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原创 接地线缆的选型错误

2017-5-13 06:38 1657 2 2 分类: 工业电子

无论是Ⅰ类设备(有PE保护接地Earth),还是Ⅱ类设备(浮地或整机浮地但有内部的金属板充作保护公共地使用的),常见一些与EMC与可靠性的接地线错误应用,因此导致EMI干扰,该泄放的高频干扰泄放不掉而致EMC整改的难度大大增加,亦或是在万一发生电气安全故障时,给设备留下隐患甚至于伤人,这里的问题分别涉及到导线的高频等效特性(趋肤效应导致的)和可靠性串联模型的问题。

金属导体导电时,如果电流I具有较高频率f的脉动,则导线会表现出一种趋肤效应(如图1),即电流会随着脉动频率的增加而趋向于在靠近于导体表层的导电截面传播,而中间导体部分反而起不到什么导电作用。在导体界面上,导电层的厚度叫趋肤深度H,而频率f与H成负相关,即随频率f↑,H↓,因此导电截面积S↓,其上的阻抗Rf=ρL/S↑(ρ是电阻率、L是线长、S是截面积),这个阻抗随频率的变化而变化,在高频时表现得比较明显,因此称之为交流阻抗,也称高频阻抗,因其特性与频率相关与电感特性类似,因此用等效走线电感表征。

1


如果在导线上施加一直流电流,只要经过铜线,一定也会有个电阻,这个电阻值叫直流电阻Rdc。因此,一根金属导线总是具有(图2)的特性。其中分布电容特性是导线与周围金属之间形成的(两个导体之间充填了绝缘介质就表现为电容特性)。

恰恰是导线的走线电感和分布电容高频特性,一旦用于接地时则会出现(图3)示意的导电通路。

3


泄放到机壳上的干扰,流向大地,可以经过感抗或容抗两条路径,而电流又遵循最小阻抗路径流动原理,因此A点对地阻抗会随频率如下图4变化。

4


在f 在f>f0时,容抗通路总阻抗变小,干扰泄放以容抗通路泄放为主;

因此,A点的干扰噪声电平将会出现如图4的窝头状频谱曲线,按照一般经验,f0大约在7-12MHZ之间,如此外壳名义上接地了,但实际干扰的对地泄放并不是太好,地线这个维护公平正义的基准都不干净了,还能指望电路能好吗?

如果换一种导线~~宽扁平电缆(铜皮或编织网电缆)(图5),厚度小于或等于趋肤深度2倍(2H)。

5


则导线上通过f频率电流时,从上层往下看,导电深度达到甚至超过了中线,从下往上看也同理,这样,在整个0 ~ f的频率范围内,整个截面都是导电的,即随着频率的波动二波动的电阻特性没有了,导线传导方向上只剩了一个Rdc(此值很小)在起作用,A点对滴泄放通路的阻抗特性将变成图6,A点的干扰频谱特征也如图类似形状。

6


地线祸患不除,动摇的将是整个系统抗扰能力的根基,而这个根基的基础主要是低高频阻抗的接地电缆。

千言万语一句话,为EMC计,接地电缆须选宽扁平电缆,专业实验室可选铜皮。


但是马上又发生了另一个问题,安规接地线过去都是用单根圆铜线做接地电缆,但其趋肤效应问题又限制了对高频干扰的泄放。那么,能否用扁皮电缆替代圆扁平电缆作安规接地呢?答案“不可以”,原因是可靠性串并联模型问题。

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如果一根导线由多匝细线组成,单根导线电流不足以承受整根电缆所能通过的总电流,由于导线之间的不均匀,其上每根细线通过I大小不一样,电流大的总易先过载断掉,然后逐渐地各个击破一根根断掉,各细线间构成了一个可靠性串联模型。


8


细线成匝模型的可靠度跟单根圆粗铜线的可靠性模型相比,可靠度低,在万一发生故障时,电流对地泄放易过载烧断,起不到保护人安全的目的。例如:火线L异常搭到了外壳,对大地泄放电流,如果地线先烧断了,L线与机壳仍在搭接中,此时人万一摸上去会不会特别的酸爽呢?因此,保护安全地线又必须用圆单芯铜线为佳。而且这根线的内径必须是整个机箱中最粗的那根线。

综上所述,就出现了一个矛盾的问题。宽扁平电缆泄放高频干扰,圆铜芯电缆泄放安全保护电流;难不成一台设备必须加两条地线不成?您说对了,这种方式最好,如为成本方便计,也可在不影响产品抗扰能力及安全的前提下,做如下变通处理:

最优方案:

1、高频干扰泄放地线用宽扁平电缆;安全防护接地用圆芯电缆;

2、变通方案:小功率/低电压设备,可用宽扁平电缆兼作EMC泄放与安规泄放的双重功能;

3、除非确保EMC性能绝无问题的前提下,才可用圆芯接地线兼作EMC/安规泄放的双重功能。即使这样,仍不建议这样做,因为用户现场保不齐含有高频干扰会通过这条线泄放

4、高频泄放电缆一定要处理成面连接方式,即其与壳的连接方式一定是面贴面的(必要的绝缘漆或喷塑要刮掉);

5、无论选择哪种规格的电缆,外皮必须选黄绿色,安规的通用要求,遇到任何电器设备,紧急情况下,握住黄绿线,都应该是安全的。


如果嫌生产线缆比较麻烦,可联系40-0809-0304找我公司订购。北京某重点测试实验室的环境测试工作台,启动后台面不同点之间的电平面电平之差达几伏之多。电力某科研机构设备用圆电缆与扁平电缆做测试对比,抵御外来容性耦合干扰电平的能力相差1200V之多,皆通过此线轻松求解。
下图为某世界500强公司大型设备的接地布线,可资参考。

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