保持电源接地的优点
虽然本文并不是关于接地或“什么是接地?”这一哲学问题的完整入门读物,但了解系统接地的原因非常重要。大多数情况下,本文将讨论机箱接地,其中设备的金属盖进行电气连接。这些连接可以通过电线、编织带、铜条或铜条、DIN 导轨或其他此类连接。车辆采用底盘接地来确保返回电池负极端子的安全路径,同时仍然不会将任何电流传导到外部的物理接地。
接地系统是所有组件都连接在一起并具有公共节点的系统。接地系统的假设是键合线或底盘上没有电压降,并且该系统中的所有部件都可以使用该共享接地作为电压测量的参考点。
进一步深化接地概念,在许多地区指定“接地”或简称“接地”,意味着接地连接到设施外部的物理接地棒。
接地通常连接到设备的底盘。这样,如果机箱内部短路,电流可以直接流向地面。通常,这会使断路器跳闸或熔断保险丝,从而完全停止电流。
将接地连接在一起的常见原因是为了防止危险的电击。一般来说,如果两个设备距离彼此一臂之遥,则它们的地线应该连接在一起。如果没有连接在一起,两台机器可能会有电压差。如果工人接触每台机器,并且电位差足够高,工人可能会受到危险的电击。
考虑两个 24 V DC 设备,彼此距离一臂之遥。一个 24 V 设备接地,这意味着高压(相对于地)为 24 V。另一台机器机箱已失去接地。相反,某些其他电源系统(或感应电压)已将整个系统的电势提高到 36 V。第二个系统中的组件之间仍然只有 24 V,但电源顶部现在有 60 V接地。这是“浮动”电源的一个示例。
如果有人触摸个和第二个设备的底盘,即使它们相对于地的电压都应该为零伏,第二个系统也会浮动 36V 高。操作员受到电击。
不接地供电系统的优点
浮动系统的两个优点是其隔离设备的能力以及降低传感器信号线上噪声的潜力。
虽然将所有设备的一端接地有很多优点,但有时这是不切实际的。
考虑在桥梁上安装大型健康监测传感器。他们监控应变计的微小电阻变化,以确保桥梁在正常使用和风荷载下表现可预测。通常,这些应变计通过惠斯通电桥馈电,以测量电桥应变时的微小电压变化。由于该电压很小,但信号可能必须传播的距离很大,因此公共接地可能不那么“公共”,这意味着沿着这些传感器接地线的任何点的电压可能不为零。这种接地环路会对仔细校准的传感器造成严重破坏。在这种情况下,确保每个传感器与公共接地隔离,仅测量仪表本身的电压变化(以及电阻和应变)。
按照这些思路,一根长电线可以充当天线,即使一端看起来接地。因此,各种射频干扰 (RFI)都可以被这条长天线吸收,从而导致“接地”出现更多差异。这些问题在排除故障时尤其困难,因为它们会随着时间的推移而变化,并且可能是间歇性的,具体取决于 RFI 的来源。
电气隔离
隔离还具有限制高压尖峰和脉冲信号的优点。回到桥的例子——考虑有一组传感器和数据采集硬件,它们通过一个公共地连接在一起。然后,正如经常发生的那样,桥被闪电击中。虽然许多此类结构具有一定的防雷功能,但并不完美。突然,“地”电压立即飙升至 100,000 V。该系统上的所有内容都将反向偏置到 100,000 V 减去正极侧的任何电压。连接到该地的设备很有可能被毁坏。
闪电示例为传感器硬件的大型室外安装提供了很好的隔离。假设不是通过公共接地连接所有这些设备,而是将数据采集系统和电源保持浮动,通过隔离变压器连接。在这种情况下,电压尖峰损坏更昂贵的硬件的可能性较小。变压器(以及电感器)擅长滤除高频信号,包括脉冲,这意味着电压尖峰在返回受保护的硬件之前将被衰减。
应该注意的是,隔离变压器和浮动接地不足以提供足够的防雷保护。它们可以用作更全面的防雷系统的一部分。
浮动还是不浮动?
在 NEC 规定的法律范围内,工程师可以灵活地设计或修改每个系统以满足其特定需求。具有长电线的大型系统通常受益于浮动连接,因为接地环路可能是不可避免的,并且电压尖峰更常见。更紧凑的系统,特别是那些可以轻松或意外连接的系统,应该共享一个公共接地点。