电源装置的接地系统

电源装置由于自身结构的特点和工作特性所限，在复杂多样的电磁环境中工作，极易受到各种干扰源的影响，以致扰乱信号的传输或使信号发生畸变，造成有电源装置供电的系统不能正常工作。采用接地技术，是保证电源装置可靠工作的一个极为重要的措施，也是保证电源安全、稳定运行的重要手段。

    一、电源装置接地的分类

    目前在我国应用的各种电源装置的接地种类繁多，归纳起来可分为以下几类?
    (1) 给电源装置供电电源中性点的工作地：指稳定的供电系统中性点电位的接地；
    (2) 电源装置的防雷保护接地：指在雷雨季节为防止雷电过电压的保护接地；
    (3) 电源装置的安全保护地：指为防止接触电压及跨步电压危害人身和设备安全，而设置的微电子装置金属外壳的接地；
    (4) 电源装置直流系统地?又称为逻辑地、工作地?，它为微电子装置各个部分、各个环节提供稳定的基准电位（一般是零点位）。这个地可以接大地，也可以仅仅是一个公共点。系统地如果与大地不相连，即系统地处于悬浮工作状态，称之为浮空地；
    (5) 电源装置的屏蔽地：为抑制各种干扰信号而设置的，屏蔽的种类很多，但都需要可靠的接地。

    屏蔽地就是屏蔽网络的接地。尽管在实际应用中的电源装置是由不同公司生产的，各公司的产品对接地的种类规定及接地电阻的阻值要求不尽相同，但电源装置的系统地要求比其它几种接地要求要严格得多，并有越来越高的趋势。为了避免诸“地”间相互干扰，上述几种“地”都应设置各自独立的接地网络。其接地线必须采用绝缘铜导线，连接到统一的接地点，以形成一个共同的电位点。

    二、微电子装置的接地原则

    在自动化控制系统接地设计中，必须要遵循一点地的原则。因系统由多台自动化设备构成，整个系统必须在一处接地。但系统接地线和接地电阻都不可能为零，尤其是在高频或瞬变状态下更是如此；另外，当有大电流从接地极注入大地时，接地极及其附近的大地电位升高，如有多点地则会出现接地点间的电位差，形成干扰。即使是同一台设备中的系统地线，也应遵守一点地原则，否则就会形成接地环路，各点之间的接地电位差将会形成干扰被引入其它电路。为了研究上述各种接地系统间的关系，分析接地网体系的诸多因素及降低接地电阻的有效途径和具体方法，近年来“自动化装置接地工程学”作为一门崭新的学科，已受到自动化控制领域的重视，也为自动化装置的接地系统研究和实践奠定了理论基础。

   各种电源装置的接地种类及接地的技术指标要求因生产厂及设备功能不同而不同。接地对电源装置的安全可靠的工作起到至关重要的影响，不同的地有不同的处理技术，下面介绍电源装置所应遵循的接地处理原则。

    1、一点接地与多点接地原则的应用

    就电子技术常识而言，在低频电子线路中，布线和元件间的电感显得并不严重，为了避免地线造成地环路，因此建议采用一点接地原则。

    对于高频电子线路来说，电感的影响将更显得突出，因为增加了地线的阻抗将导致各地线间的电感耦合。一般来说，频率小于1MHz时可采用一点接地，而高于10MHz时则应采用多点接地。当频率处于1MHz~10MHz之间时，如采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则，应采用多点接地。

    2、浮动接地与真正接地的比较

    浮动接地是指系统的各个接地端与大地不相连接。这种接地方法简单，但是对于与地的绝缘电阻要求较高，一般要求大于50MΩ，否则由于绝缘下降，会导致干扰。此外，浮空容易引起静电干扰。

    真正接地指系统的接地端与大地直接相连。只要接地良好，这种方式的抗干扰能力是比较强的。但接地工艺复杂，一旦接地不良反会引起不必要的干扰。

    三、接地电阻的构成

    任何生产商生产的电源装置，都对其产品的接地电阻阻值作出了严格的要求。在其接地设计时，要以电源装置的接地电阻要达到的阻值，作为设计其接地的技术依据。因此在此分析接地电阻的构成，以使在设计中可以在主要的环节采取相应的措施，以降低接地的电阻值。
    (1) 接地引线电阻，是指由接地体至电源装置接地母线间引线本身的电阻，其阻值与引线的几何尺寸和材质有关；

    (2) 接地体（水平接地体、垂直接地体）本身的电阻，其阻值与接地体的材质和几何尺寸有关；
    (3) 接地体表面与土壤的接触电阻，其阻值与土壤的性质、颗粒、含水量及土壤与接地体的接触面和接触的紧密程度有关；
    (4) 从接地体开始向远处（20m）扩散电流所经过的路径土壤电阻，即散流电阻。决定散流电阻的主要因素是土壤的含水量。

    四、降低接地电阻的主要措施

    接地电阻虽由四部分构成，但前两部分所占接地电阻的比例较小，起决定作用的是接触电阻和散流电阻。故降低接地电阻阻值应从这两部分开展工作，从接地体的最佳埋设深度、不等长接地体技术及化学降阻剂等方面来讨论降低接触电阻和散流电阻的方法。

    1、垂直接地体的最佳埋设深度

    垂直接地体的最佳埋设深度，是指能使散流电阻尽可能小，而又易达到的埋设深度。决定垂直接地体最佳深度，应考虑到三维地网的因素。所谓三维地网是指接地体的埋设深度与接地网的等值半径处于同一数量级的接地网（即埋设深度与等值半径之比大于1/10）。在可能的范围内埋设深度应尽可能取最大值，但并不是埋设深度越深越好，如果把垂直接地体近似为半球接地体，其电阻为：
    Ｒ＝ρ／２πｒ＝ρ／２πＬ
    式中：ρ—土壤电阻率；
    Ｌ—垂直接地体的埋设深度。
    从式中可见，Ｒ与Ｌ成反比，为使Ｒ减小，Ｌ越大越好，但对上式偏微分：
    ａR／ａL＝－ρ／2πL2
    可以得出，随着Ｌ的增大，降阻率ａR／ａL与L2成反比下降，当增大Ｌ到一定程度后，基本上呈饱和状态，降阻率已趋近于零。垂直接地体的最佳埋设深度不是固定的，在设计中应按接地网的等值半径、区域内的地质情况来确定，一般取1.5m~2.5m间为宜。

    2、不等长接地体技术

    由于在接地网中各单一接地体埋设的间距，一般仅等于各单一接地体长度的两倍左右，此时电流流入各单一接地体时，受到相互的制约而阻止电流的流散，即等于增加了各单一接地体散流电阻，这种影响电流流散的现象，成为屏蔽作用。如图所示。由于屏蔽作用，接地体的散流电阻并不等于各单一接地体散流电阻的并联值，此时，接地体组的散流电阻为：

    Ｒａ＝ＲＬ／ｎη
    式中：
     ＲＬ—单一接地体的散流电阻；
    ｎ—接地体组并联单一接地体的根数；
    η—接地体的利用系数，它与接地体的形状和位置有关。

    从理论上说，距离接地体20m处为电气上的“地”，即两接地体间距大于40m时，可以认为接地体的利用系数η为１。但在接地网的接地体的布置上，是很难作到两个单一接地体相距40m，为解决在设计实践与理论分析中的矛盾，采取不等长接地体技术，以便取得良好的效果。不等长接地体技术，即为各垂直接地体的长度各不相等，在接地体的布置上，采取垂直接地体布置为两长一短或一长两短，以使接地体组间的屏蔽作用减小到最小程度。不等长接地体技术，从理论上到实践中应用，都较好地解决了多个单一接地体间的屏蔽作用问题，提高了各单一接地体的利用系数，降低接地体组的散流电阻。

    3、化学降阻剂的应用

    化学降阻剂的降阻机理是，在液态下从接地体向外侧土壤渗出，若干分钟固化后起着增大散流电极接触面积的作用。因降阻剂本身是一种良好的导体，将它使用于接地体和土壤之间，一方面能够与金属接地体紧密接触，减小接地体与土壤的接触电阻，形成足够大的电流流通截面；另一方面，它能向周围的土壤渗透，降低土壤的电阻率，在接地体周围形成一个变化的低电阻区域。从而显著扩大接地体的等效直径和有效长度，对降低接触电阻及散流电阻有着明显效果。如JZG-02型长效防腐降阻剂的使用寿命可达20年以上，在其寿命周期内性能稳定，不需要维护保养，仍能具有良好的电解质性能和吸水性，保持其良好的物理化学机理。

    五、结束语

    电源装置接地的设计，要根据电源装置的技术要求和所处地区的地理、地质条件，采取不同的措施，以最高的性能价格比，并尽量采用新技术和新材料来设计。因“接地工程学”是一门多学科的边缘学科，它涉及到地质、电磁场理论、电气测量、应用化学、钻探技术、施工技术等多门学科，故仍需要在今后的工作中去研究，在实践中不断的探索，以确保电源装置的安全可靠运行。