技術挑戰(zhàn)：

• 電子設備接地的重要性 
• 各種錯誤的接地方法導致的問題分析

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，這個原因就很少人知道了。下面我們以三相發(fā)電機輸送線路的工作原理，來說明設備接地的重要性。

通過對圖1的觀察，你很快就會明白，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，用以對幾十萬伏的交流電進行遠距離傳送，這樣，其經(jīng)常受雷擊是不可避免的；為了避免雷擊，一般都在高壓線路的上方平行架設一條地線，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線，當打雷的時候，雷電首先會打到避雷地線上，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)電機和變壓器的外殼也要接地，這種接地叫防護接地。防護地線與避雷地線兩者是不同的，防護地線與避雷地線的最大區(qū)別是，防護地的地線一般沒有電流通過，而避雷地的地線在打雷時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(nèi)部電路在強電場之下感應帶電產(chǎn)生位移電流，以及人體觸摸電子設備外殼時不會觸電。因此，兩者的作用是完全不同的。

三相發(fā)電機的中線接地，也屬于防護接地，其作用是把發(fā)電機中線圈被感應的靜電高壓引入地球。當負載完全平衡時，三相發(fā)電機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接地，而屬于避雷接地，因為三相變壓器中線在與火線并排向用戶供電的同時，還擔當避雷的作用。當打雷時，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與輸送電壓混合在一起被傳送到用戶終端。

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，云朵在天空中首先要被極化帶電，然后在風力的作用下，極化帶電的云朵很容易就會分離成兩個（或多個）部分，使之成為帶電體，一個帶正電（一般是下層），另一個帶負電（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。當兩個帶異性電荷的云朵互相靠近的時候，或者帶電云體靠近地表面的時候，就會放電，即打雷。因此，只要有云和風的存在，打雷的現(xiàn)象就會經(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：

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100瓦的燈泡點亮3個月；在雨季，平均每6分鐘就有一個人被雷電擊中，每年有成千上萬的人因雷電擊中而喪傷；上海電視臺平均每年要遭受33次大的雷擊，最近遭受雷擊的時間是2010年4月13日，每次雷擊都會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，損失二仟多萬元。

隨著電子技術的不斷發(fā)展，電子設備的功能越來越強大，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，電子設備遭受雷擊后更容易損壞，每年全世界有數(shù)千萬個電器設備因雷電原因被損壞，并造成數(shù)千億元的經(jīng)濟損失。現(xiàn)在，防雷技術已成為一門科學技術并且越來越受人們重視。

對電子設備進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所安裝避雷針，即避雷地線，把雷電引向地球，與此同時，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(nèi)部電路在強電場之下感應帶電，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候，整座建筑物就會處于幾萬伏/米，甚至十幾萬伏/米的強電場之中，在強電場中的所有物體，無論是導體或絕緣體，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，就會使那些連接線路較長且導體面積較大（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，而電子設備中的線路就相當于分布電容，線路越長或?qū)w的面積越大，分布電容就越大；在電場中感應的時候，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(nèi)部電場強度基本上處處相等，沒有電位差或電位差很小，電子設備中的電子線路就不會感應帶電，也不會產(chǎn)生位移電流；因此，外殼接地的電子設備，其內(nèi)部的電子器件不會因打雷放電而被擊穿。或者說，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，設備作為一個孤立電容與地球作為另一個孤立電容，兩個電容之間就會進行串聯(lián)充、放電（即靜電感應），在其充、放電過程中很容易把電子元器件損壞。

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

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。不過對于EMI和EMC方面的技術知識，這里我不準備進行詳細分析，以后我會向讀者陸續(xù)介紹這方面的技術知識。

二、地線接地不良或接錯地方，也會造成電子設備損壞

在圖1中，由于大地有電阻，所以避雷地和防護地的地線是不能亂接的，它們之間離得越遠越好，因為，打雷的時候避雷地也會帶電，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通過防護地線對電子設備進行反擊，在正常情況下，防護地線一般是沒有電流通過的，因此兩者應該離得越遠越好。如果把防護地線與避雷地線連接在一起，電子設備不但起不到避雷保護的作用，反而會把雷電引來，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，避雷針與地面的接觸處也會產(chǎn)生非常高的電壓（因大地有電阻），如果把防護地線與避雷地線連接在一起，在防護地線上產(chǎn)生的幾十萬伏電壓就會突然加到設備的外殼上，就會在電子設備內(nèi)部電路中瞬間感應產(chǎn)生很高的靜電電壓，并且會在電路中產(chǎn)生很多的位移電流，致使電子設備內(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，當避雷針被雷電擊中的時候，在建筑物的周圍，地表面還會產(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3萬伏/米以上。因此，把避雷針做成樹根結構，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(nèi)很多大樓的避雷地線都沒有按標準嚴格安裝，大多數(shù)人也不知道避雷地線的標準是什么東西，不是引線用得很細，就是地線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，因此，每逢雨季到來，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市部最繁忙的季節(jié)。

[page]三、電源中線與地線接錯，會引起電子設備起火

我們舉一個電視機為例，圖2是一個LCD平板電視機與電網(wǎng)正確連接時的工作原理圖。正常工作的時候，三相發(fā)電機（或三相變壓器）中的某一相220伏交流電壓通過火線（L）和中線（N）對LCD電視機進行供電。為了防雷，在發(fā)電機的一端，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，當打雷時，雷電會同時打到火線和中線上，由于中線接地，它會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)成差模信號與輸送電壓混合在一起被傳送到用戶端。

火線（L）進入家庭后一般都用紅色導線來表示，中線（N）一般用藍線表示。為了用電安全，在用電的一端，即每個家庭中還要自己安裝一條地線（G），這條地線屬于防護地線，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，機殼帶電，人體觸摸到機殼時觸電。

地線（G）一般用綠黃顏色相間導線或黑線表示。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，因為大地有電阻，當電流流過電阻時會損耗功率，另外大地也不是一個純電阻，它同時具有電容、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平板電視機外殼接地的另一個主要用途是防止電磁干擾（EMI），這個用途，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地線的概念，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候，一般人只知道電源線中的火線是帶電的，而對中線和地線的性質(zhì)并不十分清楚；因為，他們用電筆很容易就可以把火線檢測出來，而對另外兩條電線，他們無法識別。因此，中線和地線互相接錯時有發(fā)生。

中線和地線互相接錯對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，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。

當中線和地線互相接錯時，相當于圖2中電視機的三芯插頭、座的2號線與3號線互相交換了位置。圖3就是電網(wǎng)輸電線的中線和地線互相接錯時，會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，當電源開關合上的時候（很多用戶長年都不關電視機），220伏交流電（電流I）將通過火線（L）經(jīng)電源開關的1腳，向開關電源供電。給開關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是從電源開關的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，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；而I2則通過大地與電視機的其它地線(2)（比如有線電視信號線或與電視機連接的其它設備連線）流回到電視機的外殼一端，I2電流經(jīng)過有線電視信號線接口（僅舉其中之一）后變?yōu)殡娏鱅3；I3再經(jīng)電視機內(nèi)的地線(3)以及電視機的三芯插頭3號線接頭，從三芯插頭3號線接頭流出，流出電流變成I4，電流I4再經(jīng)中線(4)流回發(fā)電機。

在圖3中，由于大地(5)的距離遠遠大于大地(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線與電視機高頻頭插口構成電源供電的主要回路。當電流I2通過高頻頭插口時，因接頭處接觸電阻比較大將會引起發(fā)熱，或者當接頭處接觸不良時將引起打火燃燒。

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

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

實際上很多公司的LCD平板電視機外接信號線接口的地線，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行電器接觸。因此，所有與PCB板銅皮連接的連線以及接觸點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，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用戶同時把中線和地線互相接錯，這種情況最嚴重，它相當于多臺電子設備的機內(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)電機或變壓器的中線連接，誰家電子設備的機內(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引起的，所以這種情況應該特別注意。也有人故意把地線當成中線用的，這種偷電行為應該嚴懲。
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四、各種被因雷擊損壞的電子設備

 
圖5 一座民居被雷電擊中

 
圖6 一個山林被雷電擊中

 
圖7 被雷電擊中的客車

 
圖8 被雷電擊中的電視機

 
圖9 因雷擊損壞的電腦設備

 
圖10 被雷擊損壞的LCD電視機開關電源