電源噪聲干擾對電子儀器設備的危害分析及對策

文/黃世平

近年來，隨著我國社會經濟的迅速發展，科技的不斷進步，很多先進的電子儀器設備都廣泛應用于不同的企業和事業單位中，而這些儀器設備主要包括分析測試儀器設備、不同類型的示波器、核探器以及電腦等等，在有些用戶群體中對于一些電子儀器設備的破壞，認為其關鍵原因是設備自身質量不佳和使用性能不良，并沒有考慮到供電電源噪聲干擾所引起的危害。更加不需要考慮電源噪聲產生的影響和供電電源的運行情況。本文首先分析了我國交流供電質量的現狀，然后介紹了電源噪聲及其主要危害，最后提出了解決電源干擾危害電子儀器設備的有效措施，希望可以為有需要的人提供參考意見。

1 電源噪聲的定義和分類

1.1 定義

在電磁干擾中電源噪聲是重要的組成部分，其傳導噪聲頻譜到10kHz-20MHz之間，最高可以達到150MHz。電源噪聲，尤其是瞬態噪聲干擾，其增加速度相當快、持續時間長、電壓振幅度較高、隨機性較強、容易干擾數字電路和微機。

1.2 分類

首先，根據不同的傳播方向劃分，電源噪聲主要分為兩大類：

（1）從電源進線引進的外界環境干擾；

（2）由電子儀器設備引起且經過電源線傳送出來的噪聲。

其次，根據其形成特征劃分，電源噪聲干擾可以分成兩大類，分別是共模干擾和串模干擾。共模干擾是兩條電源線對大地引起的噪聲，而串模干擾是兩條電源線之間引起的噪聲。

2 我國交流供電質量的現狀分析

我國屬于發展中國家，現代科技儀器設備、電子儀器設備等負荷量僅占市電總負載的極少量。當前，已有的供電設備，不管是配電的接地技術還是導線尺寸，其要求都是基于很多重型電氣設備和電氣裝置進行執行。并沒有充分考慮到電腦等系統以毫秒級速度開關所要求的低阻抗負載。因為我國在電力供應方面是嚴重緊缺的，存在一些質量問題，比如：電源內阻過高、地線系統各要求不相符、供電線路缺乏規范性等等，沒有得到密切關注。并且功能供電電壓地區存在較大的差別，也存在晝夜溫差大的情況，供電質量沒有保障，電壓最低有130伏，最高有300伏。面對這情況，電腦、電子儀器設備等設備以及一般穩壓電源都處于高危險使用狀況。

圖2：電壓浪涌和跌落波形圖

圖3：交流凈化電源簡圖

圖4：對比兩組不同諧振虛線

與歐美發達國家相比，我國供電質量是較低的，在短期內難以出現重大的改善，供電質量對用戶的日常生活造成困擾。在當前各地區使用的電網中存在很大的電網噪音，其主要原因是因為電網中的變電站、輸電線以及發電機都存在較強的內阻抗，從而導致電網用戶與用戶之間出現互相噪聲干擾的情況。在用電高峰階段高于其負荷能力時，電網電壓就會不斷增加。但電網功率因數偏小時，供電部門必須要采取并入電網的電容器，對功率因素進行適當的調整，此時在380V/220V電網中很有可能會引起超過1kV的尖峰電壓。高壓輸電線屬于懸浮型的接地系統，在其附近出現閃電時，能夠在380V/220V電網中激起3kV的尖峰電壓。一些單位由于在使用電腦或者電子儀器設備時沒有考慮到接線問題，零線對地線的電壓超過50伏，對于靈敏性的電子設備而言是難以保持安全可靠穩定的運行。

3 電源噪聲及其主要危害

在交流50Hz供電過程中，50Hz供電頻率正弦波以外的所有成分，都是一種電源干擾。其主要有三種類型，分別是脈沖式尖峰干擾、減幅震蕩干擾和電壓浪涌和跌落。

3.1 脈沖式尖峰干擾

該干擾持續時間不高于數毫秒，往往都處于15毫微秒-90毫微秒之間，而且幅度遠遠比供電交流峰高。在有些情況下尖峰干擾或者脈沖的幅值甚至高于供電峰值，已經高達3500V-5000V。通常，閃電是脈沖干擾的主要來源，主要包括周圍缺乏優良的避雷系統而直接遭受雷擊；而更多的是距離較近的閃電經電磁感應耦合到供電線路內。可控硅元件的導通也容易對其供電電源引起脈沖干擾。如圖1所示。

3.2 減幅震蕩干擾

該干擾最低是400Hz，最高是5000Hz，也有較高頻率的減負震蕩，其起始幅值都比供電交流電壓峰值高，持續時間等同于供電電源的1個周期。之所以出現該干擾，關鍵在于改善供電系統的功率因數時，因為接入補償電容器造成的；也有可能是因為有些用電設備的開關過程而引起的瞬態過程。

3.3 電壓浪涌和跌落

該干擾持續時間是5ms-5s的供電電壓，瞬間高于標稱供電電壓的25%或者瞬間跌落到小于供電電壓的10%，在有些地區該變化已經達到±30%。該干擾是因為大功率用電設備的中斷，電網系統中臨時出現的故障以及供電電源自身的電壓調節過程等造成的。比如：一些設備的開機中斷，電流會迅速超過正常值的6倍。該開機浪涌會造成供電電壓出現跌落的情況。如圖2所示。

以上三種類型電源噪聲干擾的危害主要有以下幾點：

（1）過壓。也就電壓比額定電壓高。長時間的過壓，增加設備壓力，造成電能的大量浪費，過壓偏高很有可能將儀器設備燒掉。

（2）欠壓。也就是按照規定的計劃降壓使用。長時間欠壓，導致設備無法安全可靠的工作，這時我們都會選擇穩壓器，容易導致電壓大大地減少，我們再增加使用穩壓器，電壓再次下降，引起一種不良的惡性循環。在供電水平不夠、配電系統缺乏合理、內阻較大等情況下是十分嚴重的。根據有關統計資料顯示，欠壓或者過壓高出標稱值的10%，就容易縮短儀器設備的使用期限。

（3）停電，也就按照計劃停電或者事故停電，其危害相當大，突然停電可以將電腦原有的程序全部損壞，造成停工，給用戶帶來經濟損失。無論什么負載的改變，供電的瞬間接通或者切斷，一般都會導致儀器設備出現各種故障。

（4）掉電、暫態和浪涌。時高時低的電源快變化，該快變化會損壞儀器設備，嚴重還會燒毀儀器設備，頻繁損壞電腦的內儲存。只要凹陷和浪涌達到±20%，就很有可能導致儀器設備的質量下降。

（5）尖峰。在電腦內電源正負尖峰代替時鐘脈沖時，容易使運算時間程序被打亂，其危害是相當嚴重的。如果尖峰電壓比交流電壓標稱值超出±25%，就容易導致電腦功能不能正常使用或者導致損失。對于220V/50Hz的供電系統，尖峰電壓不可以超出±75V。

（6）衰減震蕩式干擾電壓。若干擾電壓比交流電壓標稱值高于±15%，勢必會導致功能不能正常發揮，其臨界值在45V左右。

4 解決電源噪聲干擾危害電子儀器設備的有效措施

結合以上分析，當前存在很大的電源噪聲和電網噪聲，經常對各種電子儀器設備產生危害。我國在短期內無法提供質量可靠的電源，解決方法是在用戶設備與電網二者之間，加入二次供電裝置，真正實現局部高質量的交流供電環境。

4.1 對二次供電裝置的要求

（1）在確保輸出電壓具有較強穩壓精確度的條件下，盡量擴大輸入電壓范圍；

（2）反應速度較快，可以有效解決凹陷及浪涌問題；

（3）具有控制衰減震蕩以及尖峰等高頻干擾脈沖能力；

（4）一旦供電系統遭受雷擊或者存在異常高壓等情況時，可以確保保護用電設備完好無損，一切正常工作；

（5）電源具有很高的安全性、穩定性和可靠性，不可以由于二次供電裝置出現故障而引起用電設備的損壞；

（6）如果要求連續供電，必須要合理運用各種用電儀器設備，比如：逆變器、備用發電器等等，還要及時更換設備。

4.2 電源凈化技術和凈化電源

一般的穩壓電源僅僅可以將電源慢變化解決，對電源快變化是沒有任何作用的。當前普遍采用的技術主要以下幾種：磁飽和穩壓技術、抽頭開關技術、電池技術、低通濾波技術以及參數穩壓技術等等。下面著重介紹一些技術。

4.3 交流凈化電源

通常，交流凈化電源，是指可以迅速響應調整電壓，而且對常模尖峰干擾具有一定抑制力的電源。交流凈化電源的基本原理是采取正弦能量分配和大功率濾波器并聯組成。在電感兩端將分配器進行并聯，其可以通過正弦波電流的方法將能量根據需求準確輸進電感中，而且電感電壓是正的、負的，或者是零的，進而導致輸出電壓Uin

4.4 多參數穩壓電源

多參數穩壓技術在電源凈化技術中是一種較為顯著的方法，其在以往磁飽和穩壓技術的前提下融入平行磁通的概念，將磁飽和穩壓器中的強迫震蕩轉變成利用周期性的改變諧振回路里的存儲電感的參數，使得電源能量可以在同一個周期下分別兩次饋進系統內部，從而形成激勵制度，對比兩組不同諧振曲線如圖4所示。從圖中能發現，參數診斷具有獨特的諧振曲線，邊緣衰減速度較快，是一種不大的矩形，所以其抗噪聲干擾能力是相當強的。參數穩壓器僅僅使用電容、鐵心，不需要使用其他類型的元器件，所以具有較高的安全性和穩定性。在一些電源干擾較大的場合中應當選擇多參數穩壓電源。比如：220V輸入電壓在100V-300V之間，而且電源噪聲干擾尖峰超過3kV-4kV的場合。對比兩組不同諧振虛線見圖4。

4.5 逆變和電池技術

連續電源就是將電池技術和逆變技術進行有機結合，其采取脈寬調制技術，確保逆變器可以同時處于工作在線性放大狀態和工作在開關狀態。將大電流電源、交流電源、變頻電源以及高壓電源結合相結合，這樣在很大程度上能夠解決正弦波和逆變器效益兩者之間的沖突。但是需要注意的是，對連續電源進行使用與選擇時，必須要充分考慮到其使用的具體場合與環境。

圖5：對比不同類型的交流電源穩壓特性

盡管后備式連續電源具有一定的抗干擾能力和穩壓，但是事實上其穩壓范圍較小，反應遲鈍，很難控制浪涌等迅速脈動干擾；抗干擾能力通過低通濾波器完成，只可以作用于高頻譜，對一些破壞性較大、經常見到的低頻譜干擾是沒有意義的。整體來說，在有效供電條件較差的地區，單純的采用后備式的連續電源，并不能從根本上對交流供電的質量進行改善，也不能對電子儀器設備起到保護的作用。在該情況下，最佳的方法是在使用連續電源前，由專業人員安裝一個多參數穩壓電源或者交流凈化電源。而在線式連續電源對凈化和抗干擾電源噪音起到重要的意義，其結合了逆變技術、電池技術以及電源技術，能夠給用戶提供一個優質的電源。然而因為在線式連續電源價格普遍較高、維護成本不低，所以我們必須要根據實際需求和經濟水平選擇適合的。對比不同類型的交流電源穩壓特性見圖5所示。

5 結語

供電質量和電源噪聲干擾的不可靠，是目前存在的主要問題，若仍舊采取以往的穩壓技術，現代先進電子儀器設備在受到超過千伏尖峰電壓的沖擊和電網電壓大面積變動時是沒有意義的，勢必會損壞電子儀器設備。因此，必須要結合具體情況正確的選擇二次供電裝置，比如：凈化電源以及多參數穩壓電源都是有必要的，盡量保證電子設備安全穩定的供電，延長電子設備的使用期限。