3.2 安全地

许多家用电器如冰箱、空调等的电源插头都是三个端子，其中中间的一个就是接地用的，还有些电气设备规定了接地电阻要小于多少欧姆。这个所谓的“地”是什么意思呢？还有，为什么要求接地电阻要很小呢？这些很少有人考虑。实际上，这个地就是“安全地”，接地电阻足够小是为了保证“安全地”确实能起到安全的作用。

“安全地”，顾名思义它的作用是保证安全。一般情况下，这里的安全指的是人身安全。安全地通常就是指我们所站立的大地。下面通过举例来理解安全地的原理。

图 3-1 所示就是一个安全地的例子。该设备外壳为金属机箱。为了防止设备工作期间，人体接触金属机箱时触电，金属机箱必须与大地连接。如果机箱不接地，当电源线与机箱之间的绝缘良好（绝缘电阻 R _g 很大）时，虽然机箱上的感应电压可能很高，但是人体接触机箱时也不会发生危险，因为流过人体的电流很小。

但如果电源线与机箱之间的绝缘层破损，使绝缘电阻 R _g 降低，当人体触及机箱时，流过人体的电流取决于人体的电阻 R _H 。如果人站立在绝缘物体上（R _H 较大时），流过人体的电流并不大，不会造成伤害。如果人直接站在大地上（相当于 R _H 较小时），流过人体的电流可能很大，会导致电击的感觉，甚至造成人身伤害。最坏的情况是电源线与机箱之间短路，这时全部电压加在人体上。

若机箱接地，当人站在地面上触摸机箱时，就不会感到电击，这是因为机箱的电位与大地相同，人的身体上没有电压。当电源线与机箱之间的绝缘电阻降低到一定值时，这时由于漏电流过大就会烧断熔断器或导致漏电保护动作。

有些场合，为了对电源线上进行有效的干扰滤波，需要在电源线与屏蔽体之间安装一只容量较大的滤波电容。这时，漏电流往往很大（与电容抗有关），会达到数十安培，如果地线的电阻较大，就算 4Ω，尽管屏蔽体接地，屏蔽体上的电压仍然会超过安全电压，对人体造成伤害。这时，就需要严格限制屏蔽体的接地电阻。

另一类需要进行安全接地的场合是为了泄放雷击能量。例如，建筑物上的避雷针就是这种应用。需要注意的是，当雷电击中避雷针时，避雷针的接地导体上流过很大的电流，会在周围产生很强的磁场，这个磁场会在附近设备的电缆（包括电源线和信号线）上感应出很高的电压或很强的电流，导致设备工作不正常甚至损坏。通常称这种现象为浪涌现象。为了防止浪涌使设备损坏，在设备的电缆端口处一般都安装有浪涌抑制器。浪涌抑制器的原理是当浪涌电压到来时，将这股能量泄放到大地。因此，浪涌抑制器必须接地，否则无法泄放浪涌能量。由于流地浪涌抑制器的瞬间电流会很大（数百乃至上千安培），接地的阻抗必须尽可能低，如果接地阻抗很大会有明显的地电位反弹现象，如图3-2所示。地电位反弹现象对于系统来说是十分有害的，因为如果很多设备连接在一起，这个地电位就会以共模噪声电压的形式影响另一台设备，导致另一台设备的误动作，甚至损坏。

不同物质相互摩擦后会产生静电荷，形成很高的电压和较强的电场，这对许多半导体器件来说是十分有害的，为了消除这种静电现象，需要将可能积累静电荷的物体与大地连接起来，及时泄放掉电荷。这是静电防护中的一项关键措施。例如，接触高敏感半导体器件的人员必须佩戴防静电腕套，这个腕套为了防止人身不慎接触到危验电压时导致伤害，一定要通过一个很大的电阻（MΩ级）接地。

当带有电荷的人体接触到电子设备时，会发生静电放电现象（ESD），这是因为人体上的电荷发生转移所导致的。发生静电放电时会产生很大的电流，这种电流会直接流进设备对其电路造成危害；另外，这种放电电流周围会产生很强的电磁场，影响邻近的电路。这就是进行电磁兼容设计时需要解决的一个问题。

随着开关电源的普遍应用，设备的安全地还有一种特殊的意义。开关电源以其适应电压范围宽、电源利用效率高、体积小而得到了广泛的应用。但是，开关电源的一个主要缺点是会产生很强的电磁干扰。为了通过电磁兼容试验，几乎所有使用了开关电源的设备在电源的入口处都安装了电源线滤波器。电源线滤波器的电原理图如图3-3所示。电路中C ₁ 和C ₂ 直接与金属机箱连接，因此机箱上的电压为交流 110V，如果机箱内的电路地与机箱相连接，那么，电路地的电位也是 110V。这时，如果这个机箱中的电路再与其他接地的设备相连接（电位为 0V），则两者之间会有交流 110V 的共模电压。这种共模电压会因为 50Hz 的干扰耦合进信号电缆而造成信号传输质量下降，甚至导致电路中的器件（如设备2中的共模滤波电容C ₃ 和C ₂ ）损坏，如图3-4所示。为了避免这种情况发生，所有使用了电源线滤波器的设备都应该接安全地。