實(shí)驗(yàn)室的電源干擾和接地問題
2010-03-02
[3095]
我國光纖光纜行業(yè)的生產(chǎn)能力和廠家數(shù)量，均列世界光纜行業(yè)之zui。光纖光纜生產(chǎn)廠家檢測(cè)中心已初具規(guī)模，承擔(dān)起產(chǎn)品檢驗(yàn)繁重任務(wù)，是確保產(chǎn)品質(zhì)量*的重要部門。檢測(cè)中心實(shí)驗(yàn)室建設(shè)質(zhì)量好壞，不僅影響到產(chǎn)品質(zhì)量，而且直接影響到儀器設(shè)備使用壽命和損壞率。
在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中，人們一般只重視電源穩(wěn)壓，環(huán)境溫度，濕度等問題。對(duì)電網(wǎng)“污染”、電源干擾和接地問題并未引起足夠重視，造成事故不斷，損失嚴(yán)重。
本文根據(jù)作者多年工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)上述問題進(jìn)行重點(diǎn)分析，提出預(yù)防措施和解決方法。
1 應(yīng)關(guān)注電網(wǎng)“污染”等電源質(zhì)量問題
隨著我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，各種類型設(shè)備和電器投入電網(wǎng)使用都不可避免地給電網(wǎng)帶來各種干擾，造成電網(wǎng)“污染”。據(jù)檢測(cè)，廣州某地電網(wǎng)中，峰值超過600V以上的干擾訊號(hào)，每天竟達(dá)上千次。因而使各種計(jì)算機(jī)（含工控機(jī)），數(shù)字類設(shè)備，高精尖電子儀器和電器設(shè)備的正常運(yùn)行受到影響。
從理論上來講，在電網(wǎng)電源干擾方面，我國的干擾嚴(yán)重程度要超出美國等國家的四倍以上，因?yàn)槲覀兪?20V高內(nèi)阻電網(wǎng)，而他們是110V低阻電網(wǎng)。再加上我國許多企業(yè)用電不規(guī)范，加劇電網(wǎng)“污染”程度。許多昂貴的進(jìn)口儀器到中國來會(huì)出現(xiàn)“水土不服”因而常出現(xiàn)故障。
某計(jì)算機(jī)專家曾指出，計(jì)算機(jī)的故障90％來自電源問題。許多事實(shí)表明：電源質(zhì)量低劣是大多數(shù)電子設(shè)備損壞及其運(yùn)行發(fā)生故障的元兇。
常見電源質(zhì)量問題有：電壓過高或過低，電網(wǎng)突波和雜波干擾，電力供應(yīng)中斷或瞬間斷電等。一般電子儀器和電器設(shè)備都允許輸入電壓有一個(gè)波動(dòng)范圍內(nèi)均可正常工作，但對(duì)于電網(wǎng)干擾（包括突波和雜波干擾）就容易引起嚴(yán)重后果。以計(jì)算機(jī)為例，常出現(xiàn)“沖程序”的CPU控制紊亂問題。
*，微機(jī)在各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，幾乎高精尖電子儀器和電器設(shè)備都有微機(jī)（含工控機(jī)）應(yīng)用系統(tǒng)？垢蓴_性能和穩(wěn)定性已成為重要指標(biāo)之一，否則，再完善的功能設(shè)計(jì)，若抗干擾性和穩(wěn)定性不好則現(xiàn)場無法應(yīng)用，電腦變?yōu)?ldquo;煩腦”。
微機(jī)（含工控機(jī)）應(yīng)用系統(tǒng)穩(wěn)定性受到各種因素影響，但設(shè)法維持主機(jī)程序穩(wěn)定性具有決定性意義。主機(jī)是嚴(yán)格按時(shí)鐘操作，完成CPU和主機(jī)及外部設(shè)備的信息交換的。當(dāng)干擾出現(xiàn)時(shí)，通常是CPU控制紊亂，嚴(yán)重時(shí)內(nèi)存REM也被沖掉。其主要原因是不等位干擾，也就是邏輯地的不等位。
圖1 不等電位干擾
Fig.1 Distribution of unequal voltage
從圖1可以看出，CPU對(duì)REM控制作用在穩(wěn)定狀態(tài)下，分布地線A，B兩點(diǎn)間不存在不等位因而工作正常。但是當(dāng)?shù)鼐上存在瞬變干擾（來自電磁場干擾或電網(wǎng)干擾）時(shí)，則A、B兩點(diǎn)電位VA、VB則不相等，假設(shè)干擾瞬間VA+0.7v>VB時(shí)，顯然CPU對(duì)REM的控制作用便遭到破壞，此時(shí)REM只有“1”狀態(tài)而無“O”狀態(tài)。從這個(gè)示意圖說明，無論何種性質(zhì)的干擾，zui后則體現(xiàn)為不等位干擾，則對(duì)微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，高精尖電子儀器設(shè)備會(huì)造成嚴(yán)重故障甚至是致命傷。
由于電網(wǎng)供電用戶極其復(fù)雜，所以電網(wǎng)“污染”、電網(wǎng)干擾也很復(fù)雜，如電磁鐵、電動(dòng)機(jī)、無觸點(diǎn)開關(guān)、有觸點(diǎn)開關(guān)、火花和電弧等都會(huì)產(chǎn)生干擾，可以說是無處不在無時(shí)不在；電網(wǎng)“污染”、電網(wǎng)干擾和電磁干擾等造成電源質(zhì)量，務(wù)必引起我們足夠重視。
2 采用在線式正弦波輸出的UP S是確保電源質(zhì)量有效手段
UPS即不間斷電源，它的英文全稱為：Uninterruptible Power System。它可有效地克服電網(wǎng)污染、干擾引起的常見電源質(zhì)量問題。如電壓過高過低、電網(wǎng)突波或瞬間尖波、電源線上雜波干擾、電力供應(yīng)中斷或瞬間斷電等，從而確保電子儀器設(shè)備正常運(yùn)行。
2.1 UPS基本結(jié)構(gòu)和分類
UPS供電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)是一套將交流電變?yōu)橹绷麟姷恼?充電裝置和一套把直流電再度轉(zhuǎn)變成交流電的PWM（脈沖寬度調(diào)制）逆變器。
UPS電源按其輸出波形分類，則可分為方波輸出和正弦波輸出兩大類。顯然正弦波輸出UPS電源的供電質(zhì)量要優(yōu)于方波輸出的UPS電源。UPS按其操作原理，可分為后備式和在線式兩類。
如圖2所示：圖2（a）是后備式UPS電源，在市電正常供電時(shí)，由市電直接向負(fù)載提供交流電源；當(dāng)市電供應(yīng)中斷時(shí)，蓄電池通過逆變器向負(fù)載提供交流電源；即UPS 電源的逆變器總是處于對(duì)負(fù)載提供后備供電狀態(tài)。圖2（b）是在線式UPS電源。平時(shí)由交流電－>整流－>逆變器方式對(duì)負(fù)載提供交流電；一旦市電中斷時(shí)，改由蓄電池－>逆變器方式向負(fù)載提供交流電源。
圖2 后備式（a）和在線式（b）UPS結(jié)構(gòu)示意圖
Fig.2 System structure for UPS （a）On line（b）In reserve
顯爾易見，我們應(yīng)當(dāng)選用在線式正弦波輸出的UPS電源。因?yàn)樵谡Ｇ闆r下它總是由UPS電源的逆變器供電，這樣就避免了所有由市電電網(wǎng)而帶來任何電壓波動(dòng)和各種干擾所產(chǎn)生的影響。
2.2 在線式正弦波輸出的UPS電源工作原理
在線式正弦波輸出UPS電源系統(tǒng)由四個(gè)部分組成：AC／DC變換器、儲(chǔ)能電池、DC／AC逆變換器、智能控制電路。
（1） AC／DC變換器
AC/DC變換器將電網(wǎng)來的交流電經(jīng)變壓器降壓、全波和濾波后變?yōu)橹绷麟妷海┙o逆變電路。AC／DC輸入端有軟啟動(dòng)電路，可避免開機(jī)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。系統(tǒng)穩(wěn)壓功能通常由AC／DC變換器完成。
（2） 儲(chǔ)能電池組
儲(chǔ)能電池組可存儲(chǔ)直流電能，當(dāng)市電中斷時(shí)可繼續(xù)提供DC／AC逆變換器電能。儲(chǔ)能電池組還有一個(gè)重要功能—凈化功能：由于AC／DC變換器無法消除瞬時(shí)脈沖干擾的影響，而儲(chǔ)能電池組相當(dāng)一只大容量電容器，其等效電容量的大小與儲(chǔ)能電池組容量 大小成正比。由于大電容兩端的電壓是不能突變的，即利用了大電容器對(duì)脈沖的平滑特性消除了脈沖干擾，起到了對(duì)電網(wǎng)污染干擾脈沖的凈化作用，也稱對(duì)干擾的屏蔽。
（3） DC／AC逆變換器
采用大功率IGBT模塊全橋逆變電路，具有很大功率富余量，在輸出動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)輸出阻擾特別小具有快速響應(yīng)特性。由于采用高頻調(diào)制限流技術(shù)及快速短路保護(hù)技術(shù)，使逆變器無論是供電電壓瞬變還是負(fù)載沖擊或短路均可安全可靠工作。UPS電源的穩(wěn)頻特性則由DC／AC逆變換器來完成，頻率穩(wěn)定度取決于逆變換器本機(jī)振蕩頻率的穩(wěn)定度。
（4） 智能控制電路
是整機(jī)功能控制的核心，它除了提供檢測(cè)保護(hù)，同步及各種開關(guān)和顯示驅(qū)動(dòng)信號(hào)外，還完成SPWM（正弦脈寬調(diào)制）的控制。由于采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)雙重電壓反饋，*地改善了逆變器的功態(tài)等性和穩(wěn)定性。
2.3 在線式正弦波輸出UPS電源主要等點(diǎn)
（1）無干擾穩(wěn)壓供電
無論市電供電是否中斷，對(duì)負(fù)載供電均是由 UPS電源DC／AC逆變器提供；真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載的無干擾穩(wěn)壓供電，解決了任何抗干擾交流穩(wěn)定電源都無法解決的問題。
（2）穩(wěn)壓穩(wěn)頻供電
當(dāng)外界市電變化范為180～250ⅴ時(shí)它的輸出電壓穩(wěn)定范圍可達(dá)220v±3％，正弦波的工作頻率穩(wěn)定為50Hz±1％，真正實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓穩(wěn)頻供電。這是因?yàn)椴捎昧耸⒕w振蕩器產(chǎn)生本機(jī)振蕩，所以實(shí)際穩(wěn)定度要優(yōu)于50Hz±0.5％。
（3）標(biāo)準(zhǔn)正弦波輸出
一般市售產(chǎn)品的波形失真系數(shù)均在＜3％范圍內(nèi)。
（4）斷電同步不間斷轉(zhuǎn)換
市電供電到市電中斷過程中，UPS對(duì)負(fù)載供電轉(zhuǎn)換時(shí)間為零。而后備式UPS，大約有4ms左右中斷電時(shí)間（主要來源于繼電器的轉(zhuǎn)換時(shí)間，這個(gè)中斷時(shí)間小于電腦所允許的10ms要求）。
（5）優(yōu)良的輸出電壓瞬變特性
一般在100％負(fù)載加載或100％負(fù)載減載時(shí)，它的輸出電壓變化范圍為1.0％左右，這種變化的持續(xù)時(shí)間非常短，一般為1—3周波。而后備式UPS未給出上述指標(biāo)。
（6）整機(jī)噪聲小
一般均采用20KHz以上PWM（脈沖寬度調(diào)制）技術(shù)工作，所以整機(jī)噪聲都比較小。
（7）可靠性高故障率低
智能控制電路設(shè)計(jì)中采用光電來耦合器件等措施使“強(qiáng)電”驅(qū)動(dòng)部分與“弱電”控制線路部分從電的角度隔離開，因而可靠性高，故障率非常低。
3 應(yīng)注意接地問題
3.1 接地的基本概念
將電氣設(shè)備或過電壓保護(hù)裝置用導(dǎo)線（又稱接地線）與接地體連接簡稱為接地。直接與大地接觸的金屬導(dǎo)體或金屬導(dǎo)體組稱為接地體。 接地線和接地體總稱為接地裝置。
（1） 對(duì)地電壓
電氣設(shè)備的接地部分（如接地外殼、接地線和接地體等）與大地零電位點(diǎn)（在距接地體或接地處20m以外的地方）之間的電位差稱為接地時(shí)的對(duì)地電壓。
（2） 接地電阻
接地體對(duì)地電阻和接地線電阻的總和稱為接地裝置的接地電阻。
（3） 接地和接零
接地目的的一是為了安全防止電氣設(shè)備損壞和保證人身安全，二是為了保證電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，如電氣設(shè)備的工作接地。
為了保證人身安全，所有電氣設(shè)備都應(yīng)安裝接地裝置，并將電氣設(shè)備外殼接地。若該電氣設(shè)備一旦因絕緣損壞或感應(yīng)帶電，則電流可以經(jīng)過接地線和接地體流入大地中去；不產(chǎn)生危險(xiǎn)電壓保護(hù)人身安全。
發(fā)電機(jī)和變壓器的中性點(diǎn)直接接地時(shí)，該點(diǎn)稱為零點(diǎn)。由零點(diǎn)引出的導(dǎo)線稱為零線，將電氣設(shè)備上金屬外殼與零線相接稱為接零。
為保證電氣設(shè)備正常工作，可以采用重復(fù)接地措施，即將零線上多點(diǎn)與地再次連接。當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生碰殼或接地短路時(shí)，可以降低零線對(duì)地的電壓。
3.2 各類電氣設(shè)備對(duì)接地要求
（1）在三相四線系統(tǒng)中的電氣設(shè)備
一般均要求接地電阻小于10Ω，外殼均應(yīng)接地？梢圆捎媒恿惴椒，即將外殼與零線相接。實(shí)行這種連接后當(dāng)發(fā)生碰殼短路時(shí)，短路電流經(jīng)零線而成為閉合回路變成單相短路，使保護(hù)裝置（自動(dòng)開關(guān)或熔斷器）可靠而迅速動(dòng)作切斷故障設(shè)備，從而避免人身遭受觸電的危險(xiǎn)。這里必須指出：在中性點(diǎn)未接地系統(tǒng)中，采用接零保護(hù)是不允許的。因?yàn)橄到y(tǒng)中任何一點(diǎn)接地或碰殼時(shí)都會(huì)使所有接在零線上的電氣設(shè)備金屬外殼呈現(xiàn)出近于相電壓的電壓，這對(duì)人身是十分危險(xiǎn)的。
（2）高壓試驗(yàn)設(shè)備接地要求
對(duì)于10kv以下的高壓試驗(yàn)，一般為便攜式；放在工作臺(tái)上可不接地，操作時(shí)采用絕緣地板并戴絕緣手套。對(duì)于10~100kV電壓等級(jí)容量10kvA以下的高壓試驗(yàn)變壓器，要求一點(diǎn)接地，把要接地的部件都通過一點(diǎn)進(jìn)行接地，接地電阻應(yīng)小于4Ω。此時(shí)要求把試驗(yàn)變壓器等高壓部分用圍欄圍起來，并用門開關(guān)和腳踏零位開關(guān)進(jìn)行連鎖，操作人員在圍欄外面進(jìn)行操作。像ADSS光纜（All dielectric self-supporting fiber cable）耐電痕性能試驗(yàn)，要求試驗(yàn)電壓30kV時(shí)就必須按上述要求進(jìn)行。
（3）電子醫(yī)療設(shè)備接地要求
X光機(jī)電子電路接地都是接在機(jī)殼上，保證有統(tǒng)一的基準(zhǔn)電位，然后從機(jī)殼上接地。X光機(jī)各部件的鐵殼、操作臺(tái)、高壓電纜金屬護(hù)套、電動(dòng)床、管式立柱等的鐵殼均應(yīng)接地，接地電阻應(yīng)小于4Ω。*和*為了避免外界干擾，要求單獨(dú)設(shè)置接地裝置，接地電阻應(yīng)小于4Ω。
（4）電子計(jì)算機(jī)接地要求
電子計(jì)算機(jī)接地的種類分邏輯地、功率地、安全地。
a） 邏輯地：是指信號(hào)回路中其低電位點(diǎn)要有一個(gè)統(tǒng)一的基準(zhǔn)電位，把這個(gè)點(diǎn)進(jìn)行接地叫邏輯地；其目的是使計(jì)算機(jī)電路有一個(gè)統(tǒng)一的基準(zhǔn)電位。
b） 功率地：是指大電流電路、非靈敏電路、噪聲電路等（如機(jī)柜內(nèi)的繼電器、風(fēng)機(jī)、指示燈、交直流電源電路等）都需接地，這種接地稱為功率接地，簡稱功率地。若交直流電路分開接地時(shí)，則分別稱為交流功率地和直流功率地。
c） 安全地：是為了人身和設(shè)備安全，把正常運(yùn)行時(shí)的不帶電設(shè)備的金屬外殼（如機(jī)柜外殼、元件外殼、面板等）接地；這種接地稱為安全接地，簡稱安全地。
在進(jìn)行計(jì)算機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)其中接地方式就已被確定了。在使用計(jì)算機(jī)時(shí)要嚴(yán)格按照產(chǎn)品說明書要求進(jìn)行接地，接地電阻應(yīng)小于4Ω。
（5）一般電子儀表接地要求
一般工業(yè)電子電路實(shí)驗(yàn)用的電子儀表除接地電阻小于4Ω外還應(yīng)采用接零。但交流接地和直流接地要分開，以防焊接時(shí)燒毀晶體管或集成電路。
（6）光電子試驗(yàn)室接地要求
光纖光纜光器件試驗(yàn)室屬于光電子試驗(yàn)室，除要求防振光學(xué)儀器外還有精密電子儀器，微弱信號(hào)提取放大檢測(cè)電路特別害怕干擾，對(duì)電源質(zhì)量要求較高。所以要求光電子試驗(yàn)室有單獨(dú)接地裝置，其接地電阻應(yīng)小于4Ω。
（7）防靜電接地
靜電是由于兩種物質(zhì)相互接觸分離和磨擦而產(chǎn)生的；靜電電壓的大小與接觸表面的電介質(zhì)的性質(zhì)、狀態(tài)、表面間相互貼近的壓力、表面間相互磨擦的速度和其周圍介質(zhì)的濕度、溫度有關(guān)。對(duì)易燃易爆環(huán)境中，靜電放電的火花還能夠引起爆炸和火災(zāi)人員工傷事故等。
對(duì)微電子技術(shù)而言，靜電往往對(duì)工藝過程和產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生不良影響使其質(zhì)量和可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重后果，要格外注意。
采用接地是達(dá)到消除靜電危險(xiǎn)的主要方法。微電子、超潔凈室、電子計(jì)算機(jī)室、醫(yī)院手術(shù)室等為了消除靜電，一般用導(dǎo)電地板，其接地方式是在地板下面的金屬腳引接地線接地。
必須注意，對(duì)靜電來講人即是導(dǎo)體。因人而異，有的人帶靜電電壓還相當(dāng)高。據(jù)了解某*研究所研制產(chǎn)品例行試驗(yàn)老過不了關(guān)；經(jīng)過反復(fù)查驗(yàn)，zui后才發(fā)現(xiàn)原來是由于人體靜電所至造成的。這類事故很多，應(yīng)引起我們足夠重視。
在特殊場合應(yīng)避免穿絲綢或某些合成纖維（如尼龍）衣服，并在手腕戴接地環(huán)，確保接地。從事帶電作業(yè)的人員不能戴戒指和手鐲。在建筑物內(nèi)，門的把手和門閂必須接地。接地電阻應(yīng)小于4Ω。
3.3 接地裝置的安裝
接地裝置包括接地體和接地線兩部分。
（1）接地體
接地體可盡量利用自然接地體，如敷設(shè)在地下的各種金屬管道，但易燃易爆金屬管道以及包有黃麻、瀝青層等絕緣物的金屬管道除外。一般自然接地體不能滿足接地電阻要求時(shí)，可采用人工接地體。人工接地體可采用下述方法：垂直埋入鋼管、角鋼或圓鋼等。垂直接地體一般均應(yīng)用打入的方法埋入地下。角鋼接地體一般為40mm×40mm×4mm或50mm×50mm×5mm，長2.5m以上。端部稍尖以便打入土中。管形接地體一般采用直徑50mm管壁厚度不小于3.5mm長度大于2.5m的鋼管，一端打扁或削成尖形。一般應(yīng)當(dāng)有多根打入地中，并相互焊接成網(wǎng)狀才能滿足接地電阻小于4Ω的要求。接地體端部應(yīng)露出地面10-20cm以便連接（焊接）接地線。禁止在地下用裸鋁導(dǎo)體作為接地體，但可用鋼管或粗銅線作接地體。
（2）接地線
接地線主要要求是要保證線為連續(xù)的導(dǎo)體，采用扁鋼（截面積應(yīng)大于48mm2）焊接，也可采用扁銅線。
3.4 接地電阻值的測(cè)量
可以采用接地電阻測(cè)試儀，對(duì)接地裝置的接地電阻進(jìn)行測(cè)量，接地電阻測(cè)試儀屬搖表類型。
圖3是ZC-8型接地電阻測(cè)試儀檢測(cè)時(shí)連接方案。如圖中所示兩個(gè)金屬探針均應(yīng)插入土中，兩個(gè)金屬探針到接地電阻測(cè)試直線距離分別為20m、40m。接地電阻測(cè)試儀右端接線柱用導(dǎo)線接被測(cè)接地裝置。
圖3 接地電阻測(cè)試儀
Fig.3 Resistance meter of electrical grounding
4 事故案例分析
上海某單位在一周內(nèi)連續(xù)二臺(tái)進(jìn)口鎖相放大器出故障引起有關(guān)部門重視，送檢認(rèn)準(zhǔn)都是高靈敏度的弱信號(hào)放大器部分損壞，經(jīng)檢查零線電壓競有20多伏。原因是該實(shí)驗(yàn)室原為辦公室，沒有專門接地裝置，而整個(gè)大樓內(nèi)用電狀況不規(guī)范，至使零線電壓升高。后來搬到樓下有接的實(shí)驗(yàn)室工作再也沒有出現(xiàn)鎖相放大器故障問題。
江蘇某單位進(jìn)口的臺(tái)式OTDR在甲車間對(duì)光纜衰減檢測(cè)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)跳動(dòng)現(xiàn)象，而在乙車間進(jìn)行測(cè)試卻一切正常；而便攜式OTDR在甲乙車間進(jìn)行測(cè)試均正常。分析結(jié)果為：臺(tái)式OTDR適合在試驗(yàn)室條件下工作，在設(shè)計(jì)上對(duì)抗電網(wǎng)*力較差，而便攜式OTDR適合野外環(huán)境下工作在設(shè)計(jì)上抗*力較強(qiáng)。經(jīng)檢查原因甲車間的儀器車上的電源接線板只接了2根線，缺少了接地線，經(jīng)正確處置后即一切正常。
浙江某單位的進(jìn)口光纖色散應(yīng)變儀使用不到三個(gè)月就出現(xiàn)關(guān)鍵部件損壞。經(jīng)查原因是該試驗(yàn)室根本沒有專門接地裝置，零線電壓達(dá)30V以上。經(jīng)安裝專門接地裝置采用在線式UPS電源后未再出現(xiàn)問題。
安徽某單位由于采用劣質(zhì)穩(wěn)壓電源，由穩(wěn)壓電源故障引發(fā)進(jìn)口光纖色散應(yīng)變儀損壞。后來安裝接地裝置，采用在線式UPS電源，幾年下來仍正常工作。
廣東某單位進(jìn)口的光纖色散應(yīng)變儀才使用2個(gè)月就出問題。經(jīng)查：該單采用柴油發(fā)電機(jī)自供電，試驗(yàn)室無專門接地裝置，使用一般穩(wěn)壓電源。后來選用穩(wěn)頻在線式UPS電源和采用接地電阻小于4Ω的專門接地裝置，幾年來儀器仍正常工作。
5 結(jié)論
必須關(guān)注電源干擾和接地問題。對(duì)于檢測(cè)中心和實(shí)驗(yàn)室要有單獨(dú)接地裝置，接地電阻應(yīng)小于4Ω，要采用在線式正弦波輸出的UPS電源；這樣才能確保儀器正常工作，避免造成重大損失。
在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中，人們一般只重視電源穩(wěn)壓，環(huán)境溫度，濕度等問題。對(duì)電網(wǎng)“污染”、電源干擾和接地問題并未引起足夠重視，造成事故不斷，損失嚴(yán)重。
本文根據(jù)作者多年工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)上述問題進(jìn)行重點(diǎn)分析，提出預(yù)防措施和解決方法。
1 應(yīng)關(guān)注電網(wǎng)“污染”等電源質(zhì)量問題
隨著我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，各種類型設(shè)備和電器投入電網(wǎng)使用都不可避免地給電網(wǎng)帶來各種干擾，造成電網(wǎng)“污染”。據(jù)檢測(cè)，廣州某地電網(wǎng)中，峰值超過600V以上的干擾訊號(hào)，每天竟達(dá)上千次。因而使各種計(jì)算機(jī)（含工控機(jī)），數(shù)字類設(shè)備，高精尖電子儀器和電器設(shè)備的正常運(yùn)行受到影響。
從理論上來講，在電網(wǎng)電源干擾方面，我國的干擾嚴(yán)重程度要超出美國等國家的四倍以上，因?yàn)槲覀兪?20V高內(nèi)阻電網(wǎng)，而他們是110V低阻電網(wǎng)。再加上我國許多企業(yè)用電不規(guī)范，加劇電網(wǎng)“污染”程度。許多昂貴的進(jìn)口儀器到中國來會(huì)出現(xiàn)“水土不服”因而常出現(xiàn)故障。
某計(jì)算機(jī)專家曾指出，計(jì)算機(jī)的故障90％來自電源問題。許多事實(shí)表明：電源質(zhì)量低劣是大多數(shù)電子設(shè)備損壞及其運(yùn)行發(fā)生故障的元兇。
常見電源質(zhì)量問題有：電壓過高或過低，電網(wǎng)突波和雜波干擾，電力供應(yīng)中斷或瞬間斷電等。一般電子儀器和電器設(shè)備都允許輸入電壓有一個(gè)波動(dòng)范圍內(nèi)均可正常工作，但對(duì)于電網(wǎng)干擾（包括突波和雜波干擾）就容易引起嚴(yán)重后果。以計(jì)算機(jī)為例，常出現(xiàn)“沖程序”的CPU控制紊亂問題。
*，微機(jī)在各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，幾乎高精尖電子儀器和電器設(shè)備都有微機(jī)（含工控機(jī)）應(yīng)用系統(tǒng)？垢蓴_性能和穩(wěn)定性已成為重要指標(biāo)之一，否則，再完善的功能設(shè)計(jì)，若抗干擾性和穩(wěn)定性不好則現(xiàn)場無法應(yīng)用，電腦變?yōu)?ldquo;煩腦”。
微機(jī)（含工控機(jī)）應(yīng)用系統(tǒng)穩(wěn)定性受到各種因素影響，但設(shè)法維持主機(jī)程序穩(wěn)定性具有決定性意義。主機(jī)是嚴(yán)格按時(shí)鐘操作，完成CPU和主機(jī)及外部設(shè)備的信息交換的。當(dāng)干擾出現(xiàn)時(shí)，通常是CPU控制紊亂，嚴(yán)重時(shí)內(nèi)存REM也被沖掉。其主要原因是不等位干擾，也就是邏輯地的不等位。
圖1 不等電位干擾
Fig.1 Distribution of unequal voltage
從圖1可以看出，CPU對(duì)REM控制作用在穩(wěn)定狀態(tài)下，分布地線A，B兩點(diǎn)間不存在不等位因而工作正常。但是當(dāng)?shù)鼐上存在瞬變干擾（來自電磁場干擾或電網(wǎng)干擾）時(shí)，則A、B兩點(diǎn)電位VA、VB則不相等，假設(shè)干擾瞬間VA+0.7v>VB時(shí)，顯然CPU對(duì)REM的控制作用便遭到破壞，此時(shí)REM只有“1”狀態(tài)而無“O”狀態(tài)。從這個(gè)示意圖說明，無論何種性質(zhì)的干擾，zui后則體現(xiàn)為不等位干擾，則對(duì)微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，高精尖電子儀器設(shè)備會(huì)造成嚴(yán)重故障甚至是致命傷。
由于電網(wǎng)供電用戶極其復(fù)雜，所以電網(wǎng)“污染”、電網(wǎng)干擾也很復(fù)雜，如電磁鐵、電動(dòng)機(jī)、無觸點(diǎn)開關(guān)、有觸點(diǎn)開關(guān)、火花和電弧等都會(huì)產(chǎn)生干擾，可以說是無處不在無時(shí)不在；電網(wǎng)“污染”、電網(wǎng)干擾和電磁干擾等造成電源質(zhì)量，務(wù)必引起我們足夠重視。
2 采用在線式正弦波輸出的UP S是確保電源質(zhì)量有效手段
UPS即不間斷電源，它的英文全稱為：Uninterruptible Power System。它可有效地克服電網(wǎng)污染、干擾引起的常見電源質(zhì)量問題。如電壓過高過低、電網(wǎng)突波或瞬間尖波、電源線上雜波干擾、電力供應(yīng)中斷或瞬間斷電等，從而確保電子儀器設(shè)備正常運(yùn)行。
2.1 UPS基本結(jié)構(gòu)和分類
UPS供電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)是一套將交流電變?yōu)橹绷麟姷恼?充電裝置和一套把直流電再度轉(zhuǎn)變成交流電的PWM（脈沖寬度調(diào)制）逆變器。
UPS電源按其輸出波形分類，則可分為方波輸出和正弦波輸出兩大類。顯然正弦波輸出UPS電源的供電質(zhì)量要優(yōu)于方波輸出的UPS電源。UPS按其操作原理，可分為后備式和在線式兩類。
如圖2所示：圖2（a）是后備式UPS電源，在市電正常供電時(shí)，由市電直接向負(fù)載提供交流電源；當(dāng)市電供應(yīng)中斷時(shí)，蓄電池通過逆變器向負(fù)載提供交流電源；即UPS 電源的逆變器總是處于對(duì)負(fù)載提供后備供電狀態(tài)。圖2（b）是在線式UPS電源。平時(shí)由交流電－>整流－>逆變器方式對(duì)負(fù)載提供交流電；一旦市電中斷時(shí)，改由蓄電池－>逆變器方式向負(fù)載提供交流電源。
圖2 后備式（a）和在線式（b）UPS結(jié)構(gòu)示意圖
Fig.2 System structure for UPS （a）On line（b）In reserve
顯爾易見，我們應(yīng)當(dāng)選用在線式正弦波輸出的UPS電源。因?yàn)樵谡Ｇ闆r下它總是由UPS電源的逆變器供電，這樣就避免了所有由市電電網(wǎng)而帶來任何電壓波動(dòng)和各種干擾所產(chǎn)生的影響。
2.2 在線式正弦波輸出的UPS電源工作原理
在線式正弦波輸出UPS電源系統(tǒng)由四個(gè)部分組成：AC／DC變換器、儲(chǔ)能電池、DC／AC逆變換器、智能控制電路。
（1） AC／DC變換器
AC/DC變換器將電網(wǎng)來的交流電經(jīng)變壓器降壓、全波和濾波后變?yōu)橹绷麟妷海┙o逆變電路。AC／DC輸入端有軟啟動(dòng)電路，可避免開機(jī)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。系統(tǒng)穩(wěn)壓功能通常由AC／DC變換器完成。
（2） 儲(chǔ)能電池組
儲(chǔ)能電池組可存儲(chǔ)直流電能，當(dāng)市電中斷時(shí)可繼續(xù)提供DC／AC逆變換器電能。儲(chǔ)能電池組還有一個(gè)重要功能—凈化功能：由于AC／DC變換器無法消除瞬時(shí)脈沖干擾的影響，而儲(chǔ)能電池組相當(dāng)一只大容量電容器，其等效電容量的大小與儲(chǔ)能電池組容量 大小成正比。由于大電容兩端的電壓是不能突變的，即利用了大電容器對(duì)脈沖的平滑特性消除了脈沖干擾，起到了對(duì)電網(wǎng)污染干擾脈沖的凈化作用，也稱對(duì)干擾的屏蔽。
（3） DC／AC逆變換器
采用大功率IGBT模塊全橋逆變電路，具有很大功率富余量，在輸出動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)輸出阻擾特別小具有快速響應(yīng)特性。由于采用高頻調(diào)制限流技術(shù)及快速短路保護(hù)技術(shù)，使逆變器無論是供電電壓瞬變還是負(fù)載沖擊或短路均可安全可靠工作。UPS電源的穩(wěn)頻特性則由DC／AC逆變換器來完成，頻率穩(wěn)定度取決于逆變換器本機(jī)振蕩頻率的穩(wěn)定度。
（4） 智能控制電路
是整機(jī)功能控制的核心，它除了提供檢測(cè)保護(hù)，同步及各種開關(guān)和顯示驅(qū)動(dòng)信號(hào)外，還完成SPWM（正弦脈寬調(diào)制）的控制。由于采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)雙重電壓反饋，*地改善了逆變器的功態(tài)等性和穩(wěn)定性。
2.3 在線式正弦波輸出UPS電源主要等點(diǎn)
（1）無干擾穩(wěn)壓供電
無論市電供電是否中斷，對(duì)負(fù)載供電均是由 UPS電源DC／AC逆變器提供；真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載的無干擾穩(wěn)壓供電，解決了任何抗干擾交流穩(wěn)定電源都無法解決的問題。
（2）穩(wěn)壓穩(wěn)頻供電
當(dāng)外界市電變化范為180～250ⅴ時(shí)它的輸出電壓穩(wěn)定范圍可達(dá)220v±3％，正弦波的工作頻率穩(wěn)定為50Hz±1％，真正實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓穩(wěn)頻供電。這是因?yàn)椴捎昧耸⒕w振蕩器產(chǎn)生本機(jī)振蕩，所以實(shí)際穩(wěn)定度要優(yōu)于50Hz±0.5％。
（3）標(biāo)準(zhǔn)正弦波輸出
一般市售產(chǎn)品的波形失真系數(shù)均在＜3％范圍內(nèi)。
（4）斷電同步不間斷轉(zhuǎn)換
市電供電到市電中斷過程中，UPS對(duì)負(fù)載供電轉(zhuǎn)換時(shí)間為零。而后備式UPS，大約有4ms左右中斷電時(shí)間（主要來源于繼電器的轉(zhuǎn)換時(shí)間，這個(gè)中斷時(shí)間小于電腦所允許的10ms要求）。
（5）優(yōu)良的輸出電壓瞬變特性
一般在100％負(fù)載加載或100％負(fù)載減載時(shí)，它的輸出電壓變化范圍為1.0％左右，這種變化的持續(xù)時(shí)間非常短，一般為1—3周波。而后備式UPS未給出上述指標(biāo)。
（6）整機(jī)噪聲小
一般均采用20KHz以上PWM（脈沖寬度調(diào)制）技術(shù)工作，所以整機(jī)噪聲都比較小。
（7）可靠性高故障率低
智能控制電路設(shè)計(jì)中采用光電來耦合器件等措施使“強(qiáng)電”驅(qū)動(dòng)部分與“弱電”控制線路部分從電的角度隔離開，因而可靠性高，故障率非常低。
3 應(yīng)注意接地問題
3.1 接地的基本概念
將電氣設(shè)備或過電壓保護(hù)裝置用導(dǎo)線（又稱接地線）與接地體連接簡稱為接地。直接與大地接觸的金屬導(dǎo)體或金屬導(dǎo)體組稱為接地體。 接地線和接地體總稱為接地裝置。
（1） 對(duì)地電壓
電氣設(shè)備的接地部分（如接地外殼、接地線和接地體等）與大地零電位點(diǎn)（在距接地體或接地處20m以外的地方）之間的電位差稱為接地時(shí)的對(duì)地電壓。
（2） 接地電阻
接地體對(duì)地電阻和接地線電阻的總和稱為接地裝置的接地電阻。
（3） 接地和接零
接地目的的一是為了安全防止電氣設(shè)備損壞和保證人身安全，二是為了保證電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，如電氣設(shè)備的工作接地。
為了保證人身安全，所有電氣設(shè)備都應(yīng)安裝接地裝置，并將電氣設(shè)備外殼接地。若該電氣設(shè)備一旦因絕緣損壞或感應(yīng)帶電，則電流可以經(jīng)過接地線和接地體流入大地中去；不產(chǎn)生危險(xiǎn)電壓保護(hù)人身安全。
發(fā)電機(jī)和變壓器的中性點(diǎn)直接接地時(shí)，該點(diǎn)稱為零點(diǎn)。由零點(diǎn)引出的導(dǎo)線稱為零線，將電氣設(shè)備上金屬外殼與零線相接稱為接零。
為保證電氣設(shè)備正常工作，可以采用重復(fù)接地措施，即將零線上多點(diǎn)與地再次連接。當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生碰殼或接地短路時(shí)，可以降低零線對(duì)地的電壓。
3.2 各類電氣設(shè)備對(duì)接地要求
（1）在三相四線系統(tǒng)中的電氣設(shè)備
一般均要求接地電阻小于10Ω，外殼均應(yīng)接地？梢圆捎媒恿惴椒，即將外殼與零線相接。實(shí)行這種連接后當(dāng)發(fā)生碰殼短路時(shí)，短路電流經(jīng)零線而成為閉合回路變成單相短路，使保護(hù)裝置（自動(dòng)開關(guān)或熔斷器）可靠而迅速動(dòng)作切斷故障設(shè)備，從而避免人身遭受觸電的危險(xiǎn)。這里必須指出：在中性點(diǎn)未接地系統(tǒng)中，采用接零保護(hù)是不允許的。因?yàn)橄到y(tǒng)中任何一點(diǎn)接地或碰殼時(shí)都會(huì)使所有接在零線上的電氣設(shè)備金屬外殼呈現(xiàn)出近于相電壓的電壓，這對(duì)人身是十分危險(xiǎn)的。
（2）高壓試驗(yàn)設(shè)備接地要求
對(duì)于10kv以下的高壓試驗(yàn)，一般為便攜式；放在工作臺(tái)上可不接地，操作時(shí)采用絕緣地板并戴絕緣手套。對(duì)于10~100kV電壓等級(jí)容量10kvA以下的高壓試驗(yàn)變壓器，要求一點(diǎn)接地，把要接地的部件都通過一點(diǎn)進(jìn)行接地，接地電阻應(yīng)小于4Ω。此時(shí)要求把試驗(yàn)變壓器等高壓部分用圍欄圍起來，并用門開關(guān)和腳踏零位開關(guān)進(jìn)行連鎖，操作人員在圍欄外面進(jìn)行操作。像ADSS光纜（All dielectric self-supporting fiber cable）耐電痕性能試驗(yàn)，要求試驗(yàn)電壓30kV時(shí)就必須按上述要求進(jìn)行。
（3）電子醫(yī)療設(shè)備接地要求
X光機(jī)電子電路接地都是接在機(jī)殼上，保證有統(tǒng)一的基準(zhǔn)電位，然后從機(jī)殼上接地。X光機(jī)各部件的鐵殼、操作臺(tái)、高壓電纜金屬護(hù)套、電動(dòng)床、管式立柱等的鐵殼均應(yīng)接地，接地電阻應(yīng)小于4Ω。*和*為了避免外界干擾，要求單獨(dú)設(shè)置接地裝置，接地電阻應(yīng)小于4Ω。
（4）電子計(jì)算機(jī)接地要求
電子計(jì)算機(jī)接地的種類分邏輯地、功率地、安全地。
a） 邏輯地：是指信號(hào)回路中其低電位點(diǎn)要有一個(gè)統(tǒng)一的基準(zhǔn)電位，把這個(gè)點(diǎn)進(jìn)行接地叫邏輯地；其目的是使計(jì)算機(jī)電路有一個(gè)統(tǒng)一的基準(zhǔn)電位。
b） 功率地：是指大電流電路、非靈敏電路、噪聲電路等（如機(jī)柜內(nèi)的繼電器、風(fēng)機(jī)、指示燈、交直流電源電路等）都需接地，這種接地稱為功率接地，簡稱功率地。若交直流電路分開接地時(shí)，則分別稱為交流功率地和直流功率地。
c） 安全地：是為了人身和設(shè)備安全，把正常運(yùn)行時(shí)的不帶電設(shè)備的金屬外殼（如機(jī)柜外殼、元件外殼、面板等）接地；這種接地稱為安全接地，簡稱安全地。
在進(jìn)行計(jì)算機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)其中接地方式就已被確定了。在使用計(jì)算機(jī)時(shí)要嚴(yán)格按照產(chǎn)品說明書要求進(jìn)行接地，接地電阻應(yīng)小于4Ω。
（5）一般電子儀表接地要求
一般工業(yè)電子電路實(shí)驗(yàn)用的電子儀表除接地電阻小于4Ω外還應(yīng)采用接零。但交流接地和直流接地要分開，以防焊接時(shí)燒毀晶體管或集成電路。
（6）光電子試驗(yàn)室接地要求
光纖光纜光器件試驗(yàn)室屬于光電子試驗(yàn)室，除要求防振光學(xué)儀器外還有精密電子儀器，微弱信號(hào)提取放大檢測(cè)電路特別害怕干擾，對(duì)電源質(zhì)量要求較高。所以要求光電子試驗(yàn)室有單獨(dú)接地裝置，其接地電阻應(yīng)小于4Ω。
（7）防靜電接地
靜電是由于兩種物質(zhì)相互接觸分離和磨擦而產(chǎn)生的；靜電電壓的大小與接觸表面的電介質(zhì)的性質(zhì)、狀態(tài)、表面間相互貼近的壓力、表面間相互磨擦的速度和其周圍介質(zhì)的濕度、溫度有關(guān)。對(duì)易燃易爆環(huán)境中，靜電放電的火花還能夠引起爆炸和火災(zāi)人員工傷事故等。
對(duì)微電子技術(shù)而言，靜電往往對(duì)工藝過程和產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生不良影響使其質(zhì)量和可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重后果，要格外注意。
采用接地是達(dá)到消除靜電危險(xiǎn)的主要方法。微電子、超潔凈室、電子計(jì)算機(jī)室、醫(yī)院手術(shù)室等為了消除靜電，一般用導(dǎo)電地板，其接地方式是在地板下面的金屬腳引接地線接地。
必須注意，對(duì)靜電來講人即是導(dǎo)體。因人而異，有的人帶靜電電壓還相當(dāng)高。據(jù)了解某*研究所研制產(chǎn)品例行試驗(yàn)老過不了關(guān)；經(jīng)過反復(fù)查驗(yàn)，zui后才發(fā)現(xiàn)原來是由于人體靜電所至造成的。這類事故很多，應(yīng)引起我們足夠重視。
在特殊場合應(yīng)避免穿絲綢或某些合成纖維（如尼龍）衣服，并在手腕戴接地環(huán)，確保接地。從事帶電作業(yè)的人員不能戴戒指和手鐲。在建筑物內(nèi)，門的把手和門閂必須接地。接地電阻應(yīng)小于4Ω。
3.3 接地裝置的安裝
接地裝置包括接地體和接地線兩部分。
（1）接地體
接地體可盡量利用自然接地體，如敷設(shè)在地下的各種金屬管道，但易燃易爆金屬管道以及包有黃麻、瀝青層等絕緣物的金屬管道除外。一般自然接地體不能滿足接地電阻要求時(shí)，可采用人工接地體。人工接地體可采用下述方法：垂直埋入鋼管、角鋼或圓鋼等。垂直接地體一般均應(yīng)用打入的方法埋入地下。角鋼接地體一般為40mm×40mm×4mm或50mm×50mm×5mm，長2.5m以上。端部稍尖以便打入土中。管形接地體一般采用直徑50mm管壁厚度不小于3.5mm長度大于2.5m的鋼管，一端打扁或削成尖形。一般應(yīng)當(dāng)有多根打入地中，并相互焊接成網(wǎng)狀才能滿足接地電阻小于4Ω的要求。接地體端部應(yīng)露出地面10-20cm以便連接（焊接）接地線。禁止在地下用裸鋁導(dǎo)體作為接地體，但可用鋼管或粗銅線作接地體。
（2）接地線
接地線主要要求是要保證線為連續(xù)的導(dǎo)體，采用扁鋼（截面積應(yīng)大于48mm2）焊接，也可采用扁銅線。
3.4 接地電阻值的測(cè)量
可以采用接地電阻測(cè)試儀，對(duì)接地裝置的接地電阻進(jìn)行測(cè)量，接地電阻測(cè)試儀屬搖表類型。
圖3是ZC-8型接地電阻測(cè)試儀檢測(cè)時(shí)連接方案。如圖中所示兩個(gè)金屬探針均應(yīng)插入土中，兩個(gè)金屬探針到接地電阻測(cè)試直線距離分別為20m、40m。接地電阻測(cè)試儀右端接線柱用導(dǎo)線接被測(cè)接地裝置。
圖3 接地電阻測(cè)試儀
Fig.3 Resistance meter of electrical grounding
4 事故案例分析
上海某單位在一周內(nèi)連續(xù)二臺(tái)進(jìn)口鎖相放大器出故障引起有關(guān)部門重視，送檢認(rèn)準(zhǔn)都是高靈敏度的弱信號(hào)放大器部分損壞，經(jīng)檢查零線電壓競有20多伏。原因是該實(shí)驗(yàn)室原為辦公室，沒有專門接地裝置，而整個(gè)大樓內(nèi)用電狀況不規(guī)范，至使零線電壓升高。后來搬到樓下有接的實(shí)驗(yàn)室工作再也沒有出現(xiàn)鎖相放大器故障問題。
江蘇某單位進(jìn)口的臺(tái)式OTDR在甲車間對(duì)光纜衰減檢測(cè)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)跳動(dòng)現(xiàn)象，而在乙車間進(jìn)行測(cè)試卻一切正常；而便攜式OTDR在甲乙車間進(jìn)行測(cè)試均正常。分析結(jié)果為：臺(tái)式OTDR適合在試驗(yàn)室條件下工作，在設(shè)計(jì)上對(duì)抗電網(wǎng)*力較差，而便攜式OTDR適合野外環(huán)境下工作在設(shè)計(jì)上抗*力較強(qiáng)。經(jīng)檢查原因甲車間的儀器車上的電源接線板只接了2根線，缺少了接地線，經(jīng)正確處置后即一切正常。
浙江某單位的進(jìn)口光纖色散應(yīng)變儀使用不到三個(gè)月就出現(xiàn)關(guān)鍵部件損壞。經(jīng)查原因是該試驗(yàn)室根本沒有專門接地裝置，零線電壓達(dá)30V以上。經(jīng)安裝專門接地裝置采用在線式UPS電源后未再出現(xiàn)問題。
安徽某單位由于采用劣質(zhì)穩(wěn)壓電源，由穩(wěn)壓電源故障引發(fā)進(jìn)口光纖色散應(yīng)變儀損壞。后來安裝接地裝置，采用在線式UPS電源，幾年下來仍正常工作。
廣東某單位進(jìn)口的光纖色散應(yīng)變儀才使用2個(gè)月就出問題。經(jīng)查：該單采用柴油發(fā)電機(jī)自供電，試驗(yàn)室無專門接地裝置，使用一般穩(wěn)壓電源。后來選用穩(wěn)頻在線式UPS電源和采用接地電阻小于4Ω的專門接地裝置，幾年來儀器仍正常工作。
5 結(jié)論
必須關(guān)注電源干擾和接地問題。對(duì)于檢測(cè)中心和實(shí)驗(yàn)室要有單獨(dú)接地裝置，接地電阻應(yīng)小于4Ω，要采用在線式正弦波輸出的UPS電源；這樣才能確保儀器正常工作，避免造成重大損失。
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