- 電源裝置接地的分類
- 微電子裝置的接地原則
- 接地電阻的構(gòu)成
- 降低接地電阻的主要措施
- 一點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地原則的應(yīng)用
- 浮動(dòng)接地與真正接地的比較
電源裝置由于自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)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(hào)的傳輸或使信號(hào)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(gè)極為重要的措施,也是保證電源安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段。
一、電源裝置接地的分類
目前在我國(guó)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(diǎn)的工作地:指穩(wěn)定的供電系統(tǒng)中性點(diǎn)電位的接地;
(2)電源裝置的防雷保護(hù)接地:指在雷雨季節(jié)為防止雷電過電壓的保護(hù)接地;
(3)電源裝置的安全保護(hù)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(gè)部分、各個(gè)環(huán)節(jié)提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電位(一般是零點(diǎn)位)。這個(gè)地可以接大地,也可以僅僅是一個(gè)公共點(diǎn)。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(hào)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(shí)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(duì)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(shì)。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(dú)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(diǎn),以形成一個(gè)共同的電位點(diǎn)。
二、微電子裝置的接地原則
在自動(dòng)化控制系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)中,必須要遵循一點(diǎn)地的原則。因系統(tǒng)由多臺(tái)自動(dòng)化設(shè)備構(gòu)成,整個(gè)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(shí),接地極及其附近的大地電位升高,如有多點(diǎn)地則會(huì)出現(xiàn)接地點(diǎn)間的電位差,形成干擾。
即使是同一臺(tái)設(shè)備中的系統(tǒng)地線,也應(yīng)遵守一點(diǎn)地原則,否則就會(huì)形成接地環(huán)路,各點(diǎn)之間的接地電位差將會(huì)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(dòng)化裝置接地工程學(xué)”作為一門嶄新的學(xué)科,已受到自動(dòng)化控制領(lǐng)域的重視,也為自動(dòng)化裝置的接地系統(tǒng)研究和實(shí)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(duì)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(diǎn)接地與多點(diǎn)接地原則的應(yīng)用
就電子技術(shù)常識(shí)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(diǎn)接地原則。
對(duì)于高頻電子線路來說,電感的影響將更顯得突出,因?yàn)樵黾恿说鼐€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(shí)可采用一點(diǎn)接地,而高于10MHz時(shí)則應(yīng)采用多點(diǎn)接地。當(dāng)頻率處于1MHz~10MHz之間時(shí),如采用一點(diǎn)接地,其地線長(zhǎng)度不應(yīng)超過波長(zhǎng)的1/20,否則,應(yīng)采用多點(diǎn)接地。
2、浮動(dòng)接地與真正接地的比較
浮動(dòng)接地是指系統(tǒng)的各個(gè)接地端與大地不相連接。這種接地方法簡(jiǎn)單,但是對(duì)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(huì)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(qiáng)的。但接地工藝復(fù)雜,一旦接地不良反會(huì)引起不必要的干擾。[page]
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(duì)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(jì)時(shí),要以電源裝置的接地電阻要達(dá)到的阻值,作為設(shè)計(jì)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(jì)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(kuò)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(zhǎng)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(jí)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(duì)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(jì)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(zhǎng)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(zhǎng)度的兩倍左右,此時(shí)電流流入各單一接地體時(shí),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(shí),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(shí),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(gè)單一接地體相距40m,為解決在設(shè)計(jì)實(shí)踐與理論分析中的矛盾,采取不等長(zhǎng)接地體技術(shù),以便取得良好的效果。不等長(zhǎng)接地體技術(shù),即為各垂直接地體的長(zhǎng)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(zhǎng)一短或一長(zhǎng)兩短,以使接地體組間的屏蔽作用減小到最小程度。不等長(zhǎng)接地體技術(shù),從理論上到實(shí)踐中應(yīng)用,都較好地解決了多個(gè)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(jī)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(gè)變化的低電阻區(qū)域。從而顯著擴(kuò)大接地體的等效直徑和有效長(zhǎng)度,對(duì)降低接觸電阻及散流電阻有著明顯效果。如JZG-02型長(zhǎng)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(hù)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(jī)理。
電源裝置接地的設(shè)計(jì),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(jià)格比,并盡量采用新技術(shù)和新材料來設(shè)計(jì)。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(chǎng)理論、電氣測(cè)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(shí)踐中不斷的探索,以確保電源裝置的安全可靠運(yùn)行。