危险电压,并且零线不应该装设开关或熔断器

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