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福禄克电能质量分析仪帮助解决电噪声和电暂态

福禄克电能质量分析仪帮助解决电噪声和电暂态

  • 内容摘要:一、电气噪声真正意义上的解答 电气噪声在不同程度上是随机电信号耦合到不需要这种信号的电路中的结果,也就是说,它们会干扰携带信息的信号。噪声会发生在电源和信号电路上,

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详细描述

一、电气噪声真正意义上的解答

电气噪声在不同程度上是随机电信号耦合到不需要这种信号的电路中的结果,也就是说,它们会干扰携带信息的信号。噪声会发生在电源和信号电路上,但一般来说,它会在进入信号电路中时成为问题。信号和数据电路特别易于受噪声的影响,因为这些电路在极快的速度和很低的电压电平下工作。信号电压越低,可承受的噪声电压的幅度就越低。信噪比描述了在有效信息(即信号)被破坏之前电路能够承受的噪声大小。

对于电力质量来说,噪声是一个尤为神秘的问题,特别是因为它总必须与其同样神秘的孪生兄弟-接地,一起考虑。为了减轻这一问题的神秘性,需要理解两个关键概念:

1、首先,电气效应并不需要实际存在直接连接(例如,通过铜导体)。对于一名经受过接线方面的设计、安装和测试的电工人员来说,这可能并不直观。但想一想雷电的作用、隔离变压器的初级和次级或收音机的天线:它们都没有直接的硬接线连接,但仍存在着完整的电路。相同的电气行为规则也适用于噪声耦合,将在下面介绍。

2、第二个概念是,我们不再能停留在 60 Hz 世界里。60 Hz 的优点之一是,它是一个电源电路(如直流电路)几乎都可处理的足够低的频率。换言之,基本欧姆定律几乎在各处适用。
但在存在噪声时,我们需要记住,信号电路的工作频率很高,噪声通常是一个很宽的频谱,需要考虑潜在噪声源的频率相关行为。
工作电压越低、信号变化越快,对噪声越敏感
工作电压越低、信号变化越快,对噪声越敏感

如何理解耦合机制

共有四种基本噪声耦合机制。对它们加以理解并了解它们之间的不同是值得的,因为很多故障排查人员的工作是识别在特定条件下哪种耦合效用是主要的。
1、 电容耦合
它经常被称为静电噪声,是一种基于电压的效应。雷电放电仅是一个极端的例子。由一种绝缘材料(包括空气)隔开的两个导体构成一个电容器,换言之,电容是任何电路不可分割的一部分。频率越高,发生电容耦合的可能性越大(容抗,可以看作电容耦合过程的阻抗,从下式中可以看出,它随频率升高而降低:XC = 1/2πfC)。

2、电感耦合
这是一种磁耦合噪声,它基于电流效应。每个流过电流的导体都具有一个相关磁场。电流发生改变时,在其它电路(即使该电路是一个单圈环)中就会产生感应电流;换句话说,源电路的行为就像变压器初级,受主电路就像是次级。感应耦合效应随下列因素而增强:(1) 流过的电流更大;(2) 电流变化速度更快;(3) 两个导体(初级和次级)的更加接近;(4) 相邻的导体更像是一个线圈(圆形而不是扁形,盘绕而不是直向)。
噪声耦合 作为火线对地或中线对地噪声测量的接地噪声
噪声耦合 作为火线对地或中线对地噪声测量的接地噪声

下面是电感耦合引起电源电路中产生噪声的一些例子:

  ● 一个瞬变浪涌(尤其是发生在一个高能电路中)会引起可耦合到相邻导体中的电流的极快速变化。雷电浪涌是一个最坏的情况,但常见的分断瞬变或飞弧也可产生相同后果。

  ● 如果馈线电缆的定位使得存在一个净磁场,那么电流就会被感应到共用同一线槽的接地电缆中。

  ● 众所周知,信号线和电源线不得在同一个线槽中相互平行布置,因为那样会使它们之间的电感耦合达到最大;但可以将它们分开并在需要时进行十字交叉。 输入和输出电缆也应以相同方式相互隔离。

磁场可通过有效屏蔽进行隔离。所使用的材料必须能够传导磁场(铁性材料,而不是像铜这样的材料)。一个专用电路(火线、中线、地线)在可能时应该布置在自己的金属导线管中的原因是,实际形成的磁屏蔽可将电感耦合效应降到最低程度。电感耦合和电容耦合都称为近场效应,因为它们主要发生在短距离下,距离增加,耦合效应降低。这可帮助解释一个神秘的噪声问题,即电缆的轻微位置移动是如何对耦合噪声产生如此大的效应的。

3、 传导噪声
虽然耦合噪声最终可归结为传导性噪声,但传导性噪声通常指通过直接的电路(金属)连接而耦合的噪声。具有共用导体(如共用的中线或地线)的电路归在此类中。传导噪声可以具有很高的频率,但频率也可能是 60 Hz。

通常连接实例中,将令人生厌的噪声电流直接进行接地处理:
  ● 带有额外中线对地连接的子配电盘
  ● 插座的中线和地线接反
  ● 带有内部固态保护装置的设备,其保护装置存在火线或中线对地短路;或者没有故障,但具有正常泄漏电流。对于插入式连接设备,该泄漏电流被 UL 限制为 3.5 mA。但是,对于固定连线设备,则无限制,因而,其漏电流可能更高。(泄漏电流易于识别,因为它们将在设备断电时消失)。
  ● 另外一个常见例子是所谓的隔离接地棒。当它处在与电源接地电极不同的接地电位时,就会产生一个接地回路电流。这仍然是一个传导噪声,即使连接是通过接地进行的。
  ● 可提供从一个端子到另外一个端子的金属通路的数据通信连接也可传导噪声。在单端、不平衡连接情况下(RS-232),与与接地端子的连接在电缆的每一端进行。如果每一端的设备都通过不同的接地端参考到不同的电源,这就会提供了一条接地电流通路。

4、RFI(射频干扰)
RFI 的频率范围从 10 kHz 一直到几十 MHz(或更高) 在这些频率下,电路就开始充当起类似于发射和接收天线的角色。有问题的电路充当发射机,而受影响的电路充当接收天线。与其它耦合机制一样,RFI 也是一种噪声耦合形式,但它可以得到控制(但需要花费一些思考和努力)。

可以使用多种方法来降低射频干扰噪声:
  ● 很自然,光缆不会受到电气噪声的干扰。
  ● 使用屏蔽电缆(如同轴电缆)以中断噪声和信号之间的耦合。
  ● 平衡电路(如双绞线)不会中断耦合,但可利用可将射频干扰耦合进两条导线中(信号和返回)这个优点。该噪声(称为共模噪声)随后被减去,而信号被保留。实际上,平衡电路可为耦合噪声产生一个高阻抗。
  ● 另一种实现噪声高抗阻的方法即采用射频扼流圈。不管使用的是数据电缆还是电源电缆,射频扼流圈都可以提供有效的高频阻抗(XL 随频率升高而增加)。
  ● 一个低阻抗路径可用于将噪声分流。这是进行滤波以及使用去耦电容器背后的原理(对高频具有低阻抗,但在电源频率下断开)。时常被忽略的一个关键方面是,接地通路和接地板必须能处理高频电流。高频接地技术用于完成这个任务。第一次开发用于活动地板计算机房装置的 SRG(信号参考格栅)是一个有效解决方案。实质上,它就是一个高频等电势接地板。(有关高频接地的详细信息,请参见左页上的参考。)


三、如何理解信号接地

为了理解"清洁"信号接地的重要性,让我们讨论一下差模 (DM) 与共模 (CM) 信号之间的差别。考虑一个基本的两线电路:供电和返回。任何循环的电流或任何在两条导线之间的负载上读取的电压都称为差模(也使用常模、横模和信号模式这些术语)。差模信号通常是所需的信号(正如插座上的 120 V 电压)。想象存在着通常作为接地导线的第三条导线。任何流过两条原来导线并通过这个第三条导线返回的电流对于两条原来导线来说是共用的。共模电流真正的信号必须要克服的噪声。共模信号就是高速通路上的所有额外信号流量。它可以通过任一耦合机制(如电力线频率下的磁场耦合或更高频率下的射频干扰)而到达这里。关键之处是要控制或最大程度降低这些接地或共模电流,以便更容易利用差模电流。

四、测量方法

共模电流可使用电流钳并通过零序技术来测量。电流钳可以环绕信号对(或者,在一个三相电路中,所有三条相线和中线)。如果信号和返回电流相等,则它们的大小相等、方向相反的磁场会相互抵消。任何读取的电流一定是共模电流;换言之,任何读取的电流都是都不是从信号线返回、而是通过接地通路返回的电流。这种技术适用于信号线和电源线。对于基频电流来说,使用一个钳形表或数字式与电流钳的组合就足够了。但对于更高的频率,则应该使用像电力质量分析仪或示波器这样具有高带宽的仪表和一个电流钳附件。

五、特别注意事项-事关生死

有时,电力质量排查也是一个关乎生命与死亡的大事。

Dave 是一家医院的一名现场工程师。一天,他接到急救室中不安的护士打来的电话。护士说,他们的一个病人已经死亡了。但这并不是另人不安的主要原因。实际上不寻常的事情是,这个尸体还存在心跳。
特别注意事项
Dave 很快到达了现场。快速地扫一眼,他说明白死者并未还魂。问题存在于别的地方。护士们说明了她们所看到的情况:心电图上指示出有心跳。但是,这个信号有着一些不寻常的现象(似乎这并不是来自一具尸体的信号)。他注意到该信号是一个 60 赫兹正弦波(顶部稍平)。

仔细检查,他发现信号电线与电力电缆处于平行状态。信号导线和电力导线之间的耦合效应导致了心电图机上的 60 赫兹"心跳"。这个故事为我们的启示是,总要将信号线与电源线进行隔离,否则也会产生关乎生命与死亡的大问题。


六、区分瞬变和浪涌

在电能质量分析仪上进行瞬态捕捉
在上进行瞬态捕捉

应该将瞬变和浪涌区分开来。浪涌是因雷击导致的一种特殊的高能量瞬变。电压瞬变是能量较低的事件,通常由设备分断所引起。

它们的害处有多种:
  ● 它们会使固态元件性能下降。有时,一次高能量瞬变将会穿透一个固态接头,有时,重复性的低能量瞬变也会产生相同的作用。例如,超过二极管的 PIV(峰值反响电压)额定值的瞬变是二极管故障的常见原因。
  ● 它们的高频成分(快速上升时间)可使它们电容耦合到相邻导体中。如果这些导体携带有数字逻辑信号,该逻辑信号就会变得没有价值。瞬变还会在变压器绕组之间产生耦合,除非提供特殊屏蔽。幸运的是,这种高频成分可使瞬变电流相对局部化,因为它们可通过导体的阻抗而得到衰减(感抗随频率上升而增加)。
  ● 电力设施电容器开关瞬变是可能影响配电系统各级负载的常见高能量瞬变的一个例子(仍决不属于雷电一类)。它们是可调速传动装置恼人脱扣的人所共知的原因:它们具有将瞬变电流推动到驱动器直流链路中并引起过电压脱扣的足够能量。

  瞬变可波形进行分类。第一类为"脉冲式"瞬变,通常称为"尖峰脉冲",因为会在波形上产生一个突出的高频尖峰。另一方面,电容开关瞬变是一种"振荡式"瞬变,因为会产生一个振荡的波形,并使正常波形失真。它的频率较低,但能量较高。


七、具体原因

瞬变是不可避免的。它们由相对较高电流的快速分断所引起。例如,像电机这样的一个感性负载在断电时会产生一个反冲尖峰电压。事实上,从一个高能量电路上断开(一种螺线管电压测试仪)可能会产生数千伏的尖峰电压!

另一方面,电容器在被接通时会形成瞬时短路。在外加电压的这种突然崩溃之后,电压会重新反弹,并产生一个振荡波形。不是所有的瞬变都是相同的,但一般而言,负载分断会引起瞬变。

在办公室中,激光复印机/打印机是在办公分支回路中的一种人所共知的"不良设备"。每当使用时以及在不使用时的每隔大约 30 秒钟,它都需要接通一个内部加热器。这种不断的分断具有两个效果:该电流冲击或浪涌会导致重复性电压峰值;电流快速改变也会产生瞬变,从而影响同一支路其它负载。

瞬变可通过数字式存储示波器 (DSO) 来捕获。包括 DSO 功能的电力质量分析仪能够捕获、存储和随后显示最多 40 个电压波形。事件都带有时间和日期戳记(实时戳记)。可以使用电压事件记录仪在插座处捕获瞬变事件。提供了峰值电压和实时时间戳记功能。


八、瞬变电压浪涌抑制器 (TVSS)

幸运的是,瞬变保护方法并不昂贵。几乎所有电子设备都具有(或应该有)某种程度的内置保护。一个常用的保护元件是 MOV(金属氧化物可变电阻),它可将过高电压削弱。

TVSS 可用于提供附加的瞬变保护。TVSS 电压较低(600 V) UL 1449 进行测试并取得认证。UL 1449 按等级、类别和模式对 TVSS 进行划分。例如,TVSS 的最高级别为"等级 A"(6000V、3000A)、"类别 1"(最大允通电压为 330V)和"模式 1"(L-N 抑制)。应该根据负载的保护需要来选择正确级别:

  ● 较低的等级可能会导致一个持续使用一年而不是十年的 TVSS。 TVSS 中的固态元件本身的性能会随着不断承受瞬变而下降。
  ● 较低的类别可能会产生过高的允通电压,可能使负载受到破坏。类别 1 被建议用于开关式电源装置。
  ● 一个"模式 2"设备会将瞬变传递至地,可能会使电子电路的工作发生中断。


九、电压灵敏性曲线

新的 ITIC(信息技术工业委员会)曲线基于广泛的研究,它是对 CBEMA 曲线的更新。CBEMA(计算机和商业设备制造商商协会,现在的 ITIC)曲线,是适用于计算机和其它灵敏设备的厂商的初始电压灵敏性曲线。 230 V/50 Hz 设备和可调速驱动器的类似曲线正在开发中。灵敏设备应该能够不受曲线内事件的影响。曲线外面的事件可能需要附加的电源电源调节设备或其它补救措施。ITIC 中的一个大的变化是,断电的跨越时间以及对电压突降的承受度都得到提高。 现场故障排查人员必须记住,这些曲线只是建议,特定设备可能与曲线相符,也可能不符。即使这样,这些曲线仍然有用处,因为在将记录的时间对照这些曲线绘图时,它们可提供某个特定位置处电压质量的大致情况。
ITIC 曲线
ITIC 曲线

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