實驗室的電源干擾和接地問題
2010-03-02
[3071]
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)廠家檢測中心已初具規(guī)模，承擔起產(chǎn)品檢驗繁重任務，是確保產(chǎn)品質(zhì)量*的重要部門。檢測中心實驗室建設質(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備使用壽命和損壞率。
在實驗室建設中，人們一般只重視電源穩(wěn)壓，環(huán)境溫度，濕度等問題。對電網(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，損失嚴重。
本文根據(jù)作者多年工作經(jīng)驗，對上述問題進行重點分析，提出預防措施和解決方法。
1 應關注電網(wǎng)“污染”等電源質(zhì)量問題
隨著我國經(jīng)濟迅速發(fā)展，各種類型設備和電器投入電網(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，廣州某地電網(wǎng)中，峰值超過600V以上的干擾訊號，每天竟達上千次。因而使各種計算機（含工控機），數(shù)字類設備，高精尖電子儀器和電器設備的正常運行受到影響。
從理論上來講，在電網(wǎng)電源干擾方面，我國的干擾嚴重程度要超出美國等國家的四倍以上，因為我們是220V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。許多昂貴的進口儀器到中國來會出現(xiàn)“水土不服”因而常出現(xiàn)故障。
某計算機專家曾指出，計算機的故障90％來自電源問題。許多事實表明：電源質(zhì)量低劣是大多數(shù)電子設備損壞及其運行發(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，電力供應中斷或瞬間斷電等。一般電子儀器和電器設備都允許輸入電壓有一個波動范圍內(nèi)均可正常工作，但對于電網(wǎng)干擾（包括突波和雜波干擾）就容易引起嚴重后果。以計算機為例，常出現(xiàn)“沖程序”的CPU控制紊亂問題。
*，微機在各行業(yè)得到廣泛應用，幾乎高精尖電子儀器和電器設備都有微機（含工控機）應用系統(tǒng)？垢蓴_性能和穩(wěn)定性已成為重要指標之一，否則，再完善的功能設計，若抗干擾性和穩(wěn)定性不好則現(xiàn)場無法應用，電腦變?yōu)?ldquo;煩腦”。
微機（含工控機）應用系統(tǒng)穩(wěn)定性受到各種因素影響，但設法維持主機程序穩(wěn)定性具有決定性意義。主機是嚴格按時鐘操作，完成CPU和主機及外部設備的信息交換的。當干擾出現(xiàn)時，通常是CPU控制紊亂，嚴重時內(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REM控制作用在穩(wěn)定狀態(tài)下，分布地線A，B兩點間不存在不等位因而工作正常。但是當?shù)鼐上存在瞬變干擾（來自電磁場干擾或電網(wǎng)干擾）時，則A、B兩點電位VA、VB則不相等，假設干擾瞬間VA+0.7v>VB時，顯然CPU對REM的控制作用便遭到破壞，此時REM只有“1”狀態(tài)而無“O”狀態(tài)。從這個示意圖說明，無論何種性質(zhì)的干擾，zui后則體現(xiàn)為不等位干擾，則對微機應用系統(tǒng)，高精尖電子儀器設備會造成嚴重故障甚至是致命傷。
由于電網(wǎng)供電用戶極其復雜，所以電網(wǎng)“污染”、電網(wǎng)干擾也很復雜，如電磁鐵、電動機、無觸點開關、有觸點開關、火花和電弧等都會產(chǎn)生干擾，可以說是無處不在無時不在；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、電力供應中斷或瞬間斷電等，從而確保電子儀器設備正常運行。
2.1 UPS基本結構和分類
UPS供電系統(tǒng)基本結構是一套將交流電變?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，由市電直接向負載提供交流電源；當市電供應中斷時，蓄電池通過逆變器向負載提供交流電源；即UPS 電源的逆變器總是處于對負載提供后備供電狀態(tài)。圖2（b）是在線式UPS電源。平時由交流電－>整流－>逆變器方式對負載提供交流電；一旦市電中斷時，改由蓄電池－>逆變器方式向負載提供交流電源。
圖2 后備式（a）和在線式（b）UPS結構示意圖
Fig.2 System structure for UPS （a）On line（b）In reserve
顯爾易見，我們應當選用在線式正弦波輸出的UPS電源。因為在正常情況下它總是由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)由四個部分組成：AC／DC變換器、儲能電池、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，供給逆變電路。AC／DC輸入端有軟啟動電路，可避免開機時對電網(wǎng)的沖擊。系統(tǒng)穩(wěn)壓功能通常由AC／DC變換器完成。
（2） 儲能電池組
儲能電池組可存儲直流電能，當市電中斷時可繼續(xù)提供DC／AC逆變換器電能。儲能電池組還有一個重要功能—凈化功能：由于AC／DC變換器無法消除瞬時脈沖干擾的影響，而儲能電池組相當一只大容量電容器，其等效電容量的大小與儲能電池組容量 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脈沖的平滑特性消除了脈沖干擾，起到了對電網(wǎng)污染干擾脈沖的凈化作用，也稱對干擾的屏蔽。
（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，在輸出動態(tài)范圍內(nèi)輸出阻擾特別小具有快速響應特性。由于采用高頻調(diào)制限流技術及快速短路保護技術，使逆變器無論是供電電壓瞬變還是負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振蕩頻率的穩(wěn)定度。
（4） 智能控制電路
是整機功能控制的核心，它除了提供檢測保護，同步及各種開關和顯示驅(qū)動信號外，還完成SPWM（正弦脈寬調(diào)制）的控制。由于采用靜態(tài)和動態(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
（1）無干擾穩(wěn)壓供電
無論市電供電是否中斷，對負載供電均是由 UPS電源DC／AC逆變器提供；真正實現(xiàn)了對負載的無干擾穩(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
當外界市電變化范為180～250ⅴ時它的輸出電壓穩(wěn)定范圍可達220v±3％，正弦波的工作頻率穩(wěn)定為50Hz±1％，真正實現(xiàn)穩(wěn)壓穩(wěn)頻供電。這是因為采用了石英晶體振蕩器產(chǎn)生本機振蕩，所以實際穩(wěn)定度要優(yōu)于50Hz±0.5％。
（3）標準正弦波輸出
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對負載供電轉(zhuǎn)換時間為零。而后備式UPS，大約有4ms左右中斷電時間（主要來源于繼電器的轉(zhuǎn)換時間，這個中斷時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％負載加載或100％負載減載時，它的輸出電壓變化范圍為1.0％左右，這種變化的持續(xù)時間非常短，一般為1—3周波。而后備式UPS未給出上述指標。
（6）整機噪聲小
一般均采用20KHz以上PWM（脈沖寬度調(diào)制）技術工作，所以整機噪聲都比較小。
（7）可靠性高故障率低
智能控制電路設計中采用光電來耦合器件等措施使“強電”驅(qū)動部分與“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 應注意接地問題
3.1 接地的基本概念
將電氣設備或過電壓保護裝置用導線（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體或金屬導體組稱為接地體。 接地線和接地體總稱為接地裝置。
（1） 對地電壓
電氣設備的接地部分（如接地外殼、接地線和接地體等）與大地零電位點（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的對地電壓。
（2） 接地電阻
接地體對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備損壞和保證人身安全，二是為了保證電氣設備的正常運行，如電氣設備的工作接地。
為了保證人身安全，所有電氣設備都應安裝接地裝置，并將電氣設備外殼接地。若該電氣設備一旦因絕緣損壞或感應帶電，則電流可以經(jīng)過接地線和接地體流入大地中去；不產(chǎn)生危險電壓保護人身安全。
發(fā)電機和變壓器的中性點直接接地時，該點稱為零點。由零點引出的導線稱為零線，將電氣設備上金屬外殼與零線相接稱為接零。
為保證電氣設備正常工作，可以采用重復接地措施，即將零線上多點與地再次連接。當系統(tǒng)中發(fā)生碰殼或接地短路時，可以降低零線對地的電壓。
3.2 各類電氣設備對接地要求
（1）在三相四線系統(tǒng)中的電氣設備
一般均要求接地電阻小于10Ω，外殼均應接地。可以采用接零方法，即將外殼與零線相接。實行這種連接后當發(fā)生碰殼短路時，短路電流經(jīng)零線而成為閉合回路變成單相短路，使保護裝置（自動開關或熔斷器）可靠而迅速動作切斷故障設備，從而避免人身遭受觸電的危險。這里必須指出：在中性點未接地系統(tǒng)中，采用接零保護是不允許的。因為系統(tǒng)中任何一點接地或碰殼時都會使所有接在零線上的電氣設備金屬外殼呈現(xiàn)出近于相電壓的電壓，這對人身是十分危險的。
（2）高壓試驗設備接地要求
對于10kv以下的高壓試驗，一般為便攜式；放在工作臺上可不接地，操作時采用絕緣地板并戴絕緣手套。對于10~100kV電壓等級容量10kvA以下的高壓試驗變壓器，要求一點接地，把要接地的部件都通過一點進行接地，接地電阻應小于4Ω。此時要求把試驗變壓器等高壓部分用圍欄圍起來，并用門開關和腳踏零位開關進行連鎖，操作人員在圍欄外面進行操作。像ADSS光纜（All dielectric self-supporting fiber cable）耐電痕性能試驗，要求試驗電壓30kV時就必須按上述要求進行。
（3）電子醫(yī)療設備接地要求
X光機電子電路接地都是接在機殼上，保證有統(tǒng)一的基準電位，然后從機殼上接地。X光機各部件的鐵殼、操作臺、高壓電纜金屬護套、電動床、管式立柱等的鐵殼均應接地，接地電阻應小于4Ω。*和*為了避免外界干擾，要求單獨設置接地裝置，接地電阻應小于4Ω。
（4）電子計算機接地要求
電子計算機接地的種類分邏輯地、功率地、安全地。
a） 邏輯地：是指信號回路中其低電位點要有一個統(tǒng)一的基準電位，把這個點進行接地叫邏輯地；其目的是使計算機電路有一個統(tǒng)一的基準電位。
b） 功率地：是指大電流電路、非靈敏電路、噪聲電路等（如機柜內(nèi)的繼電器、風機、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，則分別稱為交流功率地和直流功率地。
c） 安全地：是為了人身和設備安全，把正常運行時的不帶電設備的金屬外殼（如機柜外殼、元件外殼、面板等）接地；這種接地稱為安全接地，簡稱安全地。
在進行計算機產(chǎn)品設計時其中接地方式就已被確定了。在使用計算機時要嚴格按照產(chǎn)品說明書要求進行接地，接地電阻應小于4Ω。
（5）一般電子儀表接地要求
一般工業(yè)電子電路實驗用的電子儀表除接地電阻小于4Ω外還應采用接零。但交流接地和直流接地要分開，以防焊接時燒毀晶體管或集成電路。
（6）光電子試驗室接地要求
光纖光纜光器件試驗室屬于光電子試驗室，除要求防振光學儀器外還有精密電子儀器，微弱信號提取放大檢測電路特別害怕干擾，對電源質(zhì)量要求較高。所以要求光電子試驗室有單獨接地裝置，其接地電阻應小于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。對易燃易爆環(huán)境中，靜電放電的火花還能夠引起爆炸和火災人員工傷事故等。
對微電子技術而言，靜電往往對工藝過程和產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生不良影響使其質(zhì)量和可靠性產(chǎn)生嚴重后果，要格外注意。
采用接地是達到消除靜電危險的主要方法。微電子、超潔凈室、電子計算機室、醫(yī)院手術室等為了消除靜電，一般用導電地板，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，對靜電來講人即是導體。因人而異，有的人帶靜電電壓還相當高。據(jù)了解某*研究所研制產(chǎn)品例行試驗老過不了關；經(jīng)過反復查驗，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，應引起我們足夠重視。
在特殊場合應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，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。一般應當有多根打入地中，并相互焊接成網(wǎng)狀才能滿足接地電阻小于4Ω的要求。接地體端部應露出地面10-20cm以便連接（焊接）接地線。禁止在地下用裸鋁導體作為接地體，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)的導體，采用扁鋼（截面積應大于48mm2）焊接，也可采用扁銅線。
3.4 接地電阻值的測量
可以采用接地電阻測試儀，對接地裝置的接地電阻進行測量，接地電阻測試儀屬搖表類型。
圖3是ZC-8型接地電阻測試儀檢測時連接方案。如圖中所示兩個金屬探針均應插入土中，兩個金屬探針到接地電阻測試直線距離分別為20m、40m。接地電阻測試儀右端接線柱用導線接被測接地裝置。
圖3 接地電阻測試儀
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)二臺進口鎖相放大器出故障引起有關部門重視，送檢認準都是高靈敏度的弱信號放大器部分損壞，經(jīng)檢查零線電壓競有20多伏。原因是該實驗室原為辦公室，沒有專門接地裝置，而整個大樓內(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驗室工作再也沒有出現(xiàn)鎖相放大器故障問題。
江蘇某單位進口的臺式OTDR在甲車間對光纜衰減檢測常出現(xiàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)跳動現(xiàn)象，而在乙車間進行測試卻一切正常；而便攜式OTDR在甲乙車間進行測試均正常。分析結果為：臺式OTDR適合在試驗室條件下工作，在設計上對抗電網(wǎng)*力較差，而便攜式OTDR適合野外環(huán)境下工作在設計上抗*力較強。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。
浙江某單位的進口光纖色散應變儀使用不到三個月就出現(xiàn)關鍵部件損壞。經(jīng)查原因是該試驗室根本沒有專門接地裝置，零線電壓達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)進口光纖色散應變儀損壞。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。
廣東某單位進口的光纖色散應變儀才使用2個月就出問題。經(jīng)查：該單采用柴油發(fā)電機自供電，試驗室無專門接地裝置，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 結論
必須關注電源干擾和接地問題。對于檢測中心和實驗室要有單獨接地裝置，接地電阻應小于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。
在實驗室建設中，人們一般只重視電源穩(wěn)壓，環(huán)境溫度，濕度等問題。對電網(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，損失嚴重。
本文根據(jù)作者多年工作經(jīng)驗，對上述問題進行重點分析，提出預防措施和解決方法。
1 應關注電網(wǎng)“污染”等電源質(zhì)量問題
隨著我國經(jīng)濟迅速發(fā)展，各種類型設備和電器投入電網(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，廣州某地電網(wǎng)中，峰值超過600V以上的干擾訊號，每天竟達上千次。因而使各種計算機（含工控機），數(shù)字類設備，高精尖電子儀器和電器設備的正常運行受到影響。
從理論上來講，在電網(wǎng)電源干擾方面，我國的干擾嚴重程度要超出美國等國家的四倍以上，因為我們是220V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。許多昂貴的進口儀器到中國來會出現(xiàn)“水土不服”因而常出現(xiàn)故障。
某計算機專家曾指出，計算機的故障90％來自電源問題。許多事實表明：電源質(zhì)量低劣是大多數(shù)電子設備損壞及其運行發(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，電力供應中斷或瞬間斷電等。一般電子儀器和電器設備都允許輸入電壓有一個波動范圍內(nèi)均可正常工作，但對于電網(wǎng)干擾（包括突波和雜波干擾）就容易引起嚴重后果。以計算機為例，常出現(xiàn)“沖程序”的CPU控制紊亂問題。
*，微機在各行業(yè)得到廣泛應用，幾乎高精尖電子儀器和電器設備都有微機（含工控機）應用系統(tǒng)？垢蓴_性能和穩(wěn)定性已成為重要指標之一，否則，再完善的功能設計，若抗干擾性和穩(wěn)定性不好則現(xiàn)場無法應用，電腦變?yōu)?ldquo;煩腦”。
微機（含工控機）應用系統(tǒng)穩(wěn)定性受到各種因素影響，但設法維持主機程序穩(wěn)定性具有決定性意義。主機是嚴格按時鐘操作，完成CPU和主機及外部設備的信息交換的。當干擾出現(xiàn)時，通常是CPU控制紊亂，嚴重時內(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REM控制作用在穩(wěn)定狀態(tài)下，分布地線A，B兩點間不存在不等位因而工作正常。但是當?shù)鼐上存在瞬變干擾（來自電磁場干擾或電網(wǎng)干擾）時，則A、B兩點電位VA、VB則不相等，假設干擾瞬間VA+0.7v>VB時，顯然CPU對REM的控制作用便遭到破壞，此時REM只有“1”狀態(tài)而無“O”狀態(tài)。從這個示意圖說明，無論何種性質(zhì)的干擾，zui后則體現(xiàn)為不等位干擾，則對微機應用系統(tǒng)，高精尖電子儀器設備會造成嚴重故障甚至是致命傷。
由于電網(wǎng)供電用戶極其復雜，所以電網(wǎng)“污染”、電網(wǎng)干擾也很復雜，如電磁鐵、電動機、無觸點開關、有觸點開關、火花和電弧等都會產(chǎn)生干擾，可以說是無處不在無時不在；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、電力供應中斷或瞬間斷電等，從而確保電子儀器設備正常運行。
2.1 UPS基本結構和分類
UPS供電系統(tǒng)基本結構是一套將交流電變?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，由市電直接向負載提供交流電源；當市電供應中斷時，蓄電池通過逆變器向負載提供交流電源；即UPS 電源的逆變器總是處于對負載提供后備供電狀態(tài)。圖2（b）是在線式UPS電源。平時由交流電－>整流－>逆變器方式對負載提供交流電；一旦市電中斷時，改由蓄電池－>逆變器方式向負載提供交流電源。
圖2 后備式（a）和在線式（b）UPS結構示意圖
Fig.2 System structure for UPS （a）On line（b）In reserve
顯爾易見，我們應當選用在線式正弦波輸出的UPS電源。因為在正常情況下它總是由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)由四個部分組成：AC／DC變換器、儲能電池、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，供給逆變電路。AC／DC輸入端有軟啟動電路，可避免開機時對電網(wǎng)的沖擊。系統(tǒng)穩(wěn)壓功能通常由AC／DC變換器完成。
（2） 儲能電池組
儲能電池組可存儲直流電能，當市電中斷時可繼續(xù)提供DC／AC逆變換器電能。儲能電池組還有一個重要功能—凈化功能：由于AC／DC變換器無法消除瞬時脈沖干擾的影響，而儲能電池組相當一只大容量電容器，其等效電容量的大小與儲能電池組容量 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脈沖的平滑特性消除了脈沖干擾，起到了對電網(wǎng)污染干擾脈沖的凈化作用，也稱對干擾的屏蔽。
（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，在輸出動態(tài)范圍內(nèi)輸出阻擾特別小具有快速響應特性。由于采用高頻調(diào)制限流技術及快速短路保護技術，使逆變器無論是供電電壓瞬變還是負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振蕩頻率的穩(wěn)定度。
（4） 智能控制電路
是整機功能控制的核心，它除了提供檢測保護，同步及各種開關和顯示驅(qū)動信號外，還完成SPWM（正弦脈寬調(diào)制）的控制。由于采用靜態(tài)和動態(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
（1）無干擾穩(wěn)壓供電
無論市電供電是否中斷，對負載供電均是由 UPS電源DC／AC逆變器提供；真正實現(xiàn)了對負載的無干擾穩(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
當外界市電變化范為180～250ⅴ時它的輸出電壓穩(wěn)定范圍可達220v±3％，正弦波的工作頻率穩(wěn)定為50Hz±1％，真正實現(xiàn)穩(wěn)壓穩(wěn)頻供電。這是因為采用了石英晶體振蕩器產(chǎn)生本機振蕩，所以實際穩(wěn)定度要優(yōu)于50Hz±0.5％。
（3）標準正弦波輸出
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對負載供電轉(zhuǎn)換時間為零。而后備式UPS，大約有4ms左右中斷電時間（主要來源于繼電器的轉(zhuǎn)換時間，這個中斷時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％負載加載或100％負載減載時，它的輸出電壓變化范圍為1.0％左右，這種變化的持續(xù)時間非常短，一般為1—3周波。而后備式UPS未給出上述指標。
（6）整機噪聲小
一般均采用20KHz以上PWM（脈沖寬度調(diào)制）技術工作，所以整機噪聲都比較小。
（7）可靠性高故障率低
智能控制電路設計中采用光電來耦合器件等措施使“強電”驅(qū)動部分與“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 應注意接地問題
3.1 接地的基本概念
將電氣設備或過電壓保護裝置用導線（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體或金屬導體組稱為接地體。 接地線和接地體總稱為接地裝置。
（1） 對地電壓
電氣設備的接地部分（如接地外殼、接地線和接地體等）與大地零電位點（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的對地電壓。
（2） 接地電阻
接地體對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備損壞和保證人身安全，二是為了保證電氣設備的正常運行，如電氣設備的工作接地。
為了保證人身安全，所有電氣設備都應安裝接地裝置，并將電氣設備外殼接地。若該電氣設備一旦因絕緣損壞或感應帶電，則電流可以經(jīng)過接地線和接地體流入大地中去；不產(chǎn)生危險電壓保護人身安全。
發(fā)電機和變壓器的中性點直接接地時，該點稱為零點。由零點引出的導線稱為零線，將電氣設備上金屬外殼與零線相接稱為接零。
為保證電氣設備正常工作，可以采用重復接地措施，即將零線上多點與地再次連接。當系統(tǒng)中發(fā)生碰殼或接地短路時，可以降低零線對地的電壓。
3.2 各類電氣設備對接地要求
（1）在三相四線系統(tǒng)中的電氣設備
一般均要求接地電阻小于10Ω，外殼均應接地。可以采用接零方法，即將外殼與零線相接。實行這種連接后當發(fā)生碰殼短路時，短路電流經(jīng)零線而成為閉合回路變成單相短路，使保護裝置（自動開關或熔斷器）可靠而迅速動作切斷故障設備，從而避免人身遭受觸電的危險。這里必須指出：在中性點未接地系統(tǒng)中，采用接零保護是不允許的。因為系統(tǒng)中任何一點接地或碰殼時都會使所有接在零線上的電氣設備金屬外殼呈現(xiàn)出近于相電壓的電壓，這對人身是十分危險的。
（2）高壓試驗設備接地要求
對于10kv以下的高壓試驗，一般為便攜式；放在工作臺上可不接地，操作時采用絕緣地板并戴絕緣手套。對于10~100kV電壓等級容量10kvA以下的高壓試驗變壓器，要求一點接地，把要接地的部件都通過一點進行接地，接地電阻應小于4Ω。此時要求把試驗變壓器等高壓部分用圍欄圍起來，并用門開關和腳踏零位開關進行連鎖，操作人員在圍欄外面進行操作。像ADSS光纜（All dielectric self-supporting fiber cable）耐電痕性能試驗，要求試驗電壓30kV時就必須按上述要求進行。
（3）電子醫(yī)療設備接地要求
X光機電子電路接地都是接在機殼上，保證有統(tǒng)一的基準電位，然后從機殼上接地。X光機各部件的鐵殼、操作臺、高壓電纜金屬護套、電動床、管式立柱等的鐵殼均應接地，接地電阻應小于4Ω。*和*為了避免外界干擾，要求單獨設置接地裝置，接地電阻應小于4Ω。
（4）電子計算機接地要求
電子計算機接地的種類分邏輯地、功率地、安全地。
a） 邏輯地：是指信號回路中其低電位點要有一個統(tǒng)一的基準電位，把這個點進行接地叫邏輯地；其目的是使計算機電路有一個統(tǒng)一的基準電位。
b） 功率地：是指大電流電路、非靈敏電路、噪聲電路等（如機柜內(nèi)的繼電器、風機、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，則分別稱為交流功率地和直流功率地。
c） 安全地：是為了人身和設備安全，把正常運行時的不帶電設備的金屬外殼（如機柜外殼、元件外殼、面板等）接地；這種接地稱為安全接地，簡稱安全地。
在進行計算機產(chǎn)品設計時其中接地方式就已被確定了。在使用計算機時要嚴格按照產(chǎn)品說明書要求進行接地，接地電阻應小于4Ω。
（5）一般電子儀表接地要求
一般工業(yè)電子電路實驗用的電子儀表除接地電阻小于4Ω外還應采用接零。但交流接地和直流接地要分開，以防焊接時燒毀晶體管或集成電路。
（6）光電子試驗室接地要求
光纖光纜光器件試驗室屬于光電子試驗室，除要求防振光學儀器外還有精密電子儀器，微弱信號提取放大檢測電路特別害怕干擾，對電源質(zhì)量要求較高。所以要求光電子試驗室有單獨接地裝置，其接地電阻應小于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。對易燃易爆環(huán)境中，靜電放電的火花還能夠引起爆炸和火災人員工傷事故等。
對微電子技術而言，靜電往往對工藝過程和產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生不良影響使其質(zhì)量和可靠性產(chǎn)生嚴重后果，要格外注意。
采用接地是達到消除靜電危險的主要方法。微電子、超潔凈室、電子計算機室、醫(yī)院手術室等為了消除靜電，一般用導電地板，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，對靜電來講人即是導體。因人而異，有的人帶靜電電壓還相當高。據(jù)了解某*研究所研制產(chǎn)品例行試驗老過不了關；經(jīng)過反復查驗，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，應引起我們足夠重視。
在特殊場合應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，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。一般應當有多根打入地中，并相互焊接成網(wǎng)狀才能滿足接地電阻小于4Ω的要求。接地體端部應露出地面10-20cm以便連接（焊接）接地線。禁止在地下用裸鋁導體作為接地體，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)的導體，采用扁鋼（截面積應大于48mm2）焊接，也可采用扁銅線。
3.4 接地電阻值的測量
可以采用接地電阻測試儀，對接地裝置的接地電阻進行測量，接地電阻測試儀屬搖表類型。
圖3是ZC-8型接地電阻測試儀檢測時連接方案。如圖中所示兩個金屬探針均應插入土中，兩個金屬探針到接地電阻測試直線距離分別為20m、40m。接地電阻測試儀右端接線柱用導線接被測接地裝置。
圖3 接地電阻測試儀
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)二臺進口鎖相放大器出故障引起有關部門重視，送檢認準都是高靈敏度的弱信號放大器部分損壞，經(jīng)檢查零線電壓競有20多伏。原因是該實驗室原為辦公室，沒有專門接地裝置，而整個大樓內(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驗室工作再也沒有出現(xiàn)鎖相放大器故障問題。
江蘇某單位進口的臺式OTDR在甲車間對光纜衰減檢測常出現(xiàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)跳動現(xiàn)象，而在乙車間進行測試卻一切正常；而便攜式OTDR在甲乙車間進行測試均正常。分析結果為：臺式OTDR適合在試驗室條件下工作，在設計上對抗電網(wǎng)*力較差，而便攜式OTDR適合野外環(huán)境下工作在設計上抗*力較強。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。
浙江某單位的進口光纖色散應變儀使用不到三個月就出現(xiàn)關鍵部件損壞。經(jīng)查原因是該試驗室根本沒有專門接地裝置，零線電壓達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)進口光纖色散應變儀損壞。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。
廣東某單位進口的光纖色散應變儀才使用2個月就出問題。經(jīng)查：該單采用柴油發(fā)電機自供電，試驗室無專門接地裝置，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 結論
必須關注電源干擾和接地問題。對于檢測中心和實驗室要有單獨接地裝置，接地電阻應小于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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