如何实现电气设备的TT接地技术

接地的含义是提供一个等电位点或电位面。为了防止共地线阻抗干扰，在每个设备中可能有多种接地线，但概括起来可以分为三类，即保护地线（安全接地）、工作地线（工作接地）和屏蔽地线（屏蔽接地）。

1.安全接地

安全接地是指为保护人身和设备的安全，免遭雷击、漏电、静电等危害，设备的金属机壳、金属底盘等金属部分与大地之间的良好电气连接，所接导线称保护地线。保护地线的基本要求参见国家标准GB 5226.1—2008《机械电气安全 机械电气设备 第1部分：通用技术条件》中有关部分内容。

（1）安全接地形式

机床数控系统电源采用TT或TN-S接地形式，不允许采用TN-C接地形式。

如图7-82所示，TT方式是指将电气设备的金属外壳直接接地的保护系统，称为保护接地系统或TT系统。第一个符号T表示电力系统中性点直接接地；第二个符号T表示负载设备外露而不与带电体相接的金属导电部分与大地直接连接。TN-S系统和TN-C系统分别如图7-83和图7-84所示。

图7-82 TT接地形式

图7-83 TN-S接地形式

图7-84 TN-C接地形式

在设计电气系统时，电气控制柜中最好不要引入中线，如果使用中线，须在安装图、电路图及接线端子上予以明确的N标志；如果电气控制柜中引入了中线，内部不允许中线与地线连接，也不允许共用一个PEN端子（PE与N短接的端子称PEN端子）。

（2）接地体的制作方法及接地电阻

常使用埋入地下的金属棒或金属板作为接地体来实现对大地的电气接触，简易做法有以下两种。

①采用直径为12mm、16mm或19mm，长度为1.8m、2.4m、3.0m、3.6m或4.8m的铜包钢棒，选择地势低、较潮湿的地方将棒打入或埋入地下。由一根接地棒组成的单一电极，它的对地电阻往往大于20Ω。一般采用多个金属棒并联构成接地电阻小于4Ω的接地极，如图7-85所示。其中，图7-85a为将金属棒直接打入或者埋入地下方式，图7-85b为挖坑后将金属棒打入或者埋入地下方式。

图7-85 金属棒埋入地下接地极

a）直接埋入方式 b）挖坑后埋入方式

②采用厚度不小于5mm，面积不小于0.5m²的金属板（铜板为佳）埋入地下，如图7-86所示。

（3）保护接地设计要点

①电气设备都应设计专门的保护导线接线端子（保护接地端子），并且采用符号标记，也可用黄绿双色标记。保护接地端子与电气设备的机壳应实现良好的搭接，设备的机壳（机箱）、底盘等应保持电气上的连续，保护接地电路的连续性应符合GB 5226.1—2008《机械电气安全 机械电气设备第1部分：通用技术条件》的要求。

②数控系统控制柜内应安装有接地排（可采用厚度不小于3mm的铜板），接地排接入大地，接地电阻应小于4Ω。

图7-86 金属板埋入地下作接地极

③系统内各电气设备的保护接地端子用尽量粗和短的黄绿双色线连接到接地排上，如图7-87所示。

④保护接地线不要构成环路，正确接法如图7-88a所示，不正确接法如图7-88b所示。

⑤设备金属外壳（或机箱）良好接地（大地），是抑制静电放电干扰的最主要措施。一旦发生静电放电，放电电流可以由机箱外层流入大地，不会影响内部电路。

⑥设备外壳接大地，起到屏蔽作用，从而减少与其他设备的相互电磁干扰。

图7-87 保护接地示例

图7-88 保护接地方法

a）正确接法 b）不正确接法

2.工作接地

（1）工作接地方式

工作接地是为保证电气设备达到正常工作的基本要求而进行的一种接地，如直流电源常需要有一极接地，作为参考零电位，其他极与之比较，形成直流电压，例如±15V、±5V、±24V等；信号传输也常需要有一根线接地，作为基准电位，传输信号的大小与该基准电位相比较，这类地线也称工作地线。在系统中，一定要注意工作地线的正确接法，否则可能还会产生干扰，如共地线阻抗干扰、地环路干扰、共模电流辐射等。工作接地方式有浮地、单点接地和多点接地。

1）浮地 如图7-89所示，工作地线与金属机箱绝缘，是浮置的，其目的是防止外来共模噪声对内部电子线路的干扰。

2）单点接地 如图7-90所示，单点接地是指一个电路或设备中，只有一个物理点被定义为接地参考点，而其他需要接地的点都被接到这一点上。如果一个系统包含许多设备，则每个设备的“地”都是独立的，设备内部电路采用自己的单点接地，然后整个系统的各个设备的“地”都连到系统唯一指定的参考点上。设备内部电路的单点接地有串联、并联、串—并联接地三种方式。

图7-89 浮地方式

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图7-90 单点接地

a）单点串联接地方式 b）单点并联接地方式 c）单点混合接地方式

单点接地比较简单，走线和电路图相似，电路布线时比较容易。其缺点是地线太长，当系统工作频率很高时，地线阻抗增加，容易产生共地线阻抗干扰；另一方面，频率的升高使地线之间、地线和其他导线之间由于电容耦合、电感耦合而产生相互窜扰的几率大大增加。

3）多点接地 如图7-91所示，多点接地是指设备（或系统）中的各个接地都直接接到距其最近的接地平面上，以便使接地线的长度最短。接地平面可以是设备的底板、专用接地线，也可以是设备的框架。

多点接地的优点是接线比较简单，而且在连接地线上出现高频驻波的现象也明显减少。但是，多点接地系统中的多地线回路对电路的维护提出了更高的要求，因为设备本身的腐蚀、冲击振动和温度变化等因素都会使接地系统出现高阻抗，致使接地效果变差。

4）混合接地 混合接地是指对系统的各部分工作情况详细分析，只将那些需要就近接地的点直接（或需要高频接地的点通过旁路电容）与接地平面相连，而其余各点采用单点接地的办法。

图7-91 多点接地方式

（2）工作接地设计要点

①设备地线不能布置成封闭的环状，一定要留有开口，因为封闭环在外界电磁场的影响下会产生感应电动势，从而产生电流，电流在地线阻抗上有电压降，容易导致共阻抗干扰。

②采用光电耦合、隔离变压器、继电器、共模扼流圈等隔离方法，切断设备或电路间的地线环路，抑制地线环路引起的共阻抗耦合干扰。

③设备内的各种电路如模拟电路、数字电路、功率电路、噪声电路等都应设置各自独立的地线（分地），最后汇总到一个总的接地点。

④低频电路（f<1MHz）一般采用树杈形放射式的单点接地方式，地线的长度不应该超过地线中高频电流波长λ（λ=v/f，λ是地线中高频信号的波长，v是高频信号的传输速度，f是高频信号的频率）的1/20。较长的地线应尽量减小其阻抗，特别是减小电感，例如增加地线的宽度，采用矩形断面导体代替圆导体作地线等。

⑤高频电路（f>1MHz）一般采用平面式多点接地方式，或采用混合接地方式，如工控机电路底板的工作地线与机箱采用多点接地方式。

⑥工作地线浮置方式（工作地线与金属机箱绝缘）仅适用于小规模设备（这时电路对机壳的分布电容较小）和工作速度较低的电路（频率较低），而对于规模较大、电路较复杂、工作速度较高的控制设备，不应采用浮地方式。

⑦机柜内同时装有多个电气设备（或电路单元）时，工作地线、保护地线和屏蔽地线一般都接至机柜的中心接地点（接地排），然后接大地，这种接法可使柜体、设备、机箱、屏蔽和工作地线都保持在同一电位上。

3.屏蔽接地

为了抑制噪声，电缆、变压器等的屏蔽层需接地，相应的地线称为屏蔽地线。在低阻抗网络中，低电阻导体可以降低干扰作用，故低阻抗网络常用作电气设备内部高频信号的基准电平（如机壳或接地板），连接时应标明符号“”，公共基准电位的连接应使单独点尽可能靠近PE端子直接接地或连接它自己的外部（无噪声）大地导体端子。设备中的“”端子一般作为屏蔽地。

（1）屏蔽电缆的选择

屏蔽电缆的种类很多，一般可分为普通屏蔽线、屏蔽双绞线、同轴电缆和双重屏蔽电缆。普通带编织层的多芯电缆具有电场屏蔽作用，屏蔽双绞线的总屏蔽层可以抑制电场干扰，双绞线可以抑制磁场干扰。

1）普通屏蔽线 适用于工作频率30kHz以下，特殊情况可用到几百kHz。普通屏蔽线用于输入/输出信号线、模拟信号线、脉冲式接口驱动器控制信号线（线长≤2m）、计算机串行通信线（线长≤2m）、电源线、电动机强电线。

2）双绞线和屏蔽双绞线 适用于工作频率100kHz以下，特殊情况可用到几百kHz，双绞线具有较好的磁场屏蔽性能。双绞线用于直流电源线、小功率交流电源线（<1kW）；屏蔽双绞线用于编码器信号线、高频信号线、脉冲接口式驱动器控制信号线（线长>2m）、计算机串行通信线（线长>2m）。

3）同轴电缆 适用于工作频率1000MHz以下。

4）双重屏蔽电缆 在系统中，如果采用一根电缆同时传输模拟信号和高频数字信号，则必须采用各自屏蔽线外再包一层总屏蔽的双重屏蔽电缆，这种电缆能防止电缆内部信号线间的干扰。

（2）屏蔽电缆接地的设计要点

①对于低频电路（f<1MHz），通常是单端接地，屏蔽电缆的屏蔽层也应单端接地，对电场既可起到主动屏蔽的作用，也能起到被动屏蔽作用，但对磁场没有屏蔽作用。

②当电缆的长度l<0.15λ（λ=v/f，l是传输线中信号的波长，v是信号的传输速度，f是信号的频率）时，则要求单点接地。无论是单芯还是多芯屏蔽电缆，在电源和负载电路中，一端为接地点，另一端与地绝缘，其中接地点就是屏蔽层的接地，一般均在输出端接地。

图7-92 低频电路的屏蔽接地方法

这种连接不存在接地环路，屏蔽效果好，这是电缆层屏蔽的最佳接地形式，也可在输入端接地，如图7-92、图7-93所示。

③对于高频电路（f>1MHz），电路通常是双端接地，屏蔽电缆的屏蔽层也应双端接地，双端接地能对电场产生屏蔽，对高频磁场也能产生屏蔽作用。屏蔽电缆的屏蔽层应在电缆两端接地，如图7-94、图7-95所示。

④当电缆的长度l>0.15λ时，则采用多点接地。一般屏蔽层按0.05λ或0.1λ的间隔接地，至少应该在屏蔽层两端接地，以降低地线阻抗，减少地电位引起的干扰电压。

⑤数控系统中，一般推荐数控装置与伺服驱动器、变频器间的信号传输线采用屏蔽双绞线，且屏蔽层采用双端接地方式。

⑥对于输入信号电缆的屏蔽层，不能在机壳内接地，只能在机壳的入口处接地。此时，屏蔽层上的外加干扰信号直接在机壳入口处入地，避免屏蔽层上的外加干扰信号带入设备内部的信号电路上。

⑦对于高输入或高输出阻抗电路，尤其是在高静电环境中，可能需要用双层屏蔽的电缆。这时，内屏蔽层可以在信号源端接地，外屏蔽层则在负载端接地。

图7-93 屏蔽层单端接地示例

图7-94 变频器电动机电缆屏蔽层双端接地

图7-95 编码器电缆双端接地