电路中的接地分析.docx

1、电路中的接地分析 电路中接地分析 目录摘要 1第1章 绪论 31.1 课题来源及研究的目的和意义 31.2 国内外技术现状及发展趋势 31.3 主要研究内容、研究方法及思路 51.4 本章小结 6第2章电路设计中的接地分析 72.1 地的分类 72.2 接地分析 82.3 本章小结 9第3章 接地行业发展现状及趋势 103.1 防雷市场现状 103.2 接地市场现状 103.3 保护接地的概念 113.4 本章小结 11总结 12参考文献 13致谢 14摘要摘要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

2、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。比如在通信系统中，大量设备之间信号的互连要求各设备都要有一个基准地作为信号的参考地。而且随着电子设备的复杂化，信号频率越来越高，因此，在接地设计中，信号之间的互扰等电磁兼容问题必须给予特别关注，否则，接地不当就会严重影响系统运行的可靠性和稳定性。最近，高速信号的信号回流技术中也引入了“地”的概念。关键词:

3、接地保护 防雷市场 接地市场 第1章 绪论1.1 课题来源及研究的目的和意义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。比如在通信系统中，大量设备之间信号的互连要求各设备都要有一个基准地作为信号的参考地。而且随着电子设

4、备的复杂化，信号频率越来越高，因此，在接地设计中，信号之间的互扰等电磁兼容问题必须给予特别关注，否则，接地不当就会严重影响系统运行的可靠性和稳定性。最近，高速信号的信号回流技术中也引入了“地”的概念。随着人们对安全用电的越来越重视，家庭电路接地就成了必不可少的环节，接地后，即将所有电气设备的外壳接地，当电气设备绝缘损坏或老化而使外壳带电时，能够保证接触设备外壳的人员的人身安全。另外发变电站接地装置通过降低接地电阻和采取均压措施来保证接触电压和跨步电压满足人身安全要求。接触电压是指故障时人体接触与接地装置相连的设备外壳或金属构件时人体所承受的手和脚之间的电位差，而跨步电压则是故障时人体两脚之间所

5、承受的电位差。 1.2国内外技术现状及发展趋势接地就是将电器设备的某些部位、电力系统的某点与大地相连，提供故障电流及雷电流的泄流通道，稳定电位，提供零电位参考点，以保证电子、电器设备的正常运行和人员的人身安全。接地从类别来看分为防雷接地、交流工作接地、安全保护接地、直流接地、屏蔽接地与防静电接地。防雷接地和其他接地(电气安全、防静电、工作地)可能共地，也可能分地。从应用来说，接地具有更广泛的需求。常规接地技术主要是利用接地体几何尺寸，实现接地泄流、降低接地电阻的目的，大量使用角钢、扁钢等构筑地网。现在由于各行业新技术、新设备的广泛运用，对接地提出了更多新的要求，接地工程需求增大。接地技术厂家也

6、为在该行业取得先期市场而积极提高自己的技术优势，多种优化接地技术、新型接地专利产品在市场上逐步兴起。在接地技术行业，地网材料从钢质铜质的演变引发了行业对电化学腐蚀的关注，并推动了新型接地材料的问世。工程技术人员在全面综合接地网的泄流耗散能力、地网结构、寿命和稳定性的基础上构建科学、安全、稳定、持久的整体等电位接地系统。新型接地材料的适用性更加广泛，为接地工程的设计和实施提供了更多的选择，比如：考虑低电阻的铜包钢接地极、离子接地极;考虑地网结构和稳定的放热焊接技术及产品;考虑综合性价比的复合接地模块;考虑使用寿命的带阴极保护的锌包钢接地极、锌包钢离子接地极等。由于大量新型接地材料和新技术方案的采

7、用，我国高土壤电阻率条件下的接地技术得到迅速发展。 目前，国内各行业针对自身情况已制订或正在制定比较细致的接地行业标准，国内接地技术规范逐步趋向于与国际技术规范接轨，部分等同采用国际规范。1.3主要研究内容、研究方法及思路 1) 接地线-电气装置、设施的接地端子与接地极连接用的金属导电部分。但凡用电，就得有电位差（譬如，没有220v的电位差，就不可能有我们的日常用电），可若电位差因故障出现在不该出现的地方，则会导致危险甚至致命的事故（譬如电热水器漏电导致电位差转移至人体上，则会造成致命的后果，事实上这样的事故年年都有报道）。然而，故障却是无法避免的，无论电气工程师作多大的努力，都无法绝对避免，

8、为此，必须有合理的接地系统以最快的方式消除这些可能产生的故障电流，为此，就得实现最低的接地电阻值。 (2) 保护接地-电气装置的金属外壳、配电装置的构架和线路杆塔等，由于绝缘损坏有可能带电，为防止其危及人身和设备的安全而设的接地。 （3） 接地的作用主要是防止人身遭受电击、设备和线路遭受损坏、预防火灾和防止雷击、防止静电损害和保障电力系统正常运行。接地保护是在确保人身和设备最大安全的情况下，使故障电流流回电源，只要条件允许，任何系统均应有保护接地，接地电阻值越低越好。1.4 本章小结本章介绍了课题的研究的来源和意思，分析当前国内外接地技术实际状况和应用范畴，针对接地线和基本研究方法展开了讨论和

9、研究，为本论文做出了开门见山的作用，展开论文的内容。第2章 电路设计中的接地分析2.1 地的分类 工程师在设计电路时，为防止各种电路在电路正常工作中产生互相干扰，使之能相互兼容地有效工作。根据电路的性质，将电路中“零电位”“地”分为不同的种类，比如按交直流分为直流地、交流地，按参考信号分为数字地（逻辑地）、模拟地，按功率分为信号地、功率地、电源地等，按与大地的连接方式分为系统地、机壳地（屏蔽地）、浮地。不同的接地方式在电路中应用、设计和考虑也不相同，应根据具体电路分别进行设置。1、信号地信号地（SG）是各种物理量的传感器和信号源零电位以及电路中信号的公共基准地线（相对零电位）。此处信号一般指模

10、拟信号或者能量较弱的数字信号，易受电源波动或者外界因素的干扰，导致信号的信噪比（SNR）下降。特别是模拟信号，信号地的漂移，会导致信噪比下降；信号的测量值产生误差或者错误，可能导致系统设计的失败。因此对信号地的要求较高，也需要在系统中特殊处理，避免和大功率的电源地、数字地以及易产生干扰地线直接连接。尤其是微小信号的测量，信号地通常需要采取隔离技术。2、模拟地模拟地（AG）是系统中模拟电路零电位的公共基准地线。由于模拟电路既承担小信号的处理，又承担大信号的功率处理；既有低频的处理，又有高频处理；模拟量从能量、频率、时间等都很大的差别，因此模拟电路既易接受干扰，又可能产生干扰。所以对模拟地的接地点

11、选择和接地线的敷设更要充分考虑。减小地线的导线电阻，将电路中的模拟和数字部分开，在PCB布线的时候，模拟地和数字地应尽量分开，最后通过电感滤波和隔离，汇接到一起。如图1所示。模拟地和数字地3、数字地数字地（DG）是系统中数字电路零电位的公共基准地线。由于数字电路工作在脉冲状态，特别是脉冲的前后沿较陡或频率较高时，会在电源系统中产生比较大的毛刺，易对模拟电路产生干扰。所以对数字地的接地点选择和接地线的敷设也要充分考虑。尽量将电路中的模拟和数字部分分开，在PCB布线的时候，模拟地和数字地应尽量分开，最后通过电感，汇接到一起。4、悬浮地悬浮地（FG）是系统中部分电路的地与整个系统的地不直接连接，而是

12、通过变压器耦合或者直接不连接，处于悬浮状态。该部分电路的电平是相对于自己“地”的电位。常用在小信号的提取系统或者强电和弱点混合系统中。其优点是该电路不受系统中电气和干扰的影响；缺点是该电路易受寄生电容的影响，而使该电路的地电位变动和增加对模拟电路的感应干扰。由于该电路的地与系统地没有连接，易产生静电积累而导致静电放电，可能造成静电击穿或强烈的干扰c 因此，悬浮地的效果不仅取决于悬浮地绝缘电阻的大小，而且取决于悬浮地寄生电容的大小和信号的频率。在图2所示的VDD-SGND的电源供电系统中，所有工作点相对的地都是SGND，但是SGND和DGND之间是电平处于悬浮状态，VDD-SGND的电源供电的系

13、统与整个系统的连接完全通过变压器耦合，在这里设计的时候需要注意信号的连接方式。悬浮地变压器耦合5、电源地电源地是系统电源零电位的公共基准地线。由于电源往往同时供电给系统中的各个单元，而各个单元要求的供电性质和参数可能有很大差别，因此既要保证电源稳定可靠的工作，又要保证其他单元稳定可靠地工作。同时，电源系统功耗比大，在单层板或者双层板中地线的线宽必须加粗。若在多层板中，则应以一层或者多层作为系统的地平面。6、功率地功率地是负载电路或功率驱动电路的零电位的公共基准地线。由于负载电路或功率驱动电路的电流较强、电压较高，所以功率地线上的干扰较大，因此功率地必须与其他弱电地分别设置、分别布线，以保证整个

14、系统稳定可靠地工作。2.2 接地分析在低频电路中，信号的工作频率小于1MHz，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应采用一点接地。当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。当工作频率在1MHz10MHz时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1-20，否则应采用多点接地法。工作接地按工作频率而采用如图3所示几种接地方式。 图3 信号接地方式2.2.1单点接地，多点接地，混合接地，悬浮接地工作频率低（10MHz）的采用多点接地式（如图5所示）。在该电路系统中，用一块接地平板代替电路中每部分各自的地回路。

15、因为接地引线的感抗与频率和长度成正比，工作频率高时将增加共地阻抗，从而将增大共地阻抗产生的电磁干扰，所以要求地线的长度尽量短。采用多点接地时，尽量找最接近的低阻值接地面接地。此处电路板最好设计为多层电路（4层以上），提供一层作为地平面。 图5 多点接地混合接地工作频率介于1MHz10MHz, 的电路采用混合接地式。当接地线的长度小于工作信号波长的1/20时，采用单点接地式，否则采用多点接地式。根据系统的需求和电路的需要进行合理的安排。悬浮接地悬浮接地是系统的地与大地不直接连接，而是通过变压器耦合或者直接不连接，处于悬浮状态。悬浮接地应注意以下几点：（1）尽量提高浮地系统的对地绝缘电阻，从而有利

16、于降低进入浮地系统中的共模干扰电流，保证系统的可靠性。（2）注意浮地系统对地存在的较大寄生电容，高频干扰信号通过寄生电容仍然可能耦合到浮地系统之中，在设计时一定要注意。（3）悬浮接地技术必须与屏蔽、隔离等电磁兼容性技术相互结合应用，才能收到更好的预期效果。（4）采用浮地技术时，系统容易积累静电，当静电积累到一定应程度后，可以对人和设备产生很多的损害，所以要注意静电和电压反击对设备和人身的危害。2.2.2 接地电阻（一）对接地电阻的要求对电路系统而言，接地电阻越小越好，因为当有电流流过接地电阻时，其上将产生电压。该电压除产生共地阻抗的电磁干扰外，还会使设备受到反击过电压的影响，并使人员受到电击伤

17、害的威胁，同时还带来系统的工作的不稳定性和发热。为了保护系统的正常工作，我们在设备接地时对接地电阻提出要求，一般要求接地电阻小于4；对于移动设备，接地电阻可小于10。系统接地的等效电路如图6所示。系统接地不好，还会带来寄生电感和寄生电容，这些可以导致地平面发生振荡。 图6 接地电阻的影响（二）降低接地电阻的方法接地电阻由接地线电阻、接触电阻和地电阻三部分组成。为此，降低接地电阻的方法有以下三种：1、降低接地线电阻降低接地线电阻的方法有增大导线的宽度，或者采用多层板，给出一层或者多层电源层，降低导线的内阻。信号层可以对采用覆铜的方式。覆铜的类型有：（1）整板（全部）覆铜；（2）局部（部分）覆铜；

18、（3）分区覆铜（用于地种类复杂，而且地线有不同的分区，比如模数混合电路）；（4）分网络覆铜（系统的特许需要，对某个或者几个特定的网络覆铜）。2、降低接触电阻降低接触电阻，为此要将接地线与接地螺栓、接地极牢靠地连接，同时要考虑系统接地极和土壤之间的接触面积与紧密度。增加地极和土壤之间的接触面积与紧密度，可以减小接触电阻。有的设备为了降低接触点之间的电阻，在接触点采用导电性能良好的材料；为了防止金属被氧化而增加接触电阻，必要时可以在接触点镀银或者镀金来保持良好的接触效果，减小接触电阻。3、降低地电阻降低地电阻，有些特殊系统，必须增加接地极的表面积和增加土壤的导电率（如在土壤中注入盐水）。则系统的垂

19、直接地极接地电阻R为：式中：e代表土壤电阻率； L代表接地极在地中的深度 D代表接地极的直径。接地电阻计算公式例如，黄土取200.m,L为2cm,d为0.05，则垂直接地极接地电阻R为80.67。如在土壤中注入盐水，使=20.m时，则接地极接地电阻R为8.067。从上面的比较中，可以清楚地看出，接地电阻随着大地电阻率降低而减少。在一些特许系统中，对接地电阻和地电阻要求比较严格时，降低大地的电阻率，增加大地的导电性能是一个很好的办法。2.3 本章小结工程师在设计电路时，为防止各种电路在电路正常工作中产生互相干扰，使之能相互兼容地有效工作。根据电路的性质，将电路中“零电位”“地”分为不同的种类，比

20、如按交直流分为直流地、交流地，按参考信号分为数字地（逻辑地）、模拟地，按功率分为信号地、功率地、电源地等，按与大地的连接方式分为系统地、机壳地（屏蔽地）、浮地。不同的接地方式在电路中应用、设计和考虑也不相同，应根据具体电路分别进行设置。从上面的比较中，可以清楚地看出，接地电阻随着大地电阻率降低而减少。在一些特许系统中，对接地电阻和地电阻要求比较严格时，降低大地的电阻率，增加大地的导电性能是一个很好的办法。第3章 接地行业发展现状及趋势3.1 防雷市场现状1、综合防雷技术及其主要产品 通常，人们把雷电造成的危害分为直击雷害和感应雷害。直击雷害是指因为闪电直接击中目标物即直击雷产生的路效应（传导）

21、而造成的破坏，如建筑物损坏、森林火灾、油库爆炸、职员伤亡等；感应雷害是指在雷电放电过程中，因为强盛的雷击电磁脉冲（LEMP)直击雷产生的场效应（感应）对四周的电子设备、通信设备等产生的破坏，这种劫难往往造成严峻的经济损失，也是经济发达地区雷电劫难的主要形式。 综合防雷就是针对雷电可能侵入系统的途径，综合采用各种降低雷片子响的措施的防护系统。综合防雷分外部防雷（接闪、引下、接地）和内部防雷（等电位连接、屏蔽、综合布线和SPD（电涌保护器）。 外部防雷主要依据是国际电工委员会IEC62305雷电防护14以及建筑物防雷设计规范等中国国家尺度。外部防雷通常采用避雷针、避雷带、避雷线、避雷网作为接闪器，

22、通过引下线将雷电流引入接地网泄放到大地。 内部防雷是改善建筑物构筑物内部电磁环境，包括六项措施：分流、屏蔽、等电位连接、公道布线、电压限制和共地，设置、安装线路SPD属于分流技术和电压限制技术。2、防雷市场的增长情况及市场规模 有专家以为，作为综合防雷的一个节点，SPD的价值约占综合防雷整体产值的30%。SPD通常分多级保护，用量极大，是绝大多数防雷厂家的主打产品，因此，可以用SPD的产销量来分析防雷市场的状况。根据捷孚联合(JFUnited)的调查讲演，20022004年，中国SPD市场整体增长速度在30%左右，20042006年，整体市场增长速度在40%左右；2008年受外部经济环境的影响

23、，SPD的行业增速整体下降到25.3%。讲演指出，2006、2007、2008年中国SPD市场规模约是14亿元、20亿、30亿左右。2008年业内年销售业绩在1000万元以上的SPD制造企业近40家，其总销售业绩约12.8亿元人民币，约占2008年中国SPD总销售量的40%左右。2008年，防雷行业的年市场总需求已接近165亿元人民币。 可见，近两年SPD整体市场增速有明显加快，防雷市场的增长速度较为不乱。3、防雷市场格式及竞争状况 防雷市场的地舆分布与雷暴日的多少紧密亲密相关。雷击较频繁的南方地区是防雷产品的主要市场，尤其是海南省、广东省、广西省、福建省、贵州省等省份，对防雷的需求旺盛；从地

24、区经济差异来看，经济较发达的地区的防雷产品应用比例显著高于经济欠发达地区；从区域市场特点来看，南方防雷市场比北方大，但南方防雷厂商众多，竞争较为激烈，现在一些南方发达地区的二三级城市的防雷应用都已经比较普及；北方防雷市场主要集中在京、津、冀及其周边地区，少部门品牌渗透渗出到了县级城市；东北、山西、内蒙以及西部的大部门地区受雷暴日较低因素的影响防雷市场空缺较多。 通信、建筑、铁路、电力、石化、矿山、自动化、风电、环境工程和戎行是SPD的重要应用领域，其中通信和建筑两大领域的销售量超过50%。在通信行业，因为海内着名厂家的SPD的品质已不逊于国外品牌，加之渠道和价格上的上风，以盾牌、雷安、中光、雷

25、迅、海鹏信、万利等为代表的海内品牌已逐步占据主流地位，大有取代部门国外品牌之势。在建筑电气领域，相对国外着名企业来说，分散的地域和渠道增加了客户开发的本钱和难度，却给海内中小企业提供了较大的生存空间。在铁路领域，深圳科安达公司以近三成的市场份额占据了绝对上风，而屈居第二位的OBO占了不到10%的份额。自动控制、风电等领域因为专业性更强、技术门槛更高，进入难度较大，目前只有DEHN等少数国外品牌唱主角。而矿山、石油化工、国防军事等领域因为对产品安全性要求苛刻，价格敏感度相对较弱，是海内外SPD品牌厂商未来几年持续关注的焦点。 固然经由十年的高速增长，因为近年来防雷技术水平大幅度进步，海内企业之间

26、以及与外资品牌之间的产品技术差距不断缩小，再加上价格竞争的加剧和海内新进入SPD行业企业的增多，今后SPD的市场份额将更为分散，给系统集成厂家配套及防雷工程招标中多家供货的情况将更为多见。3.2 接地市场现状1、接地技术及新产品运用 接地就是将电器设备的某些部位、电力系统的某点与大地相连，提供故障电流及雷电流的泄畅通流畅道，不乱电位，提供零电位参考点，以保证电子、电器设备的正常运行和职员的人身安全。接地从种别来看分为防雷接地、交流工作接地、安全保护接地、直流接地、屏蔽接地与防静电接地。防雷接地和其他接地(电气安全、防静电、工作地)可能共地，也可能分地。从应用来说，接地具有更广泛的需求。 常规接

27、地技术主要是利用接地体几何尺寸，实现接地泄流、降低接地电阻的目的，大量使用角钢、扁钢等构筑地网。现在因为各行业新技术、新设备的广泛运用，对接地提出了更多新的要求，接地工程需求增大。接地技术厂家也为在该行业取得先期市场而积极进步自己的技术上风，多种优化接地技术、新型接地专利产品在市场上逐步兴起。 在接地技术行业，地网材料痈种省 实难荼湟 诵幸刀缘缁 吹墓刈 贫 诵滦徒拥夭牧?br的问世。工程技术职员在全面综合接地网的泄流耗散能力、地网结构、寿命和不乱性的基础上构建科学、安全、不乱、持久的整体等电位接地系统。新型接地材料的合用性更加广泛，为接地工程的设计和实施提供了更多的选择，好比：考虑低电阻的铜

28、包钢接地极、离子接地极；考虑地网结构和不乱的放热焊接技术及产品；考虑综合性价比的复合接地模块；考虑使用寿命的带阴极保护的锌包钢接地极、锌包钢离子接地极等。因为大量新型接地材料和新技术方案的采用，我国高泥土电阻率前提下的接地技术得到迅速发展。 目前，海内各行业针对自身情况已制订或正在制定比较细致的接地行业尺度，海内接地技术规范逐步趋向于与国际技术规范接轨，部门等同采用国际规范。2、接地的市场容量 因为接地市场涉及的行业面广，要精确的总结整个接地市场的容量难度较大。我们从几大重点行业的年建设（改造）投资额及各行业接地建设投入比率（从历年来各基建、改造项目中的接地比率均匀）估计出该行业用于接地的大概

29、市场容量。（1）电力市场（2）石油石化市场（3）铁路市场 综合上述重点行业的接地市场容量，再考虑其他行业（通讯、民航、民用建筑、钢铁、煤炭等行业）的接地需求，我们以为，目前中国新型材料接地市场的总需求容量在20亿元以上。 此外，跟着各大行业的安全需求及相关尺度的加强并逐步与国际尺度接轨，新型防雷接地材料相对传统防雷接地材料的使用比率将逐步加大，传统接地方式及材料逐步萎缩，新型防雷接地材料的市场容量将得到爆发式的扩张。好比，目前电力行业中采用传统扁钢、角钢等钢结构接地材料和使用新型接地材料的比率大概为19:1，即76亿的电力接地容量仅有4亿左右的新型材料份额，所以该比率只要能进步一点，新型材料的

30、份额都能得到成倍的扩大。3、接地市场格式及竞争状况 相对于新型接地材料的运用而言，中国的接地市场方兴未艾。跟着各行业接地安全要求的进步，各种新型接地材料和新的接地技术开始进入安全规范或设计尺度，在一些运用中取代传统的钢结构、电弧焊等接地材料和方式，并以每年50%以上的速度急速扩容。从2000年开始，跟着业务需求量的放大，海内新型接地材料厂家数目迅速增加，目前，各厂家业务基本还集中于自己熟悉的地域或行业。尽管海内配套企业及工程招标已泛起多家供货的情况，但介入投标的厂家数目有限，说明接地行业目前竞争性仍不激烈，还处于向阳行业初期的蓝海市场状态。四、远景分析1、巨额基础建设投入中的防雷接地份额 为了

31、应对全球金融危机导致的经济衰退，2008年11月9日，中国政府公布以四万亿元人民币的巨额投资计划拉动内需，这意味着未来几年国家基建投入能够保持平稳增长，也预兆着防雷、接地等相关行业将迎来良好市场环境和发展机遇。 综合“十一五”规划和四万亿的投资总额，电力、石化、铁路行业在2009年的基建投入预计约为9000亿元、9000亿元和7000亿元左右，依据防雷接地投入比例来看，仅接地业务容量可预计为：电力140亿（其中新型接地材料7亿）、石化20亿（新型接地材料8亿）、铁路6.5亿（新型材料）。 另外，未来几年通讯行业的将投入3000亿建设3G，截至2009年6月底，三大运营商完成3G投资约800亿元，建成19万个基站，约占总投入的27%。未来几年至少还将新建约60万个3G基站。假如按照均匀一个基站在防雷、接地上的花费5000元计算，60万个基站在防雷、接地上投入约30亿！2、铁路系统的防雷市场萎缩 铁路的三年干线防雷整治已经完成。三年中铁路信号系统共投入6亿多用于防雷。以后铁路的市场主