电子设备为什么要接地？

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很多人都知道，贵重仪器设备使用的时候，外壳都要接地，如采用三心电源插头等。但为什么要接地，这个原因就很少人知道了。下面我们以三相发电机输送线路的工作原理，来说明设备接地的重要性。
　　通过对图1的观察，你很快就会明白，地线的作用主要是干什么的，即：地线的作用主要是用来防雷的。8 ]! g* i% l0 C. D' c
　　在图1中，红线A、B、C表示高压输送线路，高压输送线路一般都用铁塔空架支撑，用以对几十万伏的交流电进行远距离传送，这样，其经常受雷击是不可避免的；为了避免雷击，一般都在高压线路的上方平行架设一条地线，这条地线一般称为避雷地线。所谓的地线就是与大地相连的导线，当打雷的时候，雷电首先会打到避雷地线上，避雷地线可把雷电引入地球，避免高压输送线路被几亿伏，乃至十几亿伏的雷电把发电机或变压器的线圈与外壳击穿，以及把与线路连接的其它电器设备遭受瞬间高压冲击而损坏。因此，图1中的避雷地线与一般电子线路中的地线完全是两回事。
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除了避雷地线之外，发电机和变压器的外壳也要接地，这种接地叫防护接地。防护地线与避雷地线两者是不同的，防护地线与避雷地线的最大区别是，防护地的地线一般没有电流通过，而避雷地的地线在打雷时有非常大的电流通过，电流可大于数十万安培。避雷地的主要作用是把雷电高压引入地球，以降低雷电高压对电子设备的冲击；而防护接地则是让设备外壳的电位与地球相同，避免设备内部电路在强电场之下感应带电产生位移电流，以及人体触摸电子设备外壳时不会触电。因此，两者的作用是完全不同的。7 o% i, L: A$ d2 w
　　三相发电机的中线接地，也属于防护接地，其作用是把发电机中线圈被感应的静电高压引入地球。当负载完全平衡时，三相发电机的中线与地连接的地线是没有电流通过的。但三相变压器的中线接地不属于防护接地，而属于避雷接地，因为三相变压器中线在与火线并排向用户供电的同时，还担当避雷的作用。当打雷时，中线通过接地可以把雷电的大部分能量引入地球，仅有少部分能量最后成为差模信号与输送电压混合在一起被传送到用户终端。
  K" Q! N# }3 R) U9 I3 o3 ?& z　　目前，人们对雷电的产生以及其所引起的灾害认识并不很深。
  @: r+ k- i% Q0 I　　我们知道，由于地球与电离层之间存在很强的电场，云朵在天空中首先要被极化带电，然后在风力的作用下，极化带电的云朵很容易就会分离成两个（或多个）部分，使之成为带电体，一个带正电（一般是下层），另一个带负电（一般是上层）。所以，同一高度已经带电的云朵（即带电性质相同的云朵），在风力的作用下很容易产生互相组合，使云体带电的能量越来越大，即电位越来越高。当两个带异性电荷的云朵互相靠近的时候，或者带电云体靠近地表面的时候，就会放电，即打雷。因此，只要有云和风的存在，打雷的现象就会经常出现，首先被雷击的多数为高层建筑物。
8 R& F- b: }0 ]/ m/ o9 [% r根据统计：. B7 F; m% h5 u2 C) G9 ~5 \
　　地球平均每一秒钟有100多次闪电，每次闪电产生的能量可供一个100瓦的灯泡点亮3个月；在雨季，平均每6分钟就有一个人被雷电击中，每年有成千上万的人因雷电击中而丧伤；上海电视台平均每年要遭受33次大的雷击，最近遭受雷击的时间是2010年4月13日，每次雷击都会使电子设备遭受不同程度的损坏；1992年6月22日，北京国家气象中心多台计算机接口因感应雷击被毁，损失二仟多万元。
& `8 ~  C9 U! X/ N　　随着电子技术的不断发展，电子设备的功能越来越强大，电子线路的密度也不断提高，使得电子器件的耐压不断降低，因此，电子设备遭受雷击后更容易损坏，每年全世界有数千万个电器设备因雷电原因被损坏，并造成数千亿元的经济损失。现在，防雷技术已成为一门科学技术并且越来越受人们重视。1 p, ^* {6 \6 T. g! c
6 B2 G( M' L! g& Z7 P9 F8 L　　对电子设备进行避雷防护是降低电子设备遭受雷击损坏的最好方法。在安置电子设备的场所安装避雷针，即避雷地线，把雷电引向地球，与此同时，把设备的外壳接地，使设备的外壳与大地的电位基本相同，以降低设备内部电路在强电场之下感应带电，并产生位移电流，就可以大大降低电子设备遭受雷击损坏的概率。$ _* j2 D- @8 q) z7 L' g; S
　　如果不安装避雷针，当一座建筑物被雷击中的时候，整座建筑物就会处于几万伏/米，甚至十几万伏/米的强电场之中，在强电场中的所有物体，无论是导体或绝缘体，全部被感应带电（极化带电），并在导体或电子线路中产生位移电流，如果电子设备的外壳不接地，由于位移电流的存在，就会使那些连接线路较长且导体面积较大（即线路体电容较大）的电子器件击穿，特别是耐压较低的电子器件首先被击穿。因为位移电流的产生就等同于电容被充放电，电容越大，充放电的电流就越大，而电子设备中的线路就相当于分布电容，线路越长或导体的面积越大，分布电容就越大；在电场中感应的时候，产生的位移电流也越大。( s1 J" b4 S9 n% a8 y  }5 W
　　如果电子设备的外壳接地，由于外壳与大地等电位或电位差非常小，在外壳内部电场强度基本上处处相等，没有电位差或电位差很小，电子设备中的电子线路就不会感应带电，也不会产生位移电流；因此，外壳接地的电子设备，其内部的电子器件不会因打雷放电而被击穿。或者说，电子设备的外壳接地对雷电有屏蔽作用，可以避免仪器设备中的线路或电子器件被雷电击穿损坏。7 m, w0 E8 i- z1 H" ?& K
/ z) J% c, {, Z: H　　如果设备的外壳不接地，外壳与大地就不可能等电位，并且两者的电位差很大，这样，设备作为一个孤立电容与地球作为另一个孤立电容，两个电容之间就会进行串联充、放电（即静电感应），在其充、放电过程中很容易把电子元器件损坏。
# O- f. j+ k; x1 o; f) O2 K　　任何带电物体对于无限远处，都可以看成是一个孤立电容，当两个孤立电容互相靠近时，就会互相感应，其结果相当于两个电容被串联充、放电，其中一个为充电，另一个就是放电。3 o7 Y: e* P8 d/ J! ?- K
$ P6 p  i' z' @+ |- ]) E; |$ m- r) L: U4 E　　另外，电子设备外壳接地还可以降低电磁干扰（EMI），提高电子设备的电磁兼容（EMC）指标。不过对于EMI和EMC方面的技术知识，这里我不准备进行详细分析，以后我会向读者陆续介绍这方面的技术知识。
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