關(guān)于電子設備需要接地的注意事項

一、電子設備為什么要接地

　　很多人都知道，貴重儀器設備使用的時(shí)候，外殼都要接地，如采用三心電源插頭等。但為什么要接地，這個(gè)原因就很少人知道了。下面我們以三相發(fā)電機輸送線(xiàn)路的工作原理，來(lái)說(shuō)明設備接地的重要性。

　　通過(guò)對圖1的觀(guān)察，你很快就會(huì )明白，地線(xiàn)的作用主要是干什么的，即：地線(xiàn)的作用主要是用來(lái)防雷的。

　　在圖1中，紅線(xiàn)A、B、C表示高壓輸送線(xiàn)路，高壓輸送線(xiàn)路一般都用鐵塔空架支撐，用以對幾十萬(wàn)伏的交流電進(jìn)行遠距離傳送，這樣，其經(jīng)常受雷擊是不可避免的；為了避免雷擊，一般都在高壓線(xiàn)路的上方平行架設一條地線(xiàn)，這條地線(xiàn)一般稱(chēng)為避雷地線(xiàn)。所謂的地線(xiàn)就是與大地相連的導線(xiàn)，當打雷的時(shí)候，雷電首先會(huì )打到避雷地線(xiàn)上，避雷地線(xiàn)可把雷電引入地球，避免高壓輸送線(xiàn)路被幾億伏，乃至十幾億伏的雷電把發(fā)電機或變壓器的線(xiàn)圈與外殼擊穿，以及把與線(xiàn)路連接的其它電器設備遭受瞬間高壓沖擊而損壞。因此，圖1中的避雷地線(xiàn)與一般電子線(xiàn)路中的地線(xiàn)*是兩回事。

　　除了避雷地線(xiàn)之外，發(fā)電機和變壓器的外殼也要接地，這種接地叫防護接地。防護地線(xiàn)與避雷地線(xiàn)兩者是不同的，防護地線(xiàn)與避雷地線(xiàn)的最大區別是，防護地的地線(xiàn)一般沒(méi)有電流通過(guò)，而避雷地的地線(xiàn)在打雷時(shí)有非常大的電流通過(guò)，電流可大于數十萬(wàn)安培。避雷地的主要作用是把雷電高壓引入地球，以降低雷電高壓對電子設備的沖擊；而防護接地則是讓設備外殼的電位與地球相同，避免設備內部電路在強電場(chǎng)之下感應帶電產(chǎn)生位移電流，以及人體觸摸電子設備外殼時(shí)不會(huì )觸電。因此，兩者的作用是*不同的。

　　三相發(fā)電機的中線(xiàn)接地，也屬于防護接地，其作用是把發(fā)電機中線(xiàn)圈被感應的靜電高壓引入地球。當負載*平衡時(shí)，三相發(fā)電機的中線(xiàn)與地連接的地線(xiàn)是沒(méi)有電流通過(guò)的。但三相變壓器的中線(xiàn)接地不屬于防護接地，而屬于避雷接地，因為三相變壓器中線(xiàn)在與火線(xiàn)并排向用戶(hù)供電的同時(shí)，還擔當避雷的作用。當打雷時(shí)，中線(xiàn)通過(guò)接地可以把雷電的大部分能量引入地球，僅有少部分能量最后成為差模信號與輸送電壓混合在一起被傳送到用戶(hù)終端。

　　目前，人們對雷電的產(chǎn)生以及其所引起的災害認識并不很深。

　　我們知道，由于地球與電離層之間存在很強的電場(chǎng)，云朵在天空中首先要被極化帶電，然后在風(fēng)力的作用下，極化帶電的云朵很容易就會(huì )分離成兩個(gè)（或多個(gè)）部分，使之成為帶電體，一個(gè)帶正電（一般是下層），另一個(gè)帶負電（一般是上層）。所以，同一高度已經(jīng)帶電的云朵（即帶電性質(zhì)相同的云朵），在風(fēng)力的作用下很容易產(chǎn)生互相組合，使云體帶電的能量越來(lái)越大，即電位越來(lái)越高。當兩個(gè)帶異性電荷的云朵互相靠近的時(shí)候，或者帶電云體靠近地表面的時(shí)候，就會(huì )放電，即打雷。因此，只要有云和風(fēng)的存在，打雷的現象就會(huì )經(jīng)常出現，首先被雷擊的多數為高層建筑物。

根據統計：

　　地球平均每一秒鐘有100多次閃電，每次閃電產(chǎn)生的能量可供一個(gè)100瓦的燈泡點(diǎn)亮3個(gè)月；在雨季，平均每6分鐘就有一個(gè)人被雷電擊中，每年有成千上萬(wàn)的人因雷電擊中而喪傷；上海電視臺平均每年要遭受33次大的雷擊，最近遭受雷擊的時(shí)間是2010年4月13日，每次雷擊都會(huì )使電子設備遭受不同程度的損壞；1992年6月22日，北京國家氣象中心多臺計算機接口因感應雷擊被毀，損失二仟多萬(wàn)元。

　　隨著(zhù)電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電子設備的功能越來(lái)越強大，電子線(xiàn)路的密度也不斷提高，使得電子器件的耐壓不斷降低，因此，電子設備遭受雷擊后更容易損壞，每年有數千萬(wàn)個(gè)電器設備因雷電原因被損壞，并造成數千億元的經(jīng)濟損失?，F在，防雷技術(shù)已成為一門(mén)科學(xué)技術(shù)并且越來(lái)越受人們重視。

　　對電子設備進(jìn)行避雷防護是降低電子設備遭受雷擊損壞的最好方法。在安置電子設備的場(chǎng)所安裝避雷針，即避雷地線(xiàn)，把雷電引向地球，與此同時(shí)，把設備的外殼接地，使設備的外殼與大地的電位基本相同，以降低設備內部電路在強電場(chǎng)之下感應帶電，并產(chǎn)生位移電流，就可以大大降低電子設備遭受雷擊損壞的概率。

　　如果不安裝避雷針，當一座建筑物被雷擊中的時(shí)候，整座建筑物就會(huì )處于幾萬(wàn)伏/米，甚至十幾萬(wàn)伏/米的強電場(chǎng)之中，在強電場(chǎng)中的所有物體，無(wú)論是導體或絕緣體，全部被感應帶電（極化帶電），并在導體或電子線(xiàn)路中產(chǎn)生位移電流，如果電子設備的外殼不接地，由于位移電流的存在，就會(huì )使那些連接線(xiàn)路較長(cháng)且導體面積較大（即線(xiàn)路體電容較大）的電子器件擊穿，特別是耐壓較低的電子器件首先被擊穿。因為位移電流的產(chǎn)生就等同于電容被充放電，電容越大，充放電的電流就越大，而電子設備中的線(xiàn)路就相當于分布電容，線(xiàn)路越長(cháng)或導體的面積越大，分布電容就越大；在電場(chǎng)中感應的時(shí)候，產(chǎn)生的位移電流也越大。

　　如果電子設備的外殼接地，由于外殼與大地等電位或電位差非常小，在外殼內部電場(chǎng)強度基本上處處相等，沒(méi)有電位差或電位差很小，電子設備中的電子線(xiàn)路就不會(huì )感應帶電，也不會(huì )產(chǎn)生位移電流；因此，外殼接地的電子設備，其內部的電子器件不會(huì )因打雷放電而被擊穿?；蛘哒f(shuō)，電子設備的外殼接地對雷電有屏蔽作用，可以避免儀器設備中的線(xiàn)路或電子器件被雷電擊穿損壞。

　　如果設備的外殼不接地，外殼與大地就不可能等電位，并且兩者的電位差很大，這樣，設備作為一個(gè)孤立電容與地球作為另一個(gè)孤立電容，兩個(gè)電容之間就會(huì )進(jìn)行串聯(lián)充、放電（即靜電感應），在其充、放電過(guò)程中很容易把電子元器件損壞。

　　任何帶電物體對于無(wú)限遠處，都可以看成是一個(gè)孤立電容，當兩個(gè)孤立電容互相靠近時(shí)，就會(huì )互相感應，其結果相當于兩個(gè)電容被串聯(lián)充、放電，其中一個(gè)為充電，另一個(gè)就是放電。

　　另外，電子設備外殼接地還可以降低電磁干擾（EMI），提高電子設備的電磁兼容（EMC）指標。不過(guò)對于EMI和EMC方面的技術(shù)知識，這里我不準備進(jìn)行詳細分析，以后我會(huì )向讀者陸續介紹這方面的技術(shù)知識。

　　二、地線(xiàn)接地不良或接錯地方，也會(huì )造成電子設備損壞

　　在圖1中，由于大地有電阻，所以避雷地和防護地的地線(xiàn)是不能亂接的，它們之間離得越遠越好，因為，打雷的時(shí)候避雷地也會(huì )帶電，并且有非常大的電流從避雷地線(xiàn)中流過(guò)，如果兩者靠得很近，流過(guò)避雷地線(xiàn)的大電流會(huì )通過(guò)防護地線(xiàn)對電子設備進(jìn)行反擊，在正常情況下，防護地線(xiàn)一般是沒(méi)有電流通過(guò)的，因此兩者應該離得越遠越好。如果把防護地線(xiàn)與避雷地線(xiàn)連接在一起，電子設備不但起不到避雷保護的作用，反而會(huì )把雷電引來(lái)，使電子設備收到更大的雷電打擊。

　　因為，當避雷針遭到雷擊時(shí)，避雷針與地面的接觸處也會(huì )產(chǎn)生非常高的電壓（因大地有電阻），如果把防護地線(xiàn)與避雷地線(xiàn)連接在一起，在防護地線(xiàn)上產(chǎn)生的幾十萬(wàn)伏電壓就會(huì )突然加到設備的外殼上，就會(huì )在電子設備內部電路中瞬間感應產(chǎn)生很高的靜電電壓，并且會(huì )在電路中產(chǎn)生很多的位移電流，致使電子設備內部電路過(guò)壓，過(guò)流損壞。

　　這里特別指出，盡管很多高層建筑物都安裝有避雷針，但由于大地有電阻，當避雷針被雷電擊中的時(shí)候，在建筑物的周?chē)?，地表面還會(huì )產(chǎn)生非常高的電位梯度（單位長(cháng)度的電位差）。一般在離打雷中心30米之內，地表面的電位梯度最高達3萬(wàn)伏/米以上。因此，把避雷針做成樹(shù)根結構，并且埋得很深，對降低地表面的電位梯度是有好處的。

　　目前國內很多大樓的避雷地線(xiàn)都沒(méi)有按標準嚴格安裝，大多數人也不知道避雷地線(xiàn)的標準是什么東西，不是引線(xiàn)用得很細，就是地線(xiàn)埋入地層的深度不夠，甚至還有人把防護地與避雷地公用一根地線(xiàn)，因此，每逢雨季到來(lái)，都有非常多的家電設備，特別是電視機、電腦、冰箱以及儀器設備被雷電打壞。因此，每逢雨季都是電器修理門(mén)市部最繁忙的季節。

三、電源中線(xiàn)與地線(xiàn)接錯，會(huì )引起電子設備起火

　　我們舉一個(gè)電視機為例，圖2是一個(gè)LCD平板電視機與電網(wǎng)正確連接時(shí)的工作原理圖。正常工作的時(shí)候，三相發(fā)電機（或三相變壓器）中的某一相220伏交流電壓通過(guò)火線(xiàn)（L）和中線(xiàn)（N）對LCD電視機進(jìn)行供電。為了防雷，在發(fā)電機的一端，中線(xiàn)（N）一般都要與大地連接，由于火線(xiàn)（L）與中線(xiàn)（N）一般都是平行排列，當打雷時(shí)，雷電會(huì )同時(shí)打到火線(xiàn)和中線(xiàn)上，由于中線(xiàn)接地，它會(huì )把雷電的大部分能量吸收引入地球，僅有少部分能量最后轉成差模信號與輸送電壓混合在一起被傳送到用戶(hù)端。

　　火線(xiàn)（L）進(jìn)入家庭后一般都用紅色導線(xiàn)來(lái)表示，中線(xiàn)（N）一般用藍線(xiàn)表示。為了用電安全，在用電的一端，即每個(gè)家庭中還要自己安裝一條地線(xiàn)（G），這條地線(xiàn)屬于防護地線(xiàn)，用于與電器設備外殼連接。其作用是讓設備外殼的電位與地球相同，避免設備絕緣不良時(shí)，機殼帶電，人體觸摸到機殼時(shí)觸電。

　　地線(xiàn)（G）一般用綠黃顏色相間導線(xiàn)或黑線(xiàn)表示。在正常情況下，地線(xiàn)與中線(xiàn)的電位相同是相同的，其電位均為0。真正的地線(xiàn)是不允許用來(lái)傳送功率的，因為大地有電阻，當電流流過(guò)電阻時(shí)會(huì )損耗功率，另外大地也不是一個(gè)純電阻，它同時(shí)具有電容、電解、電阻和整流二極管等眾多性質(zhì)，因此它的阻抗一般都是隨著(zhù)電流增大而增大的。

　　另外，圖2中，LCD平板電視機外殼接地的另一個(gè)主要用途是防止電磁干擾（EMI），這個(gè)用途，一般電視用戶(hù)是不清楚的。

　　目前，中國大部分農村或小城鎮家庭基本上都是采用雙線(xiàn)供電，他們根本就沒(méi)有安裝避雷地線(xiàn)或防護地線(xiàn)的概念，因此，很多公司的LCD平板電視機采用三芯插頭供電，這對于他們來(lái)說(shuō)基本沒(méi)有用處。

　　在一些小縣城，部分居民已慢慢開(kāi)始知道有地線(xiàn)的概念，但在家庭電源插頭座安裝的時(shí)候，一般人只知道電源線(xiàn)中的火線(xiàn)是帶電的，而對中線(xiàn)和地線(xiàn)的性質(zhì)并不十分清楚；因為，他們用電筆很容易就可以把火線(xiàn)檢測出來(lái)，而對另外兩條電線(xiàn)，他們無(wú)法識別。因此，中線(xiàn)和地線(xiàn)互相接錯時(shí)有發(fā)生。

中線(xiàn)和地線(xiàn)互相接錯對于小電器以及孤立電器來(lái)說(shuō)是不容易覺(jué)察的。有些人為了，還故意不接中線(xiàn)讓電表不轉。但如果中線(xiàn)和地線(xiàn)互相接錯，對于使用三芯電源插頭的LCD平板電視機將產(chǎn)生非常大的危害或隱患。當中線(xiàn)和地線(xiàn)互相接錯時(shí)，相當于圖2中電視機的三芯插頭、座的2號線(xiàn)與3號線(xiàn)互相交換了位置。圖3就是電網(wǎng)輸電線(xiàn)的中線(xiàn)和地線(xiàn)互相接錯時(shí)，會(huì )引起三芯電源插頭的LCD平板電視機發(fā)生起火故障的工作原理圖。

　　在圖3中，當電源開(kāi)關(guān)合上的時(shí)候（很多用戶(hù)長(cháng)年都不關(guān)電視機），220伏交流電（電流I）將通過(guò)火線(xiàn)（L）經(jīng)電源開(kāi)關(guān)的1腳，向開(kāi)關(guān)電源供電。給開(kāi)關(guān)電源供電的另一端相當于電流流出，流出的電流為I1，即電流I1是從電源開(kāi)關(guān)的2腳流出來(lái)的。

　　但電流I1沒(méi)有按圖2中的正常路線(xiàn)直接經(jīng)中線(xiàn)返回發(fā)電機，而是經(jīng)地線(xiàn) 流入大地，然后電流I1在大地中被分成兩路I2和I5 ，I5直接通過(guò)大地 返回發(fā)電機；而I2則通過(guò)大地與電視機的其它地線(xiàn) （比如有線(xiàn)電視信號線(xiàn)或與電視機連接的其它設備連線(xiàn)）流回到電視機的外殼一端，I2電流經(jīng)過(guò)有線(xiàn)電視信號線(xiàn)接口（僅舉其中之一）后變?yōu)殡娏鱅3；I3再經(jīng)電視機內的地線(xiàn) 以及電視機的三芯插頭3號線(xiàn)接頭，從三芯插頭3號線(xiàn)接頭流出，流出電流變成I4，電流I4再經(jīng)中線(xiàn) 流回發(fā)電機。

　　在圖3中，由于大地 的距離遠遠大于大地 的距離，即大地 的回路電阻大于大地 的回路電阻，因此電流I2將大于I5；電流I2將通過(guò)有線(xiàn)電視信號線(xiàn)與電視機高頻頭插口構成電源供電的主要回路。當電流I2通過(guò)高頻頭插口時(shí)，因接頭處接觸電阻比較大將會(huì )引起發(fā)熱，或者當接頭處接觸不良時(shí)將引起打火燃燒。

圖4就是因中線(xiàn)和地線(xiàn)互相接錯，當電視機的高頻頭插座與有線(xiàn)電視信號線(xiàn)插頭接觸不良時(shí)，產(chǎn)生打火的情況。

　　除了有線(xiàn)電視信號線(xiàn)可能會(huì )引起打火燃燒外，其它與大地有連接的設備（圖3中未畫(huà)出），如PC電腦的RGB信號線(xiàn)（電腦顯示器信號線(xiàn)），只要與電視機有連接，均會(huì )引起打火燃燒。

　　實(shí)際上很多公司的LCD平板電視機外接信號線(xiàn)接口的地線(xiàn)，都不是直接接到電視外殼的金屬板上，如高頻頭、AV端口、RGB接口等，都是先經(jīng)過(guò)接頭與 PCB板的銅皮連接，然后再用引線(xiàn)或螺釘使PCB板的銅皮與電視外殼進(jìn)行電器接觸。因此，所有與PCB板銅皮連接的連線(xiàn)以及接觸點(diǎn)都有可能因接觸不良或電流密度過(guò)大造成起火，圖4這種起火情況只是眾多起火現象中的之一。

　　另外，因中線(xiàn)和地線(xiàn)互相接錯，引起電子設備打火的情況，并不只限于LCD平板電視機，只是LCD平板電視機這種起火情況比較普遍。如果同一棟大樓有多個(gè)用戶(hù)同時(shí)把中線(xiàn)和地線(xiàn)互相接錯，這種情況最嚴重，它相當于多臺電子設備的機內地線(xiàn)互相串、并聯(lián)作為交流電源輸入端，再通過(guò)大地與發(fā)電機或變壓器的中線(xiàn)連接，誰(shuí)家電子設備的機內地線(xiàn)接觸不良或導線(xiàn)的截面積過(guò)小，就首先過(guò)載起火。

　　很多大樓起火都是由于中線(xiàn)和地線(xiàn)互相接錯引起的，所以這種情況應該特別注意。也有人故意把地線(xiàn)當成中線(xiàn)用的，這種行為應該嚴懲。