技術(shù)挑戰(zhàn)：
- 電子設(shè)備接地的重要性
- 各種錯(cuò)誤的接地方法導(dǎo)致的問題分析
一、電子設(shè)備為什么要接地
很多人都知道，貴重儀器設(shè)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(jī)輸送線路的工作原理，來說明設(shè)備接地的重要性。
通過對(duì)圖1的觀察，你很快就會(huì)明白，地線的作用主要是干什么的，即：地線的作用主要是用來防雷的。
在圖1中，紅線A、B、C表示高壓輸送線路，高壓輸送線路一般都用鐵塔空架支撐，用以對(duì)幾十萬伏的交流電進(jìn)行遠(yuǎn)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，一般都在高壓線路的上方平行架設(shè)一條地線，這條地線一般稱為避雷地線。所謂地線就是與大地相連的導(dǎo)線，當(dāng)打雷的時(shí)候，雷電首先會(huì)打到避雷地線上，避雷地線可把雷電引入地球，避免高壓輸送線路被幾億伏，乃至十幾億伏的雷電把發(fā)電機(jī)或變壓器的線圈與外殼擊穿，以及把與線路連接的其它電器設(shè)備遭受瞬間高壓沖擊而損壞。因此，圖1中的避雷地線與一般電子線路中的地線完全是兩回事。
除了避雷地線之外，發(fā)電機(jī)和變壓器的外殼也要接地，這種接地叫防護(hù)接地。防護(hù)地線與避雷地線兩者是不同的，防護(hù)地線與避雷地線的最大區(qū)別是，防護(hù)地的地線一般沒有電流通過，而避雷地的地線在打雷時(shí)有非常大的電流通過，電流可大于數(shù)十萬安培。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(duì)電子設(shè)備的沖擊；而防護(hù)接地則是讓設(shè)備外殼的電位與地球相同，避免設(shè)備內(nèi)部電路在強(qiáng)電場之下感應(yīng)帶電產(chǎn)生位移電流，以及人體觸摸電子設(shè)備外殼時(shí)不會(huì)觸電。因此，兩者的作用是完全不同的。
三相發(fā)電機(jī)的中線接地，也屬于防護(hù)接地，其作用是把發(fā)電機(jī)中線圈被感應(yīng)的靜電高壓引入地球。當(dāng)負(fù)載完全平衡時(shí)，三相發(fā)電機(jī)的中線與地連接的地線是沒有電流通過的。但三相變壓器的中線接地不屬于防護(hù)接地，而屬于避雷接地，因?yàn)槿嘧儔浩髦芯€在與火線并排向用戶供電的同時(shí)，還擔(dān)當(dāng)避雷的作用。當(dāng)打雷時(shí)，中線通過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(hào)與輸送電壓混合在一起被傳送到用戶終端。
目前，人們對(duì)雷電的產(chǎn)生以及其所引起的災(zāi)害認(rèn)識(shí)并不很深。
我們知道，由于地球與電離層之間存在很強(qiáng)的電場，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(fù)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越大，即電位越來越高。當(dāng)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(xiàn)象就會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)，首先被雷擊的多數(shù)為高層建筑物。
根據(jù)統(tǒng)計(jì)：
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，每年有成千上萬的人因雷電擊中而喪傷；上海電視臺(tái)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(shè)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(tái)計(jì)算機(jī)接口因感應(yīng)雷擊被毀，損失二仟多萬元。
隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電子設(shè)備的功能越來越強(qiáng)大，電子線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(shè)備遭受雷擊后更容易損壞，每年全世界有數(shù)千萬個(gè)電器設(shè)備因雷電原因被損壞，并造成數(shù)千億元的經(jīng)濟(jì)損失。現(xiàn)在，防雷技術(shù)已成為一門科學(xué)技術(shù)并且越來越受人們重視。
對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行避雷防護(hù)是降低電子設(shè)備遭受雷擊損壞的最好方法。在安置電子設(shè)備的場所安裝避雷針，即避雷地線，把雷電引向地球，與此同時(shí)，把設(shè)備的外殼接地，使設(shè)備的外殼與大地的電位基本相同，以降低設(shè)備內(nèi)部電路在強(qiáng)電場之下感應(yīng)帶電，并產(chǎn)生位移電流，就可以大大降低電子設(shè)備遭受雷擊損壞的概率。
如果不安裝避雷針，當(dāng)一座建筑物被雷擊中的時(shí)候，整座建筑物就會(huì)處于幾萬伏/米，甚至十幾萬伏/米的強(qiáng)電場之中，在強(qiáng)電場中的所有物體，無論是導(dǎo)體或絕緣體，全部被感應(yīng)帶電（極化帶電），并在導(dǎo)體或電子線路中產(chǎn)生位移電流，如果電子設(shè)備的外殼不接地，由于位移電流的存在，就會(huì)使那些連接線路較長且導(dǎo)體面積較大（即線路體電容較大）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?yàn)槲灰齐娏鞯漠a(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(shè)備中的線路就相當(dāng)于分布電容，線路越長或?qū)w的面積越大，分布電容就越大；在電場中感應(yīng)的時(shí)候，產(chǎn)生的位移電流也越大。
如果電子設(shè)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(nèi)部電場強(qiáng)度基本上處處相等，沒有電位差或電位差很小，電子設(shè)備中的電子線路就不會(huì)感應(yīng)帶電，也不會(huì)產(chǎn)生位移電流；因此，外殼接地的電子設(shè)備，其內(nèi)部的電子器件不會(huì)因打雷放電而被擊穿?；蛘哒f，電子設(shè)備的外殼接地對(duì)雷電有屏蔽作用，可以避免儀器設(shè)備中的線路或電子器件被雷電擊穿損壞。
如果設(shè)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(shè)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(yīng)），在其充、放電過程中很容易把電子元器件損壞。
任何帶電物體對(duì)于無限遠(yuǎn)處，都可以看成是一個(gè)孤立電容，當(dāng)兩個(gè)孤立電容互相靠近時(shí)，就會(huì)互相感應(yīng)，其結(jié)果相當(dāng)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(shè)備外殼接地還可以降低電磁干擾（EMI），提高電子設(shè)備的電磁兼容（EMC）指標(biāo)。不過對(duì)于EMI和EMC方面的技術(shù)知識(shí)，這里我不準(zhǔn)備進(jìn)行詳細(xì)分析，以后我會(huì)向讀者陸續(xù)介紹這方面的技術(shù)知識(shí)。
二、地線接地不良或接錯(cuò)地方，也會(huì)造成電子設(shè)備損壞
在圖1中，由于大地有電阻，所以避雷地和防護(hù)地的地線是不能亂接的，它們之間離得越遠(yuǎn)越好，因?yàn)椋蚶椎臅r(shí)候避雷地也會(huì)帶電，并且有非常大的電流從避雷地線中流過，如果兩者靠得很近，流過避雷地線的大電流會(huì)通過防護(hù)地線對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行反擊，在正常情況下，防護(hù)地線一般是沒有電流通過的，因此兩者應(yīng)該離得越遠(yuǎn)越好。如果把防護(hù)地線與避雷地線連接在一起，電子設(shè)備不但起不到避雷保護(hù)的作用，反而會(huì)把雷電引來，使電子設(shè)備收到更大的雷電打擊。
因?yàn)?，?dāng)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(hù)地線與避雷地線連接在一起，在防護(hù)地線上產(chǎn)生的幾十萬伏電壓就會(huì)突然加到設(shè)備的外殼上，就會(huì)在電子設(shè)備內(nèi)部電路中瞬間感應(yīng)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(shè)備內(nèi)部電路過壓，過流損壞。
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(dāng)避雷針被雷電擊中的時(shí)候，在建筑物的周圍，地表面還會(huì)產(chǎn)生非常高的電位梯度（單位長度的電位差）。一般在離打雷中心30米之內(nèi)，地表面的電位梯度最高達(dá)3萬伏/米以上。因此，把避雷針做成樹根結(jié)構(gòu)，并且埋得很深，對(duì)降低地表面的電位梯度是有好處的。
目前國內(nèi)很多大樓的避雷地線都沒有按標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格安裝，大多數(shù)人也不知道避雷地線的標(biāo)準(zhǔn)是什么東西，不是引線用得很細(xì)，就是地線埋入地層的深度不夠，甚至還有人把防護(hù)地與避雷地公用一根地線，因此，每逢雨季到來，都有非常多的家電設(shè)備，特別是電視機(jī)、電腦、冰箱以及儀器設(shè)備被雷電打壞。因此，每逢雨季都是電器修理門市部最繁忙的季節(jié)。
[page]三、電源中線與地線接錯(cuò)，會(huì)引起電子設(shè)備起火
我們舉一個(gè)電視機(jī)為例，圖2是一個(gè)LCD平板電視機(jī)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(jī)（或三相變壓器）中的某一相220伏交流電壓通過火線（L）和中線（N）對(duì)LCD電視機(jī)進(jìn)行供電。為了防雷，在發(fā)電機(jī)的一端，中線（N）一般都要與大地連接，由于火線（L）與中線（N）一般都是平行排列，當(dāng)打雷時(shí)，雷電會(huì)同時(shí)打到火線和中線上，由于中線接地，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(zhuǎn)成差模信號(hào)與輸送電壓混合在一起被傳送到用戶端。
火線（L）進(jìn)入家庭后一般都用紅色導(dǎo)線來表示，中線（N）一般用藍(lán)線表示。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（G），這條地線屬于防護(hù)地線，用于與電器設(shè)備外殼連接。其作用是讓設(shè)備外殼的電位與地球相同，避免設(shè)備絕緣不良時(shí)，機(jī)殼帶電，人體觸摸到機(jī)殼時(shí)觸電。
地線（G）一般用綠黃顏色相間導(dǎo)線或黑線表示。在正常情況下，地線與中線的電位相同是相同的，其電位均為0。真正的地線是不允許用來傳送功率的，因?yàn)榇蟮赜须娮?，?dāng)電流流過電阻時(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電流增大而增大的。
另外，圖2中，LCD平板電視機(jī)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，一般電視用戶是不清楚的。
目前，中國大部分農(nóng)村或小城鎮(zhèn)家庭基本上都是采用雙線供電，他們根本就沒有安裝避雷地線或防護(hù)地線的概念，因此，很多公司的LCD平板電視機(jī)采用三芯插頭供電，這對(duì)于他們來說基本沒有用處。
在一些小縣城，部分居民已慢慢開始知道有地線的概念，但在家庭電源插頭座安裝的時(shí)候，一般人只知道電源線中的火線是帶電的，而對(duì)中線和地線的性質(zhì)并不十分清楚；因?yàn)?，他們用電筆很容易就可以把火線檢測出來，而對(duì)另外兩條電線，他們無法識(shí)別。因此，中線和地線互相接錯(cuò)時(shí)有發(fā)生。
中線和地線互相接錯(cuò)對(duì)于小電器以及孤立電器來說是不容易覺察的。有些人為了偷電，還故意不接中線讓電表不轉(zhuǎn)。但如果中線和地線互相接錯(cuò)，對(duì)于使用三芯電源插頭的LCD平板電視機(jī)將產(chǎn)生非常大的危害或隱患。
當(dāng)中線和地線互相接錯(cuò)時(shí)，相當(dāng)于圖2中電視機(jī)的三芯插頭、座的2號(hào)線與3號(hào)線互相交換了位置。圖3就是電網(wǎng)輸電線的中線和地線互相接錯(cuò)時(shí)，會(huì)引起三芯電源插頭的LCD平板電視機(jī)發(fā)生起火故障的工作原理圖。
在圖3中，當(dāng)電源開關(guān)合上的時(shí)候（很多用戶長年都不關(guān)電視機(jī)），220伏交流電（電流I）將通過火線（L）經(jīng)電源開關(guān)的1腳，向開關(guān)電源供電。給開關(guān)電源供電的另一端相當(dāng)于電流流出，流出的電流為I1，即電流I1是從電源開關(guān)的2腳流出來的。
但電流I1沒有按圖2中的正常路線直接經(jīng)中線返回發(fā)電機(jī)，而是經(jīng)地線(1)流入大地，然后電流I1在大地中被分成兩路I2和I5 ，I5直接通過大地(5)返回發(fā)電機(jī)；而I2則通過大地與電視機(jī)的其它地線(2)（比如有線電視信號(hào)線或與電視機(jī)連接的其它設(shè)備連線）流回到電視機(jī)的外殼一端，I2電流經(jīng)過有線電視信號(hào)線接口（僅舉其中之一）后變?yōu)殡娏鱅3；I3再經(jīng)電視機(jī)內(nèi)的地線(3)以及電視機(jī)的三芯插頭3號(hào)線接頭，從三芯插頭3號(hào)線接頭流出，流出電流變成I4，電流I4再經(jīng)中線(4)流回發(fā)電機(jī)。
在圖3中，由于大地(5)的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大地(2)的距離，即大地(5)的回路電阻大于大地(2)的回路電阻，因此電流I2將大于I5；電流I2將通過有線電視信號(hào)線與電視機(jī)高頻頭插口構(gòu)成電源供電的主要回路。當(dāng)電流I2通過高頻頭插口時(shí)，因接頭處接觸電阻比較大將會(huì)引起發(fā)熱，或者當(dāng)接頭處接觸不良時(shí)將引起打火燃燒。
圖4就是因中線和地線互相接錯(cuò)，當(dāng)電視機(jī)的高頻頭插座與有線電視信號(hào)線插頭接觸不良時(shí)，產(chǎn)生打火的情況。
除了有線電視信號(hào)線可能會(huì)引起打火燃燒外，其它與大地有連接的設(shè)備（圖3中未畫出），如PC電腦的RGB信號(hào)線（電腦顯示器信號(hào)線），只要與電視機(jī)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(jī)外接信號(hào)線接口的地線，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)過接頭與PCB板的銅皮連接，然后再用引線或螺釘使PCB板的銅皮與電視外殼進(jìn)行電器接觸。因此，所有與PCB板銅皮連接的連線以及接觸點(diǎn)都有可能因接觸不良或電流密度過大造成起火，圖4這種起火情況只是眾多起火現(xiàn)象中的之一。
另外，因中線和地線互相接錯(cuò)，引起電子設(shè)備打火的情況，并不只限于LCD平板電視機(jī)，只是LCD平板電視機(jī)這種起火情況比較普遍。如果同一棟大樓有多個(gè)用戶同時(shí)把中線和地線互相接錯(cuò)，這種情況最嚴(yán)重，它相當(dāng)于多臺(tái)電子設(shè)備的機(jī)內(nèi)地線互相串、并聯(lián)作為交流電源輸入端，再通過大地與發(fā)電機(jī)或變壓器的中線連接，誰家電子設(shè)備的機(jī)內(nèi)地線接觸不良或?qū)Ь€的截面積過小，就首先過載起火。
很多大樓起火都是由于中線和地線互相接錯(cuò)引起的，所以這種情況應(yīng)該特別注意。也有人故意把地線當(dāng)成中線用的，這種偷電行為應(yīng)該嚴(yán)懲。
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四、各種被因雷擊損壞的電子設(shè)備
圖5 一座民居被雷電擊中
圖6 一個(gè)山林被雷電擊中
圖7 被雷電擊中的客車
圖8 被雷電擊中的電視機(jī)
圖9 因雷擊損壞的電腦設(shè)備
圖10 被雷擊損壞的LCD電視機(jī)開關(guān)電源
