摘 要 电气设备接地的目的之一是为了保证用电安全．其涉及的是工频系统，而电子设备多为高频，其接地应考虑自身运行的要求及整个系统的相互影响。其工作原理和结构表明其参考电位并非工程中的接地．不能用简单的处理方法将其一概作统一接地．如果接地不当，会产生问题。解决工程上的问题应考虑现场实际情况，措施的异同会直接影响安装和使用

         关键词         接地         信号地          逻辑地

         接地是电气工程、电子工程中经常遇到或讨论的问题，接地要在工程安全、设备性能与经济指标中间取得好的效果，则需要建筑、结构、给／排水、空调／采暖等几个专业协调才可能得以实施。所以，有必要了解“接地” 在不同领域中的种类、差异，并解决工程中的实际问题。

         1 电气设备的接地目的之一是保证用电安全

        对于工程中的供电／配电专业，其“接地”是必不可少的基本内容； 它涉及较多的往往是50Hz的工频系统。其设计依据的也都是以功率(电流)为主要概念。对各个设备进行安全“接地”是经常的事情，也颇受工程界重视，因其目的之一是保证用电的人身、财产的安全，如图1所示。

         2 电子设备应用于综合系统。其接地应考虑

         自身运行的特殊要求及与整体工程的配套对一些运行在综合配套系统里的电子设备而言工程设计尚需考虑其自身的特点及对外界工作条件的要求，例如：屏蔽、滤波、稳压、供电、接地、环境等。对于一些设计、施工人员不问工程情况一律使用的“通则”方法去处理这些问题，不一定都有很好的效果。因为“通则” 是基本的要求，往往不考虑发展和特定情况。这里涉及的电子设备，很多时候其整机自身设计考虑的仅仅是本体的结构安全和设备的性能指标，以及电磁干扰(EMI)、电磁兼容(EMC)、电磁泄漏等，有的还包括对供电电压稳定度谐波、屏蔽接地及电磁屏蔽等苛刻要求，但没有整体环境配套概念，所以说整机自身的设计对综合配套使用环境来讲仅是一个“小环境”。而综合系统的应用恰恰是诸多种类的设备集成在一起协调运作，所以有可能出现由于多种设备的配合、接入而产生了彼此制约的现象，例如：电动机的启停，变频、可控硅设备的使用都会影响其它相关联的电子设备工作，这应该是属于“大环境”。因此需要从不同角度综合看待安全的问题，不能为了安全而忽略电子设备的工作环境。必要时，需要采取其它措施才能保证电子设备工作的安全和稳定性，所以在“接地”的问题上就存在着一个电子设备如何与整体工程综合考虑的问题。

         3 电子设备的接地应考虑防雷及个性要求

        电子设备其工作电源多数是来自交流供电系统，所以工程界遵循使用安全和工作安全而把设备进行接地符合“规范”的要求。另外， “接地”的类型比较多，其中比较棘手的是电气接地与防雷接地的关系，关键是我们的电子设备工作环境多是在建筑物内，考虑防雷接地也是规范的要求， 《民用建筑电气设计规范》(JGJ／T16—92，以下简称《民规》)5．1．2条规定需要保护的电子信息系统必须采取等电位联结与接地保护措施，对所有设备选用一个“共用接地”是很普遍的做法，如图2所示。这在理论上也并无过错，对一些从事电子工程设计的人员来讲现在需要明白和理解：工程界的接地是保证人身、设备安全；为了保证电子设备的性能，设计者需要重视和明确电子设备接地的特定要求。例如：广泛使用的数字型功能设备的接地，实施中应当先要满足规范要求，尔后还要核对设备出厂标准，以其中严格的条例规定作为设计原则和施工依据；对室外的摄像机等户外电子设备的接地，很多设计和施工还是沿用室内的做法，也没有物理防雷等措施；有的工程选用防过电压器件作为防雷的主体，其效果微乎其微。结果是导致落雷过程击坏摄像机的事故时有发生，有的甚至殃及到中心设备；这些都是没有提供标准或具体的图纸和做法所致。还有，综合布线工程，厂家对屏蔽的要求讲了很多的单点接地、多点接地等，但是对施工工程接地、机架处理等要求不是很明确． 究其原因多是混淆了工程上的电压屏蔽与电流屏蔽的不同，电流屏蔽应该是两端接地、电压屏蔽是一端接地。至于具体工程的选择，要看工程设备性质，并且从电磁干扰分析中取舍接地方式。

        涉及到防雷接地时，在对待电子设备的环境与雷电产生灾害的关系上，防灾的措施、方法，在相应的规范里都有所强调；但是至今在国内、国外工程界还没有给出一个统一的好方法，只是推荐工程设计、施工注意调整设备的工作位置，或附加防过电压器件以期换回比较好的使用效果，之所以有这样的思路是缘于电子设备器件自身的脆弱性和整机结构的特殊性。

        由于防雷问题的参与，还要考虑防雷接地与电力接地不容易分开的事实， 《民规》l2．9．1l条规定，为了防止反击．防雷装置应与电力设备及金属管的接地装置相连。所以在电子系统内要非常注意电子设备通过直接或间接方式的接地以及彼此产生的通路．对于那些不采取合适的措施而只强调一种形式，很容易产生事故或者损坏系统设备。

        4 从电子设备的原理与结构分析接地的特殊性

        下面结合电子产品设备的原理和结构来综观它的接地类型与工程接地的异同点，供相关人员参考和取舍。

        以典型电子放大电路为例(如图3所示)，电子电路的工作电压一般很低，基本上是在5V左右(或12—24V)，是一个低电压、直流方式、小电流系统。电路的性能指标对直流电源的质量很敏感，大多是要求波纹电压的幅值在几毫伏一几十毫伏内；与之配套的电阻、电容、电感元件也是低压系列，所以在“自身”的环境中，工作状态还是可以保证的；但对电源的断续／波动供电是不允许的。

        从电位上看， “电路”的自身只要具有了高、低电位就可以形成直流回路、信号回路，工作进入正常状态：其自身的参考基点就是电路的“0 V”点了，也就是“模拟信号地”，看不出需要外界的参考电位了(工程接地)。

     “数字电路”的工作过程与图3所示的有些雷同，见图4。

        图4中的信号输入与输出幅度值是相同的，是脉冲的传递，当有干扰信号叠加或电位波动的时候，对电路信号的影响就小多了，也就是抗干扰性能提高了：而这里的信号传递也是相对于电路本身的地电位而言．不需要其他的参考点。又因为其多用于逻辑系统中的逻辑单元电路，把这里的0V点称之为“逻辑地”。实际上在计算机中针对的是数字电路，逻辑地只是传输的参考点；信号在逻辑电路中，多是“1”、?0’作为传递信号。

        数字电路对信号的处理只是传递、整形，不是放大．因而对外界的噪音不像线性电路那么敏感，线性电路的输入端模拟信号比较小，输出端虽然是放大的信号，也只有几伏，与电力信号相比不在一个数量级上．因为工作环境要求较高，所以对干扰很敏感，不能像电气工程那样可以忽略不计。

        干扰一般来自对输入信号的叠加或直流电源的脉动信号的耦合，对于电气工程还涵盖着50V的安全电压区间。对中性线即使有几伏的交流电压，一般认为是安全的，但这都远高于电子电路的工作要求；由于这些理论、技术要求都是源于各自的专业技术规则，所以对待干扰的理解和界定也不一样。

        电子设备的物理结构如图5所示，通常是逻辑信号地(数字类型)的结构体积偏大一些，内部多为插件板结构。从图5中可以看出主板／插件板的本体内都有信号接地的“地”，通过本体及相对应的结构插槽与母板的“地”连接。至此设备内部信号的参考电位被连接成一体了。

         在图5中还可以看到电源单元，对接地没有严格的规定，只是在对远端、异地信号通讯的时候才考虑接地和电位平衡，所以对信号而言， 图5中是否接地都不影响该类电子设备的工作。例如：笔记本电脑，乘飞机在35O00ft(合10 668m)高空飞行，它能继续工作(包括通过雷暴)。它没接地到任何物体，但是仍然工作很好。

         当有一个设备要与远距离设备通讯，这里的“地” 与外界的联系还要考虑远端的距离、方式、性质等，再选择对应的方式，例如电缆、光缆等，见图6

         5 电子设备是否接地不能一概而论

        因环境的要求和人为因素，会导致电子设备外壳有接地和不接地的类型。例如：实际应用中也出现过有的设备接地方式不理想，在开机通电的时候，偶尔有“麻电”的感觉(此时已经影响了操作)，其中的问题就是因为电子设备结构(紧凑)拥挤，会存在潮湿季节里电源单元产生漏电的现象，这就说明了在工程上用接地来保证人身安全的重要。

        有的电子设备因为没有接地而出现了工作不稳定的现象：在一长40m、宽20m、其楼层地面距离室外地面3m高的仪表车间内，使用一台“电位差计”的时候出现过其指示表针不能静止、不停抖动的现象。后经过查找和替换几个设备、改变接线等都不能使系统进入正常的工作状态。当从室外独立引入了一条长7m的单芯“接地线” 后，电位差计的指针立刻稳定并且可以连续读数，进入正常的工作状态。这类接地应当属于屏蔽接地的类型，见图7。其未接地以前，设备外壳感应的空间电磁场电荷对外壳“充电”，而这个电荷又感应到设备内部．{zh1}传人信号灵敏的输入端。经过放大等使设备不能正常工作，当外壳接地后泄放了电荷，干扰降低，工作进入正常环境。

        通常的交流电50 Hz的感应电压以及中性线的残余电压对电子设备的干扰与之类似；设置电子设备接地与导线的屏蔽接地，就是降低上述类型的干扰。

        在某市级广播电台发射塔2km 范围内．在使用一台“数字流量计”的时候．见图8．出现了数字指示乱码状态，当去掉了不足2m长的单芯接地线后．设备指示和读数恢复正常。这类现象属于场地的高频干扰太大没有好的频接地，工频接地反而加大了干扰．使得设备不能工作．这应当属于屏蔽的问题。

        还有，计算机房以及屏蔽室的建设，在处理屏蔽接地、防静电处理的时候往往容易受到环境的约束，所以大多是利用电阻分压原理来解决：一种是让接地电阻很大(绝缘)；另一种是作到很好接地(视接地电阻为零)。其目的都是降低干扰，这样做能减少或避免外界的电磁波对电子设备工作的影响。

         在做防静电接地处理时主要是防止静电产生的破坏。有资料显示当静电电压达到15 kV时，放电电流可以达到7．5 A ， 由于积蓄能量小， 放电时间也很短，这对目前的大规模集成电路芯片来讲还是不能承受的破坏性电能； 当人体带有类似的静电去接触计算机系统而放电时更是十分危险。另外静电超过2kV 的时候，能引起磁盘设备出故障；大量积生的静电荷也会严重损坏磁媒介上所存储的数据；产生静电后的磁带或磁盘读写头极容易吸附尘埃杂质，从而导致元件的早期损坏。

         类似以上的几种接地方式，在国际上也一直有着不同的观点和做法，通常是对接地肯定的比较多。单独接地或不接地的也有；国外对很贵重的大型计算机系统是否接地问题，各方也是各持己见，争论不休。接地与不接地的两种方式目前都在工程中选用，然而系统的工作也都各有利弊。

        对很多企业，特别是电厂、冶炼厂等大功率环境，其区域内有一个很大的地线网，而通常供电系统的“地” 是与地线网连在一起的，所以国外一些大型电子设备制造厂家强调计算机系统的所有接地必须和供电系统地以及其它地(如避雷地)严格分开．而且之间至少应保持15m 以上的距离。从抑制干扰的角度来看．将电力系统地和计算机系统的所有地分开是很有好处的．因为一般电力系统的地线有残余高次谐波及不平衡电压。但从工程角度来看，在有些场合下若是单独设计算机系统地并保证其与供电系统地隔开一定距离是很困难的：这时能否将计算机系统的地和供电地共用一个，还要考虑几个因素：① 供电系统的地线上是否干扰很大，如大电流设备启、停过程是否频繁，对“地” 产生的干扰是否大：② 供电系统地的接地电阻是否足够小，而且整个地网各个部分的电位差是否很小，即地网的各部分之间是否阻值很小。

        以上的说法以及图7和图8所示的情况，仅是比较特殊的例证．但是它提示我们在工程中要根据实际情况去解决接地的问题，不宜千篇一律。

         6 电子设备问通过RS 485接口通信时接地不当会产生一些问题

         另外，现代的工程中经常有很多的电子设备需要与远端或异地的电子设备连接，以期传送电子信息，见图6。这里面就存在着两个电子设备之间在建立的信息链路中，有可能不是同一个交流供电系统，它们彼此之问就有可能产生一个连接电位差问题，也就导致信号的参考点会不一致的现象。影响通信甚至系统不能作。

        信息链路是彼此连接到对方设备的接口，例如：RS～485协议下的连接，见图9、图10。

         RS一485的接地处理不当会导致电子设备接口损坏、不能稳定工作甚至危及系统安全。

        很多情况下，连接RS一485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来，这种连接方式在许多场合是能正常工作的，但却忽略“信号地” 的连接，这会产生以下问题：

         a．共模干扰问题： RS一485接口均采用差分方式传输信号，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。当RS一485收发器共模电压为一7～+12V时．整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。以图1 1为例， 当发送驱动器A向接收器B发送数据时．发送驱动器A的输出共模电压为Vo ， 由于两个系统具有各自独立的接地系统，存在着地电位差 肿。那么，接收器输入端的模电压 就会达到 ：vo + 。。Rs一485标准均规定vo ≤3 V，但 肋可能会有很大幅度(十几伏甚至数卜伏)，并可能伴有强干扰信号，致使接收器共模输入 超出正常范围，影响正常通信，重则损坏通信接口电路。

         b．发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道(信号地)，就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。

        由于上述原因， RS一485尽管采用差分平衡传输方式，但对整个RS一485网络，必须有一条低阻的信号地。一条低阻的信号地将两个接口的工作地连接起来，使共模干扰电压 肋被短路。这条信号地可以是额外的一条线(非屏蔽双绞线)，或者是屏蔽双绞线的屏蔽层。这是最通常的接地方法。

        还有，工作中常选用测量仪器类设备(示波器、频率计、传输测量仪)去测试和检测在线设备，设备的连线见图6，通常的情况下为了减除干扰的影响，测量设备的外壳需要接地工作，也就是说没有接地的电子设备在这个环节中是通过测量设备的外壳间接与交流地电位产生了相关条件，出现了间接接地的现象。所以说，接地不是电子设备自己可接可不接的问题，而是不能回避的问题。

 7 雷击时电子设备的影响与防雷接地需注意处

        前面叙述的是远距离通讯系统的设备接地的情况，在工程中或许值得考虑和借鉴。但是还有诸多的电子设备构成系统运行中，彼此的信号传递还要受到环境的干扰和影响，为了稳定系统工作，还要注意诸如雷电、射频辐射、气体放电等产生的影响。现行规范对于建筑物防雷有比较高的要求(参见图2)；接闪器、引下线(柱子内的钢筋)、接地极构成了典型的防雷系统。

        对一些工程而言．地下的桩基础多数是钢筋混凝土结构，适合作为一种接地通道。在实际工程中，地下室的周围通常又做了防水处理，所以利用桩基础接地时，其接地的“湿润条件”可能要减少一些(有可能躲过潮湿区域)，这个时候的实际接地电阻值不会很低，与设计的要求值可能有差别，值得设计、施工注意和研究。

        如下值可供参考：当桩基的规格长度为L=20～30 m、直径D=0．3～3m时，在干燥土壤中其接地电阻可以粗略为170～43Q 之间；在比较潮湿土壤中其接地电阻可以粗略为17～4Q之间。

        另外，规范对3～l0 kv高压供电系统，强调入户的管线要接地；而且与防雷接地紧密、可靠地连接在一起，并明确限制接地电阻的大小。工程上多要求其小于1Q。

         高大建筑物受到雷击时，大楼内冲击电位分布和空间瞬时电磁场关系到建筑物内人身和设备的安全。由于受冲击时地电位升高，将影响到装在大楼内而与楼外有电气联系的网络系统。一般情况下，雷电对建筑物的设备危害来自三个方面，首先，浪涌电流沿着电源供电缆线进入网络系统；其次，由于地电位对网络系统产生影响，设备的冲击阻抗的反击地电位通常可达数十至数千伏；另外，现代的计算机网络对雷电极为敏感，即使几公里以外的高空雷闪或对地雷闪的雷击电磁脉冲都有可能导致计算机的误动或损坏。根据国外资料介绍0．03Gs的磁场强度可造成计算机误动。2．4Gs即可将元件击穿。

        若控制系统的信号线缆与电力电缆毗邻或叠落敷设，极易导致落雷期间的感应电磁波损坏电子输入接口、系统瘫痪等事故。

        IEC一61644对连接通信、信号网络接口的浪涌保护装置提出了基本的要求和测试方法。

         一相关案例：上世纪60年代。在使用一台锗晶体管逻辑的44—1B型通用数字计算机的时候，其三个机柜安装在一个建筑物内的二层。楼的屋面距离室外地面7．0 m；其室内地面距离室外地面3．5 m，净高3．5 m，面积是四十多m 。机柜下面铺设2 mm厚的铜板外延并连接“接地极”；接地极用直径为80 mm的紫铜棒，埋深到地面下3．0 m．独立接地方式，见图12， 接地电阻很小(R<1Q)。系统选用380 V／50 Hz三相架空敷线供电；为了运行安全，在室内增加了供电断相互锁继电器。

        雨季，一次屋檐角的落雷经电线窜入供电回路放电，计算机的机柜有火光闪烁并伴有比较响的声音，电器开关跳闸；计算机供电回路开关也跳闸。

        因为有了电气断相保护的缘故，计算机没有被损

坏，人员无伤。

       案 例说明：很好的接地、很小的电阻会导致静电现象和放电；建筑物的{zg}点容易落雷；选择计算机工作位置及环境需全面综合考虑，这些都是值得其它工程参考的。

        工程习惯上为了防止反击，采用防雷装置与电力设备及金属管的接地装置相连是很好的措施；若是在工程上的设备拒绝这种接地处理，除了要求厂家的设备提供抗干扰的器件外。在供电上应该选择特殊结构的隔离变压器等供电模式隔离接地。为了达到比较好的干扰抑制效果，有下面几点可供参考：①变压器的屏蔽层要很好地接地；②变压器的次级线圈宜用双绞线结构；③变压器的初级和次级线圈宜独立配装。

        用欧美国家的一些大型电子设备的时候，要注意其使用说明书中对出厂后的要求和承诺：有的很明确的表示其电子设备要选择独立接地系统工作、与其他的接地系统严格分开。在这里可以看到电子技术为了满足抗干扰的要求，往往强调的是独立接地，有“超出” 我们的普通工程规范的问题：在工程上提倡共用一点接地方式与推荐独立接地建议的二者之间存在的矛盾又难于融合，解决的办法只能是依据系统工作的可靠性为考虑实施方案的基点。建筑物内的设备按TN—S系统接地是一种典型的接地方式(如图1所示)， 也就是说“电气”设备必须要完成接地。电子设备在测量、外连接系统的时候就脱离不开接地(不管电子设备自身接地要求如何)，所以争论中的接地与不接地问题应该在工程中明确技术措施，防止日后的使用产生遗留问题，给使用一个合理的环境。

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