电源质量问题初探.docx
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电源质量问题初探
电源质量问题初探
美国铜发展协会项目经理:
DavidBrender前言什么是电源质量问题什么是电气接地为什么喜欢采用接地的配电系统？
敏感电气设备开关模式电源三相系统内非线性负荷的影响技术探讨谐波布线要点接地的有关问题雷电结论前言办公室和工厂中计算机和敏感设备的激增,促使人们更需要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到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。
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150~300亿美元之间。
E－Source最近的调查指出大多数由于电源质量造成的年度损失都没有计算在内（甚至错误地把由电源质量造成的问题归咎于软件或硬件上），实际上这部分损失约占招致的损失的三分之一，而这些每年也已经超过了百万美元。
在一建筑物中，电源质量问题的绝大多数来源于该建筑物自身内部，IEEE（美国电气电子工程师协会），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，而这些措施即使不能完全消除电源质量问题，也可以大大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在很长一段时间内能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，照明灯具的谐波输出也很低，电话是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个不同地点用电情况的研究，平均每个点每月有106次事故，最差的地点超过4000次事故。
大多数事故都是随机的，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通信时，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。
敏感电子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更加敏感了。
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”位已经被降低到3.5~5.0伏，甚至更低，而“0”位则提高到0~1.5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，这种电源又大又重，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”（图1），“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。
图1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，120V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（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。
已有电缆制造商在生产AC型或MC型电缆，这种电缆内有加大截面的中性零线或增加了中性线的数量。
这种增加中性线截面的办法所费无几的，却能有效地保证安全。
图2·谐波滤波器装有滤波器对于已建好的建筑物来讲是最经济的，因为重新布线会很困难而且费用也高。
滤波器是用来限制或减少有害的电流，减少导线上的谐波负载的电器。
但是滤波器的设计是由它要被安装上的设备决定的，如果设备上的关键元件发生变化，滤波器就可能失效。
为某一特定装置安装滤波器时，需请专业人员进行有针对性的设计。
其每kVA的价格是的确很昂贵。
·隔离变压器隔离变压器是一种电源或负载减少谐波的滤波设备。
对于存在电源质量问题的地方，加装这种设备也是一种技术改造的方法。
但是其单位kVA的价格也很昂贵。
·K额定值变压器K额定值变压器有所加粗，并加强冷却以便承载谐波负载。
而普通变压器则需要靠降低额容量来减少因谐波多产生的热量。
根据实际运行情况，普通变压器负载最低需降到铭牌额定值的50%，这种方法未尝不可以解决谐波问题，但是变压器的效率降低了。
在确定处理方案之前，应仔细比较采用K额定值变压器与采用普通变压器降容两种方法，哪一种方法更为经济。
·按谐波量标定的断路器和配电屏在这些设备内谐波产生的过热现象是危险的，选用提高参数的器件可对整个设备起到保护作用。
中性线的额定电流应是相线额定电流的两倍。
布线要点·将敏感设备与其它设备分开在每个办公室里置计算机专用电路，至少在末端配电箱上设置选单独的回路是一个好的办法。
在某些的场合，更好的做法是给敏感设备从单独配电盘上的引单独回路来供电。
中性线和接地线也应分开。
专用回路内包括单独的相线、单独的中性线和单独的接地线，每一回路应套单独的金属管（有关套管的要求见后）。
应尽量避免使敏感设备和电动机使用同一电路，同一配电盘。
而象激光打印机、复印机和传真机等设备也应与计算机分开回路供电。
图3·限制每个回路插座数量对每回20安培回路推荐装用3至6个插座，而不是规范中的13个插座。
这将减少分支配电回路中敏感设备的数量，有助于减少电压降（稍后讨论），减少相互影响，并为将来的发展和装用设备的变更留有余地。
·金属套管接地良好的金属导管为穿过它的导线起到了对射频干扰的屏蔽作用。
但无论如何不能因为穿了金属套管，就把回路的接地线（绿色绝缘铜线）取消，接地线本用于人身安全，但同时也提供了一个连续的低阻抗的接地通路。
接地线应穿入金属套管内，而不是在套管的下面。
所有连接处都应该紧密连接，以避免因不良连接而可能出现的射频感应，对腐蚀和连接松动等弊病，都需要做定期的检查维修，以保证所有套管接头的低阻抗导电的连续性。
按照IEEE标准142（绿本）若没有单独的铜接地线，则用硬钢管做接地线比铝管好。
如果考虑到不论哪种金属管都可能腐蚀和松动，最佳的方法是任何情况下都选用一根单独的有足够截面的铜质接地线。
·电压降尽管NEC标准允许分支回路电压降不超过3%，但对敏感设备的供电回路在满负载时，电压降的设计仍建议不超过1%，馈电回路的电压降不应超过2%。
这意味着导线的截面应比法规规定的最小值为大。
但是另一方面大容量的导线因其有更小的电阻，减少了导线的能耗，使初期投资的回收期缩短。
铜发展协会（CDA）有有关增加导线截面而节能的免费资料，欢迎索取。
另一个计算电压降所需考虑的因素是波峰因数（一给定波形的峰值与平均值的比率），正弦波的峰值因数是1.414
（2），大多数表格计算公式和法规都是基于这种通常的波形。
而非正弦波形包括谐波和不规则波形的波峰因数是3、4或更高。
因此，波峰电流引起的电压降可能是通常正弦波情况下的几倍。
在计算电压降时就出现了需要使用那一电流值的问题，以及在高频谐波下使用那一回路路阻抗值的问题。
有些工程师建议用设备铭牌负荷的三到四倍，来考虑峰值因数增大、肌肤效应补偿以及可能出现的高频电流分量引起高感抗等因素。
这种保守的估算在大多数情况下并不需要。
但为慎重起见，相线不应承载至规定载流量的限值。
选用比负荷需要为大的截面又规定导线电压降限制在1%以内，这就防止了在大多数情况下分支回路电压降过大的问题。
应指出的是增大导线截面增加的材料费用占基建是电气装置总安装费用的份额很小。
·导线材料导线的连接不良轻则引起电压波动，重则引起灾难性事故。
采用铜质导线可减少这类电气危险。
铜是用以衡量其他导电金属材料性能的标准导电金属材料。
在相同的截面下它的电阻较低，这意味着对同一负载条件下，铜导线的截面和其套管的截面都较小。
氧化铜仍是良导体，而氧化铝却是绝缘体。
敷设铜导线没有特殊的要求，使用铜导线时维护工作量也少，它不需要使用防腐剂。
由于铜导线良好的连接性能，其引起电源质量问题导致电气事故的危险很小。
接地的有关问题·金属外护物包饶导线的金属物体或在发生接地短路或静电放电时有可能带电的金属物体，都应接地以保证人身安全。
而交流供电系统最好采用直接接地。
所有金属外护物、管槽及设备接地线与接地极之间，应由一个连续的电气连接系统以牢固的方式连接在一起。
建筑物的钢结构应与一个铜母排相连接在一起，并在电源入口处与电源回路的接地线连接在一起，也和建筑物的设备的接地线以及金属水管等相联结。
接地应按NEC中250节执行。
·隔离地（IG）隔离地（IG）是一种没有严格定义的技术，它的作用就是减少由设备接地系统将“噪音”带入敏感设备的可能。
每种隔离地（IG）都可能有不同的接线方式，但没有定型的方式。
在通常的分支回路中，设备接地线是经与墙上金属接地盒的接地螺栓连接而于接线盒和分支回路接地线相连通的。
再经分支回路接地线连接到配电箱的金属外壳上，从而实现了设备的接地。
这种做法使设备接地线拣拾了自同一配电箱供电的其它回路的噪音。
通常情况下用橘黄色三角形来标注IG插座，因其接地插孔与插座框架间没有电气连接，因此它也与金属接线盒外壳并不相连通。
因此它与接地线是隔离的。
但另有一根单独的绿色带黄线条的导线从绝缘的接地插孔引出，与其它导线（相线和中性线）一起接到配电箱，但是隔离接地线通常不接到配电箱的金属外壳上。
某些情况下到此就不再隔离了。
另一种情况下则是一直隔离到电源进线箱的接地母排或另一电源的接地连接端子为止。
很多设计人员都认为，IG接线方式有时对解决电源质量很有帮助，而有时却更糟糕。
因此，如果认为需要，可以采用隔离接地系统，但如果实践证明直接（不与其它接地线隔离）接地方式更好，也可采用直接接地系统。
图4·接地环采用埋于建筑物外部的接地环,接地可以将建筑物接地系统与大地间的接地电阻进一步降低，它也可将建筑物内各种接地联接在一起。
一种推荐的方式是，将一根裸铜线（允许的最小截面是#2AWG，但是4/0和1501kcmil也经常使用，而500kcmil也有时使用）埋在冻土线以下（在美国大约是36〃~42〃）。
截面增大意味着增大了表面积，从而降低了接地电阻。
接地环埋于离建筑物边缘的几英尺的壕沟内，并围绕建筑物基础结构一周。
还可用增大土地电导的回填材料（膨润土，天然粘土材料或其它适当材料）来提高土地的导电性。
这种埋地环形接地环需接到建筑物钢结构、防雷保护引下线、接地极系统、跨越它的金属管道系统和其它现有接地极。
有时候接地环上还需增加垂直接地棒。
例如在一个大学的研究所在建筑物的每个屋角处打入三根接地棒，有时在屋边中点再打三根接地棒，接地棒之间用3500kcmil的裸铜线，在36〃~40〃深处相互连通并环绕整个新建筑物一周（只要施工现场在继续施工，土沟已经开挖，施工人员仍在现场，就没有必要吝啬这一点接地线）。
这所大学建筑物今后将长期使用，它的用途在几时年使用期内是要变化的，没必要节省这1－2％的电气基建费用（用于加大中性线，增加配电回路数，完善接地系统和实现本文所提出的一些技术措施）。
化了这笔钱就可以保证建筑物电气系统长期正常工作而不需再动工挖土或作电气系统改建，这些改建可能需化大笔费用，在校园的环境条件下也可能是无法实现的。
·接地电阻接地系统在安装后应用接地电阻表（例如兆欧表）检查接地电阻，而且根据实际情况定期的进行检查，如每半年或一年一次。
若检测的结果与原值有较大出入，需查明原因并给予修正。
尽管NEC规定接地电阻需要小于或等于25欧姆，这个规定是基于在故障条件下使过电流保护器（断路器）动作的接地电阻。
对于敏感电子设备是不能按上述规定做的，换句话说，如果不能达到25欧姆，按规程允许安装第二个接地极，而且不用进行检查就可以了。
很多电话和通信公司要求接地电阻为5欧姆或更小。
没有一个接地电阻值可以保证设备不出故障，但通常是越低越好，10欧姆或更小的阻值是大多数土壤都能达到的。
施工中，只要已经动工，施工人员还在现场，应尽可能地安装最好的接地极系统，这样做不是浪费而是更为经济。
·接地埋设深度如在不大的建筑物场地或在罕见的高土壤电阻值地区施工时，需要深埋接地线。
铜管型接地极有时可达数十至数百英尺长，穿入钻孔中，这种情况极少但不是没有。
例如在山顶地区，为了达到要求的接地电阻，这种深钻孔的办法可能比在岩石表面或陡坡上做分散布置的接地系统更为经济。
按一般说法，深接地棒比分散布置接地棒更有效，20英尺长的接地棒的效果肯定比10英尺长的好。
如图5所示，由于深处的温度稳定和湿度增大，接地电阻随接地棒的增长而迅速下降。
接地棒的间距也是重要的，经验作法是当有多个接地棒时接地棒之间的间距应该是接地棒长度的两倍。
也就是每根10英尺长的接地棒安装间距不应小于20英尺。
图5雷电·雷电防护系统简言之，如果雷电认为对地最小的电阻通路是通过你的线路和设备的这条通路，那它就要借道你的线路和设备入地。
雷电能在很短的时间里能产生很大的电流，足以导致火灾或损坏几英里外的微电子线路。
我们所知的避雷针或接闪器是源于本杰明·富兰克林的发明。
这种方法为雷电提供了简便可控的接闪点,并安全地把它们导入地下。
为了提供最小电阻的通路，接闪器（避雷针）和引下线应采用大截面的铜线。
·防雷电系统的接地防雷引下线应和建筑物钢筋、电源接地线直接接至上述接地环或其它类型的接地极系统。
引下线应采用大截面铜线以降低阻抗。
有关防雷系统的详细资料可见美国“国家防火协会的法规#780”，《防雷法规》。
结束语通过采用上述推荐的措施，电源质量问题可以大大的减少。
在建筑物的新建或改建期间，只要施工还在进行，施工人员还在现场，花费在增加一些材料和加大导线截面的费用是很少的。
对减少生产率降低和停产造成的损失来讲，多这一点钱是很值得的。
如果正在生产的工厂中出现了电源质量问题，有必要仔细研究,采用最好的解决方法。
解决方法可能很简单，例如调整一下一些供电分支回路上的负荷。
对电源线路的布线稍加改动或增加一些供电分支回路。
在有些情况下安装隔离变压器或谐波滤波器可能是最好的方法。
对某些难以解决的电源质量问题则要请专业工程师帮助了。
环形接地配和增加垂直接地棒可在建设新建筑物时考虑。
这种方式不能用于建筑物改建,特别是不能用于城市或其它土地空间有限制的地区。
对于改建来说，最好的解决办法是采用加长垂直接地棒或用化学药品来提高接地棒（与大地间的电导）。
但应确认埋入地下的化学药品和回填材料,应是经过国家环卫基金会和州环保机构承认和批准的环保材料。
在作分析检测时，必须使用能够测定谐波频率的测试仪表（通常称为“实际方均根表）有关电源质量的其它资料，包括原始资料书目和一盘有关谐波的录象带，均可从铜发展中心获得（1-800-CDA-DATA，或WWW.copper.org）电源质量问题通常可以通过对建筑物电气系统进行精心的设计而完全避免。
在现有的建筑物中，有时候也可以通过对电气系统进行简而又省钱的调整来减轻或消除电源质量问题。
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