实验室的电源干扰和接地问题

 

【摘要】通过光纤光缆产品检测实验室中仪器事故案例分析,着重指出必须注意电源干扰和接地问题。阐述了UPS的性能特点和工作原理。提出:实验室要求有单独专用接地装置,接地电阻应小于4Ω;要采用正弦波输出的在线式UPS。这样才能确保仪器正常工作,避免造成重大损失。

【关键词】 实验室;电源干扰;接地

0 引言

我国光纤光缆行业的生产能力和厂家数量,均列世界光缆行业之蕞。光纤光缆生产厂家检测中心已初具规模,承担起产品检验繁重任务,是确保产品质量不可缺少的重要部门。检测中心实验室建设质量好坏,不仅影响到产品质量,而且直接影响到仪器设备使用寿命和损坏率。

在实验室建设中,人们一般只重视电源稳压,环境温度,湿度等问题。对电网“污染”、电源干扰和接地问题并未引起足够重视,造成事故不断,损失严重。

本文根据作者多年工作经验,对上述问题进行重点分析,提出预防措施和解决方法。

1 应关注电网“污染”等电源质量问题

随着我国经济迅速发展,各种类型设备和电器投入电网使用都不可避免地给电网带来各种干扰,造成电网“污染”。据检测,广州某地电网中,峰值超过600V以上的干扰讯号,每天竟达上千次。因而使各种计算机(含工控机),数字类设备,高精尖电子仪器和电器设备的正常运行受到影响。

从理论上来讲,在电网电源干扰方面,我国的干扰严重程度要超出美国等国家的四倍以上,因为我们是220V高内阻电网,而他们是110V低阻电网。再加上我国许多企业用电不规范,加剧电网“污染”程度。许多昂贵的进口仪器到中国来会出现“水土不服”因而常出现故障。

某计算机专家曾指出,计算机的故障90%来自电源问题。许多事实表明:电源质量低劣是大多数电子设备损坏及其运行发生故障的元凶。

常见电源质量问题有:电压过高或过低,电网突波和杂波干扰,电力供应中断或瞬间断电等。一般电子仪器和电器设备都允许输入电压有一个波动范围内均可正常工作,但对于电网干扰(包括突波和杂波干扰)就容易引起严重后果。以计算机为例,常出现“冲程序”的CPU控制紊乱问题。

众所周知,微机在各行业得到广泛应用,几乎高精尖电子仪器和电器设备都有微机(含工控机)应用系统。抗干扰性能和稳定性已成为重要指标之一,否则,再完善的功能设计,若抗干扰性和稳定性不好则现场无法应用,电脑变为“烦脑”。

微机(含工控机)应用系统稳定性受到各种因素影响,但设法维持主机程序稳定性具有决定性意义。主机是严格按时钟操作,完成CPU和主机及外部设备的信息交换的。当干扰出现时,通常是CPU控制紊乱,严重时内存REM也被冲掉。其主要原因是不等位干扰,也就是逻辑地的不等位。

图1 不等电位干扰

Fig.1 Distribution of unequal voltage

从图1可以看出,CPU对REM控制作用在稳定状态下,分布地线A,B两点间不存在不等位因而工作正常。但是当地线上存在瞬变干扰(来自电磁场干扰或电网干扰)时,则A、B两点电位VA、VB则不相等,假设干扰瞬间VA+0.7v>VB时,显然CPU对REM的控制作用便遭到破坏,此时REM只有“1”状态而无“O”状态。从这个示意图说明,无论何种性质的干扰,蕞后则体现为不等位干扰,则对微机应用系统,高精尖电子仪器设备会造成严重故障甚至是致命伤。

由于电网供电用户极其复杂,所以电网“污染”、电网干扰也很复杂,如电磁铁、电动机、无触点开关、有触点开关、火花和电弧等都会产生干扰,可以说是无处不在无时不在;电网“污染”、电网干扰和电磁干扰等造成电源质量,务必引起我们足够重视。

2 采用在线式正弦波输出的UP S是确保电源质量有效手段

UPS即不间断电源,它的英文全称为:Uninterruptible PowerSystem。它可有效地克服电网污染、干扰引起的常见电源质量问题。如电压过高过低、电网突波或瞬间尖波、电源线上杂波干扰、电力供应中断或瞬间断电等,从而确保电子仪器设备正常运行。

2.1 UPS基本结构和分类

UPS供电系统基本结构是一套将交流电变为直流电的整流/充电装置和一套把直流电再度转变成交流电的PWM(脉冲宽度调制)逆变器。

UPS电源按其输出波形分类,则可分为方波输出和正弦波输出两大类。显然正弦波输出UPS电源的供电质量要优于方波输出的UPS电源。UPS按其操作原理,可分为后备式和在线式两类。

如图2所示:图2(a)是后备式UPS电源,在市电正常供电时,由市电直接向负载提供交流电源;当市电供应中断时,蓄电池通过逆变器向负载提供交流电源;即UPS电源的逆变器总是处于对负载提供后备供电状态。图2(b)是在线式UPS电源。平时由交流电->整流->逆变器方式对负载提供交流电;一旦市电中断时,改由蓄电池->逆变器方式向负载提供交流电源。

图2 后备式(a)和在线式(b)UPS结构示意图

Fig.2 System structure for UPS (a)Online(b)In reserve

显尔易见,我们应当选用在线式正弦波输出的UPS电源。因为在正常情况下它总是由UPS电源的逆变器供电,这样就避免了所有由市电电网而带来任何电压波动和各种干扰所产生的影响。

2.2 在线式正弦波输出的UPS电源工作原理

在线式正弦波输出UPS电源系统由四个部分组成:AC/DC变换器、储能电池、DC/AC逆变换器、智能控制电路。

(1) AC/DC变换器

AC/DC变换器将电网来的交流电经变压器降压、全波和滤波后变为直流电压,供给逆变电路。AC/DC输入端有软启动电路,可避免开机时对电网的冲击。系统稳压功能通常由AC/DC变换器完成。

(2) 储能电池组

储能电池组可存储直流电能,当市电中断时可继续提供DC/AC逆变换器电能。储能电池组还有一个重要功能—净化功能:由于AC/DC变换器无法消除瞬时脉冲干扰的影响,而储能电池组相当一只大容量电容器,其等效电容量的大小与储能电池组容量大小成正比。由于大电容两端的电压是不能突变的,即利用了大电容器对脉冲的平滑特性消除了脉冲干扰,起到了对电网污染干扰脉冲的净化作用,也称对干扰的屏蔽。

(3) DC/AC逆变换器

采用大功率IGBT模块全桥逆变电路,具有很大功率富余量,在输出动态范围内输出阻扰特别小具有快速响应特性。由于采用高频调制限流技术及快速短路保护技术,使逆变器无论是供电电压瞬变还是负载冲击或短路均可安全可靠工作。UPS电源的稳频特性则由DC/AC逆变换器来完成,频率稳定度取决于逆变换器本机振荡频率的稳定度。

(4) 智能控制电路

是整机功能控制的核心,它除了提供检测保护,同步及各种开关和显示驱动信号外,还完成SPWM(正弦脉宽调制)的控制。由于采用静态和动态双重电压反馈,极大地改善了逆变器的功态等性和稳定性。

2.3 在线式正弦波输出UPS电源主要等点

(1)无干扰稳压供电

无论市电供电是否中断,对负载供电均是由UPS电源DC/AC逆变器提供;真正实现了对负载的无干扰稳压供电,解决了任何抗干扰交流稳定电源都无法解决的问题。

(2)稳压稳频供电

当外界市电变化范为180~250ⅴ时它的输出电压稳定范围可达220v±3%,正弦波的工作频率稳定为50Hz±1%,真正实现稳压稳频供电。这是因为采用了石英晶体振荡器产生本机振荡,所以实际稳定度要优于50Hz±0.5%。

(3)标准正弦波输出

一般市售产品的波形失真系数均在<3%范围内。

(4)断电同步不间断转换

市电供电到市电中断过程中,UPS对负载供电转换时间为零。而后备式UPS,大约有4ms左右中断电时间(主要来源于继电器的转换时间,这个中断时间小于电脑所允许的10ms要求)。

(5)优良的输出电压瞬变特性

一般在100%负载加载或100%负载减载时,它的输出电压变化范围为1.0%左右,这种变化的持续时间非常短,一般为1—3周波。而后备式UPS未给出上述指标。

(6)整机噪声小

一般均采用20KHz以上PWM(脉冲宽度调制)技术工作,所以整机噪声都比较小。

(7)可靠性高故障率低

智能控制电路设计中采用光电来耦合器件等措施使“强电”驱动部分与“弱电”控制线路部分从电的角度隔离开,因而可靠性高,故障率非常低。

3 应注意接地问题

3.1 接地的基本概念

将电气设备或过电压保护装置用导线(又称接地线)与接地体连接简称为接地。直接与大地接触的金属导体或金属导体组称为接地体。接地线和接地体总称为接地装置。

(1) 对地电压

电气设备的接地部分(如接地外壳、接地线和接地体等)与大地零电位点(在距接地体或接地处20m以外的地方)之间的电位差称为接地时的对地电压。

(2) 接地电阻

接地体对地电阻和接地线电阻的总和称为接地装置的接地电阻。

(3) 接地和接零

接地目的的一是为了安全防止电气设备损坏和保证人身安全,二是为了保证电气设备的正常运行,如电气设备的工作接地。

为了保证人身安全,所有电气设备都应安装接地装置,并将电气设备外壳接地。若该电气设备一旦因绝缘损坏或感应带电,则电流可以经过接地线和接地体流入大地中去;不产生危险电压保护人身安全。

发电机和变压器的中性点直接接地时,该点称为零点。由零点引出的导线称为零线,将电气设备上金属外壳与零线相接称为接零。

为保证电气设备正常工作,可以采用重复接地措施,即将零线上多点与地再次连接。当系统中发生碰壳或接地短路时,可以降低零线对地的电压。

3.2 各类电气设备对接地要求

(1)在三相四线系统中的电气设备

一般均要求接地电阻小于10Ω,外壳均应接地。可以采用接零方法,即将外壳与零线相接。实行这种连接后当发生碰壳短路时,短路电流经零线而成为闭合回路变成单相短路,使保护装置(自动开关或熔断器)可靠而迅速动作切断故障设备,从而避免人身遭受触电的危险。这里必须指出:在中性点未接地系统中,采用接零保护是绝对不允许的。因为系统中任何一点接地或碰壳时都会使所有接在零线上的电气设备金属外壳呈现出近于相电压的电压,这对人身是十分危险的。

(2)高压试验设备接地要求

对于10kv以下的高压试验,一般为便携式;放在工作台上可不接地,操作时采用绝缘地板并戴绝缘手套。对于10~100kV电压等级容量10kvA以下的高压试验变压器,要求一点接地,把要接地的部件都通过一点进行接地,接地电阻应小于4Ω。此时要求把试验变压器等高压部分用围栏围起来,并用门开关和脚踏零位开关进行连锁,操作人员在围栏外面进行操作。像ADSS光缆(Alldielectric self-supporting fibercable)耐电痕性能试验,要求试验电压30kV时就必须按上述要求进行。

(3)电子医疗设备接地要求

X光机电子电路接地都是接在机壳上,保证有统一的基准电位,然后从机壳上接地。X光机各部件的铁壳、操作台、高压电缆金属护套、电动床、管式立柱等的铁壳均应接地,接地电阻应小于4Ω。心电图机和脑电图机为了避免外界干扰,要求单独设置接地装置,接地电阻应小于4Ω。

(4)电子计算机接地要求

电子计算机接地的种类分逻辑地、功率地、安全地。

a)逻辑地:是指信号回路中其低电位点要有一个统一的基准电位,把这个点进行接地叫逻辑地;其目的是使计算机电路有一个统一的基准电位。

b)功率地:是指大电流电路、非灵敏电路、噪声电路等(如机柜内的继电器、风机、指示灯、交直流电源电路等)都需接地,这种接地称为功率接地,简称功率地。若交直流电路分开接地时,则分别称为交流功率地和直流功率地。

c)安全地:是为了人身和设备安全,把正常运行时的不带电设备的金属外壳(如机柜外壳、元件外壳、面板等)接地;这种接地称为安全接地,简称安全地。

在进行计算机产品设计时其中接地方式就已被确定了。在使用计算机时要严格按照产品说明书要求进行接地,接地电阻应小于4Ω。

(5)一般电子仪表接地要求

一般工业电子电路实验用的电子仪表除接地电阻小于4Ω外还应采用接零。但交流接地和直流接地要分开,以防焊接时烧毁晶体管或集成电路。

(6)光电子试验室接地要求

光纤光缆光器件试验室属于光电子试验室,除要求防振光学仪器外还有精密电子仪器,微弱信号提取放大检测电路特别害怕干扰,对电源质量要求较高。所以要求光电子试验室有单独专用接地装置,其接地电阻应小于4Ω。

(7)防静电接地

静电是由于两种物质相互接触分离和磨擦而产生的;静电电压的大小与接触表面的电介质的性质、状态、表面间相互贴近的压力、表面间相互磨擦的速度和其周围介质的湿度、温度有关。对易燃易爆环境中,静电放电的火花还能够引起爆炸和火灾人员工伤事故等。

对微电子技术而言,静电往往对工艺过程和产品质量产生不良影响使其质量和可靠性产生严重后果,要格外注意。

采用接地是达到消除静电危险的主要方法。微电子、超洁净室、电子计算机室、医院手术室等为了消除静电,一般用导电地板,其接地方式是在地板下面的金属脚引接地线接地。

必须注意,对静电来讲人即是导体。因人而异,有的人带静电电压还相当高。据了解某军工研究所研制尖端产品例行试验老过不了关;经过反复查验,蕞后才发现原来是由于人体静电所至造成的。这类事故很多,应引起我们足够重视。

在特殊场合应避免穿丝绸或某些合成纤维(如尼龙)衣服,并在手腕戴接地环,确保接地。从事带电作业的人员不能戴戒指和手镯。在建筑物内,门的把手和门闩必须接地。接地电阻应小于4Ω。

3.3 接地装置的安装

接地装置包括接地体和接地线两部分。

(1)接地体

接地体可尽量利用自然接地体,如敷设在地下的各种金属管道,但易燃易爆金属管道以及包有黄麻、沥青层等绝缘物的金属管道除外。一般自然接地体不能满足接地电阻要求时,可采用人工接地体。人工接地体可采用下述方法:垂直埋入钢管、角钢或圆钢等。垂直接地体一般均应用打入的方法埋入地下。角钢接地体一般为40mm×40mm×4mm或50mm×50mm×5mm,长2.5m以上。端部稍尖以便打入土中。管形接地体一般采用直径50mm管壁厚度不小于3.5mm长度大于2.5m的钢管,一端打扁或削成尖形。一般应当有多根打入地中,并相互焊接成网状才能满足接地电阻小于4Ω的要求。接地体端部应露出地面10-20cm以便连接(焊接)接地线。禁止在地下用裸铝导体作为接地体,但可用钢管或粗铜线作接地体。

(2)接地线

接地线主要要求是要保证线为连续的导体,采用扁钢(截面积应大于48mm2)焊接,也可采用扁铜线。

3.4 接地电阻值的测量

可以采用接地电阻测试仪,对接地装置的接地电阻进行测量,接地电阻测试仪属摇表类型。

图3是ZC-8型接地电阻测试仪检测时连接方案。如图中所示两个金属探针均应插入土中,两个金属探针到接地电阻测试直线距离分别为20m、40m。接地电阻测试仪右端接线柱用导线接被测接地装置。

图3 接地电阻测试仪

Fig.3 Resistance meter of electricalgrounding

4 事故案例分析

上海某单位在一周内连续二台进口锁相放大器出故障引起有关部门重视,送检认准都是高灵敏度的弱信号放大器部分损坏,经检查零线电压竞有20多伏。原因是该实验室原为办公室,没有专门接地装置,而整个大楼内用电状况不规范,至使零线电压升高。后来搬到楼下有专用接的实验室工作再也没有出现锁相放大器故障问题。

江苏某单位进口的台式OTDR在甲车间对光缆衰减检测常出现数据不稳跳动现象,而在乙车间进行测试却一切正常;而便携式OTDR在甲乙车间进行测试均正常。分析结果为:台式OTDR适合在试验室条件下工作,在设计上对抗电网干扰能力较差,而便携式OTDR适合野外环境下工作在设计上抗干扰能力较强。经检查原因甲车间的仪器车上的电源接线板只接了2根线,缺少了接地线,经正确处置后即一切正常。

浙江某单位的进口光纤色散应变仪使用不到三个月就出现关键部件损坏。经查原因是该试验室根本没有专门接地装置,零线电压达30V以上。经安装专门接地装置采用在线式UPS电源后未再出现问题。

安徽某单位由于采用劣质稳压电源,由稳压电源故障引发进口光纤色散应变仪损坏。后来安装专用接地装置,采用在线式UPS电源,几年下来仍正常工作。

广东某单位进口的光纤色散应变仪才使用2个月就出问题。经查:该单采用柴油发电机自供电,试验室无专门接地装置,使用一般稳压电源。后来选用稳频在线式UPS电源和采用接地电阻小于4Ω的专门接地装置,几年来仪器仍正常工作。

5 结论

必须关注电源干扰和接地问题。对于检测中心和实验室要有单独专用接地装置,接地电阻应小于4Ω,要采用在线式正弦波输出的UPS电源;这样才能确保仪器正常工作,避免造成重大损失。

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