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1、电源质量问题初探A Power Quality Primer前 言办公室和工厂中计算机和敏感设备的激增,促使人们更关注楼宇电力系统设计中的电源质量问题。由于这一问题的出现，已有大量的书籍和文章在探讨如何在已建成的建筑物中检测和解决电源质量问题。本文主要内容为楼宇的新建和改建的电气工程设计中有关布线、接地的一些技术理论和做法。这些做法可避免电源质量问题的出现或者使这一问题的影响减少到最小。目 录前 言5什么是电源质量问题8什么是电气接地11为什么喜欢采用接地的配电系统？12敏感电气设备13开关模式电源15三相系统非线性负荷的影响16技术探讨17谐波18布线要点20接地的有关问题24雷电28结束语
2、29什么是电源质量问题“电源质量”这一术语对不同的人有不同的说法。其中一个说法是供电设备的进线电源与正常稳定的60HZ正弦波电源之间在电压或电流上偏差的频繁和严重的程度。这些偏差会对计算机这类设备的安全稳定地操作产生不利影响。当没有精确的检测手段时，所谓“不良电源质量”通常意味着与正常情况相比，电源产生相当大的偏差导致设备误操作或缩短设备的使用寿命。换言之，“良好电源质量”则意味着造成这种偏差的可能性很小。不同的设备对这种偏差的敏感性是不同的，也许对这种设备而言，是“不良电源质量”而对另一种设备则不存在问题。“不良电源质量”对计算机和其类似设备的工作可靠性有影响，而这类设备却无处不在。通常这种
3、影响比一般物理影响还要严重，它能引发计算机故障，错算和停机，致使设备的生产率下降。根据估计，电源质量问题每年给美国商业造成的损失大约在150300亿美元之间。ESource最近的调查发现大多数的客户并没有将他们的年度损失归咎在电源质量问题上（甚至错误地认为是软件或硬件上的问题），而只有或约1/3的损失被认为是电源质量问题引起的，其损失额估计每年在1百万美元以上。绝大多数电源质量问题来源于建筑物内部，IEEE(美国电气电子工程师协会)及不同的政府机构和研究组织已经对这些问题及其影响进行了多年的研究。最终，他们发布了设计指南并提出了解决措施的建议，而这些措施既使不能完全消除电源质量问题，也可以大大
4、减少因电源质量引起的事故和危害。在许多情况下，对电气系统和接地系统作些改进和完善，即可防止或消除这类问题。本文中介绍了很多这类简单的技术，在建筑物新建或改修时采用这些技术并不需要多少投资。何况某个建筑物或建筑物内的某个区域的用途会随时间推移会有很大变化，而我们所推荐的这些永久性的技术改进对建筑物始终保持有效，不论建筑物中的租户、用途和设备在将来会发生多大的变化。十年或更多年以前，几乎没有哪个建筑师和电气工程师能够想象到我们今天的建筑物内能达到如此高的计算机化水平，又有谁能预见到在每个办公桌上都放置有PC机？过去商用计算机是放在一间专门的“计算机房”内的大机器，而照明灯具的谐波输出也很低，电话是
5、靠电线连接在一起的，电机也只能以其设计的转速运转，在家里办公几乎是不可能的，激光打印机的使用还不普遍。回忆过去，谁又能预见到将来电子技术又会给我们带来什么样的变化呢?一般地说，通过用电负荷的计算公式可以计算出每一个送电地区的电力负荷，过去几十年里设计师就是利用它合理地计算出电气负荷能力，来满足建筑物以及住户现时和今后的用电要求，很少考虑到谐波和瞬态过电压问题。但随着时间的推移，技术进步和计算机时代的到来，现在已不得不考虑电源质量的问题了。电源质量问题经常发生吗？根据美国Neceda国家电力公司对112个不同地点不同类型的建筑物用电情况的研究，平均每个建筑物每月有106次事故，最差的地点超过40
6、00次事故。大多数事故是随机的，很难重现，例如PC机死机，程控交换机掉线或电机过早报废。电力研究院指出，大约80%的电源质量问题与不当的布线或接地有关，这方面的问题将在本文中进一步解释，特别是在布线和接地方面。什么是电气接地术语 “地（ground）”是指大地（地球）或指代替大地的某一大物体，而术语“被接地（grounded）”是指一个系统中的某一个部分元件被特意地接到“地”上。在英国是用“earth”和“earthing”这个词来代替“ground”和“grounding”的，这显得更恰当，但是由于许多资料和美国标准都采用“ground”和“grounding”，本文也采用这种用法。不是所有
7、系统都需要接地，而实际上也不是所有电气系统均被接地，但是当我们谈到电气系统提起电压值时，就很自然地联系到对地电位而言的电压。因此“地（ground）”实际上表达了一个对电压参考电位点，或者叫“0”电位点。当计算机同其他设备联通时，零电位对它们正常运作是非常重要的。由于大地就在我们身边，因此大多数情况下，它是零电位点的最佳选择。当一个人站在地上时，他身体的电位与大地的电位是非常接近的。如果建筑物是金属结构的，那么建筑物结构的金属构件或水管（如果也是金属的话）的电位也与大地非常接近。在过去几十年里多数建筑物的电源系统均被“接地”。但也有不少例外。建筑物的电源系统是否需要接地即与“大地”作低阻抗的连
8、接，由美国国家电气规程（NEC）的规定和给建筑物供电的电力公司来决定。为什么喜欢采用接地的配电系统？电气系统接地的主要目的是在系统发生故障（接地短路）时，保护人员和财产的安全。举一个简单的例子，如果一个三相不接地系统中的一相有意或无意的接地了，对电气系统本身没有影响。不会有开关动作，也不会导致设备停转。在20世纪前50年里，工厂里普遍采用不接地电气系统，在那时候几乎都是这样的，不会因一个对地短路而停车。接地系统的第二个作用是提供给雷电电流一个可控制的低阻抗的通路，使之安全地流入大地而不造成危害。在这篇文章中是假设电源是接地的，并且是按照美国国家电气规程NEC的要求来安装的。有些情况下并不要求这
9、样做，NEC中已规定了这些例外的情况，在这里就不再阐述了。敏感电气设备前面已经提到了办公室和家庭里个人计算机的激增，这里也包括了商业和制造业微处理器控制设备的激增。今天，大多数工厂的生产都是由计算机来控制的。在这些敏感设备激增的同时，这些设备也越来越变得对不合格电源敏感了。运算速度的加快达到无线电波频率范围内，使其电路更易受电磁波的干扰，它本身也产生电磁干扰，电路变得越来越纤小，电路板上相邻线路也越来越挤，过电压的击穿危险增大了，相邻信号通道的干扰也增加了，微处理芯片变得更小更密，这妨碍了热量的逸散，使得它们不够坚固耐用。工作电压的不断下降也为它们的小型化创造了条件。数字量的“1”位已经被降低
10、到3.55.0伏，甚至更低，而“0”位则提高到01.5伏。因此某些很小的瞬间过电压就可能导致运算错误。显而易见避免瞬态过电压和高频干扰对微电子线路是非常重要的。随着微型化的不断发展，一种新型电源应运而生。它的重量和元件数量大幅减少，这是使计算机变得更小、更轻便、更便宜的先决条件。这种电源就是开关模式电源，下文将作详细讨论。下面这些设备既易产生电源质量问题又易受到不良电源质量的干扰： 不间断电源 变频传动装置 充电器 启动中的大电机 电子调光设备 灯具镇流器（特别是电子式） 弧焊机和其它产生电弧的设备 医疗设备（例如MRI和X光机）上表列出的设备可将平滑的正弦波形变成阶梯型波形，以改变输出的电压
11、和频率，从而控制后面的设备。能产生电弧的设备，如带电刷的电机、电焊机甚至气体放电灯（荧光灯和高强度气体放电灯）都可以成为很强的电磁干扰源（电弧对任何频率都具有很强的干扰能力）。这种干扰可因某种不适当的屏蔽或接地线方式而传导到敏感设备上。傅立叶分析告诉我们任何形状的波形都可以由各种频率和振幅的正弦波组成。数学也告诉我们一个非常简单的道理，开关模式电源和变频器输出的方波或准方波也是由若干正弦波构成的。60Hz正弦波是基波,而方波则还包含更高频率的波，它们是60Hz基波的谐波，其尖刺部分会产生瞬态过电压。这些谐波还能使电路和中性线发热，并使数字逻辑运算产生错误。此外，方形波的前沿或电压尖刺则象高频正
12、弦波（无线电波）那样导致上述的运算错误。开关模式电源过去用直流操作的设备（包括所有电子电路）都有又大又重的电源，一般都用降压变压器降压，再将低压送到一个半波（单二极管）或全波（桥式）整流器上，这种电源既笨重且效率很低。近十年来，由于需要重量轻、效率高的电源，开发研制出“开关方式电源”，“开关模式电源”是将全波桥式整流器（图中BR1）直接接到120V交流电源上。开关模式电源的方块图在脉冲直流送到变压器（图中TR）前将储存在电容器C1中的能量以短脉冲（这是准方波）的形式送出来，这样变压器在高频脉冲直流上运行，而以前是在60Hz交流上运行。这种运行方式使变压器可以做得比原来同样容量的用60Hz，12
13、0V电源的变压器更小更轻。因此，总电源效率大大提高了，由传统电源的约50%提高到开关模式电源的约80%。设备现在可以做得更小更轻，功耗减小，并且便携式电池也能使用更长的时间。这种趋势现在还在继续发展。由于这种电源输出的高频脉冲可产生高次谐波，这些谐波可以流回到配电系统，影响其他设备甚至配电系统本身。三相系统非线性负荷的影响谐波和瞬态过电压导致的不良后果是造成敏感电子设备的误操作和相线特别是中性线的过热，这是怎么造成的？在三相平衡负荷回路（每相均为相同的线性负荷），作用在每相上的都是平滑的60Hz正弦波电压，中性线上通过的是各相电流的相量和，其值为零。但是如果一相或一相以上的导线上通过谐波频率（
14、高于60Hz基波）的电流，它们在中性线上不能由相量相加来消除，而是在中性线上叠加。一般的仪表可能测不到这些。如果谐波电流是正弦波，我们可用数学公式推算出偶次谐波在中性线上是可以被抵消的。但是奇次谐波因相位相同，会叠加而出现在中性线上，使中性线过热。中性线上的电流比在任一相线上的电流都大（已经有因谐波引发火灾的报道）。如果基波或谐波是非正弦波，例如是由脉冲电源产生的方波。数学分析就变得非常困难。相线本身可通过正弦波形和非正弦波形60Hz基波，以及非正弦波形的高频脉冲电流。它会使相线过热。根据欧姆定律，这些畸变电流会产生畸变电压，使设备发生故障。因此我们应该建立一个概念，即某些设备产生的麻烦会危及
15、到同一建筑物内的其他设备。技术探讨有许多新技术能帮助我们预防或减轻不良电源质量的影响，最简单的方法就是设计更好的电气系统和增加回路。特别是对新建的建筑物来说，应用这些技术是很便宜的。对改造的项目同样也很经济。不良电源质量产生的最严重的后果往往是丢失数据，降低生产率和损失巨大的停产，而不是硬件的损坏。象大多数疾病一样，对它们的预防比诊断和治疗更简单也更便宜。下述的大多数技术是现在的IEEE推荐的，并已收入IEEE标准110-1992和142-1991中。它们并不是任何法范。由于其中某些内容涉及到安全问题，这些内容应属法规范畴。谐波 两倍截面的中性线和每相各自的中性线我们已经讨论了建筑物线路中产生谐波的根源。谐波产生的麻烦远不止是引起不方便或使设备发生故障。它们还可能是一个严重的影响安全的问题。幸运的是这可以采用两倍截面的中性线的方法来解决问题，这正是（CBEMA）计算机与商用设备制造商协会（即信息工业协会的前身）所推荐的，也可为每相电路设置单独的中性线来解决。
